Comportamento di pilastri in falso in analisi modale e pushover. Edificio Dorms - nuovo Campus bocconi

The following essay speaks about the biggest building of the new Campus Bocconi. It is called Dorms and it has been architecturally designed by the Japanese architectural firm Sanaa. Its elliptical shape makes it particular from the structural point of view. Its structure is made by concrete septums and steel pillars. The floors are made of concrete, so creating a plate. Dorms has ten floors out of the ground and one underground and it reaches a global height of approximately 35 meters. On all of these floors there isn’t a symmetric distribution of the concrete cores and the perimeter pillars don’t reach directly the foundations. There are huge beams 80 x 120 cm which transfer all the actions, arriving from the pillars, to concrete walls and then to the foundations. This is the critical point of the essay, trying to comprehend how it influences on the behavior of Dorms. This problem is caused by the smaller dimensions of the plans of the out of ground floors. These floors have a smaller footprint than the underground floor. All the perimeter pillars have this particular critical point. Due to the compression of these pillars, the beams at the first floor deal with a huge shear force. Dorms has a complicated structural system, it was necessary the use finished elements software like Midas Gen. This because, calculating analytically all the analysis, it wouldn’t be possible. Seen all the problems, such as the curve concrete septums and the steel pillars, the first analysis is the calculation of the resistance of each section of the critic points at the stage of SLU and SLV. This type of analysis permits to control even the correct operation of the finished elements model. During the study it has been necessary to create three models: the first with the building fixed at the first floor, the second with Dorms fixed at the foundations and then the third with a distributed vertical spring support to consider the behavior of the ground. On all these three models was done the modal analysis, in order to obtain the percentages of the mass participation, the oscillation periods and the modal deformations. Then was made a comparison among these three models. Another aspect taken in consideration is the ductility of the structural system of Dorms. It has been implemented in the finished elements models an analysis pushover. With this type of analysis it will be obtained the capacity curves, which represent the behavior of the building during the increment of an horizontal solicitation. In this case the solicitation was caused by the monitored displacement of the control node. In the end, once obtained the capacity curves, the ductility coefficient was calculated with the ratio of the monitored displacement at the first fall of the curve and the monitored displacement at the first change of stiffness. All this analysis was possible because the septums were designed using beam elements braces by Sant’Andrea crosses. In fact, Midas Gen couldn’t make the pushover with wall elements. After obtaining the ductility coefficients, the structure factors were calculated using the formulation of the NTC of the 2008. In the end the values were compared to the ones indicated in the NTC of the 2008 to design the structures.

L’elaborato di tesi seguente ha per oggetto l’edificio più imponente del nuovo Campus Bocconi, precisamente si tratta dei nuovi dormitori destinati a professori fuori sede e a studenti premiati con borsa studio. L’edificio è denominato Dorms ed è stato progettato architettonicamente dallo studio di architettura giapponese Sanaa. Le sue forme sono tali da renderlo particolare dal punto di vista strutturale. Piastre di piano e setti costituiscono lo scheletro in calcestruzzo armato dell’edificio, vi sono poi, disposti radialmente alla pianta ellittica del fabbricato, le pilastrate in acciaio che assumono un funzionamento a biella. Dorms è l’edificio più alto del nuovo Urban Campus, possiede dieci livelli fuori terra, con un’altezza complessiva di 35 metri, e uno interrato, destinato prevalentemente a parcheggio. Dal punto di vista strutturale, tutti i piani fuori terra sono identici. Essi, tuttavia, non possiedono pianta e una distribuzione simmetrica dei nuclei resistenti. Inoltre, quasi tutti i setti in calcestruzzo armato sono stati progettati con sezioni circolari e curve. Proprio tra questi ultimi si inseriscono i due grandi vani scale circolari, che costituiscono i nuclei resistenti principali. La loro capacità resistente va a collaborare con quella dei vani ascensori e di servizio disposti radialmente alla pianta. Tutti questi elementi, viste le loro elevate