Procedure standardizzate per il progetto dei nodi trave-colonna nei sistemi sismo-resistenti in acciaio

L’attuale versione della normativa europea non fornisce indicazioni esaustive per il progetto di nodi trave-colonna nei telai sismo-resistenti in acciaio. Nello specifico, l’Eurocodice 8 prevede la possibilità di utilizzare nodi dissipativi a parziale ripristino di resistenza e rigidezza, senza tuttavia fornire gli strumenti analitici per la predizione del comportamento ciclico momento-rotazione del nodo e rendendo quindi necessario il ricorso a prove di laboratorio per caratterizzarne la risposta isteretica e la capacità rotazionale.

Alla luce di queste considerazioni, il progetto di ricerca europeo “Equaljoints” è stato interamente rivolto a sviluppare criteri di pre qualificazione di un set di nodi trave-colonna in acciaio per le applicazioni sismiche. L’integrazione di strumenti teorici, simulazione numeriche e prove sperimentali, ha consentito di sviluppare procedure standardizzate per il progetto e la fabbricazione dei nodi investigati, e di fornire strumenti concreti per il progetto dei nodi trave-colonna nei sistemi sismo-resistenti in acciaio.

Gli importanti risultati conseguiti sono successivamente confluiti in uno specifico progetto di divulgazione scientifica, denominato “Equaljoints PLUS”, il cui obiettivo principale è stato quello di promuovere la conoscenza dei risultati del precedente progetto di ricerca e, al contempo, fornire elementi utili nella pratica professionale. A tale riguardo sono stati preparati manuali e strumenti informatici a supporto della progettazione, disponibili online, rivolti non solo alle istituzioni accademiche, ma in particolar modo al mondo a progettisti, costruttori e produttori di carpenteria metallica. I due progetti descritti hanno avuto, inoltre, importanti ricadute anche in ambito normativo, andando di fatto a costituire il background scientifico di riferimento per l’Annesso G della nuova versione dell’EC8, che fornisce indicazioni sulla classificazione e il progetto delle connessioni in acciaio per le applicazioni sismiche, nonché per le regole di dettaglio per i nodi trave-colonna di acciaio contenute nelle raccomandazioni CNR-DT 214 /2018 sulla robustezza strutturale. 

La prequalificazione sismica dei nodi trave-colonna: i progetti europei “Equaljoints” e “Equaljoints PLUS” 

La letteratura scientifica contemporanea è ricca di approfondimenti teorici e campagne sperimentali volti ad investigare il comportamento sismico di connessioni trave-colonna in acciaio; tuttavia, soltanto recentemente, il progetto di ricerca europeo “Equaljoints” (acronimo di “European pre-QUALified steel JOINTS”), coordinato dall’Università di Napoli Federico II e finanziato dal “Research Fund for Coal and Steel”, ha affrontato sistematicamente il tema della “prequalificazione” sismica di nodi trave-colonna in acciaio, precedentemente trascurato in ambito europeo.

A LIVELLO INTERNAZIONALE
Diversamente dal contesto europeo, altri paesi ad elevato rischio sismico, come gli Stati Uniti ed il Giappone, si sono infatti dotati, già a partire dai primi anni ‘90, di criteri di prequalificazione e procedure standardizzate come strumento concreto per il progetto e la realizzazione di nodi trave-colonna in acciaio per le applicazioni sismiche.
In particolare, in seguito al terremoto di Northridge, la ricerca statunitense ha indirizzato gli sforzi verso la prequalificazione di alcune tipologie di nodi trave-colonna per l’impiego in telai sismo-resistenti in acciaio in classe di duttilità media (ovvero “Intermediate Moment Resisting Frames”) ed alta (ovvero “Special Moment Resisting Frames”). A partire dal 1995, la US FEMA e il SAC joint venture hanno promosso un progetto di ricerca della durata di sei anni (il “FEMA/SAC program”) rivolto allo sviluppo di linee guida per il progetto sismico di telai in acciaio, e criteri codificati per la realizzazione, l’ispezione, la valutazione e la riparazione di tali sistemi. I risultati conseguiti nell’ambito del programma FEMA/SAC sono confluiti in una normativa specifica (ANSI/AISC 358-05 [1]) che include criteri di progetto, requisiti tecnologici, indicazioni per la fabbricazione e il controllo qualità di alcune tipologie di nodi prequalificati, tra cui si annoverano quelli maggiormente impiegati nella pratica professionale americana, come connessioni con flange saldate ed anima bullonata, nodi flangiati con ringrosso inferiore, connessioni T-stub, etc.
Un ulteriore esempio di best practice, accanto all’esperienza americana, è costituito dall’attività di prequalificazione sviluppata in Giappone, che ha riguardato principalmente connessioni trave-colonna saldate in officina, impiegate in caso di colonne tubolari formate a freddo, e connessioni con anima bullonata e flangesaldate in opera, utilizzate in accoppiamento a sezioni scatolari in composizione saldata.
Le tipologie di connessione sopracitate, così come le proprietà degli elementi strutturali, le caratteristiche della bulloneria e del materiale di saldatura impiegati negli Stati Uniti e in Giappone differiscono significativamente da quelle comunemente impiegate in ambito europeo, e rendono pertanto il know-how acquisito da questi paesi difficilmente estendibile al caso europeo. Inoltre, è opportuno sottolineare che gli stessi eventi sismici negli Stati Uniti e Giappone presentano caratteristiche diverse dai terremoti europei, producendo effetti differenti in termini di domanda a livello sia locale che globale.

