Analisi sismica in IDEA StatiCa Connection

Introduzione

Quando si progetta la struttura per resistere alla combinazione di casi di carico sismico, l'ingegnere deve scegliere un concetto:

• Comportamento strutturale a bassa dissipazione
  • q = 1 a 2 (classe di sezione 4 → q = 1)
  • Nessun requisito speciale per le strutture in acciaio
  • Classe di duttilità bassa (DCL)
• Comportamento strutturale dissipativo
  • q ≤ 4 - Classe di duttilità media (DC"B"), classe di sezione 1, 2
  • q > 4 - Classe di duttilità alta (DC"A"), classe di sezione 1

Per un comportamento strutturale a bassa dissipazione, non sono necessari requisiti speciali e sono richieste le consuete verifiche dei collegamenti. Tuttavia, per carichi sismici elevati, la progettazione di una struttura che resiste in uno stato elastico non è fattibile ed è necessario un comportamento strutturale dissipativo. L'analisi Member Capacity Design di IDEA StatiCa Connection è pensata per questo tipo di comportamento.

I possibili tipi strutturali di sistemi di resistenza sismica ammessi dalla norma EN 1998-1 sono:

• telai resistenti al momento (MRF)
  • cerniere plastiche alle estremità delle travi o nelle connessioni delle travi alle colonne
  • Le cerniere in plastica possono anche essere
    • alla base della colonna
    • alla sommità della colonna nel piano superiore
• Telai con controventi concentrici (CBF):
  • Le zone dissipative si trovano nelle diagonali in tensione.
• Telai con controventi eccentrici (EBF):
  • zone dissipative nei collegamenti sismici, soprattutto nelle travi.
• Strutture a pendolo invertito
• Strutture in acciaio associate a nuclei o pareti in calcestruzzo
• Telai doppi costituiti da telai resistenti al momento combinati con telai controventati
  • L'MRF contribuisce per oltre il 25% alla resistenza e alla rigidezza totali.
• Telai resistenti al momento combinati con tamponamenti in cemento armato

Determinazione dei casi di carico sismico

Le forze interne per la combinazione di carichi sismici possono essere determinate con uno dei seguenti metodi di analisi sismica strutturale:

• Metodo delle forze laterali
• Analisi dello spettro di risposta modale lineare
• Analisi pushover statica non lineare
• Analisi dinamica non lineare a storia temporale

L'uso dell'analisi dello spettro di risposta modale lineare fa sì che le forze interne "perdano i segni" a causa del metodo della radice quadrata della somma dei quadrati (SRSS). I segni devono essere riottenuti con il metodo delle forze laterali - il giunto in IDEA StatiCa deve essere in equilibrio. I carichi sismici sono nella combinazione di carico accidentale e la struttura viene analizzata. I giunti sono progettati utilizzando l'analisi standard delle sollecitazioni e delle deformazioni (EPS) in IDEA StatiCa Connection.

Inoltre, le membrature non dissipative devono essere in grado di trasferire in sicurezza, senza deformazioni significative, le forze necessarie a creare le cerniere plastiche nelle membrature dissipative. Questa verifica aggiuntiva viene eseguita nell'analisi Member Capacity Design (MC).

Progettazione in capacità

L'obiettivo della progettazione in capacità è quello di confermare che un edificio abbia un comportamento duttile controllato, al fine di evitare il collasso in caso di terremoto di livello progettuale. Ciò comporta la progettazione della struttura per consentire un cedimento duttile in punti chiave prevedibili all'interno della struttura e per impedire che si verifichino altri tipi di cedimenti in prossimità di tali punti o in altri punti della struttura.

In altre parole, in una struttura che contiene elementi sia fragili che duttili, la progettazione della capacità è un metodo per fornire alla struttura una caratteristica duttile complessiva.

Alcuni elementi sono considerati dissipativi e altri non dissipativi. Le connessioni sono solitamente non dissipative, ma in alcuni casi possono essere dissipative. Si prevede che gli elementi dissipativi subiscano deformazioni plastiche significative durante il caso di carico sismico, l'energia sismica può essere esaurita in corrispondenza di queste deformazioni e il carico sismico è quindi significativamente inferiore. D'altra parte, gli elementi dissipativi devono essere in grado di resistere alle deformazioni cicliche senza subire fessurazioni e tutti gli elementi non dissipativi devono essere in grado di trasferire il carico indotto dagli elementi dissipativi. Per garantire la formazione di una cerniera plastica nell'elemento dissipativo, si utilizza la resistenza allo snervamento probabile invece della resistenza allo snervamento nominale e talvolta, soprattutto per le travi negli MRF, si tiene conto anche dell'indurimento da deformazione. Pertanto, la resistenza degli elementi dissipativi è considerata come:

\(f_{y,max} = \gamma_{sh} \cdot \gamma_{ov} \cdot f_y \) (IT)

\(F_{y,max}= C_{pr} \cdot R_y \cdot F_y \) (AISC)

dove:

• γ_sh - fattore di incrudimento, pari a 1,1 nella EN 1998-1 e a 1,2 nella EN 1993-1-8; il valore 1,2 è raccomandato nei manuali ECCS perché corrisponde meglio alle qualità di acciaio utilizzate per le applicazioni sismiche; modificabile nella funzione elemento dissipativo
• γ_ov - fattore di sovraresistenza, il valore consigliato è 1,25; modificabile in materiali
• \(C_{pr} = \frac{F_y + F_u}{2 \cdot F_y}\) - fattore di indurimento da deformazione - AISC 358-16 (2.4-2); può essere attivato o disattivato nella funzione elemento dissipativo
• R_y - rapporto tra la resistenza allo snervamento probabile e quella minima - AISC 341-16 - Tabella A3.1; modificabile in materiali

