Università degli Studi di Napoli FEDERICO II DIST

Università degli Studi di Napoli “FEDERICO II” DIST – Dipartimento di Ingegneria Strutturale Strumenti operativi per la progettazione di edifici con struttura SCFS RELATORI Ch. mo. Prof. Ing. Federico M. Mazzolani Ch. mo. Prof. Ing. Raffaele Landolfo CORRELATORI Dr. Ing. Luigi Fiorino Dr. Arch. Ornella Iuorio CANDIDATO Vincenzo Macillo Matr. 37/2855

MOTIVAZIONI • Crescente utilizzo di strutture portanti realizzate con profili formati a freddo rivestiti da pannelli • Ridotta familiarità con la tipologia costruttiva, soprattutto nel caso di strutture sismoresistenti • Limitati strumenti di progettazione sotto carichi verticali • Limitati strumenti di progettazione sismica

OBIETTIVI • Proporre abachi per la progettazione a carichi verticali dei principali elementi strutturali (solaio, parete, aperture, fondazioni) • Proporre nomogrammi per la progettazione sismica multiprestazionale • Investigare sperimentalmente il comportamento delle viti di collegamento

PIANIFICAZIONE DELLA RICERCA • Studio delle normative di riferimento per la progettazione • Realizzazione degli abachi per la progettazione sotto carichi veriticali • Realizzazione degli abachi per la progettazione sismica • Sperimentazione sul comportamento delle viti autoperforanti

HOUSING – Sistemi costruttivi La ricerca focalizza l’attenzione sul sistema ad aste, in quanto è il più diffuso e rappresentativo di tipologie strutturali maggiormente industrializzabili come il sistema a pannelli ed il sistema a moduli LINGHAM COURT, Londra - Housing design awards 2005

IL SISTEMA COSTRUTTIVO Gli elementi di base del sistema costruttivo: SOLAIO PARETE

PRINCIPALI ASPETTI PROGETTUALI • “All-Steel” design: il generico profilo viene considerato isolato, la resistenza dipende dalle sole condizioni di vincolo, la lunghezza di libera inflessione è valutata trascurando la presenza del rivestimento. • “Sheating-braced” design: la capacità portante del generico profilo è valutata considerando la presenza del rivestimento che esercita un effetto stabilizzante.

PRINCIPALI ASPETTI PROGETTUALI Le membrature in acciaio formato a freddo possono presentare tre diverse tipologie di instabilità: Instabilità locale Elementi piani deformati Instabilità distorsionale Elementi piani deformati Instabilità globale Elementi piani indeformati Linee di raccordo deformate Linee di raccordo indeformate Linee di raccordo deformate

ABACHI PROGETTUALI PER CARICHI VERTICALI

NORMATIVA DI RIFERIMENTO NORMATIVE NAZIONALI MINISTERO DELLE INFRASTRUTTURE - DECRETO 14 gennaio 2008 Approvazione delle nuove norme tecniche per le costruzioni. MINISTERO DELLE INFRASTRUTTURE E DEI TRASPORTI - CIRCOLARE 2 febbraio 2009, n. 617 Istruzioni per l'applicazione delle «Nuove norme tecniche per le costruzioni» di cui al decreto ministeriale 14 gennaio 2008. NORMATIVE INTERNAZIONALI EN 1993 -1 -1 - May 2005 Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1 -1: General rules and rules for buildings - May 2005. pr. EN 1993 -1 -3 - Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1 -3: General rules - Supplementary rules for cold-formed members and sheating – July 2005. pr. EN 1993 -1 -5 - Eurocode 3 - Design of steel structures - Part 1 -5: Plated structural elements - September 2005. EN 1995 -1 -1 - Eurocode 5: Design of timber structures - Part 1 -1: General - Common rules and rules for buildings November 2004. AISI - North American Specification for the design of Cold-Formed Steel structural members - November 9, 2001 draft edition. ALTRI RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI NASFA (2000), Prescriptive Method For Residential Cold-Formed Steel Framing, Year 2000 Edition - NASFA (North American Steel Framing Alliance), Lexington KY, USA. Pastor, N. , Etzenbach, C. (2008), “WISH: WORPACK DESIGN FOR STEEL HOUSE The new European easy-to-use tool for cold-formed steel building design”, in Proceedings of EUROSTEEL 2008, 3 -5 September 2008, Graz, Austria.