inerzie, assumono il compito di sopportare, oltre alle azioni statiche, le sollecitazioni orizzontali. Visti in pianta, i piani fuori terra di Dorms possiedono un’impronta a terra più piccola di quella dell’interrato. Accade che, dovuto a questa particolarità, i pilastri perimetrali in acciaio scarichino le loro azioni di compressione assiale sulle travi del primo impalcato strutturale, a livello campagna. Si creano di conseguenza degli appoggi in falso, proprio perché i pilastri non scaricano direttamente in fondazione. Tutti i pilastri perimetrali hanno questa caratteristica, vengono ciascuno sostenuti da travi con sezione 80 x 120 cm, progettate con abbondante staffatura in acciaio, resistente a taglio, proprio in corrispondenza di questi punti critici. Questo sistema è necessario per garantire nell’interrato un corsello di accesso e transito per le automobili e, di conseguenza, è stato progettato questo sistema con ogni trave che viene sostenuta da elementi wall ai suoi estremi, costituendo un portale. Dorms possiede una struttura articolata con caratteristiche non comuni a molti altri edifici. Per questo motivo, per poter svolgere le analisi su Dorms è necessario sfruttare una modellazione ad elementi finiti. Viste queste particolarità dei setti in calcestruzzo armato circolari e degli appoggi in falso, è determinante sapere quali siano gli elementi più sollecitati allo Stato Limite Ultimo e allo Stato Limite Vita, verificando anche che le sezioni di progetto di ciascuno siano progettate correttamente e che riescano effettivamente a sopportare le sollecitazioni applicate. In secondo luogo, l’eseguire questo controllo sui modelli ad elementi 2 finiti permette anche di verificarne il funzionamento, confermando la correttezza della modellazione tramite software. Lo studio svolto su Dorms è ruotato attorno a questo punto critico degli appoggi in falso. Il capire come possano influenzare il comportamento dell’intero edificio è fondamentale. Per cogliere il problema nel complesso sin dall’inizio, è stato necessario sviluppare, grazie al software ad elementi finiti Midas Gen, tre modelli. Nel primo l’edificio è incastrato a piano campagna, nel secondo è incastrato al livello delle fondazioni e nel terzo è vincolato con un letto di molle in fondazione, per considerare il comportamento del terreno. Per ciascuna di queste modellazioni vengono eseguite le verifiche allo SLU e allo SLV, controllando anche con una breve verifica analitica, tramite aree di influenza, che queste modellazioni funzionino correttamente. Successivamente, è possibile passare ad un’analisi modale per ricavare i periodi di oscillazione, i valori di massa partecipante e le deformate modali. Il confronto tra i risultati ottenuti per ciascun modello verrà di seguito esposto, evidenziando e commentando le differenze fondamentali di comportamento. Ci si aspetta che i risultati per i modelli comprendenti gli appoggi in falso siano sostanzialmente differenti da quelli della modellazione incastrata al piano campagna. Un ulteriore aspetto che viene preso in considerazione è la duttilità globale del sistema strutturale di Dorms. In questo caso vengono utilizzate due differenti modellazioni con l’obiettivo di svolgere un’analisi pushover. Nella prima Dorms è incastrato al livello di fondazione e nella seconda è incernierato al piano campagna. Presa in considerazione la caratteristica degli appoggi in falso è interessante capire come questi possano influenzare il sistema strutturale, migliorando o peggiorando la duttilità di sistema. Con questo ulteriore obiettivo viene impostata la pushover così da ricavare le curve di capacità dell’edificio per le due diverse configurazioni. Per impostare questa analisi sono stati modellati tutti i setti in calcestruzzo armato con elementi beam controventati a croce di Sant’Andrea, così da creare un sistema strutturale resistente a tirante e puntone: viene creata una struttura a traliccio agente a prevalente azione assiale. Questo è necessario perché il software Midas Gen non permette lo svolgimento di analisi pushover con elementi wall. La resistenza limite di ciascun elemento dei setti in calcestruzzo armato è definita dal comportamento a trazione e compressione. Il coefficiente di duttilità di sistema viene calcolato come rapporto tra lo spostamento del nodo di controllo al momento di primo cedimento della curva di capacità e lo spostamento al primo cambio di rigidezza. Questa analisi viene svolta con l’interesse di ricavare il fattore di struttura per ciascuna modellazione e per ciascun modo principale di vibrazione, paragonando i valori ottenuti con quelli suggeriti dalle Norme Tecniche per le Costruzioni del 2008 per la determinazione dello spettro di risposta.