Colonne ambulanti (ACI)
Una "colonna ambulante" è un tipo di colonna strutturale che si sposta orizzontalmente tra i piani, il che significa che non è allineata verticalmente con le colonne sottostanti (vedere Figura 4.1). Questo spostamento laterale si verifica tipicamente a causa di requisiti architettonici o progettuali, consentendo flessibilità nei layout dei piani pur trasferendo i carichi attraverso la struttura. Nonostante questo offset laterale, le colonne ambulanti sono progettate per garantire che trasportino efficacemente i carichi verticali su diversi livelli.
Figura 4.1: Colonna ambulante: a) Colonna ambulante in un edificio reale, e b) meccanismo di trasferimento del carico della colonna ambulante (SheerForce Engineering, 2021).
Le capacità di carico verticale di queste colonne sono state valutate tramite il software IDEA StatiCa e successivamente confrontate con le capacità di progetto derivate dal Modello Puntone-Tirante (STM) come delineato in ACI 318-19 (2019). Uno dei quattro esempi di colonne ambulanti è stato scelto come riferimento per ulteriori analisi utilizzando il software ABAQUS (2023), dove la sua capacità portante, la distribuzione delle tensioni principali e i modelli di fessurazione sono stati determinati e confrontati con i risultati ottenuti sia dal Metodo del Campo di Tensioni Compatibili (CSFM) che dalla procedura di progetto ACI 318-19.
Colonne ambulanti negli edifici moderni
Per valutare le prestazioni strutturali delle colonne ambulanti, sono state valutate quattro colonne ambulanti in CA, identificate come Esempi da 1 a 4. Queste colonne sono state progettate e presentate da Schwinger (2021) in un seminario organizzato dalla Delaware Valley Association of Structural Engineers, Eastern Chapter of the Structural Engineers Association of Pennsylvania. L'obiettivo principale di questi esempi progettuali era fornire linee guida di progettazione per gli ingegneri, a causa della mancanza di studi sperimentali o dati progettuali specificamente focalizzati sulle colonne ambulanti.
Il 56 Leonard Building
Il 56 Leonard, situato a Manhattan, New York, è stato costruito nel 2016. È un esempio straordinario dell'applicazione delle colonne ambulanti nell'architettura moderna (Figura 4.2). I piani dell'edificio alto 821 piedi e 60 piani appaiono impilati in modo irregolare, ricordando un gioco "Jenga" (Lubell, 2015).
Figura 4.2: Esempio di colonna ambulante: a) edificio 56 Leonard, e b) colonne ambulanti.
Chicago Mercantile Exchange Center
Il Chicago Mercantile Exchange Center (CME), completato nel 1987, è un esempio emblematico di come le colonne ambulanti possano essere integrate in un progetto strutturale per gestire distribuzioni di carico complesse in grandi edifici commerciali (Figura 4.3). L'edificio presenta due torri di 40 piani collegate da una struttura di base di 10 piani, progettata per soddisfare i requisiti funzionali di una borsa merci, come grandi piani di trading aperti ai livelli inferiori. Per raggiungere questo obiettivo, è stato impiegato un robusto sistema di trasferimento dei carichi, utilizzando colonne ambulanti per trasferire i carichi dai livelli superiori alle fondazioni.
Figura 4.3: a) Chicago Mercantile Exchange Center, e b) la sua vista in elevazione e il meccanismo di trasferimento del carico.
Beetham Tower
La Beetham Tower a Manchester, Regno Unito, completata nel 2004, è un esempio notevole di struttura che utilizza colonne ambulanti per raggiungere obiettivi sia strutturali che estetici (Figura 4.4). Alta 168 metri (551 piedi), era uno degli edifici residenziali più alti d'Europa al momento del suo completamento.
Figura 4.4: a) Beetham Tower, b) colonna ambulante, e c) schema della colonna ambulante.
