Modellazione non-lineare di un capannone in c.a. prefabbricato esistente

Antonio Lanza - Ingegnere e collaboratore MOSAYK Federica Bianchi - Ingegnere e Co-fondatore MOSAYK Roberto Nascimbene - Ingegnere e CEO MOSAYK 06/07/2018 2356

Confronto tra differenti strategie di modellazione delle connessioni

Gli eventi sismici dell’Aquila nel 2009 e dell’Emilia nel 2012 hanno causato il crollo di molti capannoni industriali prefabbricati in c.a., mettendo in luce le carenze di questa tipologia strutturale nei riguardi dell’azione sismica. Gli elementi che hanno mostrato le maggiori criticità nei confronti delle forze indotte dal sisma sono stati i collegamenti. L’assenza di un’unione meccanica tra gli elementi strutturali, capace di trasferire gli sforzi in regime dinamico, è stata la causa principale della perdita di appoggio degli elementi orizzontali (la quasi totalità dei collegamenti, infatti, affidava il trasferimento delle forze orizzontali unicamente sull’attrito).

Inoltre, le strutture prefabbricate, se paragonate alle strutture in c.a. gettato in opera, sono caratterizzate da un’elevata flessibilità e sotto l’effetto dell’azione sismica sono in grado di raggiungere elevati livelli di spostamento e/o deformazioni. Pertanto, non è possibile valutare correttamente la risposta di tale tipologia strutturale mantenendo l’ipotesi di linearità. Dovendo ricorrere ad analisi non-lineari, le attuali Norme Tecniche (NTC18) ammettono l’impiego di due differenti metodi: i) l’analisi statica non-lineare (pushover), generalmente la più utilizzata, e ii) l’analisi dinamica non-lineare.

In questo articolo viene mostrato un esempio di edificio esistente in cemento armato prefabbricato, la cui vulnerabilità sismica è stata valutata mediante lo svolgimento di analisi statiche non-lineari. Per tale edificio, oltre alle verifiche prescritte dalla normativa in termini di meccanismi “duttili” e “fragili”, è stato anche stimato l’indice ζ_E, definito nel testo delle nuove NTC18 come il rapporto tra l’azione sismica massima sopportabile dalla struttura (PGA di capacità, PGAC), e l’azione sismica prevista, nel sito, per un nuovo edificio allo stesso stato limite (PGA di domanda, PGAD). Infine, per tenere conto delle vulnerabilità di cui tale tipologia strutturale è affetta, sono state condotte le verifiche relative alle connessioni.

Le analisi numeriche della struttura in oggetto sono state svolte con l’ausilio del software agli Elementi Finiti SeismoStruct (il programma è distribuito da Mosayk srl (www.mosayk.it)).

Descrizione dell’edificio in esame

Come caso studio si è scelto di analizzare un edificio esistente ad uso produttivo, risalente al 1996, con struttura portante a telaio in cemento armato prefabbricato. L’edificio, che presenta una pianta rettangolare di dimensioni pari a circa 100 x 60 m (Figura 1), è costituito essenzialmente da due parti: una parte monopiano, destinata alla produzione, e una parte costituita da due piani adibita a uffici, come indicato nelle sezioni rappresentate, rispettivamente in Figura 2 e in Figura 3. 

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Per quanto riguarda gli elementi strutturali, tutti i pilastri presentano una sezione di 50x50 cm e sono caratterizzati da un’armatura longitudinale di 4 Ø16. L’armatura trasversale è costituita da staffe Ø6 con passo 20 cm. Le barre sono in acciaio FeB44k.

Tutte le travi e i tegoli sono collegati, rispettivamente a pilastri e travi, in condizione di semplice appoggio, con resistenza affidata solamente all’attrito. Le travi costituenti la porzione adibita alla produzione presentano sezioni ad I di altezze pari a 1.3 m e 0.8 m, rispettivamente per le due campate centrali e per quelle esterne. Per quanto riguarda la porzione adibita ad uffici, tutte le travi presentano una sezione ad L di altezza pari a 0.8 m. In Figura 4 si riportano due sezioni tipo (impiegate nel software) di alcune delle travi appena descritte. 

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I solai, realizzati con elementi bi-nervati in semplice appoggio (tegoli), presentano un getto di completamento per entrambi i livelli della porzione adibita ad uffici. Sono stati, pertanto, considerati i diaframmi rigidi solo per le porzioni di orizzontamenti che presentano il getto di completamento.

Per quanto riguarda i parametri necessari al fine della valutazione sismica, la costruzione, classificabile in classe d’uso II, è caratterizzata da una vita nominale di 50 anni e si trova in una zona a media sismicità. I valori delle accelerazioni su suolo rigido (ag), riferiti all’esempio e relativi ai diversi stati limite, sono indicati in Figura 5.

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Modellazione strutturale e analisi di vulnerabilità sismica

Lo studio della struttura in oggetto è stato condotto utilizzando un modello non-lineare agli elementi finiti, per il quale sono stati definiti i parametri di resistenza dei materiali. Una vista tridimensionale del modello numerico è rappresentata in Figura 6.

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Gli elementi verticali, ossia i pilastri, sono stati modellati mediante elementi inelastici con formulazione a fibre (basata sulle forze), mentre gli elementi orizzontali, tegoli e travi, sono stati modellati come elementi elastici in quanto, essendo semplicemente appoggiati (connessioni ad attrito), non si danneggiano sotto le sollecitazioni sismiche.

Le connessioni sono state modellate utilizzando l’elemento link tridimensionale, caratterizzato dall’avere azione assiale, tagli e momenti disaccoppiati. Tale elemento, che collega due nodi strutturali inizialmente coincidenti, richiede la definizione di una curva di risposta forza-spostamento (o momento-rotazione) indipendente per ciascuno dei suoi sei gradi di libertà.

Due diverse strategie di modellazione delle connessioni sono state adottate e, pertanto, sono stati definiti due modelli distinti. Tali modelli nel seguito verranno chiamati:

  • a connessioni “perfette”,
  • a connessioni “effettive”.

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