Struttura e architettura

STRUTTURA PER L’ARCHITETTURA

CHIARA CALDERINI

Dipartimento di Ingegneria delle Costruzioni, dell’Ambiente e del Territorio, Università di Genova [email protected]

Corso di Laurea Magistrale in Architettura A.A. 2012-13

LABORATORIO DI PROGETTAZIONE ARCHITETTONICA

MODULO DI PROGETTAZIONE STRUTTURALE

mailto:[email protected]

STRATEGIE

DALL’ARMADIO A GRATTACIELO….

STRATEGIE

Siamo capaci di costruirci un armadio?

STRATEGIE

Siamo capaci di costruirci un armadio?

Calderini’s house, Genova (Italy)…non ho fatto calcoli…

STRATEGIE

Perché riusciamo (più o meno) a costruirci un armadio senza fare «calcoli», mentre per una costruzione i «calcoli» sono

necessari?

CALCOLI?

STRATEGIE


necessari?

MODELLI!

STRATEGIE


necessari?

Perché in un armadio riusciamo, bene o male, a «sperimentare» sul campo la sua sicurezza

Perché è un oggetto di dimensione tale per cui possiamo lavorare con l’intuito, frutto di esperienze acquisite su oggetti simili

Perché un errore di progetto strutturale non ha gravi conseguenze (anche se…pensate a sicurezza domestica…)

STRATEGIE


necessari?

Perché in un armadio riusciamo, bene o male, a «sperimentare» sul campo la sua sicurezza

Perché è un oggetto di dimensione tale per cui possiamo lavorare con l’intuito, frutto di esperienze acquisite su oggetti simili

Perché un errore di progetto strutturale non ha gravi conseguenze

(anche se…pensate a sicurezza domestica…)

E’ molto difficile sperimentare al vero una costruzione intera, per le sue dimensioni

Non potendo fare sperimentazione diretta, non riusciamo ad acquisire sufficiente intuito

Un errore progettuale può avere gravi conseguenze per molte persone

STRATEGIE

Fare «calcoli», di fatto, significa fare un «modello» virtuale della costruzione (una «sperimentazione virtuale»).

Il passaggio di scala dall’armadio alla costruzione richiede:

- o una standardizzazione assoluta dei modelli costruttivi

- o il passaggio da modelli fisici a modelli virtuali

COSTRUZIONI NON-INGEGNERIZZATE (<1800)

Erano tutte fondate sulla sperimentazione diretta (trial and errors).

Il segreto era la ripetitività assoluta dei modelli costruttivi, rispetto ai quali si era accumulato un enorme patrimonio di sperimentazioni dirette.

Il limite era che difficilmente si poteva uscire dagli schemi convenzionali prestabiliti.

STRATEGIE

Fare «calcoli», di fatto, significa fare un «modello» virtuale della costruzione (una «sperimentazione virtuale»).

Il passaggio di scala dall’armadio alla costruzione richiede:

- o una standardizzazione assoluta dei modelli costruttivi

- o il passaggio da modelli fisici a modelli virtuali

COSTRUZIONI INGEGNERIZZATE (>1800)

Sono tutte fondate su modelli virtuali

In realtà duecento anni di modelli virtuali ci hanno dotato di «intuito» virtuale.

Abbiamo libertà infinita di definizione delle forme strutturali, anche se di fatto la standardizzazione permane.

STRATEGIE

Cosa è un modello virtuale?

E’ solo un modo, più o meno raffinato, di descrivere la realtà

STRATEGIE

POTENZA DEI MODELLI

PROGETTUALITA’ Fare modelli amplia enormemente la nostra capacità di previsione

LIBERTA’ Fare modelli ci dà una libertà di progetto che il solo intuito non ci sarebbe

DEMOCRAZIA! Fare modelli (e ancorarli a norme) ci consente di fare un’azione di democrazia

STRATEGIE

ARCHITETTI ED INGEGNERI

PROGETTAZIONE ORDINARIA: Il rapporto è abbastanza scarso. L’architetto progetta sulla base di forme e modelli costruttivi convenzionali. L’ingegnere si limita a fornire il dimensionamento delle strutture. Oggi, si fa sempre più ricorso a strutture prefabbricate, nel quale i dimensionamenti strutturali sono predefiniti. Anche le norme, per questo tipo di costruzioni, si basano più su regole empiriche (dimensioni minime, regole qualitative…). I modelli di calcolo sono molto semplici.

