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Interazione della struttura con gli elementi costruttivi
CYPECAD è dotato di un’utility informatica che consente di eseguire l’analisi dinamica di edifici sottoposti ad azioni sismiche considerando l’effetto degli elementi costruttivi non strutturali utilizzati per la realizzazione di chiusure verticali e partizioni. Il programma contempla vari modelli comportamentali dell’edificio corrispondenti a differenti situazioni o stati dei suddetti elementi.
È possibile ottenere in output relazioni di giustificazione complete del metodo di calcolo utilizzato, nelle quali si verifica il soddisfacimento dei criteri di progettazione sismica previsti dalle normative nazionali e internazionali.
Tutto ciò è possibile grazie al modulo “Interazione della struttura con gli elementi costruttivi”, risultato del progetto R+D “Metodologia per l’analisi dinamica di edifici sottoposti ad azioni sismiche, con considerazione dell’effetto degli elementi non strutturali e sviluppo di software con modelli BIM”, sviluppato da CYPE, in collaborazione con il Centro Internacional de Métodos Numéricos en Ingeniería (CIMNE) della Universidad Politécnica de Cataluña (UPC), finanziato dal Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial (CDTI) e cofinanziato dal Fondo Europeo di Sviluppo Regionale (FESR).
- Effetto degli elementi non strutturali nei confronti delle azioni orizzontali
- Un’utility unica sul mercato
- Inserimento dei dati
- Considerazioni assunte dal programma
- Esempio di analisi eseguita dal programma
- Autorizzazioni di cui la licenza in possesso dell’utente deve disporre
- Versioni e moduli di CYPECAD
- Programmi correlati
Effetto degli elementi non strutturali nei confronti delle azioni orizzontali
Le chiusure verticali e le partizioni si considerano elementi “non strutturali”; tuttavia, durante il verificarsi di un sisma, apportano rigidezza alla struttura, dal momento che comportano modifiche nella distribuzione e magnitudine delle azioni interne derivanti dall’azione sismica. Ad esempio, nel momento in cui tra i vari piani di un edificio vi sia una distribuzione non uniforme delle rigidezze associate alle chiusure verticali, le forze orizzontali incidono maggiormente sui pilastri appartenenti ai piani dotati di minor rigidezza, dando luogo a tagli di elevata magnitudine nei pilastri. Se questi non fossero progettati adeguatamente, tali azioni interne potrebbero provocarne una rottura fragile, il che metterebbe in serio pericolo la stabilità globale dell’edificio e ne provocherebbe il collasso.
Quanto esposto si verifica in edifici il cui piano terra è destinato ad usi commerciali che, in linea generale, possiedono un’irregolarità in termini di rigidezza che li rende notevolmente più deboli nel succitato piano. Tale differenza di rigidezza è dovuta al fatto che, abitualmente, l’altezza del piano terra è maggiore di quella dei piani superiori e, a causa di necessità correlate alla sua destinazione d’uso, si tratta di un piano il più delle volte non compartimentato. Anche nel caso in cui il piano inferiore possedesse una rigidezza analoga a quella dei piani superiori, durante i primi istanti in cui si verifica il sisma si produce la rottura delle chiusure verticali delle zone più basse dell’edificio; ciò implica brusche variazioni di rigidezza e, pertanto, un’irregolarità in elevazione. Di conseguenza, le rigidezze apportate dai differenti elementi non strutturali possono cambiare durante l’evento sismico, a causa delle crepe e rotture che si formano gradualmente.
Un’utility unica sul mercato
Attualmente non esistono sul mercato strumenti informatici che consentano di eseguire il calcolo strutturale di edifici e che integrino la possibilità di considerare in maniera semplice chiusure verticali e partizioni, ivi compresa la della rigidezza da esse apportata la quale può variare, durante un evento sismico, nel momento in cui si produce la loro rottura o sgretolamento.
Con le risorse di cui oggigiorno si dispone, un progettista dotato di un elevato grado di esperienza e conoscenze in materia di analisi strutturale potrebbe non trascurare, nel modello di calcolo, il contributo fornito dagli elementi non strutturali, considerando il comportamento non lineare dei materiali. Tuttavia, ciò richiederebbe, tra le altre cose, di investire un’ingente quantità di tempo per convertire i dati architettonici in dati numerici, oltre a un notevole sforzo nell’analisi dei risultati fino al raggiungimento di disegni esecutivi utili per l’esecuzione in opera. Inoltre, bisogna tenere in debita considerazione che, trattandosi di elementi non strutturali, non si dispone in generale dei dati inerenti al comportamento dei materiali, essenziali per la generazione di un modello numerico corretto.
