Le travi tralicciate miste acciaio-calcestruzzo nella progettazione di telai sismo-resistenti

Sebbene l’invenzione delle travi tralicciate miste acciaio-calcestruzzo risalga agli anni 1960, gli approfondimenti scientifici e tecnici necessari alla loro applicazione nei telai sismo-resistenti sono stati realizzati solo recentemente in contemporanea ed in armonia con la rivoluzione della pratica progettuale anti-sismica caratterizzata dall’avvento delle normative prestazionali (Ordinanza P.C.M. 3274/2003 e NTC 2008).

Le pietre miliari di tale sviluppo sono state: la dimostrazione dell’efficacia delle connessioni tra acciaio e calcestruzzo, l’analisi dei meccanismi di resistenza al taglio, la progettazione e la realizzazione dei nodi trave-pilastro tramite tecnologie innovative.

Il presente contributo ripercorre criticamente l’attività di ricerca svolta dallo scrivente con menzione dei contributi apportati da ricercatori a partire dalla seconda parte degli anni 2000 al fine di comprendere le nuove linee di sviluppo.


Le travi tralicciate miste acciaio-calcestruzzo

Le travi tralicciate miste acciaio-calcestruzzo sono state inventate dall’Ing. Salvatore Leone negli anni 1960.

Le loro caratteristiche peculiari sono: un traliccio di acciaio da carpenteria metallica (composto da un piatto inferiore, delle barre superiori e degli spezzoni di barre piegate per gli elementi diagonali) assemblato tramite saldature e autoportante (capace di riprendere il peso proprio, il peso del solaio ed il peso del getto di calcestruzzo di completamento senza alcun sostegno provvisorio) nella cosiddetta prima fase; e la trave in calcestruzzo gettato in opera che ingloba il traliccio di acciaio e con esso collabora per la ripresa di tutte le azioni permanenti e variabili del solaio in seconda fase. Tali caratteristiche hanno tradizionalmente distinto le travi tralicciate miste dalle tradizionali tipologie strutturali dell’acciaio e del calcestruzzo armato.

La possibilità di far ricadere le travi tralicciate miste all’interno della tipologia strutturale composta acciaio-calcestruzzo è condizionata alla dimostrazione che, nonostante una forma non convenzionale, le connessioni tra il traliccio di acciaio e il calcestruzzo di completamento siano efficaci al fine di impedire lo scorrimento ed il distacco dei due materiali. Tale dimostrazione è oggi soggetta al parere del Consiglio Superiore de Lavori Pubblici che esamina la documentazione allegata da ogni produttore (NTC 2008, Linee Guida ministeriali 2011, NTC 2018).

Prima dell’avvento della recente normativa NTC 2008, la metodologia originaria di calcolo delle travi tralicciate miste doveva essere depositata presso il Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici. Ad esempio, la metodologia di calcolo ideata dall’Ing. Leone [1967] si basava su meccanismi resistenti alle sollecitazioni taglianti di tipo spinotto che rendevano conto solo parzialmente della complessa interazione tra i due materiali. Gli approfondimenti teorici e sperimentali condotti di recente hanno permesso di raggiungere una conoscenza più approfondita di tali aspetti (Tesser [2009], Scotta e Tesser [2013], Colajanni et al. [2014] Chisari e Amadio [2014]).

Infine, la principale se non l’esclusiva, applicazione delle travi tralicciate miste è rimasta legata allo schema statico di trave in semplice appoggio per tutta la seconda parte del secolo scorso. Tale limitazione era legata alla problematica scientifica e tecnologica di realizzare dapprima la continuità tra delle travi giustapposte e poi la continuità strutturale tra le travi ed i pilastri convergenti in un nodo. Le intense collaborazioni tra le università e le imprese hanno permesso di progettare, realizzare e di verificare dei nodi trave-pilastro per delle possibili applicazioni in telai sismo-resistenti (Amadio et al. [2008], Tesser [2009], Amato et al. [2010], Mazzotti et al. [2010], Scotta e Tesser [2011]).

 

Connessioni tra acciaio e calcestruzzo

L’efficacia reale e la valuazione teorica della collaborazione tra acciaio e calcestruzzo è determinante per la funzionalità e per l’inquadramento normativo delle travi tralicciate miste.

In effetti, nell’ipotesi che le connessioni tra i due materiali siano assenti o non efficaci, la portanza delle travi in seconda fase dovrebbe essere affidata al solo traliccio di acciaio o, in alternativa, alla sola parte in calcestruzzo. Il legislatore infatti esclude che l’acciaio da carpenteria metallica possa essere considerato come armatura del calcestruzzo in assenza di adeguate connessioni.

