Questa terza ed ultima parte, per il momento, mira alla definizione di un metodo di predimensionamento delle strutture diagrid di forma regolare, essenzialmente prismatica, le quali possono essere ricondotte a schemi notevoli e quindi facilmente risolvibili.
“Nelle strutture diagrid per edifici alti un nucleo controventato contribuisce solo al 15-20% della rigidezza laterale totale”(1). Per questo ragione si assegna tutta la rigidezza laterale alla diagrid perimetrale e di conseguenza i nuclei possono essere progettati esclusivamente per portare solo i carichi gravitazionali.
La metodologia proposta è riferita agli studi di Moon il quale, in una progettazione basata sulla rigidezza, modella l’edificio come una trave che viene suddivisa poi in moduli in accordo allo schema diagrid.
Ogni modulo è definito da un singolo livello di diagrid che si estende su n piani (Fig. 1). A seconda della direzione del carico le facce dell’edificio funzionano come elementi anima o flangia. Le diagonali sono modellate come incernierate all’estremità e quindi resistono a sforzo di taglio e a momento flettente attraverso un regime di sforzi assiali.
“Con questa idealizzazione, il problema progettuale si riduce nel determinare l’area della sezione trasversale dei tipici elementi anima e flangia di ogni modulo. Queste quantità vengono stabilite con un approccio basato sulla rigidezza”(2). In riferimento alla figura 3, di cui al posto "parte II", il taglio e il momento possono essere espressi in termini di spostamento e rotazione relativi:
Applicando le formule del paragrafo precedente si ottengono le formule per la rigidezza tagliante e flessionale del modulo:
Dove:
- Nw: numero di diagonali su ogni elemento anima.
- Nf : numero di diagonali su ogni elemento flangia.
- Ad,w : area di ogni diagonale sull’anima.
- Ad,f: area di ogni diagonale sulla flangia.
- E: modulo elasticità acciaio diagonali.
- δf : contributo delle diagonali d’anima per la rigidezza flessionale (≈2).
- Ld : lunghezza diagonale.
- Θ: angolo tra gli elementi diagonali.
Avendo taglio e momento, e specificando γ* e χ* rispettivamente come la deformazione a taglio trasversale desiderata e la deformazione flessionale desiderata, si ha:
Sostituendo nelle precedenti si ottengono le formule per la determinazione delle aree delle sezioni degli elementi:
L’angolo θ è quello descritto nel post precedente, bisogna quindi valutare γ* e χ*.
Assumendo la struttura modellata come una mensola e caricata uniformemente, lo spostamento al top è dato da:
Dove γ*H è il contributo della deformazione a taglio e (χ*H2)/2 è il contributo della flessione. Allo scopo di specificare il contributo del taglio rispetto alla flessione si introduce un fattore adimensionale ‘s’ che è uguale al rapporto tra lo spostamento al top dovuto alla flessione e quello dovuto al taglio:
Facendo le opportune sostituzioni si ha:
Bisogna stabilire il valore opportuno di ‘s’.
“Appena un edificio diventa alto e il suo aspect ratio incrementa, l’edificio tende naturalmente a funzionare più come una torre con un grande rapporto deformazione flessionale su deformazione tagliante ‘s’. Il valore di ‘s’ dipende non solo dall’aspect ratio ma anche dal sistema strutturale utilizzato perché ogni sistema ha le sue caratteristiche comportamentali”(3).
Per osservare l’andamento del valore di ‘s’ ci riferiremo allo studio condotto da K.S. Moon e riportati in Sustainable Structural Engineering Strategies for Tall Buildings (Wiley Interscience 2008). Gli studi sono stati condotti su edifici con struttura diagrid alti rispettivamente 40,60,80 e 100 piani. Per l’edificio di 40 piani è stato appurato valore dell’angolo ottimale θ di 63°, mentre per i restanti θ è stato posto pari a 69°.
Dai grafici che seguono, si nota come l’edificio diventa alto il valore ottimale di ‘s’, in termini di materiale usato, diventa alto.
Questi risultati concordano con il fatto che la modalità flessionale governa più di quella tagliante appena l’edificio diventa alto. In queste strutture diagrid non si sono colonne verticali, quindi la flessione viene portata dalle diagonali perimetrali le quali sono più efficaci nel portare il taglio nei piani dell’anima che portare la flessione nei piani delle flange. Questo spiega il rapido aumento del valore ottimale di ‘s’ appena la struttura diagrid diventa alta.
Sulla base di questi studi Moon ha sviluppato le seguente formule empiriche per la valutazione di ‘s’:
Con questa metodologia il predimensionamento degli elementi diagonali di una struttura diagrid viene effettuato in maniera rigorosa.
ESEMPIO APPLICATIVO
Volendo trovare dei riscontri di questa metodologia in progetti già realizzati, si riporta di seguito un esempio relativo all'edificio Hearst Tower. Ovviamente il procedimento sarà inverso ovvero, partendo dalle sezioni degli elementi diagonali, calcoleremo il valore di ‘s’ effettivo e lo confronteremo con i risultati di Moon.