STRATEGIE

ARCHITETTI ED INGEGNERI

PROGETTAZIONE ORDINARIA: In realtà molti danni correlati ai grandi fenomeni naturali, nel mondo, sono proprio legati alla scarsa progettazione di queste costruzioni. Sono in atto, in molti paesi, azioni per la formazione degli architetti alla progettazione strutturale di queste costruzioni.

SISMA

VENTO

STRATEGIE

ARCHITETTI ED INGEGNERI vento

sisma

tempo

acce

lera

zio

ne

ve

loci

tà

tempo

In generale le storie di vento sono espresse in termini di:

velocità

In generale le storie sismiche sono espresse in termini di:

accelerazione

VENTO

VENTO

Perché la struttura vibra?

Il distacco dei vortici

VENTO

Interazione tra strutture

VENTO

VENTO

Grattacieli di prima generazione

Empire state building new york usa (1931)

World trade center new york usa (1972)

Sears tower Chicago usa (1974)

Struttura in acciaio

Sezione rettangolare

rastremazione


Sezione quadrata

Controllo passivo


Sezione quadrata

rastremazione

H=381 m , b/h=5.5 H=417 m , b/h=6.5 H=442 m , b/h=6.5

Grattacieli contemporanei

Jin Mao building shangai cina (1998)

Struttura mista

Sezione quadrata

Sagomatura degli spigoli

H=421 m , b/h=7.5

Petronas tower

kuala lumpur malesia (1998)

Struttura mista

Sezione circolare

Sfaccettatura spigoli

H=452m , b/h=7

World financial center

shanghai cina (2001)

Struttura mista

Sezione variabile in altezza

oro in sommit

H=460m , b/h=6.5

Grattacieli del futuro Grollo tower

melbourne australia

Struttura mista Sezione quadrata

Rastremaz. +sagomatura controllo

H=560 m , b/h=9

Miglin-beitler tower chicago usa

Struttura mista Sezione cruciforme

Rastremaz. + Sagomatura controllo

H=610 m , b/h=10.5

Millenium tower tokio giappone

Struttura in acciaio Sezione circolare

Controllo

H=800 m , b/h=6

VENTO

VENTO

VENTO

Ponte sulla Dora «Marchetti» (Raccordo autostradale di

Santhià)

VENTO

Vela copertura Piazza Portello - Milano

Angoli rientranti = zona di massima

debolezza nella costruzione Forma: problemi distributivi in pianta

SISMA

MORFOLOGIA STRUTTURALE

FORMA

CONVESSA CONCAVA

Forma: problemi distributivi in pianta

Possibili accorgimenti:

• Suddivisione del complesso strutturale mediante giunti di

separazione

• Irrigidimento della zona d'angolo

• Distribuzione di elementi irrigidenti tale da uniformare lo

stato deformativo della costruzione

• Modifica della forma planimetrica, sostituendo gli angoli

retti con angoli ottusi

SISMA


Basilicata, 1980 (M=6.9)

Problemi distributivi in pianta: esempi

Messico City, 1985 (M=8.1)

San Fernando, 1971 (M=6.4) Ospedale San Angelo dei Lombardi, 1980

SISMA


Forma: problemi distributivi in elevato

SISMA


Angoli rientranti o aggettanti =

zona di massima debolezza nella

costruzione

FORMA

RIENTRANTE AGGETTANTE

CM

CM

CMCM

CMCM

Messico City, 1985 (M=8.1)

Problemi distributivi in elevato: esempi

SISMA


Se CM e CR non coincidono nascono effetti

torcenti in pianta che inducono rotazioni

intorno al centro di rigidezza e possono

indurre un incremento della sollecitazione

negli elementi più lontani.