Nello spirito della loro originaria progettazione e a livello intuitivo, le connessioni tra il traliccio di acciaio ed il calcestruzzo di completamento sono rappresentate dai nodi del traliccio stesso. In effetti, la geometria degli assemblaggi tra i correnti e le barre diagonali del traliccio offre delle sezioni resistenti al taglio che permettono, se opportunamente dimensionate, di impedire lo scorrimento ed il distacco tra i due materiali.

Tale aspetto ha fatto l’oggetto di una vasta campagna sperimentale nel corso della quale sono state sottoposte a prova distruttiva le seguenti travi tralicciate miste presso l’Università degli Studi di Padova: 4 travi con piatto d’acciaio come fondello (Figura 1), 6 travi con profilo d’acciaio formato a freddo a S e laterizio come fondello (di tipo ECOTRAVE®, Figura 2), 12 travi tralicciate con fondello in acciaio e calcestruzzo (Figura 3).

Esempio di sezione delle travi tralicciate miste con fondello in acciaio.

Figura 1. Esempio di sezione delle travi tralicciate miste con fondello in acciaio.

Esempio di sezione delle travi tralicciate miste con fondello in acciaio e laterizio.

Figura 2. Esempio di sezione delle travi tralicciate miste con fondello in acciaio e laterizio.

Esempio di sezione delle travi tralicciate miste con fondello in acciaio e calcestruzzo.

Figura 3. Esempio di sezione delle travi tralicciate miste con fondello in acciaio e calcestruzzo.

 

I risultati sperimentali hanno dimostrato l’assenza di scorrimento o di distacco tra il corrente inferiore del traliccio ed il getto di completamento in calcestruzzo. È stato inoltre possibile verificare i valori dei carichi ultimi a partire del calcolo del momento flettente resistente secondo le formule della tipologia strutturale mista che assumono una perfetta aderenza tra l’acciaio ed il calcestruzzo.

Tale risultato è stato riconosciuto dal Servizio Tecnico del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici che in più pronunciamenti ha ammesso il ruolo di connessione delle barre diagonali del traliccio d’acciaio.

Sotto determinate condizioni, le travi tralicciate miste con fondello in acciaio possono quindi essere classificate all’interno della tipologia strutturale composta acciaio-calcestruzzo. Per ciascun tipo di trave tralicciata il parere del CSLLPP dopo l’analisi della documentazione tecnica fornita da ciascun produttore, può permettere il calcolo di dette travi tralicciate miste tramite le metodologie proprie della tipologia composta che includono: la distinzione delle due fasi di impiego, il calcolo del traliccio secondo le regole proprie alle strutture in acciaio, il calcolo della sezione composta secondo le regole delle strutture miste.

 

Meccanismi resistenti al taglio

L’individuazione e la valutazione dei meccanismi di resistenza delle travi tralicciate miste ha fatto l’oggetto di studi teorici e sperimentali approfonditi ed una metodologia di calcolo agli stati limite ultimi e di esercizio è stata messa a punto per le due fasi di impiego (Tesser [2009]).

Per quanto riguarda gli stati limite ultimi, la metodologia di calcolo include la verifica: della resistenza delle sezioni critiche (al momento flettente, al taglio verticale, ecc.), la resistenza allo svergolamento del traliccio in prima fase e la resistenza al taglio orizzontale della sezione composta.

Per quanto riguarda gli stati limite di esercizio la metodologia di calcolo considera la verifica delle tensioni, delle deformazioni e della fessurazione. I meccanismi resistenti più complessi da valutare riguardano appunto la resistenza al taglio a causa delle differenze tra le travi tralicciate miste e le classiche travi composte acciaio-calcestruzzo. La normativa italiana (NTC 2018) ed europea (Eurocodice 4) prevedono in linea generale che la resistenza ultima rispetto alle sollecitazioni taglianti delle travi composte acciaio-calcestruzzo debba essere pari a quella della sezione di acciaio a meno che non sia valutato con modelli consolidati il contributo parallelo della sola parte di calcestruzzo alla resistenza totale.

Nel caso delle travi tralicciate miste alcune considerazioni possono essere formulate. Il primo aspetto importante è che il contributo al taglio della trave tralicciata è più piccolo di quello di un profilo ad anima piena tipico della tipologia composta. Inoltre, la rigidezza a taglio della sezione composta della trave tralicciata mista, a parità di altezza, è più elevato rispetto a quello di una trave composta prima della fessurazione del calcestruzzo.