Il modulo Interazione della struttura con gli elementi costruttivi di CYPECAD permette di eseguire la verifica del comportamento della struttura in differenti situazioni; genera automaticamente modelli di calcolo che tengono in considerazione la variazione di rigidezza degli elementi non strutturali; verifica il comportamento della struttura con e senza chiusure verticali o prevedendo stati intermedi (si veda a tal proposito il paragrafo Considerazioni assunte dalla prima versione del programma); dimensiona ogni elemento resistente per la situazione più gravosa e garantisce, in tal modo, la corretta risposta della struttura in tutte le possibili ipotesi di comportamento durante un evento sismico.
Inserimento dei dati
Basandosi sulle caratteristiche meccaniche ed elastiche attribuite ad ogni chiusura verticale o partizione definita, il modulo in esame genera e tiene in debita considerazione non solo i carichi associati ai suddetti elementi, ma anche la loro rigidezza e la variazione di quest’ultima durante il verificarsi di un terremoto.
Per inserire tali elementi non strutturali è stata implementata l’opzione Elementi costruttivi all’interno del menu Carichi nella linguetta Inserimento di travi. Cliccando su di essa, si apre una finestra fluttuante che consente di introdurre, editare e cancellare chiusure verticali e partizioni. Nel momento in cui si inserisce un elemento non costruttivo, compare un riquadro di dialogo nel quale si possono specificare le caratteristiche geometriche e meccaniche dei succitati elementi, quali la larghezza della muratura, il modulo di elasticità in direzione X della muratura omogeneizzata, il modulo di elasticità in direzione Y della muratura omogeneizzata, il modulo di rigidezza a taglio nel piano XY della muratura omogeneizzata, il coefficiente di Poisson nel piano XY della muratura omogeneizzata e il carico superficiale (facoltativa, si può attivare se si desidera che il programma tenga in considerazione automaticamente il peso proprio dell’elemento).
La considerazione della rigidezza degli elementi costruttivi non strutturali nel calcolo si esplica applicando il metodo proposto dal Centro Internacional de Métodos Numéricos en Ingeniería (CIMNE) della Universidad Politécnica de Cataluña (UPC). Bisogna precisare che tale rigidezza si sviluppa unicamente se l’elemento non costruttivo è confinato lateralmente tra pilastri, pareti di taglio o muri in calcestruzzo armato. In caso contrario, il programma genera il carico lineare ad esso equivalente, senza assegnargli alcuna rigidezza.
Pertanto, l’utente deve prevedere che se una chiusura verticale o una partizione è interrotta da un’apertura (finestra, porta, ecc.), il suo inserimento non può prescindere da tali interruzioni affinché il programma non gli assegni nessuna rigidezza.
Inoltre, al fine di tenere in considerazione la rigidezza apportata dagli elementi costruttivi, è necessario che all’opzione Elementi costruttivi (menu Progetto > Dati generali > voce Azioni) si assegni il valore Interazione con la struttura, operazione possibile nel momento in cui il metodo di analisi sismico selezionato sia dinamico (modale con spettro di risposta).
Considerazioni assunte dal programma
Oltre a quanto sopra esposto, il programma contempla la rigidezza apportata all’edificio da ciascun elemento costruttivo confinato lateralmente se le azioni interne che nascono in seguito al verificarsi di un terremoto non comportano la sua rottura. A partire da questo momento, l’elemento costruttivo non apporta ulteriormente rigidezza e la distribuzione delle azioni interne sull’edificio, inevitabilmente, cambia. CYPECAD terrà quindi in debita considerazione diversi stati di comportamento, man mano che si verifica la rottura di chiusure verticali e tramezzi, e dimensionerà ciascun elemento resistente in base alla situazione maggiormente gravosa.
Considerazioni assunte dalle prime versioni del programma (2014.a e 2014.b)
Le prime versioni del modulo Interazione della struttura con gli elementi costruttivi (2014.a e 2014.b) non contemplano ancora gli stati intermedi, ma si limitano a generare due modelli di calcolo: struttura priva di chiusure verticali e dotata di tutte le chiusure verticali inserite conformemente a quanto indicato in precedenza.
Per simulare nel programma un modello di edificio in cui il piano terra non sia compartimentato, basta inserire una struttura con distribuzione uniforme in elevazione di chiusure verticali e partizioni, a eccezione del piano terra in cui non si introducono elementi costruttivi. Per comprendere meglio tale situazione, si invita a consultare l’esempio illustrato nel seguito.
