Modellazione delle Strutture Prefabbricate

StatiCAD mette a disposizione strumenti di modellazione, analisi e progetto dei collegamenti per edifici industriali prefabbricati (a produzione industriale) in cemento armato: elementi asta a sezione variabile (nonprismatic) e sezioni parametriche precast, assegnazione di collegamenti incernierati, diagonali equivalenti del diaframma di copertura (TBDY 2018 Annex 8B), masse dei pannelli di facciata e delle gru, carichi del carroponte, R e D diversi nella parte superiore e inferiore (TBDY 4.3.6), progetto dei collegamenti secondo il Capitolo 8 della TBDY, forza sismica sui pannelli di facciata, scorrimento in fondazione e progetto dell'armatura di travi a sezione poligonale/variabile.

Queste funzionalità sono state sviluppate e confrontate sull'edificio di esempio del libro “Önüretimli Betonarme Örnek Bir Sanayi Binasının TBDY-2018’e Göre Analiz ve Tasarımı” della Türkiye Prefabrik Birliği (40×75 m, due campate, con piano intermedio, carroponte da 200 kN); vedere Studi di Validazione delle Strutture Prefabbricate. Per la soluzione passo passo dell'edificio del libro con schermate si veda l'articolo Esempio risolto: edificio industriale prefabbricato.

informazioni

In quali edizioni? Gli strumenti per il prefabbricato (il tipo di edificio Cemento Armato Prefabbricato (Betonarme Prefabrik), i comandi per il prefabbricato nel menu Macro, i modelli di sezione Precast, la finestra di progetto dei collegamenti, l'opzione di spostamento relativo basato sul pilastro e la pagina dei collegamenti nella relazione) sono disponibili nell'edizione StatiCAD Ultimate. I dati prefabbricati di un progetto preparato in Ultimate vengono conservati nel file; se il progetto viene aperto in un'altra edizione, l'analisi funziona con gli stessi dati. La definizione della sezione variabile (Nonprismatic) è presente in tutte le edizioni.

1. Flusso generale

1. In Impostazioni generali del progetto selezionare come tipo di edificio Cemento Armato Prefabbricato (usa lo stesso tipo di soluzione dell'edificio in cemento armato e inoltre attiva lo spostamento di piano basato sul pilastro nel diaframma semirigido) oppure l'edificio in cemento armato; inserire il materiale e i parametri sismici. Per gli edifici con piano intermedio, scrivere nelle caselle R e D i coefficienti della parte superiore.
2. Definire le sezioni: pilastri rettangolari; per le travi di copertura inclinate, sezione variabile oppure modelli precast (Sezioni 2 e 3).
3. Disegnare pilastri e travi. Selezionare le travi collegate a spinotto, come travi di copertura, arcarecci e travi di gronda, ed eseguire il comando Macro → Rendi incernierate le estremità delle travi selezionate (M2+M3) (Sezione 4).
4. Stabilire il diaframma di copertura: diaframma rigido (predefinito) oppure diagonali equivalenti Annex 8B (Sezione 5).
5. Inserire le masse dei pannelli di facciata e del ponte della gru come masse sismiche aggiuntive, e i carichi del carroponte tramite la finestra della gru; negli edifici con parte superiore e inferiore a sistema portante diverso, impostare R–D differenti (vedere Carichi del Carroponte, Masse Sismiche Aggiuntive e R–D Differenti).
6. Verificare le opzioni di analisi ed eseguire l'analisi. L'armatura delle travi in cemento armato a sezione poligonale e variabile viene calcolata automaticamente durante l'analisi.
7. Progettare i collegamenti nella finestra Macro → Progetto dei collegamenti prefabbricati (TBDY Capitolo 8)... e aggiungerli alla relazione (vedere Progetto dei Collegamenti Prefabbricati).

note

Tutti i comandi per il prefabbricato si trovano in fondo al menu Macro del menu principale. Le finestre delle diagonali, della gru e dei collegamenti non sono modali: con la finestra aperta è possibile continuare a selezionare elementi nel modello.

