Struttura e architettura by archea archea

Corso di Laurea Magistrale in Architettura A.A. 2012-13 LABORATORIO DI PROGETTAZIONE ARCHITETTONICA MODULO DI PROGETTAZIONE STRUTTURALE

STRUTTURA PER L’ARCHITETTURA

CHIARA CALDERINI Dipartimento di Ingegneria delle Costruzioni, dell’Ambiente e del Territorio, Università di Genova chiara.calderini@unige.it

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

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

STRATEGIE

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

STRATEGIE Perché riusciamo (più o meno) a costruirci un armadio senza fare «calcoli», mentre per una costruzione i «calcoli» sono 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 Perché riusciamo (più o meno) a costruirci un armadio senza fare «calcoli», mentre per una costruzione i «calcoli» sono necessari?  Perché in un armadio riusciamo, bene o male, a «sperimentare» sul campo la sua sicurezza E’ molto difficile sperimentare al vero una costruzione intera, per le sue dimensioni  Perché è un oggetto di dimensione tale per cui possiamo lavorare con l’intuito, frutto di esperienze acquisite su oggetti simili Non potendo fare sperimentazione diretta, non riusciamo ad acquisire sufficiente intuito  Perché un errore di progetto strutturale non ha gravi conseguenze (anche se…pensate a sicurezza domestica…) 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 realtĂ 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

velocitĂ

vento ARCHITETTI ED INGEGNERI In generale le storie di vento sono espresse in termini di: velocitĂ

tempo

accelerazione

sisma In generale le storie sismiche sono espresse in termini di:

accelerazione

tempo

VENTO

VENTO PerchĂŠ la struttura vibra?

Il distacco dei vortici

VENTO Interazione tra strutture

VENTO

Grattacieli di prima generazione Empire state building new york  usa (1931)

World trade center new york  usa (1972)

Sears tower Chicago  usa (1974)

H=381 m , b/h=5.5

H=417 m , b/h=6.5

H=442 m , b/h=6.5

Struttura in acciaio Sezione rettangolare rastremazione

Struttura in acciaio Sezione quadrata Controllo passivo

Struttura in acciaio Sezione quadrata rastremazione

Grattacieli contemporanei Jin Mao building shangai  cina (1998)

Petronas tower kuala lumpur  malesia (1998)

World financial center shanghai  cina (2001)

H=421 m , b/h=7.5

H=452m , b/h=7

H=460m , b/h=6.5

Struttura mista Sezione quadrata Sagomatura degli spigoli

Struttura mista Sezione circolare Sfaccettatura spigoli

Struttura mista Sezione variabile in altezza oro in sommit

Grattacieli del futuro Grollo tower melbourne ď&#x201A;&#x2013; australia

Miglin-beitler tower chicago ď&#x201A;&#x2013; usa

Millenium tower tokio ď&#x201A;&#x2013; giappone

H=560 m , b/h=9

H=610 m , b/h=10.5

H=800 m , b/h=6

Struttura mista Sezione quadrata Rastremaz. +sagomatura controllo

Struttura mista Sezione cruciforme Rastremaz. + Sagomatura controllo

Struttura in acciaio Sezione circolare Controllo

VENTO

VENTO Ponte sulla Dora «Marchetti» (Raccordo autostradale di Santhià)

VENTO Vela copertura Piazza Portello - Milano

SISMA

MORFOLOGIA STRUTTURALE

Forma: problemi distributivi in pianta

Angoli rientranti = zona di massima debolezza nella costruzione

FORMA CONVESSA

CONCAVA

SISMA

MORFOLOGIA STRUTTURALE

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

MORFOLOGIA STRUTTURALE Problemi distributivi in pianta: esempi

Basilicata, 1980 (M=6.9)

San Fernando, 1971 (M=6.4)

Messico City, 1985 (M=8.1)

Ospedale San Angelo dei Lombardi, 1980

SISMA

MORFOLOGIA STRUTTURALE

Forma: problemi distributivi in elevato

Angoli rientranti o aggettanti = zona di massima debolezza nella costruzione

FORMA RIENTRANTE

AGGETTANTE

SISMA

MORFOLOGIA STRUTTURALE Problemi distributivi in elevato: esempi

Messico City, 1985 (M=8.1)

SISMA

MORFOLOGIA STRUTTURALE

Distribuzione delle rigidezze in pianta 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

V CR

CM F

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.

CR V

CM M F

SISMA

MORFOLOGIA STRUTTURALE

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

SISMA

MORFOLOGIA STRUTTURALE Distribuzione delle rigidezze in pianta: esempi

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

Alaska, 1964 (M=8.6) - Edificio di 5 piani regolare in pianta, con distribuzione a L dei controventi

SISMA

MORFOLOGIA STRUTTURALE

Distribuzione delle rigidezze in elevato OBIETTIVO: MINIMIZZARE STRUTTURA

VARIAZIONI

RESISTENZA LUNGO

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.

SISMA

MORFOLOGIA STRUTTURALE Distribuzione delle rigidezze in elevato: esempi

Turchia, 1999 (M=7.4) - Pilotis

Agadir, Marocco, 1960 (M=5.9) Pilotis

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

SISMA

MORFOLOGIA STRUTTURALE

Distribuzione delle masse in pianta 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 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

Distribuzione delle masse in elevato

Serbatoio vuoto

Una distribuzione uniforme di massa determina una migliore ripartizione delle forze Serbatoio pieno inerziali evitando concentrazioni di sforzo Cause di non-uniformità: - presenza localizzata di apparecchiature - serbatoi - biblioteche Iran, 1990 (M=7.7)

SISMA

ARCHITETTURA E STRUTTURA

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

ARCHITETTURA E STRUTTURA Marikina City- Filippine

ARCHITETTURA E STRUTTURA Marikina City- Filippine – Flood and earthquake

SEISMIC VULNERABILITY EVALUATION FOR NON-ENGINEERED HOUSING IN DEVELOPING COUNTRIES

ARCHITETTURA E STRUTTURA Algeria – Maggio 2003

ARCHITETTURA E STRUTTURA Port-au-Prince (Haiti) - 2010 – 310.000 morti

ARCHITETTURA E STRUTTURA Port-au-Prince (Haiti) - 2010

ARCHITETTURA E STRUTTURA Wind Storm - Bangladesh

ARCHITETTURA E STRUTTURA

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ARCHITETTURA E STRUTTURA