AUTHOR: Ing. Riccardo Carapellese
TUTORS: Ing. Marco Zucca, Ing. Andrea Soligon
INTERNSHIP: Foster + Partners
MASTER: Master in “Progettazione Sismica delle Costruzioni Sostenibili” a.a 2020/21
L’edificio dell’auditorium è caratterizzato dallo spazio interno privo di colonne e dal nucleo di servizio separato, pertanto, il sistema di travi primarie in calcestruzzo PT e solette in cemento armato impiegato per lo spazio dell’auditorium e uno speciale telaio perimetrale in cemento armato che circonda l’edificio dell’auditorium e nel l’area centrale di servizio fornisce un sistema di resistenza al carico laterale. Nella fase iniziale della progettazione sono state studiate opzioni strutturali per avere una struttura che funzionasse al meglio. Il nucleo di servizio è decentrato rispetto all’altro lato dell’edificio, pertanto la rigidità intrinseca sfalsata indotta dal layout causava un’irregolarità torsionale.
Structural Revit Model
Un’attenta indagine sulla disposizione delle pareti a taglio e sul telaio a momento speciale perimetrale in cemento armato e’ stato effettuato per ridurre al minimo l’irregolarità torsionale. Ma si è concluso che per ridurre al minimo l’irregolarità torsionale e allo stesso tempo limitare la rigidità la struttura stava diventando inefficiente e non redditizia.
A questo punto si è presa in considerazione l’opzione di rimuovere le pareti e di considerare il puro Moment Frame. La disposizione in pianta dell’edificio dell’auditorium è una combinazione di due rettangoli, con il nucleo architettonico situato nel rettangolo più piccolo a sud e l’auditorium e gli spazi per uffici situati nel rettangolo più grande a nord. Uno speciale telaio in cemento armato resistente a momento è stato adottato come SFRS lungo entrambi gli assi principali perpendicolari dell’edificio dell’auditorium. Né NSCP – 2015 né ASCE 7 – 16 fissano un limite di altezza sul sistema di telaio speciale resistente a momento in cemento armato. Pertanto, l’altezza dell’edificio dell’auditorium rientra nel limite di altezza sia di NSCP – 2015 che di ASCE 7 – 16.
Il paragrafo 2 della Sezione 208.5.3.2 di NSCP – 2015 consente uno spettro di risposta di progetto elastico specifico del sito con una probabilità del 10% di essere superato in 50 anni per essere la rappresentazione del movimento del suolo. Per l’edificio dell’Auditorium si fa riferimento all’ultima pratica statunitense di adottare il seguente spettro di progettazione elastica sismica, categoria di progettazione sismica e procedura. Spettro di progetto elastico sismico – l’inviluppo di: lo spettro di risposta elastico determinato sulla base dei parametri di accelerazione di progetto raccomandati, SDS e SD1, determinati dallo studio di valutazione del rischio sismico specifico del sito, e l’80% dello spettro di progetto elastico NSCP – 2015 codice DBE in conformità con la Sezione 21.3 dell’ASCE 7 – 16.
L’analisi strutturale viene eseguita utilizzando il software di analisi e progettazione strutturale ETABS V18.0.2 sviluppato da Computers & Structures, Inc. Per valutare gli effetti del carico sismico, l’edificio è vincolato alla soletta strutturale del tetto del seminterrato e la sovrastruttura è modellata senza il basamento .
Figure 4: Moment Frame Beam
Le aree delle solette sono modellate come diaframmi elastici, utilizzando elementi a guscio per riflettere gli effetti di un’ampia apertura nelle colonne dei solai del pavimento e le travi sono modellate utilizzando elementi telaio. Gli effetti P-∆ sono inclusi nell’analisi. La massa sismica è stata calcolata come una combinazione di carico sovrapposto, una parte del carico dinamico e peso proprio generato dalla geometria del modello e dalle densità dei materiali. I carichi permanenti e permanenti sovrapposti vengono modellati utilizzando carichi su area, carichi lineari o carichi puntuali, a seconda dei casi. Il comportamento dinamico strutturale dell’edificio dell’auditorium è finemente sintonizzato per ottenere le prime due modalità come traslazionale, rispettivamente nelle direzioni trasversale, X e longitudinale, Y. Seguendo la Sezione 9.15 delle Basi di progettazione strutturale, le derive indotte dai terremoti sono state calcolate dal software di analisi agli elementi finiti ETBAS. Per i sistemi resistenti alla forza sismica comprendenti esclusivamente telai di momento in strutture assegnate alle categorie di progettazione sismica D, E o F, la deriva del piano di progetto (Δ) non deve superare Δa∕ρ per qualsiasi piano. ρ=1 e Da = 0,02 x altezza del piano secondo la Tabella 12.12-1 dell’ASCE 7-16. Il grafico mostra che il rapporto di deriva tra i piani della risposta anelastica massima è 1/54 in direzione X, che è inferiore al limite di 1/50.
