Progettazione resiliente di strutture in acciaio con connessioni dissipative DRD

Il presente studio descrive lo sviluppo e l’applicazione di una procedura di ottimizzazione per la progettazione di un particolare sistema di connessione dissipativa e sostituibile (noto come DRD) da impiegare nelle strutture a telaio in acciaio a controventi concentrici (CBF).

Per l’ottimizzazione dei DRD, in termini di dimensioni, materiale e disposizione, è stato utilizzato un approccio basato sulla resilienza, successivamente applicato ad una struttura caso studio multipiano con struttura CBF. La procedura di ottimizzazione è stata divisa in due sezioni principali: la prima, legata alla componente non dissipativa della connessione, ha preso in esame il problema dell’ovalizzazione dei fori in corrispondenza delle zone di contatto tra il connettore (i.e. elemento dissipativo) e le piastre interne ed esterne, valutando inoltre la possibilità di impiegare acciai ad alta resistenza per il miglioramento delle prestazioni del dispositivo e per evitare di dover sostituire alcune componenti in fase post-sismica.

 La seconda parte della procedura presentata ha altresì riguardato l’elemento dissipativo vero e proprio, determinando la migliore soluzione progettuale a partire da analisi di fragilità e di resilienza applicate alla struttura CBF assunta come caso studio. Per la modellazione del dispositivo e per lo svolgimento delle analisi sismiche sono state adottate procedure semplificative: in particolare il metodo SPO2IDA è stato impiegato per analizzare la fragilità in modo semplificativo, svolgendo delle singole analisi statiche non lineari al posto di numerose analisi dinamiche non lineari.


Protezione sismica: tanti gli studi fatti sui sistemi di connessione dissipativi per le strutture in acciaio

Una delle principali strategie di protezione sismica degli edifici proposta dagli attuali codici normativi (D.M.17/01/2018; EN1998-1:2005; FEMA 356) prevede la dissipazione dell’energia immagazzinata dalla struttura durante il terremoto per effetto della deformazione plastica degli elementi strutturali nelle cosiddette “zone dissipative”. Tali zone sono pre-selezionate in fase di progettazione in funzione della tipologia costruttiva del manufatto e del tipo di meccanismo di collasso a cui si ambisce. Secondo le Norme Tecniche per le Costruzioni (D.M.17/01/2018), le cerniere plastiche devono localizzarsi in corrispondenza di specifici elementi strutturali (e.g. travi, controventi, link, ecc.); tutti le altre componenti a cui la dissipazione energetica non è affidata sono altresì progettate per rimanere in campo elastico e per essere, pertanto, sovra- resistenti alle zone dissipative. In tali componenti rientrano i collegamenti e le connessioni.

A differenza di quanto previsto dal D.M. 17/01/2018, l'Eurocodice 8 (EN1998-1 2005) ammette la dissipazione energetica anche in corrispondenza dei collegamenti: questa strategia alternativa di progettazione ha promosso, negli anni, lo sviluppo di soluzioni innovative per le connessioni strutturali, l’analisi dell’efficacia del loro inserimento all’interno della costruzione ed il loro eventuale accoppiamento a diversi dispositivi antisismici.

Negli ultimi decenni numerosi studi scientifici hanno riguardato lo sviluppo e l’applicazione di sistemi di connessione dissipativi alle costruzioni di acciaio con diversa tipologia costruttiva. Rientrano in queste categorie, ad esempio, i sistemi PTED (Post-Tensioned Energy- Dissipation), proposti e studiati da Presley (1991), Pampanin (2005), Bucha et al. (2018) nei quali gli elementi strutturali risultano semplicemente appoggiati e in presenza di azioni dinamiche possono sviluppare rotazioni e spostamenti relativi tra loro. Questo viene sfruttato per indurre la plasticizzazione degli elementi dissipativi (ED) posti a cavallo della superficie di separazione tra gli elementi strutturali. Un adeguato sistema di ricentraggio costituito da cavi non aderenti post- tesi (PT) consente di ridurre le deformazioni residue indotte dagli elementi dissipatori.

Di analoga concezione sono i fusibili ‘U-shape’ (Eatherton et al., 2008) impiegati per il collegamento di pannelli strutturali (setti di calcestruzzo armato o pareti X-Lam). Una ulteriore tipologia di connessione dissipativa è rappresentata dai collegamenti ‘Fuseis’ (Castiglioni et al. 2012), realizzati mediante piastre bullonate in acciaio provviste di un adeguato gap di separazione che consente lo sviluppo di un buon comportamento isteretico.

Nel presente studio è analizzata una specifica tipologia di connessione dissipativa applicabile a strutture controventate di acciaio. La connessione proposta, schematicamente riportata in Figura, presenta l’evidente vantaggio di poter essere facilmente sostituita nella fase post-evento dopo essersi danneggiata dissipando – in conformità a quanto previsto dal suo funzionamento – l’energia immagazzinata durante il sisma.

Il dispositivo, sviluppato nell’ambito del progetto di ricerca DISSIPABLE “Fully dissipative and easily reparable device for resilient buildings with composite steel-concrete structures” – finanziato dal Research Fund for Coal and Steel (RFCS) della Commissione Europea – è nel seguito indicato dalla sigla DRD (Dissipative Replaceable Device), che ne sintetizza le due principali caratteristiche di capacità dissipativa e sostituibilità. Il dispositivo DRD rappresenta lo sviluppo e il miglioramento delle più semplici connessioni tipo INERD, già proposte da Vayas e Thanopoulos (2005).

Il presente lavoro fornisce una strategia di ottimizzazione per il dimensionamento e la progettazione dei sistemi DRD da impiegare all’interno di strutture di acciaio con controventi concentrici, finalizzata a determinarne la configurazione e le dimensioni più performanti. Le informazioni ottenute saranno impiegate per la successiva esecuzione di un’ampia campagna sperimentale su prototipi in scala reale, secondo la metodologia ‘Hybrid test’ già impiegata in (Shing et al., 1996), prevista nel più ampio contesto del progetto DISSIPABLE.

 

Obiettivi metodologia generale

Obiettivo del presente lavoro è quindi l’elaborazione di una strategia ottimale di progettazione dei dispositivi DRD da inserire all’interno di strutture di acciaio con controventi concentrici. L’ottimizzazione richiede l’individuazione dei più rilevanti parametri progettuali per il sistema e la caratterizzazione del comportamento del DRD al variare di essi, determinando pertanto le migliori soluzioni mediante l’esecuzione di analisi parametriche e di ottimizzazione.

L’approccio adottato per l’ottimizzazione si basa sul miglioramento della capacità di resilienza sismica della struttura in esame. Le analisi di resilienza estendono l’analisi del rischio dei manufatti alla fase post-sismica, con la finalità di mitigare i tempi e i costi con cui le comunità (e le loro strutture) sono in grado di recuperare lo stato antecedente al manifestarsi dell’evento sismico. In tal modo, ovviamente, tempi e costi di ripristino si riducono, con evidente vantaggio – oltre che dal punto di vista della sicurezza – dal punto di vista economico e delle eventuali attività produttive.

La metodologia impiegata pertanto nel lavoro presentato può essere sintetizzata nei seguenti punti, riportati in Figura 1.

 

Progettazione resiliente di strutture in acciaio con connessioni dissipative DRD

IMMAGINE 1: Mappa concettuale dello studio

 

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Articolo tratto dagli atti del XVIII Convegno ANIDIS - Ascoli Piceno 2019