Se si desiderassero creare con le versioni 2014.a e 2014.b ulteriori situazioni o stati comportamentali dell’edificio, sarebbe necessario creare diversi progetti. Ad esempio, se si volesse studiare il caso di un edificio in cui sia il piano terra che un altro piano possiedano una rigidezza minore rispetto al resto dei piani, si possono calcolare due strutture uguali, una in cui sono presenti elementi costruttivi in tutti i piani ad eccezione del piano terra e un’altra nella quale esistono elementi costruttivi in tutti i piani ad eccezione del piano terra e del piano in questione. L’utente dovrà paragonare le due strutture al fine di assegnare a ciascun elemento strutturale il dimensionamento più sfavorevole. Nel caso in cui la rigidezza del piano intermedio fosse notevolmente minore di quella del piano terra, si potrebbe calcolare una terza struttura che preveda gli elementi costruttivi in tutti i piani ad eccezione del piano intermedio.
Conformemente a quanto sopra indicato, in versioni successive alle 2014.a e 2014.b il programma contemplerà automaticamente i diversi stati (struttura non compartimentata, struttura con gli elementi costruttivi esistenti ed altri stati intermedi), e dimensionerà ogni elemento resistente in base alla situazione più gravosa.
Tenga in considerazione che la politica di aggiornamento dei programmi CYPE consente agli utenti che dispongano del modulo “Interazione della struttura con gli elementi costruttivi” nella versione 2014.a, 2014.b o in qualsiasi versione 2014 di ottenere aggiornamenti gratuiti per tutte le versioni 2014 pubblicate.
Esempio di analisi eseguita dal programma
Si desidera analizzare il comportamento di un edificio nei confronti del sisma considerando la rigidezza apportata dalle chiusure verticali e le partizioni mediante il modulo “Interazione della struttura con gli elementi costruttivi” di CYPECAD.
Struttura
La struttura in questione è rappresentata da un edificio in calcestruzzo armato di sei piani (cinque più il locale macchine), costituito da telai le cui luci oscillano tra i 4,5 e i 5,6 m e da solai in getto pieno di 15 cm di spessore. In tutti i telai sono presenti pilastri con sezione 45x45 cm in fondazione, che si rastremano fino a possedere una sezione pari a 30x30 cm ai piani superiori. Tutte le travi sono fuori spessore di solaio con sezione 30x30 cm e l’altezza di ciascun piano è di 3 m.
Elementi non strutturali
Oltre al sistema strutturale resistente (pilastri-travi-solai), si inseriscono le chiusure verticali e le partizioni (elementi non strutturali), rappresentate da muri in muratura di 25 e 10 cm di spessore.
Azione sismica
Si esegue un’analisi dinamica modale con spettro di risposta secondo la normativa sismica Spagnola NCSE-02. Dopo aver impostato i dati relativi al sito, al tipo di terreno, alle caratteristiche della struttura ed altri parametri riportati nella figura sopra esposta, il programma genera il corrispondente spettro assunto per l’esecuzione del calcolo.
Analisi e risultati dell’esempio
Lo scopo del presente esempio consiste nel sottolineare l’importanza di tenere in debita considerazione le irregolarità della rigidezza in elevazione, dato che queste danno luogo ad azioni interne maggiori negli elementi resistenti dei piani meno rigidi.
Come illustrato in precedenza, è il caso di edifici il cui piano terra è destinato ad usi commerciali che, in linea generale, possiedono un’irregolarità in termini di rigidezza che li rende notevolmente più deboli nel succitato piano.
Per la struttura in esame si definisce una distribuzione uniforme in elevazione di chisure verticali e partizioni, ad eccezione del piano terra dell’edificio. I modelli o stati analizzati automaticamente dal programma sono due: quello che considera unicamente gli elementi strutturali e quello in cui sono compresi gli elementi strutturali e l’interazione degli stessi con gli elementi non strutturali; nel calcolo si contempla la rigidezza di questi ultimi.
L’analisi dinamica modale con spettro di risposta fornisce due insiemi di modi corrispondenti ai due stati considerati; per ciascuno di essi, le risposte modali (azioni interne, spostamenti, distorsioni, ecc.) si combinano mediante il metodo CQC al fine di ottenere la risposta in base all’ipotesi sismica (Sisma X e Sisma Y) e allo stato considerato. Si considerano le seguenti ipotesi dinamiche:
- SISMA X (stato 1)
- SISMA X (stato 2)
- SISMA Y (stato 1)
- SISMA Y (stato 2)
Nelle combinazioni dell’azione sismica con il resto delle azioni statiche si tengono in considerazione entrambi gli stati, ed ogni elemento strutturale si progetta e dimensiona per la situazione più gravosa cui risulta sottoposto.