Carenza normativa e inapplicabilità delle regole nella progettazione di nodi trave-colonna in acciaio in ambito sismico

Oltre che per la mancanza del concetto della “prequalificazione sismica”, l’attuale quadro normativo europeo si caratterizza anche per la poca affidabilità e, talvolta, per l’inapplicabilità delle regole di progetto proposte [2-4]. Ad esempio, l’EN 1998-1 [5] consente l’impiego di nodi trave-colonna di tipo dissipativo, a patto che sia garantita una determinata capacità rotazionale del nodo, compatibile con la deformata globale della struttura. La stessa norma, però, non fornendo indicazioni precise sui modelli analitici e/o numerici da utilizzare per la predizione del comportamento ciclico momento-rotazione del nodo, individua di fatto nella sperimentazione fisica in laboratorio lo strumento più affidabile per caratterizzare la risposta isteretica e la capacità rotazionale del nodo.

D’altro canto, anche nel caso di nodi non-dissipativi a completo rispristino di resistenza, le regole di progetto fornite dalla norma per garantire un sufficiente grado di sovraresistenza del nodo, sono affette da molteplici incertezze, legate sia all’aleatorietà della tensione di snervamento del materiale costituente la trave, sia ai fenomeni di incrudimento che si sviluppano nella stessa.

Le tipologie di nodo prequalificate nel progetto Equaljoints 

Con queste motivazioni il progetto di ricerca europeo Equaljoints è stato interamente rivolto a sviluppare criteri di prequalificazione di nodi trave-colonna in acciaio per le applicazioni sismiche, ponendo particolare attenzione alla standardizzazione delle procedure di progetto e di fabbricazione delle tipologie di nodi trave-colonna in acciaio più comunemente impiegate nella pratica europea.
In particolare, tre tipologie di nodi bullonati (figure 1a-1c): nodo flangiato, nodo flangiato irrigidito e nodo flangiato con ringrosso inferiore) e un nodo saldato di tipo dog-bone (figura 1d) sono stati prequalificati per le applicazioni sismiche in accordo a differenti livelli di prestazione. Se infatti i nodi bullonati sono di particolare interesse, in virtù della velocità e semplicità di fabbricazione e messa in opera (grazie alla possibilità di saldare soltanto in officina e bullonare in opera), quest’ultima tipologia di nodo è tra le più impiegate al di fuori dell’Europa ed è stata pertanto inclusa tra quelle esaminate come anello di congiunzione tra la prequalificazione europea e quella americana, per consentirne il confronto tra i risultati in termini di costo ed efficienza strutturale.

Fig. 1 - Tipologie di nodo prequalificate: a) nodo flangiato; b) nodo flangiato irrigidito; nodo flangiato con ringrosso inferiore; c) nodo saldato dog-bone

L’attività di ricerca sviluppata nell’ambito del progetto Equaljoints si è articolata attraverso un’opportuna combinazione e integrazione di strumenti teorici, analisi numeriche e prove sperimentali, che hanno consentito di finalizzare i seguenti obiettivi:

1. Fornire i criteri di prequalificazione per un set di nodi standardizzati trave-colonna per l’impiego in zona sismica;
2. Fornire modelli analitici e numerici, sviluppati sulla base dei risultati ottenuti sperimentalmente, per la predizione teorica del comportamento momento-rotazione di nodi trave-colonna soggetti a carico ciclico;
3. Definire i requisiti tecnologici e costruttivi per le diverse tipologie esaminate. 

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Articolo tratto da COSTRUZIONI METALLICHE 01/2020