2. Modelli parametrici di sezioni precast

Nell'elenco dei tipi di modello della finestra Proprietà della sezione degli elementi asta sono presenti i seguenti modelli. Selezionando un modello, la tabella Parametri della sezione mostra le dimensioni (cm) e le relative descrizioni; nell'anteprima la sezione viene disegnata immediatamente con le etichette delle quote.

Modello	Utilizzo
Precast I	Trave precast a I o con ala a bulbo (bulb tee); larghezze delle ali, altezze, smussi e spessori d'anima
Precast T	Trave di piano a T con una sola ala superiore e smussi (parte precast di una trave composta con getto superiore)
Precast U	Trave precast a sezione a U o trave di gronda
Precast Box, Box/Tube	Sezioni scatolari: dimensioni esterne, spessori delle pareti e dei solai
Trapezoidal	Sezione trapezoidale: larghezza superiore e inferiore, altezza

La sezione viene memorizzata nel programma come sezione poligonale; area, momento d'inerzia e baricentro sono calcolati automaticamente dal poligono. Poiché vengono memorizzati anche i parametri, alla riapertura la sezione si presenta in modalità parametrica. La disposizione dell'armatura può essere fornita dall'editor del poligono oppure, se lasciata vuota, viene generata automaticamente nel progetto della trave. Nel trasferimento a SAP2000 i modelli vengono inviati con le definizioni di sezione precast proprie di SAP2000.

3. Travi a sezione variabile (nonprismatic)

Elementi la cui altezza varia lungo la lunghezza, come le travi reticolari di copertura, vengono modellati come un unico elemento asta; la rigidezza è calcolata in base alla reale variazione della sezione. La definizione si effettua selezionando il tipo di modello Nonprismatic nella finestra Proprietà della sezione degli elementi asta, nella finestra Definizione della sezione variabile che si apre:

Colonna	Descrizione
Start Section / End Section	Sezione all'inizio e alla fine del tratto (tra le sezioni prismatiche già definite; ad es. rettangolare 40×26 all'estremità e 40×140 al centro, oppure due Precast I diverse)
Length / Length Type	Absolute: lunghezza del tratto in cm. Variable: peso proporzionale; dopo aver sottratto dalla lunghezza dell'elemento i tratti Absolute, la lunghezza residua viene distribuita ai tratti Variable secondo questa proporzione.
EI33 / EI22 variation	Modalità di variazione della rigidezza flessionale: Linear (EI lineare), Parabolic (√EI lineare; quando varia l'altezza in una sezione a I con ala dominante), Cubic (∛EI lineare; sezione rettangolare a larghezza costante e altezza variabile linearmente)

Una trave di copertura a doppia falda (a capanna) viene definita con due tratti: sezione di estremità → sezione centrale → sezione di estremità. Area, costante torsionale e aree di taglio variano linearmente all'interno del tratto. È sufficiente selezionare il nome della sezione come sezione della trave: l'analisi, il trasferimento a SAP2000 (con tutti i suoi tratti) e il progetto dell'armatura utilizzano automaticamente la sezione variabile.

informazioni

Come viene calcolata? La matrice di rigidezza dell'elemento viene costruita mediante integrazione della flessibilità delle proprietà di sezione variabili lungo la lunghezza (compresa la deformazione a taglio); per una sezione costante questa matrice coincide con quella dell'elemento prismatico con precisione numerica. Anche le forze di incastro perfetto dei carichi distribuiti sono calcolate in base alla sezione variabile; l'estremità più alta riceve un momento di incastro maggiore. Massa e peso proprio sono distribuiti lungo la lunghezza con l'area media (il volume totale è corretto).

note

La sezione variabile viene considerata solo nelle travi; l'assegnazione a un pilastro non è supportata.

