Comportamento Sismico dei Collegamenti nelle Strutture Prefabbricate

Le costruzioni prefabbricate hanno oggi un larga diffusione, in particolar modo per determinate tipologie di edifici, quali quelli industriali (80% di tali edifici è oggi realizzato con struttura prefabbricata) e, in maniera sempre crescente, quelli commerciali ad uno o più piani. Un dato certamente significativo, anche se parziale, sulla diffusione di tale sistema costruttivo è rappresentato dalla produzione di orizzontamenti prefabbricati realizzati nell’anno 2002, che ha toccato i 20 milioni di metri quadrati. Oggi l’industria della prefabbricazione italiana vede attive circa 500 aziende con un totale di 20.000 addetti, dato questo che giustifica la rilevanza economica di una ricerca in tale settore alla quale certamente si affianca una grande rilevanza sociale; infatti essa concerne il primario aspetto della protezione civile, ovvero è relativa alla salvaguardia delle vite umane in occasione di terremoti. Proprio da queste considerazioni deriva il forte interesse per il raggiungimento di una esaustiva e razionale soluzione ai problemi inerenti la progettazione sismica degli edifici prefabbricati. Molti aspetti relativi a tale problema sono stati già indagati con ricerche su scala nazionale ed europea; in particolare è stata messa a punto con indagini teorico-sperimentali l’analisi dell’insieme strutturale, la valutazione delle sue risorse duttili e della conseguente capacità dissipativa sotto azione sismica e il corretto calcolo dei principali elementi (travi, pilastri …). Non è ancora stato oggetto di indagine approfondita e generalizzata, invece, lo studio dei collegamenti tra elementi prefabbricati considerati nella loro specificità e nei riguardi delle conseguenze che tale specificità introduce nel comportamento strutturale d’insieme. È dunque ampiamente sentita oggi la necessità di dare una soluzione scientificamente corretta, completa e sperimentalmente testata ai problemi della progettazione dei nodi e delle unioni delle strutture prefabbricate, dando pratica applicazione ai criteri di duttilità e gerarchia delle resistenze che le nuove norme sismiche internazionali introducono sistematicamente. Il principio della gerarchia delle resistenze è uno dei concetti innovativi delle nuove norme sismiche ed è stato pienamente assunto anche dalla recente norma sismica italiana. Esso è finalizzato a garantire l'innesco dei meccanismi duttili responsabili della dissipazione energetica e la prevenzione di quei meccanismi fragili che possono compromettere l'integrità strutturale durante l'azione sismica. L’applicazione pratica di questi criteri richiede in primo luogo di conoscere i parametri di comportamento dei diversi tipi di unione ed allo stato attuale, salvo qualche isolata ricerca, non sono disponibili molte informazioni. In assenza di accertate risorse duttili, l’applicazione della gerarchia delle resistenze deve invero garantire alle connessioni una resistenza superiore a quella richiesta, valutata in base alle capacità delle sezioni critiche dissipative degli elementi contigui, conferendo affidabilità al modello globale, con piena utilizzazione delle risorse duttili degli elementi. Tuttavia, l'applicazione di un simile criterio non appare immediata e richiede attente considerazioni. Si tratta dell'aspetto fondamentale che governa e condiziona il comportamento sismico delle costruzioni prefabbricate. Posto che i singoli elementi, come pilastri, travi e solai, vengano correttamente progettati in base agli aggiornati criteri dell'Ingegneria sismica, l'esito della progettazione stessa in termini di affidabilità della sicurezza può essere positivo solo se vengono compiutamente risolti tutti i complementari aspetti del comportamento strutturale d’insieme, che dipendono dal corretto funzionamento delle connessioni e dal loro efficace posizionamento. Un affidabile dimensionamento delle connessioni comporta la risoluzione di svariati problemi fra loro interconnessi. Infatti, oltre a garantire la resistenza delle connessioni, prevenendo ogni loro possibile rottura fragile precoce, devono essere oggetto di precisa valutazione le componenti di sforzo che si generano negli elementi portanti, in particolare le travi, a causa delle eccentricità esistenti tra le connessioni e gli elementi, considerando anche il funzionamento a diaframma che può instaurarsi nei solai di copertura. Si vuole, in breve, sviluppare e validare modelli teorici, basati su approcci meccanici, del comportamento sismico dei collegamenti, vale a dire determinare le curve forza-spostamento e/o momento-rotazione sia per quanto concerne la parte monotona che quella ciclica. Quanto detto segue perfettamente la linea tracciata dalla nuova normativa sismica italiana che consente analisi non più in campo solamente elastico, ma anche elasto-plastico, quali l'analisi non lineare statica e quella dinamica con integrazione delle equazioni al passo. In questo ambito, lo studio del collegamento trave-pilastro risulta di particolare importanza, perché unisce due elementi "primari" nella resistenza all'azione sismica degli edifici. La realtà costruttiva italiana odierna presenta diverse tipologie dello stesso, comunque generalmente riconducibili ad un’unione caratterizzata da un appoggio in gomma e da uno spinotto in acciaio; questo è annegato sia nella trave che nel pilastro ed ha la principale funzione di resistere alle forze orizzontali, impedendo la traslazione relativa fra gli elementi e, quindi, la perdita d'appoggio della trave. Attualmente la resistenza di tale collegamento è calcolata con formule semplificate, che non tengono conto