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Analisi delle strutture in zona sisimica: utilizzo delle leghe di alluminio

Guida, Alessandro

Analisi delle strutture in zona sisimica: utilizzo delle leghe di alluminio.

Rel. Donato Sabia, Giuseppe Ferro. Politecnico di Torino, Corso di laurea in Architettura, 2005

Abstract:

Analisi delle strutture in zona sismica; utilizzo delle leghe di alluminio.

Il lavoro svolto in questa tesi di laurea vuole mettere in risalto le capacità strutturali

dell'alluminio che, combinato con altri materiali (quali manganesio, magnesio,

zinco, silicio ecc), formano delle leghe molto resistenti con caratteristiche

funzionali, costruttive e meccaniche adatte all'utilizzo strutturale.

La scelta del tema è nata da una curiosità coltivata negli anni, durante i corsi di

materie strutturali poiché, in nessuno di essi, si è mai affrontato lo studio delle

leghe di alluminio nonostante le ampie possibilità del suo utilizzo.

Per poter studiare a fondo le proprietà di un qualsiasi materiale, si è costretti a

partire dal principio, quindi dall'estrazione delle materie prime necessarie per la

produzione di alluminio, passando ad una analisi approfondita sulla composizione

chimica dell'elemento, fino ad arrivare alle metodologie di produzione delle leghe

di alluminio che si utilizzano in campo strutturale.

Dopodiché si è passati ad un dettagliato approfondimento delle caratteristiche

fisico-meccaniche, le quali sono state messe a confronto con le medesime proprietà

dell'acciaio; riscontrando delle differenze talvolta sostanziali ma che generalmente

non pregiudicano l'utilizzo delle leghe di alluminio nel campo strutturale.

Nella ricerca di edifici aventi struttura in alluminio, si sono trovati degli esempi di

spiccata creatività strutturale, partendo da realizzazioni effettuate negli anni '60, in

Brasile, fino alla contemporanea struttura di Utrech (Olanda 2003).

Data la possibilità di utilizzo di questo materiale, sia per i risultati ottenuti dal

confronto con l'acciaio sia da una crescente realizzazione di opere in lega di

alluminio (in parte o interamente) si è proceduto ad una comparazione delle diverse

normative.

In primo luogo si è studiato il comportamento delle leghe di alluminio alle semplici

sollecitazioni ed alle possibilità di unione fra gli elementi (unioni bullonate e

saldate), avendo come paragone la normativa in vigore sulle metodologie di calcolo

degli elementi in acciaio (CNR 10011/85), in secondo luogo lo studio e l'analisi

delle possibilità di utilizzo delle leghe di alluminio nelle strutture progettate in zona

sismica, seguendo la vigente normativa europea tramutata nell'Ordinanza

3274/2003 e s.m.i.

Per fare ciò si è calcolato il comportamento strutturale di una struttura esistente,

realizzata in lega di alluminio, con l'ausilio del programma di calcolo

COSMOS/M, confrontando i valori caratteristici con la medesima struttura

ipotizzata in acciaio.

Relators: Donato Sabia, Giuseppe Ferro
Publication type: Printed
Uncontrolled Keywords: struttura - zona sismica - alluminio - leghe - resistenza - strutture reticolari
Subjects: T Tecnica e tecnologia delle costruzioni > TE Tecnologia dei materiali
Corso di laurea: Corso di laurea in Architettura
Classe di laurea: UNSPECIFIED
Aziende collaboratrici: UNSPECIFIED
URI: http://webthesis.biblio.polito.it/id/eprint/595
Chapters:

Capitolo I - Alluminio; nascita e lavorazione

1.1 - Introduzione

1.2 - Cenni storici

1.3 - Materie prime

1.4 - Produzione di allumina

1.4.1 - Impianto di produzione di alluminio primario

1.4.2 - Riduzione elettrolitica (processo Hall-Heroult)

1.4.3 - Industria dell'alluminio secondario 1.5- Alluminio ed energia

1.6 - Cenni sulla struttura interna dell'alluminio

1.6.1 - Proprietà indipendenti dalla struttura

1.6.2 - Proprietà dipendenti dalla struttura

1.7 - Produzione delle leghe di alluminio

1.7.1 - Leghe da lavorazione plastica

1.7.2 - Designazione numerica delle leghe plastiche e sue famiglie

Capitolo II - Proprietà fisico-meccaniche

2.1 - Caratteristiche generali

2.2 - Resistenza alla corrosione

2.3 - Resistenza meccanica; trazione

2.3.1 - Resistenza meccanica; confronto con l'acciaio

2.3.2 - Possibilità di utilizzo strutturale

2.4 - Il materiale strutturale 2.4.1 - Tipologie e profili

2.5 - Caratterizzazione della legge o-o

2.5.1 - Schematizzazione del comportamento strutturale

2.5.2 - Le classi di Sutter

2.5.3 - Schematizzazione a tratti

2.5.4 - Modelli continui del tipo o=o(E)

