MIS.1 STRUTTURE MISTE ACCIAIO-CALCESTRUZZO TIPOLOGIE STRUTTURALI E SICUREZZA

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UNIVERSITÀ DEGLI STUDI ROMA TRE DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA MAGISTRALE IN

INGEGNERIA CIVILE PER LA PROTEZIONE DAI RISCHI NATURALI

CORSO DI

COMPLEMENTI DI TECNICA DELLE COSTRUZIONI

ING. STEFANO DE SANTIS ANNO ACCADEMICO 2020-2021

MIS.1

STRUTTURE MISTE ACCIAIO-CALCESTRUZZO

TIPOLOGIE STRUTTURALI E SICUREZZA

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STRUTTURE MISTE ACCIAIO-CLS – TIPOLOGIE STRUTTURALI

Strutture miste acciaio-calcestruzzo

Riferimenti NIG §1.1-2

❑ Strutture costituite da parti in acciaio per carpenteria (profili semplici o composti) e parti in

calcestruzzo armato (ordinario o precompresso), rese collaboranti fra loro attraverso un sistema di connessione, appositamente dimensionato per resistere ai carichi.

❑ I due materiali sono compatibili in termini di espansione termica e complementare in termini di capacità meccaniche e strutturali: il calcestruzzo è resistente e rigido a compressione ma non ha resistenza a trazione, l’acciaio ha una buona resistenza a trazione ma manifesta problemi di instabilità a compressione.

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UNIVERSITÀ DEGLI STUDI ROMA TRE DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA

LM IN INGEGNERIA CIVILE PER LA PROTEZIONE DAI RISCHI NATURALI

COMPLEMENTI DI TECNICA DELLE COSTRUZIONI ING. STEFANO DE SANTIS www.romatrestrutture.eu

Strutture miste acciaio-calcestruzzo

❑ Questa tecnologia costruttiva è oggi adottata per edifici multi-piano ad uso commerciale o uffici, capannoni industriali, ponti, sia per gli elementi strutturali principali (colonne e travi) che per gli orizzontamenti (solai, solette, impalcati).

❑ Le strutture miste sono normate dalle NTC18 al par. 4.3. e dall’EC4

Riferimenti NIG §1.1-2

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Strutture miste acciaio-cls: prime tipologie

Solaio di Hennebique, 1879

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Strutture miste acciaio-cls: prime tipologie

Julius Kahn, 1903 Rock Rapids, USA, 1894

Ponte a travi d’acciaio curve immerse nel calcestruzzo

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Strutture miste acciaio-cls: prime tipologie

Rock Rapids, USA, 1894

Ponte a travi d’acciaio curve immerse nel calcestruzzo

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Strutture miste acciaio-cls: prime tipologie

Bad river bridge, USA, 1956

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Strutture miste acciaio-cls: tipologie attuali

Viadotto n° 10 della Strada a scorrimento veloce in variante alla S.S.18 tra la stazione di Vallo della Lucania e Policastro Bussentino, Italia, 1992

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Strutture miste acciaio-cls: tipologie attuali

Viadotto della bretella di Urbino, Italia, 2003 Struttura mista acciaio-cls bitrave

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Strutture miste acciaio-cls: tipologie attuali

Ponte Castaci, E90 tratto SS 106 Jonica dallo svincolo di Squillace allo svincolo di Simeri Crichi, Italia

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Strutture miste acciaio-cls: tipologie attuali

Tangenziale Est di Roma, Anni ‘60

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Strutture miste acciaio-cls: quadro delle lezioni

STRUTTURE MISTE ACCIAIO-CLS

Lezione 1: Inquadramento

❑ Tipologie strutturali: solette e impalcati, travi, colonne

❑ Aspetti tecnologici e vantaggi della tecnologia

❑ Valutazione delle sicurezza, stati limite, materiali, resistenze di progetto Lezione 2: Analisi di sezioni inflesse

❑ Metodi di analisi: lineare, non lineare, plastica. Legami costitutivi dei materiali

❑ Analisi flessionale allo SLE e allo SLU

❑ Effetti del ritiro e della viscosità del calcestruzzo Lezione 3: sistemi di connessione