Figure 5: PT beam
Figure 6: MF Column
È stato eseguito un progetto preliminare della trave Moment Frame e della colonna Moment Frame. Le sezioni trasversali della trave del telaio del momento hanno una profondità di 850 mm e una larghezza di 900 mm. I momenti sismici e gravitazionali sono presi direttamente dall’output del programma ETABS in seguito all’effetto del carico sismico definito nella Sezione 9.12 e alle Combinazioni di carico 9.18.4 della Base di Design. Il processo di progettazione per la determinazione dell’armatura longitudinale è illustrato nell’estratto del foglio di calcolo nella relazione principale e si basa sull’ACI 318-19M. Nell’esecuzione dei calcoli di progetto, per le travi vengono utilizzate tre diverse resistenze a flessione. I livelli sopra l’auditorium sono destinati ad essere aree di formazione. Secondo le indicazioni dei Clienti, è richiesta la massima flessibilità, che implica spazi liberi per le colonne, per raggiungere l’intento architettonico sono selezionate travi PT profonde 1,2 m. Un’analisi preliminare viene effettuata utilizzando il software ADAPT PTRC-2018.
FOR INTERNATIONAL STUDENTS:
The auditorium building is featured by the internal column-free space and separated service core, therefore, the PT concrete primary beam and reinforced concrete slab system employed for to the auditorium space and a reinforced concrete special perimeter moment frame surrounding the auditorium building and in the service core area provides a lateral load-resisting system. After 100%SD submission, few structural options have been investigated in order to have a more cost-effective structure. The service core is off-centered to the other side of the building, therefore, the inherent stiffness offset induced by the layout was causing a torsional irregularity. A careful investigation on the shear walls layout and perimeter special reinforced concrete moment frame has
been carried out to minimize the torsional irregularity. But it was concluded that in order to minimize the torsional irregularity and in the same time limit the stiffness the structure was becoming not efficient and not cost effective. At this point It was considered the option to remove the walls and to consider pure Moment Frame. The plan layout of the auditorium building is a combination of two rectangles, with the architectural core located at the smaller rectangle to the south and the auditorium and the office spaces located at the larger rectangle to the north. A reinforced concrete special moment resisting frame has been adopted as the SFRS along both perpendicular principal axes of the auditorium building. Neither NSCP – 2015 nor ASCE 7 – 16 sets a height limit on reinforced concrete special moment-resisting frame system. Hence, the height of the auditorium building is within the height limit of both NSCP – 2015 and ASCE 7 – 16. Paragraph 2 of Section 208.5.3.2 of NSCP – 2015 permits a site-specific elastic design response spectrum having a 10% probability of being exceeded in 50 years to be the ground motion representation. For the Auditorium building, reference is made to the latest US practice to adopt the following earthquake elastic design spectrum, seismic design category and procedure. Earthquake elastic design spectrum – the envelop of: the elastic response spectrum determined based on the recommended design acceleration parameters, SDS and SD1, determined from the site-specific seismic hazard assessment study, and 80% of the NSCP – 2015 code DBE elastic design spectrum in accordance with Section 21.3 of ASCE 7 – 16. The structural analysis is performed using the ETABS structural design and analysis software V18.0.2 developed by Computers & Structures, Inc. For evaluating seismic load effects, the building is restrained at the basement structural roof slab and the super-structure is modelled without the basement. Slabs areas are modelled as elastic diaphragms, using shell elements to reflect the effects of large opening in the floor slabs Columns, and beams are modelled using frame elements. P-∆ Effects are included in the analysis. Seismic mass was calculated as a combination of superimposed dead load, a portion of live load, and self-weight generated from model geometry and material densities. Superimposed dead and live loads are modelled using area loads, line loads or point loads as appropriate. The structural dynamic behaviour of the auditorium building is finely tuned to achieve the first two modes as translational, in the transversal, X, and longitudinal, Y, directions respectively.
Following Section 9.15 of the Structural Design Basis the Earthquake -induced drifts have been computed from the ETBAS finite element analysis software. For seismic force-resisting systems solely comprising moment frames in structures assigned to Seismic Design Categories D, E, or F, the design story drift (Δ) shall not exceed Δa∕ρ for any story. ρ=1 and Da = 0.02 x storey height in accordance with Table 12.12-1 of ASCE 7-16. The chart shows that the maximum inelastic response inter-storey drifts ratio is 1/54 in X direction which is smaller than the 1/50 limit. A preliminary design of the Moment Frame Beam and Moment Frame Column has been carried out. Moment frame beam cross sections have a depth of 850 mm and a width of 900mm.The seismic and gravity moments are taken directly from the ETABS program output following the Earthquake Load effect defined at the Section 9.12 and the Load Combinations 9.18.4 of the Basis of Design. The design Process for determining longitudinal reinforcement is illustrated on the excerpt of spreadsheet in the main report and is based on the ACI 318-19M. In carrying out the design calculations, three different flexural strengths are used for the beams. The levels above the auditorium are intended to be training areas. As per the brief from the Clients maximum flexibility, which implies columns free spaces, is required 1.2m deep PT beams are selected to achieve the architectural intent. A preliminary analysis is carried out using the software ADAPT PTRC-2018.