La resistenza ultima (a trazione) viene modificata anche per gli elementi selezionati come dissipativi:

\(f_{u,max}= \gamma_ov \cdot f_u \) (IT)

\(F_{u,max} = R_t \cdot F_u \) (AISC)

dove:

• γ_ov - fattore di sovraresistenza, il valore consigliato è 1,25; modificabile nei materiali
• R_u - rapporto tra resistenza a trazione probabile e minima - AISC 341-16 - Tabella A3.1; modificabile nei materiali

Tutti i fattori sono modificabili, consentendo all'utente un grande grado di libertà. Inoltre, è possibile creare più funzioni di sovraresistenza con proprietà diverse, ma una piastra può essere selezionata una sola volta. Il fattore di sovraresistenza non è tipicamente utilizzato (è uguale a 1) per l'analisi dei telai controventati. Si noti che i fattori di sicurezza (resistenza/capacità) non vengono utilizzati per gli elementi dissipativi (elementi o piastre con funzione di sovraresistenza applicata).

Caso di studio: Telai resistenti al momento

In genere, la trave è un elemento dissipativo, in cui si intende formare una cerniera plastica, mentre il collegamento e la colonna sono elementi non dissipativi, che devono rimanere senza deformazioni significative. La trave viene caricata con il carico necessario a formare la cerniera plastica nella trave con probabile snervamento e con la corrispondente forza di taglio:

\[ M_{Ed} = f_{y,max} \cdot W_{pl} \]

\[V_{Ed} = \frac{2M_{Ed}}{L_h} + V_{gravità} \]

dove:

• W_pl - modulo di sezione plastica della trave
• L_h - distanza tra due cerniere plastiche della trave
• V_gravità - forza di taglio dovuta al carico di gravità nella combinazione sismica

Si noti che se si utilizza un giunto trave-colonna su due lati, le forze devono provenire dallo stesso caso di carico con direzioni corrette, ad es:

Le forze di taglio sono tipicamente applicate al nodo per i giunti rigidi. Ma la forza di taglio corrispondente applicata diminuisce il momento flettente alla cerniera plastica. Il momento alla cerniera plastica è calcolato come \(M_{Ed} = f_{y,max} \cdot W_{pl}\) e il momento flettente M_y al nodo è aumentato dalla forza di taglio V_z a \( M_y = f_{y,max} \cdot W_{pl} + V_z \cdot s_h \) dove_sh è la distanza tra il nodo e la posizione della cerniera plastica. La norma AISC 358 specifica il valore_sh ma per la distanza tra la faccia della colonna e la cerniera plastica.

Un'altra opzione è quella di impostare \(M_y = f_{y,max} \cdot W_{pl} \) e impostare la posizione della forza di taglio nella posizione della cerniera plastica prevista (Modello > Forze in > Posizione).

Al giunto possono essere collegati altri elementi non dissipativi. Tali elementi devono essere caricati con carichi di gravità dalla combinazione di carico sismico accidentale.

Dettaglio

Le regole di dettaglio specificate nei codici pertinenti non sono controllate in IDEA StatiCa Connection e devono essere seguite. La resistenza alla fatica a basso ciclo di molti giunti antisismici è stata convalidata da prove sperimentali. Soprattutto i dettagli delle saldature sono soggetti a cricche da fatica e solo un controllo standard delle saldature non è sufficiente per le connessioni di elementi dissipativi. Di seguito sono riportati esempi di dettagli di saldatura prescritti nel progetto EQUALJOINTS.

Dettagli di saldatura delle scanalature a piena penetrazione dei giunti trave-colonna a piastra terminale estesa, irrigidita e non irrigidita:

Particolari di saldatura per giunti a piastra d'estremità estesa con incavo:

Osso di cane

Larghezza della flangia della trave: _bf

Profondità della trave: _db

Profondità massima del taglio della flangia: c = 0,25 _bf

Profondità consigliata del taglio della flangia: c = 0,20 _bf

Distanza tra la faccia della colonna e l'inizio della sezione ridotta della trave: a = 0,6 _bf

Lunghezza di riduzione della flangia: s = 0,75 _db

Capacità rotazionale del collegamento

IDEA StatiCa Connection fornisce i diagrammi momento-rotazione per qualsiasi elemento collegato. L'analisi della rigidezza fornisce (non solo) i seguenti risultati:

• Rigidità iniziale
• Capacità limite per il 5% di deformazione plastica
• Capacità rotazionale per il 15% di deformazione plastica

Tutti questi elementi sono importanti per una corretta progettazione sismica del collegamento. La capacità rotazionale (rotazione _ϕc) è utilizzata per valutare la duttilità del collegamento. Il valore dato può essere confrontato con i valori raccomandati dai codici di progettazione.

Riassunto

Il giunto destinato a far parte di un sistema di resistenza sismica con comportamento strutturale dissipativo deve essere verificato rispetto a:

• combinazioni di carico standard (analisi EPS)
• combinazione di carico sismico accidentale (analisi EPS)
• carico necessario a formare una cerniera plastica nell'elemento dissipativo (analisi MC)

Devono essere seguite le regole di dettaglio specificate dal codice.

Riferimenti:

• EN 1998-1 Capitolo 6: Regole specifiche per edifici in acciaio
• EN 1993-1-8
• ACI 341-16 https://www.aisc.org/globalassets/aisc/publications/standards/seismic-provisions-for-structural-steel-buildings-ansi-aisc-341-16.pdf
• ACI 358-18 https://www.aisc.org/globalassets/aisc/publications/standards/a358-18w.pdf
• ACI 360-16 https://www.aisc.org/globalassets/aisc/publications/standards/a360-16-spec-and-commentary.pdf
• CSA S16-14