di molti parametri in gioco, quali, per esempio, il copriferro, la direzione dell'azione, l'interferro. Inoltre, quasi nessun rilievo è dato alla duttilità del collegamento ed alla sua rigidezza. D'altra parte, è importante sottolineare che, sebbene negli ultimi anni a livello internazionale si stanno conducendo alcuni studi sul comportamento meccanico dei collegamenti trave-pilastro, pochissimi di questi sono rivolti alla sopra citata tipologia, di più comune impiego in Italia. Quindi, in definitiva, nonostante l'importanza del collegamento, non esistono ad oggi studi specifici che consentano di definire appropriate metodologie di calcolo in particolare in zona sismica e dettagli costruttivi che assicurino i requisiti prestazionali richiesti. Per questo motivo il lavoro di ricerca ha come obiettivo primario lo studio sperimentale delle caratteristiche meccaniche del collegamento spinottato trave - pilastro di edifici monopiano e multipiano nelle strutture prefabbricate, in relazione al loro comportamento sismico. Le conoscenze in tal modo acquisite verranno elaborate in modo da sviluppare procedure di calcolo di organismi strutturali complessi e rendere disponibili linee guida per la progettazione ottimale dei collegamenti nel rispetto dei principi della gerarchia delle resistenze. La conoscenza, per ciascun collegamento, dei parametri di riferimento consentirà di implementare gli stessi in modelli computazionali parziali o globali. Tale fase di analisi sarà caratterizzata da una indagine iniziale volta alla identificazione della modellazione più idonea a rappresentare il comportamento dei collegamenti in esame; ciò sia in merito al tipo di modello sia alle caratteristiche di ciascuno di essi, quali rigidezza, resistenza, capacità rotazionale anche in relazione alla risposta ciclica. Queste, ovviamente, terranno conto di effetti che, indipendentemente dall'azione sismica, fortemente condizionano il comportamento delle strutture prefabbricate ed, in particolare, dei collegamenti, quali, tra gli altri, quelli legati alla viscosità ed alla eccentricità delle unioni. Il lavoro è dunque centrato sullo studio del comportamento sismico del collegamento trave-pilastro nelle strutture prefabbricate e sulla sua evoluzione nel tempo. Si passa, infatti, dal collegamento ad attrito in voga prima degli anni ’70 a quello spinottato che è oggigiorno il più diffuso, per arrivare alle innovative connessioni trave - pilastro ibride. In particolare il lavoro proposto si articola nei seguenti capitoli: 1. TIPOLOGIE COSTRUTTIVE E SCHEMI STRUTTURALI Si riporta una sintetica quanto completa descrizione degli schemi strutturali comunemente utilizzati per la realizzazione delle strutture prefabbricate. 2. I COLLEGAMENTI NELLE STRUTTURE PREFABBRICATE Sono descritte ed analizzate le tipologie di unioni presenti nelle strutture prefabbricate, sia quelle che uniscono fra loro gli elementi portanti che quelle che uniscono tali elementi a quelli portati. L’attenzione è rivolta in particolare all’unione trave-pilastro, oggetto di studio in tale lavoro. 3. CENNI NORMATIVI Nel capitolo si presenta un’analisi completa della normativa vigente e passata con particolare riferimento ai requisiti richiesti ai sistemi di collegamento. 4. CONNESSIONE TRAVE-PILASTRO AD ATTRITO (IL PASSATO) In Italia esistono molti edifici industriali prefabbricati realizzati tra gli anni Cinquanta e Settanta, i cui collegamenti trave-pilastro sono basati sulla resistenza ad attrito. Indagini numeriche eseguite in passato confermano che, al fine di determinare la vulnerabilità sismica di tali strutture, è necessario conoscere esattamente il valore del coefficiente di attrito neoprene-calcestruzzo, che caratterizza la resistenza del collegamento trave-pilastro. Sfortunatamente, la letteratura tecnica fornisce un grande numero di valori di tale coefficiente, anche molto diversi fra loro; conseguentemente, al fine di determinarne un valore affidabile, è stata condotta una specifica campagna sperimentale. In questo capitolo sono capitolo riportate le tre tipologie di esperimenti condotti: test di durezza sul neoprene, al fine di determinarne il modulo di elasticità tangenziale, prove su piano inclinato (tilting test) ed in presenza di sforzo normale (pulling test). Sono descritti in dettaglio il set-up, la metodologia ed i risultati delle prove. 5. COLLEGAMENTO TRAVE-PILASTRO SPINOTTATO (IL PRESENTE) Nel capitolo è presente un’analisi parametrica relativa alle formulazioni attualmente presenti in letteratura per la valutazione della resistenza di tali connessioni. Tali formulazioni vanno verificate mediante un’accurata campagna sperimentale, che è in via di esecuzione e che è qui descritta. Sono presentati i set up delle prove su collegamenti trave-pilastro caratterizzati dai tipici spinotti annegati nel pilastro sia in assenza che in presenza di soletta collaborante. Sono previsti test a taglio ed a flessione nella direzione longitudinale della trave. La storia di carico è sia monotona che ciclica; la prima è condotta fino allo spostamento ultimo, in modo da determinare in maniera dettagliata la curva di carico monotono ed i livelli di spostamento in corrispondenza dei quali condurre la prova ciclica. 6. CONNESSIONI INNOVATIVE TRAVE-PILASTRO IBRIDE (IL FUTURO) Si esaminano i collegamenti tra trave e pilastro prefabbricati di tipo innovativo, evidenziandone i vantaggi sia in termini economici che di prestazione sismica. 7. CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI DELLA RICERCA A valle del lavoro svolto si traggono le conclusioni circa i risultati ottenuti, evidenziandone l’innovatività ed i possibili sviluppi