❑ Tipologie e classificazione dei connettori

❑ Calcolo elastico e plastico del sistema di connessione

❑ Resistenza dei connettori e progetto del sistema di connessione

❑ Armatura trasversale della soletta Lezione 4: Analisi strutturale di travi miste

❑ Larghezze efficaci

❑ Influenza delle modalità costruttive

❑ Verifiche con PROFILI Lezione 5: colonne

❑ Aspetti costruttivi e tecnologici

❑ Calcolo elastico a compressione e a pressoflessione

❑ Calcolo plastico a compressione e a pressoflessione, metodo di Bergman 1

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Strutture miste acciaio-cls: testi e documenti

Testi e normative di riferimento

❑ Nigro E, Bilotta A. Progettazione di strutture composte acciaio-calcestruzzo. Dario Flaccovio, 2011.

❑ Eurocode 4: Design of composite steel and concrete structures - Part 1-1: General rules and rules for buildings

Altri testi e normative di approfondimento

❑ AICAP. Costruzioni in Calcestruzzo, Costruzioni composte acciaio-calcestruzzo, Commentario alle Norme Tecniche per le Costruzioni D.M. 14/1/2008, 2011.

❑ Radogna E.F. Tecnica delle Costruzioni, Volume Secondo. Zanichelli, 1998.

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Solaio misto acciaio-cls con lamiera grecata

❑ Per solai con luce fino a 3m, senza puntelli, oppure fino a 5m, con i puntelli

Riferimenti NIG §1.3.1

Solette e impalcati

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❑ La lamiera grecata sulla quale è gettato il cls svolge la funzione di casseratura autoportante e collabora alla resistenza del solaio

Solette e impalcati

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❑ Esistono numerose tipologie di lamiere grecate/sagomate, che si differenziano per la geometria dei risalti o per la forma in in prossimità degli ancoraggi di estremità

Solette e impalcati

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Solaio misto acciaio-cls con predalle in c.a.

❑ Per solai con luce fino a 6m

Solette e impalcati

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Casi limite e particolari di travi miste acciaio-calcestruzzo

Travi

Riferimenti

NIG §1.3.2

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Colonne

Fully / partially encased

Concrete filled

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Partially encased

Colonne

Riferimenti

NIG §1.3.3

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Fully encased

Colonne

Riferimenti

NIG §1.3.3

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Sistemi di connessione

Pioli Nelson

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Sistemi di connessione

Pioli Nelson

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Sistemi di connessione

Connettori ad attrito e a pressione

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Sistemi di connessione

Sistemi innovativi

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Strutture miste acciaio-cls: vantaggi

❑ Resistenza e impiego ottimizzato dei materiali: possibilità di coprire grandi luci

❑ Duttilità: buon comportamento sotto azione sismica

❑ Leggerezza: nelle travi composte il cls è in minima parte o per nulla teso, al contrario delle travi in c.a. nelle quali il calcestruzzo teso non contribuisce a resistenza e

rigidezza e costituisce quindi sono un peso. Nelle travi composte è ridotto o annullato il peso di parti in cls non collaboranti, con una complessiva riduzione del peso proprio della struttura, e riduzione dei carichi trasmessi in fondazione

❑ Stabilità: rispetto ad una trave in acciaio da carpenteria l’elemento composto presenta la parte in acciaio quasi totalmente tesa, eliminando tutti i problemi legati alla

compressione come l’instabilità locale e l’instabilità flesso-torsionale. La parte di cls inoltre irrigidisce la sezione, impedendo che il profilo in acciaio sbandi (globalmente o localmente)

❑ Aumento di resistenza del cls: nel caso di colonne concrete filled, l’acciaio esercita una azione di confinamento sul cls, con conseguente aumento della rigidezza in fase

elastica e della resistenza ultima di quest’ultimo.