2.5.4.1 - Modello di caratterizzazione

2.5.5 - Esposizione del modello

2.5.6 - La formulazione generale 2.6 - Resistenza all'incendio

2.6.1 - Definizione delle caratteristiche dell'incendio

2.6.2 - Caratteristiche meccaniche e fisiche dell'alluminio in funzione della temperatura

2.6.2.1 - Analisi termica della struttura

2.6.3 - Analisi della resistenza della struttura

Capitolo III - Uso delle leghe di alluminio nelle strutture reticolari spaziali

3.1 -Introduzione

3.2 - Definizione di "asta industriale"

3.2.1 - Imperfezioni geometriche

3.2.1.1 - Curvatura longitudinale

3.2.1.2 - Variazioni nelle dimensioni della sezione trasversale

3.2.2 - Le imperfezioni meccaniche

3.2.2.1 - Tensioni residue

3.2.2.2 - Metodi di misurazione

3.2.2.3 - Profili estrusi

3.2.2.4 - Profili saldati

3.2.3 - Disomogenea distribuzione delle caratteristiche meccaniche

3.2.3.1 - Valori di riferimento

3.2.3.2 - Profili estrusi

3.2.3.3 - Profili saldati

3.3 - Criteri generali per l'esame dei sistemi costruttivi

3.3.1 - Sistema Mero

3.3.2 - Sistema Triodetic Connector

3.3.3 - Sistema nodo non nodo

3.3.4 - Sistema Gyrotron

3.3.5 - Sistema Sphar

3.3.6 - Sistema Spherobat Aluminium

3.3.7 - Sistema Unibat

3.4 - Composizione ottimale di un gruppo nodo asta

Capitolo IV - Unioni fra elementi in lega di alluminio

4.1 - Unioni con organi meccanici

4.1.1 - Unioni chiodate

4.1.2 - Unioni bullonate

4.1.2.1 - Rapporti dimensionali e tolleranze

4.1.2.2 - Resistenza delle unioni bullonate

4.1.2.3 - Comportamento generico

4.1.2.4 - Verifiche di resistenza e stati limiti

4.1.2.5 - Unioni a taglio con bulloni in acciaio o in lega di alluminio

4.1.2.6 - Resistenza di progetto

4.1.2.7 - Verifica a taglio dei bulloni

4.1.2.8 - Verifica a trazione nei bulloni

4.1.2.9 - Verifica a trazione e taglio nei bulloni

4.1.2.10 - Verifica a rifollamento

4.1.2.11 - Verifica delle sezioni forate

4.2 - Unioni saldate

4.2.1 - Procedimenti di saldatura

4.2.1.1 - Le leghe saldabili

4.2.1.2 - Classi della saldatura

4.2.2.1 - Giunti testa a testa

4.2.2.2 - Giunti a "T" o a croce a completa penetrazione

4.2.2.3 - Giunti a cordone d'angolo

4.2.3 - Resistenza delle unioni saldate

4.2.3.1 - Zona a resistenza ridotta

4.2.4 - Giunti testa a testa o a completa penetrazione

4.2.4.1 - Sezione resistente

4.2.4.2 - Sollecitazione semplice perpendicolare all'asse del cordone

4.2.4.3 - Sollecitazione semplice parallela all'asse del cordone

4.2.4.4 - Sollecitazione composta

4.2.5 - Giunti a cordoni d'angolo

4.2.5.1 - Sezione resistente

4.2.5.2 - Sollecitazione semplice

4.2.5.3 - Sollecitazione composta

4.3 - Unioni incollate

4.3.1 - Caratteristiche e tipologie

4.3.2 - La preparazione delle superfici

4.3.3 - La scelta degli adesivi

4.3.4 - Il dimensionamento del giunto incollato

4.4 - Comparazione con le unioni in acciaio (CNR 10011/85)

4.4.1 - Differenza di approccio ai due materiali strutturali

4.4.2 - Distinzione di dimensionamento e verifica

4.4.2.1 - Unioni bullonate

4.4.2.2 - Unioni saldate

4.4.2.3 - Unioni incollate

Capitolo V - Esempi di edifici con struttura in alluminio

5.1 - Palazzo delle esposizioni del Centro Interamericano di San Paolo in Brasile

5.2 - Centro dei congressi di Alghero (SS)

5.2.1 - Descrizione generale dell'opera

5.2.2 - La scelta del materiale

5.2.3 - I carichi accidentali

5.2.3.1 - Azioni ortogonali alla copertura

5.2.3.2 - Azioni parallele al piano di copertura

5.2.4 - Il progetto della struttura

5.2.4.1 - La struttura reticolare spaziale

5.2.4.2 - Particolari costruttivi

5.2.4.2.1 - Accoppiamento tubo-cono

5.2.4.2.2 - Accoppiamento bullone-sfera

5.2.4.2.3 - Apparecchi di appoggio

5.2.4.3 - Le stratture secondarie

5.2.4.3.1 - Manto di copertura

5.2.4.3.2 - Pannelli di tamponamento

5.2.5 - Esecuzione, montaggio e collaudo

5.3 La sede dell'ente di promozione dell'alluminio, Utrech-Olanda

5.4 - Scala autoportante in alluminio della torre di controllo dell'aeroporto di Barcellona (Spagna)