Nel seguito si illustrano alcuni paragrafi della relazione “Giustificazione dell’azione sismica” fornita in output dal programma. Si mostrano i due insiemi di modi calcolati per i due stati della struttura considerati con i loro coefficienti di partecipazione, le loro percentuali di massa eccitata in ogni direzione e l’accelerazione spettrale associata. Le informazioni contenute nelle tabelle si riversano graficamente all’interno degli spettri di progetto utilizzati nel calcolo e si rappresentano gli intervalli dei periodi studiati per ciascuno stato.
Da un’analisi dei risultati si può osservare come i periodi associati allo stato 2, nel quale si considera l’effetto degli elementi non strutturali, sono minori di quelli ottenuti nello stato 1; in altri termini, lo stato 2 considera un modello di maggior rigidezza rispetto allo stato 1. A seconda della maggiore o minore rigidezza dei modelli, variano gli intervalli e, quindi, le accelerazioni ad essi associate. Inoltre i modi di vibrare associati ad ogni stato sono distinti e influenzano gli elementi resistenti in modo differente. Da ciò deriva che uno stato possa essere quello più gravoso per un dato elemento resistente, ma non esserlo per un altro. A causa di ciò, la nuova utility implementata calcolerà gli elementi considerando ambedue gli stati.
Nella relazione “Azioni interne e armature di pilastri, pareti di taglio e muri” si mostrano le azioni interne in base al modo e allo stato per ogni ipotesi sismica.
Nelle relazioni inerenti alla verifica degli elementi si può osservare che, per il calcolo degli stessi, sono state considerate le combinazioni di azioni statiche e le azioni dinamiche sia dell’uno che dell’altro stato. Così facendo, sono state abbracciate varie ipotesi di comportamento sismico, assumendo quella più gravosa per la progettazione dell’elemento. Nel seguito, ad esempio, si mostra la verifica relativa alla “Rottura nei confronti del taglio (combinazioni sismiche)” per il medesimo pilastro nel tratto solaio 4 –copertura e in quello fondazione – solaio 1, e si nota che la situazione più gravosa nel primo caso si verifica per lo stato 1 e nel secondo caso per lo stato 2.
Infine, si paragona il taglio totale a livello del piano in ogni direzione di analisi che comporta l’ipotesi sismica per ciascun stato di rigidezza considerato. La considerazione dell’effetto o interazione degli elementi non strutturali consente di tenere automaticamente in considerazione nel calcolo l’irregolarità in termini di rigidezza in elevazione. Nel momento in cui tra i vari piani di un edificio vi sia una distribuzione non uniforme delle rigidezze associate alle chiusure verticali, le forze orizzontali incidono maggiormente sui pilastri appartenenti ai piani dotati di minor rigidezza, dando luogo a tagli di elevata intensità nei pilastri. Se questi non fossero progettati adeguatamente, tali azioni interne potrebbero provocarne una rottura fragile, il che metterebbe in serio pericolo la stabilità globale dell’edificio e ne provocherebbe il collasso.
La nuova utility consente di disporre le chiusure verticali e le partizioni nei diversi piani, tenendo in debita considerazione la loro rigidezza. La loro distribuzione, nel caso in cui non sia uniforme in elevazione, genera automaticamente un’irregolarità in termini di rigidezza che si tiene direttamente in considerazione nel calcolo. Nell’esempio in questione, si tratta il caso del piano terra come piano non compartimentato (piano meno rigido). Nel seguente diagramma, si mostra il paragone esistente tra il taglio totale a livello dei vari piani provocato dall’ipotesi sismica per ogni stato di rigidezza considerato. Per il caso in cui si considera l’irregolarità in termini di rigidezza, si verifica chele azioni interne al piano terra sono molto maggiori (dell’ordine di due volte) di quelle ottenute se non si considerasse tale irregolarità. Pertanto, i risultati di calcolo generati prima di applicare questo nuovo metodo (si forniva solamente nello stato 1) non rimanevano a favore di sicurezza, dato che si consideravano le azioni interne nei succitati piani inferiori a quelle che si potevano realmente ottenere nello stesso.