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Strutture miste acciaio-cls: vantaggi

❑ Versatilità: facilità di modifiche strutturale ed integrazioni successive

❑ Funzionalità: le strutture miste acciaio-cls sono generalmente molto rigide (soprattutto nel caso in cui la parte di acciaio sia una strutture reticolare, e manifestano quindi deformazioni ridotte rispetto alle altre tipologie strutturali

❑ Praticità (1): è possibile in molti casi eliminare la casseratura in fase di getto, con risparmio economico;

o per gli orizzontamenti i casseri sono sostituiti dalla lamiera grecata o dalle predalles;

o per le colonne, la colonna funge da cassaforma che riveste il cls o che è riempita di cls (colonne concrete filled, fully encased, partially encased)

❑ Praticità (2): buona velocità di costruzione. Ad esempio, durante la costruzione i pilastri possono anche essere montati prima e poi solo successivamente riempiti di

calcestruzzo

❑ Durabilità: poiché il cls è (quasi) sempre compresso, i problemi di fessurazione vengono del tutto eliminati, almeno nel caso di travi semplicemente appoggiate

❑ Protezione dal fuoco: Nel caso delle colonne fully encased e parzialmente nel caso di quelle partially encased viene garantita una adeguata resistenza al fuoco

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Valutazione della sicurezza

❑ La sicurezza si valuta secondo i principi fondamentali del Metodo Semi-probabilistico del Stati Limite

❑ In aggiunta agli SLE ed SLU indicati per le strutture in c.a. ed in acciaio, le NTC18 prescrivono di considerare ulteriori Stati Limite:

o Stato Limite Ultimo di resistenza della connessione acciaio-calcestruzzo, da verificare per evitare la crisi del collegamento e la conseguente perdita di funzionamento composto della sezione

o Stato Limite di Esercizio della connessione acciaio-calcestruzzo, da verificare per evitare eccessivi scorrimenti durante l’esercizio della costruzione

❑ Devono inoltre essere considerate nella progettazione e nelle verifiche strutturali le fasi costruttive, quando rilevanti

o In fase di costruzione: verifiche delle travi e delle lamiere/predalle al momento del getto di calcestruzzo (cls fresco, presente ma non collaborante), con/senza puntelli

o In fase di esercizio: verifiche della sezione composta (cls indurito, collaborante), considerando gli effetti del ritiro e della viscosità del cls

Riferimenti

NTC18 §4.3.1.1-3

STRUTTURE MISTE ACCIAIO-CLS –VALUTAZIONE DELLA SICUREZZA

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Materiali

Riferimenti

NTC18 §4.3.3.1

ACCIAI

❑ Vale quanto prescritto per le altre tipologie strutturali, ed in particolare:

o Per gli acciai da armatura, per le parti in c.a., al §11.3.1-2 o Per gli acciai da carpenteria, per le parti in acciaio, al §11.3.4 o Per le parti saldate, al §11.3.4.4

❑ Ci sono prescrizioni specifiche per i connettori a piolo, §11.3.4.7

CALCESTRUZZO

❑ Classe di resistenza minima: C20/25 - massima C60/67

❑ Sono contemplati, e normati, i cls alleggeriti

LEGAMI COSTITUTIVI

Ai fini del calcolo, si adottano legami costitutivi semplificati in funzione dello specifico stato limite a cui si fa riferimento:

❑ Stati Limite di Esercizio:

o Legami elastici lineari

❑ Stati Limite di Ultimi:

o Legami non lineari: parabola-rettangolo per il cls e elasto-plastico per l’acciaio o Legami rigido-plastici (stress block)

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Resistenze di progetto

Riferimenti NTC18 §4.3.3

❑ Resistenza di progetto dei materiali:

f

_d

= f

_k

/g

_M

❑ f_k: resistenza caratteristica del materiale o f_yk: acciaio strutturale (da carpenteria) o f_sk: acciaio da armatura

o f_pk: acciaio da lamiera grecata o f_ck: calcestruzzo

❑ g_M: coefficiente di sicurezza parziale

❑ Verifiche agli SLU

❑ Verifiche agli SLE: g_M = 1.0

Materiale g_M

Acciaio strutturale g_A = 1.05

Acciaio da armatura g_S = 1.15

Calcestruzzo g_C = 1.50

Connessioni g_V = 1.25

STRUTTURE MISTE ACCIAIO-CLS –VALUTAZIONE DELLA SICUREZZA

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Queste slide sono utilizzate come materiale di supporto durante le lezioni in aula. Costituiscono un’integrazione ai testi e ai documenti normativi indicati agli studenti come riferimento fondamentale. Sono numerosi gli argomenti inclusi nel programma del corso (e quindi nel programma di esame) che non vengono trattati nelle presentazioni.

Ing. Stefano De Santis

stefano.desantis@uniroma3.it www.romatrestrutture.eu