Dati:
H=183 metri
Nst=46
Hmodulo=16,54 metri (4 piani)
Θ=69°.9
Ld=17,6 metri
Ad=70300 mmq
E=206000 N/mmq
Nw=8
Nf=6
T=8996 kN
M=679523 kNm
Applicando le formule descritte in precedenza, calcoliamo la deformazione tagliante:
Dove:
- Nw: numero di diagonali su ogni elemento anima.
- Nf : numero di diagonali su ogni elemento flangia.
- Ad,w : area di ogni diagonale sull’anima.
- Ad,f: area di ogni diagonale sulla flangia.
- E: modulo elasticità acciaio diagonali.
- δf : contributo delle diagonali d’anima per la rigidezza flessionale (≈2).
- Ld : lunghezza diagonale.
- Θ: angolo tra gli elementi diagonali.
Avendo taglio e momento, e specificando γ* e χ* rispettivamente come la deformazione a taglio trasversale desiderata e la deformazione flessionale desiderata, si ha:
Sostituendo nelle precedenti si ottengono le formule per la determinazione delle aree delle sezioni degli elementi:
L’angolo θ è quello descritto nel post precedente, bisogna quindi valutare γ* e χ*.
Assumendo la struttura modellata come una mensola e caricata uniformemente, lo spostamento al top è dato da:
Dove γ*H è il contributo della deformazione a taglio e (χ*H2)/2 è il contributo della flessione. Allo scopo di specificare il contributo del taglio rispetto alla flessione si introduce un fattore adimensionale ‘s’ che è uguale al rapporto tra lo spostamento al top dovuto alla flessione e quello dovuto al taglio:
Il massimo spostamento consentito al top è di solito espresso tramite una frazione dell’altezza totale:
Bisogna stabilire il valore opportuno di ‘s’.
“Appena un edificio diventa alto e il suo aspect ratio incrementa, l’edificio tende naturalmente a funzionare più come una torre con un grande rapporto deformazione flessionale su deformazione tagliante ‘s’. Il valore di ‘s’ dipende non solo dall’aspect ratio ma anche dal sistema strutturale utilizzato perché ogni sistema ha le sue caratteristiche comportamentali”(3).
Per osservare l’andamento del valore di ‘s’ ci riferiremo allo studio condotto da K.S. Moon e riportati in Sustainable Structural Engineering Strategies for Tall Buildings (Wiley Interscience 2008). Gli studi sono stati condotti su edifici con struttura diagrid alti rispettivamente 40,60,80 e 100 piani. Per l’edificio di 40 piani è stato appurato valore dell’angolo ottimale θ di 63°, mentre per i restanti θ è stato posto pari a 69°.
Dai grafici che seguono, si nota come l’edificio diventa alto il valore ottimale di ‘s’, in termini di materiale usato, diventa alto.
Questi risultati concordano con il fatto che la modalità flessionale governa più di quella tagliante appena l’edificio diventa alto. In queste strutture diagrid non si sono colonne verticali, quindi la flessione viene portata dalle diagonali perimetrali le quali sono più efficaci nel portare il taglio nei piani dell’anima che portare la flessione nei piani delle flange. Questo spiega il rapido aumento del valore ottimale di ‘s’ appena la struttura diagrid diventa alta.
Sulla base di questi studi Moon ha sviluppato le seguente formule empiriche per la valutazione di ‘s’:
Con questa metodologia il predimensionamento degli elementi diagonali di una struttura diagrid viene effettuato in maniera rigorosa.
ESEMPIO APPLICATIVO
Volendo trovare dei riscontri di questa metodologia in progetti già realizzati, si riporta di seguito un esempio relativo all'edificio Hearst Tower. Ovviamente il procedimento sarà inverso ovvero, partendo dalle sezioni degli elementi diagonali, calcoleremo il valore di ‘s’ effettivo e lo confronteremo con i risultati di Moon.
Dati:
H=183 metri
Nst=46
Hmodulo=16,54 metri (4 piani)
Θ=69°.9
Ld=17,6 metri
Ad=70300 mmq
E=206000 N/mmq
Nw=8
Nf=6
T=8996 kN
M=679523 kNm
Applicando le formule descritte in precedenza, calcoliamo la deformazione tagliante:
Per la determinazione di ‘s’ quindi utilizziamo la seguente relazione:
Osservando la tabella 5.1 si nota che ‘s’ è compreso nel range di valori ottimali proposti da Moon.
(1) = K. S. Moon, J. J. Connors and J. E. Fernandez, Diagrid Structural System For Tall Builndings: Characteristics and Methodology for Preliminary Design, The structural design of tall and special buildings 2007.
(2) = K. S. Moon, J. J. Connors and J. E. Fernandez, Diagrid Structural System For Tall Builndings:
Characteristics and Methodology for Preliminary Design, The structural design of tall and special buildings 2007.
(3) = K. S. Moon, Material-Saving Design Strategies for Tall Building Structures, CTBUH 8th World Congress 2008