SOLAIO Gli elementi principali dei solai sono: • Travetti (joist) • Guide di chiusura (track) • Pannelli di rivestimento • Profili di irrigidimento d’anima (web stiffeners) • Ritegni torsionali: striscia in acciaio e profili di ritegno

SOLAIO Abaco progettuale per i pannelli di rivestimento • Pannelli in OSB/3 • Spessori del pannello: 12 - 27 mm • Schema di trave semplicemente appoggiata con carico uniformemente distribuito • Interasse dei travetti: 600 mm VERIFICHE secondo EN 1995 -1 -1: SLU: Resistenza a flessione con Classe di durata del carico: media Classe di servizio: 1 – 2 SLE: Deformabilità istantanea: l/300, l/500 Deformabilità a lungo termine: l/150, l/300

SOLAIO Abaco progettuale per i travetti Sezione a C con irrigidimenti Schema di trave semplicemente appoggiata con carico uniformemente distribuito Altezza profilo: 150 - 350 mm Spessore profilo: 1, 0 -3, 0 mm Lunghezza: 1200 – 9600 mm Interasse ritegni torsionali: 2400 mm max VERIFICHE secondo pr. EN 1993 -1 -3: SLU: Instabilità locale Flessione Taglio Azioni trasversali concentrate Instabilità latero-torsionale SLE: Deformabilità L/200, L/250, L/300, L/400

PARETI Gli elementi principali delle pareti sono: • Montanti (studs) • Guide di chiusura (track) • Pannelli di rivestimento • Ritegni torsionali: striscia in acciaio e profili di ritegno

PARETI Abaco progettuale per i montanti Sezioni a C con irrigidimenti singole e accoppiate Altezza profilo: 100 - 150 mm Spessore profilo: 1, 0 -3, 0 mm Altezza parete : 2400, 2700, 3000, 4000 mm Schema di trave semplicemente appoggiata alle estremità caricata in testa dallo scarico del travetto, lungo l’elemento dal peso proprio della parete e dall’azione del vento in direzione ortogonale alla parete. Carico vento: 0, 00 -1, 00 k. N/m 2 Peso proprio: 0, 30 -1, 20 k. N/m 2

PARETI Approccio “All-steel” senza vincoli intermedi L 0=H Pressoflessione Instabilità locale Instabilità accoppiata Approccio “All-steel” con vincoli intermedi L 0=H/2 Pressoflessione Instabilità locale Instabilità accoppiata Approccio “Sheating-braced” Pressoflessione considerando il contributo del pannello Secondo AISI (2001) Secondo pr. EN 1993 -1 -3

APERTURE Gli elementi principali del sistema di apertura sono: • Piattabanda • Montanti di sostegno (jack & king) • Collegamenti

APERTURE PIATTABANDA Sezioni accoppiate a C con irrigidimento Lunghezza: 1200 – 6000 mm Altezza profilo: 150 - 350 mm Spessore profilo: 1, 0 -3, 0 mm Schema di trave semplicemente su cui agiscono gli scarichi dei travetti del piano superiore e sollecitata in direzione ortogonale dall’azione del vento sulla parete VERIFICHE secondo la pr. EN 1993 -1 -3: Flessione deviata Azione combinata di flessione e azioni concentrate Taglio I montanti di supporto (Jack & King) hanno la stessa sezione dei montanti della parete Sui Jack agisce lo scarico della piattabanda e il peso proprio dell’apertura Sui King agisce lo scarico del travetto del piano superiore e l’azione del vento sull’apertura