È quindi lecito attendersi che il primo meccanismo resistente della trave tralicciata mista sia quello della trave di calcestruzzo secondo le teoria dell’elasticità fino alla fessurazione. Dopo che la resistenza alla trazione del calcestruzzo è stata raggiunta, il traliccio di acciaio può riprendere le tensioni di trazione rilasciate dal calcestruzzo fessurato. Il fatto che le barre diagonali non siano distribuite in modo omogeneo, ma siano piuttosto disposte ad una distanza fissa tra di loro, suggerisce che un meccanismo resistente al taglio di tipo Ritter-Mörsch può formarsi dopo la fessurazione. Per la corretta applicazione di tale meccanismo resistente è importante notare che le sole barre diagonali che attraversano le potenziali fessure possono essere prese in conto per la ripresa delle tensioni di trazione (Figura 4).

 

Meccanismo resistente al taglio di tipo Ritter-Mörsch.

Figura 4. Meccanismo resistente al taglio di tipo Ritter-Mörsch.

 

Dalle precedenti considerazioni appare evidente che il comportamento delle travi tralicciate miste possa essere interpretato alla luce di meccanismi resistenti diversi da quelli delle travi composte acciaio-calcestruzzo e più simili a quelli di travi in calcestruzzo armato con barre trasversali inclinate.

La valutazione della resistenza al taglio può allora valorizzare un contributo proprio della parte di calcestruzzo e un contributo dato dalle barre diagonali tesi di acciaio. È importante sottolineare che questi due contributi non sono simultanei ma sequenziali e che dopo la fessurazione del calcestruzzo solo i meccanismi secondari che coinvolgono il calcestruzzo possono essere efficaci (come ad esempio il meccanismo arco-trave, il meccanismo di resistenza propria del corrente superiore compresso o quello dell’effetto spinotto delle barre di acciaio). Per tale motivo, la pratica professionale conformemente ai pareri del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici prevede il calcolo della resistenza del solo contributo delle barre diagonali di acciaio teso. La valorizzazione dei meccanismi secondari di resistenza del calcestruzzo è stato l’oggetto di una proposta teorica (Tesser [2009]) ma necessita di ulteriore approfondimento prima di essere presa in conto nella metodologia di calcolo.

Una campagna sperimentale specifica per la verifica della resistenza al taglio è stata condotta sulle seguenti travi tralicciate miste presso l’Università degli Studi di Padova: 2 travi con piatto d’acciaio come fondello, 4 travi con profilo d’acciaio formato a freddo a S e laterizio come fondello, 12 travi tralicciate con fondello in acciaio e calcestruzzo. I risultati sperimentali hanno messo in evidenza la corretta interpretazione dei principali meccanismi resistenti (solo calcestruzzo prima della fessurazione e traliccio di Ritter-Mörsch dopo la fessurazione). I carichi ultimi al raggiungimento della rottura a taglio delle travi sono sempre superiori alla valutazione teorica eseguita secondo le formule della normativa italiana ed europea della tipologia del calcestruzzo armato prendendo in conto il solo meccanismo resistente delle barre diagonali tese (Scotta e Tesser [2013]). 

Lo scarto abbastanza elevato tra i risultati sperimentali e quelli teorici (circa 20%) lascia intendere che uno o più meccanismi resistenti del calcestruzzo dopo la sua fessurazione sono ancora parzialmente o totalmente efficaci al raggiungimento dello stato limite di collasso delle travi. Tale aspetto potrà essere approfondito da ricerche future.

...CONTINUA 


Leggi l'articolo completo e scarica il PDF


TECNOSTRUTTURE.jpg

Chi è TECNOSTRUTTURE

Tecnostrutture s.r.l. nasce nel 1983. Siamo specializzati nel settore dei prefabbricati a struttura mista acciaio-calcestruzzo, iniziando a produrre travi metalliche reticolari e sviluppando nostre tecnologie, processi di calcolo e produzione. A partire dal 2000 raccogliamo la sfida di consolidare e rafforzare il posizionamento dei prodotti del Sistema REP®. Nel 2013 lanciamo il nostro sistema costruttivo NPS® New Performance System composto da trave, pilastro e solaio. 

La nostra mission è garantire tempi e costi certi, attraverso un sistema costruttivo più sicuro, efficiente e sostenibile di quelli tradizionali.

La nostra vision è riuscire ad industrializzare il mondo delle costruzioni. Così com’è accaduto per il settore dell’automotive, applicando l’innovazione al mondo delle costruzioni.

Ogni giorno ci impegniamo a semplificare il lavoro in cantiere, garantendo tempi e costi certi, maggiore sicurezza ed avanguardia tecnologica. Questi sono gli elementi che ci hanno consentito di essere protagonisti nella realizzazione di grandi opere infrastrutturali, di terziario e residenziali.