5.4.1 - Analisi strutturale e metodologia di montaggio

5.5 - Nuove soluzioni per strutture in alluminio

5.5.1 - Introduzione

5.5.2 - Nuove strutture

5.5.3 - Strutture planari

5.5.4 - Prove su prototipo e relative analisi

5.5.5 - Strutture reticolari tridimensionali

5.5.6 - Strutture tridimensionali continue

5.5.7 - Strutture tridimensionali ibride

Capitolo VI - Normativa antisismica, ordinanza 3274/2003

6.1 - Introduzione

6.1.1 - Classificazione sismica

6.1.2 - Approccio prestazionale

6.1.3 - Definizione delle azioni di progetto

6.1.4 - Regolarità strutturale

6.1.5 - Procedure di progetto: capacity design e dettagli costruttivi

6.1.6 - Metodo di verifica agli stati limiti 6.1.7- Valutazione degli edifici esistenti

6.1.8 - Tecnologie innovative

6.2 - Fondamenti di Ingegneria sismica 6.2.1- I1 sistema ad un grado di libertà

6.2.2 - Oscillazioni libere in assenza di smorzamento

6.2.3 - Oscillazioni libere in presenza di smorzamento

6.2.4 - Oscillazioni forzate

6.3 - Risposta sismica e spettro di risposta elastico

6.3.1 - Spettri di risposta elastici della normativa italiana

6.4 - Comportamento di un sistema elasto-plastico ad un grado di libertà

6.4.1 - Duttilità

6.4.2 - Risposta sismica di sistemi elasto-plastici

6.4.3 - Spettri di progetto della normativa italiana

6.5 - Comportamento elastico dei sistemi a più gradi di libertà

6.5.1 - Gradi di libertà

6.5.2 - Oscillazioni libere e modi principali di vibrare

6.5.3 - Risposta sismica

6.6 - Analisi modale

Capitolo VII - Copertura della tribuna della piscina dell'università di DOHA (Qatar)

7.1 - Introduzione

7.2 - Descrizione della struttura

7.3 - Scelta del tipo di analisi da effettuare

7.3.1 - Regolarità

7.3.2 - Analisi dinamica modale

7.4 - Primi 2 modi di oscillazione naturale della struttura

7.4.1 - Modello in lega di alluminio

7.4.2 - Modello in acciaio

7.5 - Calcolo dei pesi e delle masse della pensilina

7.5.1 - Soluzione dell'equazione agli autovalori, massa modale partecipante, forme modali (autovettori), fattore di partecipazione.

7.5.2 - Spettro di risposta

7.5.3 - Forze modali

7.6 - Sollecitazioni agenti sulle strutture

7.6.1 - Differenze fra le due tipologie

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Normativa italiana

CNR - 10022/84, Profilati d'acciaio formati a freddo: istruzioni per l'impiego nelle costruzioni.

CNR - 10011/85, Costruzioni di acciaio: istruzioni per il calcolo, l'esecuzione, il collaudo e la manutenzione, Commissione di Studio per le Norme sulle Costruzioni in Acciaio.

Circolare Ministeriale 4 Luglio 1996, n. 156 AA. GG./STC, Istruzioni per l'applicazione delle "Norme tecniche relative ai criteri generali per la verifica di sicurezza delle costruzioni e dei carichi e sovraccarichi".

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Ordinanza del P.C. M. n. 3274 del 20 marzo 2000, Primi elementi in materia di criteri generali per la classificazione sismica del territorio nazionale e di normative tecniche per le costruzioni in zona sismica.

Ordinanza 3274, Norme tecniche per il progetto, la salutazione e l'adeguamento sismico degli edifìci, come modificato dall'O.P.C.M. n. 3431 del 3/5/05.

Normativa europea

EN 1993 Eurocodice 3, Progettazione delle strutture in acciaio. Le prescrizione dell'Eurocodice 3 sono modificate e integrate alle indicazioni del NAD (decreto di applicazione nazionale), costituito dalla Sezione III della parte II del D.M. 9/1/96.

EN 1998 Eurocodice 8, Indicazioni progettuali per la resistenza sismica delle strutture.

Il programma EC prevede i seguenti Eurocodici Strutturali:

EN 1991 Eurocodice 1, Basis of design andactions on structures.

EN 1992 Eurocodice 2, Design of concrete structures.

EN 1993 Eurocodice 3, Design ofsteel structures.

EN 1994 Eurocodice 4, Design of composite steel and concrete structures.

EN 1995 Eurocodice 5, Design of timber structures.

EN 1996 Eurocodice 6, Design of masonry.

EN 1997 Eurocodice 7, Geotechnical design.

EN 1998 Eurocodice 8, Design provisions far earthquake resistance of structures.

EN 1999 Eurocodice 9, Design of aluminium alloy structures.

Siti internet

www.edilportale.it

www.ingegneriasoft.it

www.alcoa.com

www.metecno.com

www.aluprogetto.it

www.cpm-sistemi.it

www.edimet.it

Industrie del settore contattate

ALCOA - Belluno

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