COMPORTAMENTO DELLE PARETI SOTTO L’AZIONE SISMICA

RISPOSTA SISMICA Il comportamento di edifici con struttura SCFS è caratterizzato dalle pareti che si comportano come elementi resistenti a taglio. La risposta sismica della parete dipende dal comportamento degli elementi strutturali che la compongono: Pannelli di rivestimento Intelaiatura Connessioni rivestimento-intelaiatura Collegamento in fondazione hold-down La resistenza della parete è condizionata dal più debole dei meccanismi di rottura dei diversi componenti. In particolare la risposta della parete dipende essenzialmente dal comportamento delle connessioni tra pannelli e intelaiatura e dalla loro spaziatura

ANALISI DINAMICA INCREMENTALE Parametri variabili: • Larghezza della parete L : 1200, 2400, 9600 mm • Altezza della parete H : 2400, 2700, 3000 mm • Spaziatura delle connessioni s : 50, 75, 100, 150 mm • Materiali di rivestimento: GWB, OSB • Peso sismico M : 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40 k. N/m Scelta dell’input sismico: • Accelerogrammi: 21, 7 per ciascuna categoria di suolo A, B, C • Moltiplicatori PGA: 50 da 0, 05 a 0, 95 529200 configurazioni rappresentazione del modello numerico adottato per schematizzare la parete come un sistema ad un grado di libertà. Il comportamento isteretico a carichi laterali è descritto da un elemento Richard & Abbot

INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI STATI LIMITE Sa, ult si definiscono i seguenti stati limite: • Stato limite di snervamento S corrispondente al raggiungimento a, peak del valore della resistenza al limite elastico Fy considerando la curva bilineare equivalente Sa, y • Stato limite corrispondente al raggiungimento del massimo valore della resistenza del sistema e relativo spostamento dpeak Stato limite ultimo corrispondente • al raggiungimento del valore massimo dello spostamento dult e della resistenza pari all’ 80% di Fpeak F La capacità di risposta sismica del sistema può essere descritto attraverso i fattori di struttura: Fpeak Fy Sovraresistenza Duttilità e sovraresistenza d 0 dy dpeak dult

INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI A ciascun valore dello spostamento dy, dpeak, dult è stato associato un livello prestazionale a cui corrisponde una certa probabilità di eccedenza dell’evento sismico. Spostamento Livello (capacità) prestazionale Probabilità di eccedenza Periodo di ritorno Zona 1 Zona 2 Zona 3 dy Immediate Occupancy 50%/50 anni 72 0, 06 g 0, 10 g 0, 14 g dpeak Life Safety 10%/50 anni 475 0, 15 g 0, 25 g 0, 35 g dult Collapse Prevention 2%/50 anni 2475 0, 23 g 0, 38 g 0, 53 g Al diminuire della probabilità di eccedenza e quindi al crescere dell’intensità del sisma si associano livelli prestazionali più gravosi in quanto è meno probabile che tale livello venga richiesto durante la vita utile della struttura. Sono stati associati per ciascun livello prestazionale dei fattori di struttura per l’esecuzione di analisi sismiche elastiche

PROGETTAZIONE SISMICA LE TRE FASI DELLA PROGETTAZIONE 1. Definizione dei parametri geometrici della parete 2. Scelta della spaziatura delle connessioni 3. Valutazione degli altri parametri di progetto

PROGETTAZIONE SISMICA spaziatura (si) peso Sismico (w) Spettro di Accelerazione (Sa) CP HC/w=0, 32 Rigidezza (ki) HC/w=0, 41 LS HC/w=0, 31 Parete GWB+OSB Periodo (Ti) H=2700 mm L=4800 mm Resistenza (HCi) NO HCi≥HDi SI FINE Peso sismico w=30 k. N/m Azione sismica (HDi) Zona sismica 2 Categoria di suolo A k=1, 76 k. N/m mm T=0, 26 s IO HC/w=0, 25

PROGETTAZIONE SISMICA Il nomogramma può essere utilizzato solo nel caso di edifici con pianta simmetrica e pareti identiche (sistema ad un grado di libertà), dove il peso sismico unitario è dato dal peso sismico totale diviso la lunghezza dell pareti. Ma si può estenedere al caso: Edifici monopiano con simmetria planimetrica e pareti diverse Il peso sismico totale viene ripartito tra le singole pareti in funzione della rigidezza: Si verifica la singola parete attraverso il nomogramma corrispondente NO SI