Miami Tower
La Miami Tower di 47 piani a Miami, Florida, è stata completata nel 1987 e include arretramenti unici e un profilo a gradini (Figura 4.5). Queste caratteristiche hanno richiesto una soluzione progettuale strutturale innovativa per gestire i diversi percorsi di carico nell'edificio. Le colonne ambulanti sono state utilizzate per trasferire i carichi dai piani superiori più piccoli alla base più grande sottostante. La Miami Tower illustra come le colonne ambulanti possano essere efficacemente utilizzate nella costruzione di grattacieli per raggiungere obiettivi sia funzionali che visivi , 1987).
Figura 4.5: a) Miami Tower, b) layout strutturale del piano, e c) layout della colonna ambulante (Taranath, 2010).
Sviluppo e analisi del modello ABAQUS
La colonna ambulante dell'Esempio 1 è stata modellata utilizzando il software ABAQUS (2023) per l'analisi agli elementi finiti (FE).L'Esempio 1 è stato anche modellato utilizzando IDEA StatiCa e analizzato nella Sezione 4.5.1. I risultati dell'analisi ABAQUS sono confrontati con quelli ottenuti da IDEA StatiCa nella Sezione 4.7 dello studio completo.
Figura 4.10: Configurazione del modello in ABAQUS che mostra: a) le posizioni e i dettagli del carico applicato, b) i dettagli delle barre di armatura, e c) le condizioni al contorno.
Le direzioni calcolate e previste delle tensioni principali da IDEA StatiCa (vedere Sezione 4.5.1) e ABAQUS, rispettivamente, sono presentate nella Figura 4.15. Entrambi i modelli offrono risultati comparabili, assomigliando a puntoni a forma di bottiglia. Ciò suggerisce che la risposta complessiva del campione è coerente tra i due modelli, supportando l'uso della risposta calcolata per sviluppare un modello puntone-tirante più realistico (come fatto nella Sezione 4.6).
Figura 4.15: Confronto della direzione delle tensioni principali calcolate utilizzando i modelli IDEA StatiCa e ABAQUS.
Analisi con IDEA StatiCa
Il comportamento delle colonne ambulanti in cemento armato (Esempi da 1 a 4, come descritto nella Sezione 4.5) è stato analizzato utilizzando il software IDEA StatiCa. Questi progetti sono stati selezionati per esaminare l'effetto del meccanismo di trasferimento del carico verticale sulle loro prestazioni strutturali. L'approccio di modellazione impiegato in IDEA StatiCa ha incorporato la resistenza a compressione specificata del calcestruzzo e le resistenze di snervamento e ultime delle barre di armatura in acciaio, aderendo ai parametri stabiliti da Schwinger (2021).
Nell'analisi con IDEA StatiCa, fattori di carico pari a 1,0 sono stati applicati a entrambi i pattern di carico—il peso proprio e il carico verticale applicato—riflettendo il comportamento reale senza fattorizzazione per la sicurezza progettuale. Per determinare le capacità di progetto e reali della colonna ambulante, sono stati applicati diversi fattori di materiale: per il calcestruzzo (ϕc), sono stati utilizzati valori di 0,65 per la capacità di progetto e 1,0 per la capacità reale; analogamente, per l'acciaio di armatura (ϕs), sono stati impiegati fattori di 0,9 per il progetto e 1,0 per il comportamento reale. È importante chiarire che ACI 318-19 prescrive diversi fattori di riduzione della resistenza a seconda della modalità di rottura, come ϕ = 0,9 per la flessione, ϕ = 0,75 per il taglio, e ϕ = 0,65 per la portanza assiale, piuttosto che fattori uniformi per tutti i casi. Tuttavia, in questo studio, fattori di riduzione della resistenza del materiale uniformi sono stati impiegati all'interno di IDEA StatiCa per stimare la capacità di progetto a causa della mancanza di dati sperimentali per la colonna ambulante. Attualmente, il software IDEA StatiCa (versione 24.0.6.1216) non fornisce inoltre l'opzione di assegnare diversi fattori di riduzione della resistenza, ϕ per diverse condizioni di rottura.