4. Collegamenti incernierati (a spinotto)

Negli edifici prefabbricati le travi di copertura, gli arcarecci e le travi di gronda sono in genere collegati ai pilastri con cerniere a spinotto. Per assegnarle in un solo passaggio, selezionare le travi interessate (a tutti i piani) ed eseguire il comando Macro → Rendi incernierate le estremità delle travi selezionate (M2+M3). Il comando libera i due momenti flettenti (M2, M3) a entrambe le estremità di ogni trave selezionata, azzera i coefficienti delle molle della cerniera, rende la cerniera attiva in tutte le condizioni di carico e al termine indica quante travi sono state elaborate. Per una singola estremità la cerniera può anche essere inserita dalla tabella delle cerniere nella finestra delle proprietà della trave.

Anche se nelle travi è presente un offset d'asse (la linea nodale della trave resta al di sotto), la cerniera viene applicata sul lato del nodo; la trave a spinotto si comporta come un vero appoggio semplice. La forza assiale composita generata dall'azione combinata del diaframma rigido e dell'offset d'asse viene eliminata dalla valutazione del carico assiale della trave.

5. Diaframma di copertura: diaframma rigido o diagonali equivalenti Annex 8B

L'ipotesi predefinita è il diaframma rigido per ogni piano (copertura compresa) (Impostazioni generali del progetto → Forze negli elementi → Diaframma rigido completo). Nelle coperture con arcarecci e campi controventati, in cui migliaia di nodi sono collegati al diaframma, il diaframma rigido viene risolto con l'esatta trasformazione master–slave; non è necessaria alcuna impostazione da parte dell'utente.

Per le coperture con lamiera grecata o pannelli sandwich, l'Annex 8B della TBDY consente di rappresentare la rigidezza a taglio del piano di copertura mediante coppie di diagonali equivalenti incernierate alle estremità. A tale scopo utilizzare la finestra Macro → Diagonali equivalenti del diaframma di copertura prefabbricato (TBDY Annex 8B):

Dato	Descrizione	Predefinito
Diametro della vite Trifon D (mm)	Diametro della vite che collega la lamiera all'arcareccio	4
Spessore della lamiera superiore t1 (mm)	Spessore della lamiera nella lamiera grecata; lamiera superiore nel pannello sandwich	0,5
Lamiera inferiore t2 (mm)	Lamiera inferiore nel pannello sandwich; 0 nella lamiera grecata	0,4
Viti per unità di lunghezza n (pz/m)	Numero di viti per metro lungo l'arcareccio	5,5
Resistenza di snervamento della lamiera fy (MPa)		255
Coefficiente di sicurezza γ		0,67
Numero di suddivisioni	In quante celle suddividere lo spazio tra due travi, nella direzione della lunghezza della trave	4
Materiale della diagonale E (MPa)	Modulo di elasticità dell'asta equivalente	33227

1. Calcola: vengono mostrati la rigidezza assiale equivalente (EA)e, la forza massima che una diagonale può portare, il confronto con l'Eq. 8B.1 della TBDY, la sezione dell'asta equivalente e le condizioni di applicabilità dell'Annex 8B (interasse degli arcarecci ≤ 2,0 m, angolo della diagonale ≈ 45°).
2. Nel modello selezionare le due travi parallele tra cui realizzare le diagonali (ad es. due travi di copertura adiacenti) e premere il pulsante Genera diagonali tra le 2 travi selezionate. Lo spazio tra le due travi viene suddiviso nel numero di celle scelto e in ogni cella viene inserita una coppia a X. Le diagonali sono elementi virtuali incernierati alle due estremità, privi di massa e di carichi; non rientrano nel progetto in cemento armato né nel computo metrico.
3. Le diagonali generate e le travi di origine restano selezionate. Eseguire il comando Macro → Dividi le travi selezionate che si intersecano a tutti i piani per far sì che le estremità delle diagonali si uniscano in un nodo comune con arcarecci e travi.

note

Quando si lavora con una copertura con diagonali Annex 8B, deve essere selezionato Impostazioni generali del progetto → Forze negli elementi → Diaframma semirigido e per lo spostamento di piano deve essere attivata l'opzione basata sul pilastro della stessa scheda (Sezione 6). Come riferimento di progetto, si raccomanda di eseguire anche la soluzione con diaframma rigido.