PROGETTAZIONE SISMICA Il nomogramma può essere utilizzato solo nel caso di edifici monopiano. Ma si può estenedere al caso: Edifici multipiano Si effettua la verifica della parete al livello più basso su cui agisce il massimo tagliante di piano, considerando un sistema ad un grado di libertà equivalente Tale procedura è approssimata, per tale motivo è stato effettuato un confronto tra i risultati di analisi rigorose con quelli forniti dalla procedura proposta, facendo variare i diversi parametri in gioco, sono stati considerati: • Tipo di parete; • Edifici a 2 e a 3 piani; • Massa pari a 5, 10, 20 t; • Masse uguali per ciascun piano; • Massa al livello più alto pari alla metà di quella ai piani inferiori; k k m 3 m 1 +m 2 +m 3 m 2 m 1 k k L’errore commesso in termini di rapporto domanda-capacità è pari a:

PROVE SPERIMENTALI SU VITI AUTOPERFORANTI

PROVE SPERIMENTALI SU VITI AUTOPERFORANTI Le viti autoperforanti: • Rappresentano il sistema di fissaggio più diffuso per i collegamenti nelle strutture in acciaio formato a freddo • Consentono, in un’unica operazione, di realizzare il foro e di effettuare il collegamento • Caratterizzano il controventamento delle pareti nell’approccio “Sheatingbraced” • Caratterizzano la risposta delle pareti sotto l’azione sismica Inoltre, essendo generalmente considerate elementi non strutturali, si è riscontrato: • Carenza di valori relativi alle prestazioni strutturali • Assenza di procedure sperimentali codificate

PROVE SPERIMENTALI SU VITI AUTOPERFORANTI Le prove sono state eseguite presso il laboratorio della TECFI S. p. A, che ha fornito le viti per la sperimentazione Macchina di prova universale (trazione/compressione) a funzionamento elettromeccanico Max carico: 200 k. N Per ciascuna vite è stata realizzata una scheda contenente le specifiche tecniche utili alla progettazione

PROVE SPERIMENTALI SU VITI AUTOPERFORANTI Prove a taglio Il set-up di prova è realizzato in maniera tale da evitare che insorgano meccanismi diversi dalla rottura a taglio della vite La macchina trasferisce il carico al provino per compressione su due sezioni della vite Velocità di avanzamento: 5 mm/min Piastre in acciaio levigate e trattate termicamente (Durezza 50 -55 HRC) * Carico caratteristico valutato con k=2, 33 in accordo con la pr. EN 1993 -1 -3

PROVE SPERIMENTALI SU VITI AUTOPERFORANTI Prove a trazione Il set-up di prova è realizzato in maniera tale da evitare che insorgano meccanismi diversi dalla rottura a trazione della vite Velocità di avanzamento: 5 mm/min Piastra in acciaio levigate e trattate termicamente (Durezza 50 -55 HRC) Piastre in acciaio S 235 di spessore 20 mm * Carico caratteristico valutato con k=2, 33 in accordo con la pr. EN 1993 -1 -3

CONCLUSIONI Strumenti utili alla progettazione sotto carichi verticali Possibilità di effettuare rapidamente la progettazione dei principali elementi della struttura sotto carichi verticali Strumenti utili alla progettazione sismica Progettazione sismica multiprestazionale attraverso l’utilizzo di nomogrammi per l’analisi dinamica lineare Risultati sperimentazione Caratterizzazione sperimentale di viti autoperforanti per lo sviluppo di strumenti progettuali FUTURI SVILUPPI Sviluppo di un software per la progettazione degli elementi sotto carichi verticali Sviluppo di nomogrammi per la progettazione multiprestazionale per l’analisi statica e dinamica non lineare Sviluppo di nomogrammi per il caso di edifici non simmetrici in pianta Proporre un protocollo per la sperimentazione su viti autoperforanti

GRAZIE PER L’ATTENZIONE