Questo effetto sfavorevole non si teneva in considerazione nel calcolo fino ad ora; molte normative offrono la possibilità di simularlo amplificando le azioni interne del piano considerato soft-storey secondo un determinato fattore. I tagli e i momenti risultanti dall’analisi della struttura considerando unicamente gli elementi strutturali si amplificano secondo un fattore che varia in funzione della normativa sismica considerata. Il miglioramento apportato dalla nuova utility consiste nel fatto che il calcolo stesso ci indica direttamente quale piano è il soft-storey, evitando quindi che sia il progettista a stabilirlo. Inoltre, il fattore di amplificazione delle azioni interne non viene definito dal progettista, ma viene fornito dal calcolo stesso. Come si può osservare nell’esempio, il fattore ottenuto dal calcolo per l’ipotesi SISMA X è pari a 2.3, mentre per l’ipotesi SISMA Y è pari a 2.25. Tali valori entrano all’interno del range di valori forniti dalle normative per amplificare il taglio a causa dell’effetto “soft-storey”, che oscilla tra 1.5 e 2.5. Pertanto, il calcolo stesso, dal momento che contempla l’irregolarità in termini di rigidezza, fornisce in output azioni interne maggiori in corrispondenza del piano meno rigido, senza la necessità di considerare l’effetto in maniera indiretta, amplificando alcune azioni interne a posteriori.
Autorizzazioni di cui la licenza in possesso dell’utente deve disporre
Al fine di poter utilizzare il modulo “Interazione della struttura con gli elementi costruttivi”, la licenza d’uso in possesso dell’utente deve disporre dell’autorizzazione necessaria che consenta di utilizzare tale modulo, oltre alle autorizzazioni corrispondenti alle normative e agli elementi strutturali che si desiderano impiegare.
Versioni e moduli di CYPECAD
Versioni di CYPECAD
Oltre alla versione CYPECAD (senza limitazioni), il programma è inoltre disponibile in due versioni limitate, chiamate LT30 e LT50, che mantengono gli stessi strumenti e le stesse possibilità di acquisto dei moduli, con le seguenti limitazioni:
CYPECAD LT50
- Cinquanta pilastri.
- Quattro gruppi di piani (Gruppo di piani: piani uguali e consecutivi).
- Cinque piante totali.
- Cento metri lineari di muro.
CYPECAD LT30
- Trenta pilastri.
- Quattro gruppi di piani (Gruppo di piani: piani uguali e consecutivi).
- Cinque piante totali.
- Cento metri lineari di muro.
Il modulo Strutture 3D integrate di CYPECAD (presente anche in LT50 e LT30) non è un modulo chiamato correttamente. Per definire queste strutture 3D in CYPECAD è necessario che la licenza d’uso disponga dei permessi per utilizzare CYPE 3D e, a livello opzionale, i moduli esclusivi di CYPE 3D.
Moduli di CYPECAD:
- Pilastri in acciaio
- Pilastri in legno
- Travi in acciaio
- Solai unidirezionali (travetti in calcestruzzo generici)
- Solai con travetti in legno
- Solai con travetti gettati in opera, prefabbricati e in acciaio (richiede il modulo Solai unidirezionali)
- Solai nervati
- Solai in getto pieno
- Verifica a punzonamento
- Solai misti
- Solai precompressi a cavi post-tesi per edifici
- Solai a piastre alleggerite
- Pareti di taglio
- Muri portanti
- Muri a tensione piana
- Scale
- Piastre e travi di fondazione
- Muri in blocchi di calcestruzzo
- Sistemi di protezione collettiva
- Interazione della struttura con gli elementi costruttivi
- Strutture 3D integrate (Si attiva acquistando Strutture 3D)
Moduli comuni a CYPE 3D e CYPECAD:
- Pilastri in calcestruzzo
- Travi in calcestruzzo
- Profili in legno
- Colonne composte in calcestruzzo e acciaio
- Plinti su pali (comprende reticoli di travi di collegamento)
- Plinti (isolati e continui) (comprende reticoli di travi di collegamento)
- Piastre di ancoraggio
- Calcolo avanzato di fondazioni superficiali
- Inserimento automatico di progetti: DXF, DWG e modelli CAD/BIM
- Verifica di resistenza al fuoco
- Calcolo in parallelo con due processori
- Calcolo in parallelo (fino a otto processori)
- Unioni I. Saldate. Capannoni con profilati laminati e saldati a doppio T
- Unioni II. Bullonate. Capannoni con profilati laminati e saldati a doppio T
- Unioni III. Saldate – Telai per edifici con profilati laminati e saldati a doppio T
- Unioni IV. Bullonate – Telai per edifici con profilati laminati e saldati a doppio T
- Unioni V. Travature reticolari con profilati tubolari
- Esportazione in formato CIS/2