6. Opzioni di analisi

Opzione	Posizione	Descrizione
Diaframma rigido completo / semirigido	Impostazioni generali del progetto → Forze negli elementi	Nella copertura con diagonali Annex 8B si seleziona il semirigido; altrimenti si raccomanda il diaframma rigido.
Spostamento di piano basato sul pilastro nel diaframma semirigido (nodo superiore-inferiore)	Impostazioni generali del progetto → Forze negli elementi (in fondo alla scheda)	Nel diaframma semirigido lo spostamento relativo di piano è calcolato dalla differenza tra i nodi superiore e inferiore dello stesso pilastro, anziché dalla differenza tra gli spostamenti massimo e minimo dei nodi del piano; i nodi di arcarecci e diagonali nella zona flessibile della copertura e i pilastri di timpano non falsano il risultato. È spuntata automaticamente quando il tipo di edificio è Cemento Armato Prefabbricato; viene salvata con il progetto.
Assegnazione del diaframma rigido nell'analisi modale	Impostazioni generali del progetto → Forze sismiche	Con l'opzione “Esegui”, modello ridotto a tre gradi di libertà per piano (UX, UY, RZ); i nodi alla quota del piano (±2 cm) vengono collegati al piano.
Considera i solai nell'analisi modale con diaframma rigido	Impostazioni generali del progetto → Forze sismiche	Il contributo dei gusci dei solai alla rigidezza è presente nella soluzione statica, ma per impostazione predefinita non nell'analisi modale con diaframma rigido; per questo i periodi modali risultano leggermente più lunghi e gli spostamenti statici leggermente minori (2–5 %). Per rendere uguali le due soluzioni può essere attivata nei modelli piccoli; nelle grandi coperture con arcarecci e campi controventati non è raccomandata per via del fabbisogno di memoria.
Non collegare i nodi intermedi delle travi al diaframma rigido	Impostazioni generali del progetto → Forze sismiche	Quando gli assi delle travi sono modellati al di sotto della linea nodale, i nodi di suddivisione della trave sono collegati al diaframma rigido, per cui le travi diventano rigide in modo composito. Con l'opzione attivata solo i nodi di suddivisione restano fuori dal diaframma; i nodi di pilastri, setti e intersezioni di travi restano collegati. È disattivata per impostazione predefinita e viene salvata con il progetto.

7. Limiti di applicazione

• La sezione variabile viene considerata solo nelle travi; il calcolo di sezioni precompresse è escluso dall'ambito.
• In questa edizione non sono presenti le verifiche delle mensole tozze (guse) e delle mensole delle gru, delle fondazioni a bicchiere (con alloggiamento) e delle fasi di montaggio.
• La rigidezza a taglio della copertura semirigida con diagonali Annex 8B deve essere valutata insieme alla soluzione con diaframma rigido.
• Nel dettaglio dell'unione ala–parete del modello Precast U c'è una piccola differenza di area rispetto a SAP2000 (−4 % nella sezione di esempio).

8. Situazioni frequenti

Sintomo	Soluzione
Nel menu Macro non ci sono i comandi per il prefabbricato; nell'elenco delle sezioni non compaiono i modelli Precast.	Gli strumenti per il prefabbricato sono attivi nell'edizione Ultimate.
Le diagonali generate non si collegano agli arcarecci.	Eseguire il comando Macro → Dividi le travi selezionate che si intersecano a tutti i piani con le diagonali e le travi selezionate.
Nella copertura semirigida lo spostamento relativo di piano è molto grande.	I nodi flessibili della copertura e i pilastri di timpano aumentano il valore con il metodo “massimo − minimo”. Attivare l'opzione di spostamento basato sul pilastro in Impostazioni generali del progetto → Forze negli elementi (Sezione 6); come riferimento di progetto eseguire anche la soluzione con diaframma rigido.
Il periodo fondamentale è più breve del previsto.	È il risultato dell'ipotesi di diaframma di copertura rigido; la spiegazione è nell'articolo di validazione.