Figura 4.20: Risultati CSFM per la colonna ambulante Esempio 1: a) vista 3D, b) flusso delle tensioni, c) tensioni principali del calcestruzzo (σc), d) tensioni nell'armatura (σs), (e) spostamento in direzione x (Ux), e (f) spostamento in direzione z (Uz).
Calcolo della capacità con il Modello Puntone-Tirante
La capacità degli esempi di colonne ambulanti è stata determinata utilizzando la metodologia del Modello Puntone-Tirante (STM), come delineato nel codice ACI 318-19. L'approccio STM è stato applicato per valutare le prestazioni delle regioni discontinue, garantendo la piena conformità con i principi progettuali stabiliti nel Capitolo 23 di ACI 318-19. Modellando il trasferimento delle forze attraverso puntoni compressi e tiranti tesi, il metodo STM rappresenta efficacemente la distribuzione dei carichi all'interno della struttura, in particolare nelle aree con discontinuità geometriche. Per ogni esempio di colonna ambulante, la capacità di progetto è stata calcolata utilizzando il framework STM, incorporando gli appropriati fattori di riduzione della resistenza, ϕ come specificato in ACI 318-19.Le capacità degli elementi strutturali chiave nelle colonne ambulanti sono state valutate, tra cui:
- Capacità della colonna superiore: La capacità portante della colonna superiore è stata calcolata in conformità con i requisiti per le colonne con staffe di ACI 318-19, tenendo conto sia della resistenza del calcestruzzo che dell'armatura fornita.
- Capacità della colonna inferiore: Analogamente, la capacità della colonna inferiore è stata calcolata seguendo le disposizioni per le colonne con staffe di ACI 318-19.
- Capacità portante delle solette: La capacità portante delle solette, situate in cima e alla base delle colonne, è stata valutata per garantire una sufficiente resistenza del calcestruzzo alle forze verticali applicate.
- Taglio verticale nella colonna/parete intermedia: La capacità a taglio verticale della colonna o parete intermedia tra le solette è stata valutata per garantire che la rottura per taglio non si verifichi prima che la struttura raggiunga la sua capacità ultima.
La capacità minima di questi componenti strutturali è stata selezionata come capacità di progetto finale per ogni esempio di colonna ambulante, identificando così la modalità di rottura più critica in conformità con il codice ACI 318-19. Nell'analisi, la resistenza a compressione efficace del calcestruzzo, fce nei puntoni e nelle zone nodali è stata calcolata utilizzando le equazioni pertinenti di ACI 318-19, come dettagliato nella Sezione 2.3 del Capitolo 2 di questo studio. Il fattore di modifica del confinamento del puntone e del nodo βc, il coefficiente del puntone βs, e il coefficiente della zona nodale βn sono stati determinati utilizzando i valori delle Tabelle 2.1 e 2.3 del Capitolo 2, rispettivamente. Le resistenze a compressione efficaci del calcestruzzo nelle zone dei puntoni e nodali sono state calcolate utilizzando le Equazioni 2.4 e 2.9, rispettivamente.
Durante l'analisi, sono state impiegate tecniche di ottimizzazione topologica per identificare i percorsi di flusso delle tensioni più efficienti all'interno della struttura. Questo processo è stato eseguito da IDEA StatiCa utilizzando volumi efficaci del 20% e del 60%, che hanno contribuito a perfezionare il progetto STM ottimizzando la distribuzione dei carichi attraverso i puntoni e i tiranti in acciaio. Questo approccio ha consentito la creazione di un modello puntone-tirante più efficace, con puntoni correttamente dimensionati per garantire l'accuratezza nella trasmissione delle forze.