CM

CR

F

V M

La forza inerziale del sisma, a livello di ogni singolo piano, agisce nel centro di massa; il

baricentro delle reazioni taglianti è il centro di rigidezza.

Se CM e CR coincidono, il moto del piano

conseguente all’applicazione di forze nelle

due direzioni è puramente traslatorio CM CR

F

V

SISMA


Distribuzione delle rigidezze in pianta

SISMA


Distribuzione delle rigidezze in pianta

OBIETTIVO: MINIMIZZARE ECCENTRICITA’ TRA CENTRO DI MASSA E

CENTRO DI RIGIDEZZA.

Distribuzione perimetrale simmetrica:

CM coincide con CR

Distribuzione perimetrale non simmetrica:

CM non coincide con CR momento torcente

Nuclei in c.a.: elemento di rigidezza notevole.

In posizione perimetrale CM non coincide con CR

momento torcente elevatissimo

CM

CR

Alaska, 1964 (M=8.6) - Edificio di 5 piani

regolare in pianta, con distribuzione a L dei

controventi

Guatemala City, 1985 (M=7.5) - Distacco del nucleo scala

SISMA


Distribuzione delle rigidezze in pianta: esempi

SISMA


Distribuzione delle rigidezze in elevato

OBIETTIVO: MINIMIZZARE VARIAZIONI DI RESISTENZA LUNGO LA

STRUTTURA

Problemi di particolare gravità

Piano debole: piano la cui resistenza o la cui rigidezza sono sensibilmente inferiori di

quelle degli altri piani.

- le colonne di un piano sono più lunghe e flessibili;

- una parte degli elementi resistenti verticali è interrotta per motivi di destinazione d’uso;

- muri di tamponamento sono interrotti in corrispondenza di un piano: box, vetrine,ecc…

Zone deboli localizzate: presenza di colonne di differente lunghezza.

- edifici con porticati o gallerie pedonabili;

- gruppo di piani adibito ad un unico locale (aula magna o biblioteca);

- strutture realizzate su terreni in pendio.

Agadir, Marocco, 1960 (M=5.9)

Pilotis

Turchia, 1999 (M=7.4) - Pilotis

Bar, Montenegro 1979 (M=7.04) Zone deboli localizzate

SISMA


Distribuzione delle rigidezze in elevato: esempi

Distribuzione delle masse in pianta

Cause di non-uniformità:

- presenza localizzata di apparecchiature pesanti

- grandi masse d'acqua contenute in serbatoi oppure in piscine

- impiego di parti di piano in qualità di archivi o di biblioteche

Una distribuzione uniforme di massa determina una migliore ripartizione delle forze inerziali

Una distribuzione simmetrica di massa evita eccentricità tra centro di massa e di rigidezza

Iran, 1990 (M=7.7)

Serbatoio pieno

Serbatoio vuoto

SISMA


Distribuzione delle masse in elevato Una distribuzione uniforme di massa determina una migliore ripartizione delle forze

inerziali evitando concentrazioni di sforzo

Cause di non-uniformità:

- presenza localizzata di apparecchiature

- serbatoi

- biblioteche

SISMA

ARCHITETTURA E STRUTTURA




Izmet – Turchia (1990) – 20.000 morti 50% edifici abusivi


Marikina City- Filippine


Marikina City- Filippine – Flood and earthquake

SEISMIC VULNERABILITY EVALUATION FOR NON-ENGINEERED HOUSING IN DEVELOPING COUNTRIES


Algeria – Maggio 2003


Port-au-Prince (Haiti) - 2010 – 310.000 morti


Port-au-Prince (Haiti) - 2010 – 310.000 morti


Port-au-Prince (Haiti) - 2010


Port-au-Prince (Haiti) - 2010


Wind Storm - Bangladesh



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Struttura e architettura