Infine, i modelli STM per ogni esempio di colonna ambulante sono stati sviluppati utilizzando diagrammi di flusso delle tensioni e grafici di ottimizzazione topologica generati tramite il software IDEA StatiCa. Questi modelli hanno fornito una rappresentazione semplificata ma precisa dei meccanismi di trasferimento del carico nelle colonne ambulanti sotto i carichi applicati, catturando efficacemente il comportamento sia dei puntoni compressi che dei tiranti tesi.
Figura 4.24: Modello puntone-tirante per l'Esempio 1: a) ottimizzazione topologica con volume efficace del 20% da IDEA StatiCa, b) ottimizzazione topologica con volume efficace del 60% da IDEA StatiCa, e c) modello puntone-tirante con flusso delle tensioni.
Riepilogo
Il comportamento di quattro esempi di colonne ambulanti (Esempi da 1 a 4) è stato valutato utilizzando lo STM in conformità con ACI 318-19, insieme a IDEA StatiCa e ABAQUS. Il modello di riferimento, Colonna Ambulante Esempio 1, ha servito come riferimento per l'analisi comparativa. Un carico verticale è stato applicato alla sommità di ciascuna colonna per rappresentare il carico di progetto, con fattori di riduzione della resistenza incorporati nell'analisi STM basati su ACI 318-19. Inoltre, le capacità massime delle colonne ambulanti sono state determinate utilizzando il CSFM senza l'applicazione dei valori ϕ.
La Tabella 4.3 confronta le capacità delle colonne ambulanti, valutate utilizzando ACI 318-19, STM e CSFM sia con che senza fattori di riduzione della resistenza, ϕ. I dati rivelano diversi schemi e distinzioni nel comportamento delle colonne sotto diversi approcci analitici. Un confronto dettagliato dei risultati dimostra che le capacità previste dal CSFM senza ϕ sono costantemente più elevate di quelle ottenute utilizzando STM e CSFM con ϕ, con variazioni a seconda dell'esempio specifico analizzato.
Tabella 4.3: Confronto delle capacità delle colonne ambulanti per diversi metodi
Nella Figura 4.32, che fornisce un confronto grafico delle capacità tra tutti i metodi ed esempi, la relazione tra i diversi approcci analitici è chiaramente illustrata. La figura sottolinea i notevoli aumenti di capacità quando i fattori di riduzione della resistenza non vengono applicati nell'analisi CSFM.La rappresentazione visiva mostra chiaramente come le capacità previste dal CSFM senza valori ϕ siano costantemente più elevate in tutti gli esempi rispetto sia allo STM che all'ACI 318-19.
Figura 4.32: Confronto delle capacità per gli esempi di colonne ambulanti.
In sintesi, l'analisi comparativa delle capacità delle colonne ambulanti utilizzando ABAQUS, STM e CSFM rivela schemi e relazioni notevoli tra questi metodi. I risultati indicano che ABAQUS fornisce costantemente stime di capacità più elevate rispetto sia allo STM che al CSFM, dimostrando la sua capacità di catturare comportamenti complessi dei materiali e condizioni di carico. Le differenze nelle capacità sottolineano la natura conservativa dello STM e del CSFM con ϕ, che spesso porta a previsioni inferiori rispetto ad ABAQUS.
Nel complesso, l'analisi CSFM si è dimostrata uno strumento affidabile per valutare le capacità delle colonne ambulanti. La sua capacità di offrire informazioni sui potenziali meccanismi di rottura e sulle prestazioni strutturali ne aumenta il valore nelle applicazioni progettuali. La flessibilità del CSFM nell'adattarsi a vari scenari di carico e la sua sensibilità ai fattori di riduzione della resistenza lo rendono un metodo vantaggioso per gli ingegneri strutturali. Pertanto, incorporare il CSFM insieme ad altri approcci analitici può portare a una comprensione più completa delle prestazioni delle colonne ambulanti, contribuendo in ultima analisi a pratiche di ingegneria strutturale più robuste ed efficaci.