Prove sperimentali su nodi trave-colonna in c.a. con e senza solaio

A seguito di recenti eventi sismici, si è constatato che strutture in cemento armato progettate prima dell’avvento delle attuali normative sismiche esibiscono una certa resistenza laterale, chiamando in causa elementi secondari come tamponature e solai. Il presente lavoro focalizza l’attenzione sulla stima teorica e sperimentale del contributo, in termini di resistenza, espletato dal solaio. In particolare, si vuole validare e affinare il modello matematico già proposto per la stima del numero di travetti “collaboranti” alla resistenza dei nodi trave-colonna.

La validazione è eseguita attraverso l’esecuzione di prove monotone e cicliche su nodi in cemento armato con e senza la presenza del solaio. Il fine è quello di valutare la differenza in termini di resistenza tra i nodi costituiti dai soli elementi strutturali principali (travi e pilastri) e quelli costituiti anche dal solaio latero-cementizio (travetti e pignatte). In questa sede, si riportano i risultati delle prime 3 prove eseguite nell’ambito della più ampia campagna sperimentale in corso presso il laboratorio STRENGTH dell’Università degli Studi di Salerno.


Gli edifici in c.a. sono datati e costruiti senza nessuna normazione sismica

Il calcestruzzo armato è molto diffuso nell’ambito della costruzione di opere civili, soprattutto nei paesi dell’area mediterranea. Il sistema intelaiato in cemento armato ha avuto un successo sempre crescente negli anni, al punto che la maggior parte del patrimonio edilizio corrente, in Italia e in altri paesi soggetti a rischio sismico, presenta una struttura in cemento armato e risale agli anni ’50-’70 del XX secolo. Edifici così datati, però, sono stati progettati in assenza di normazione sismica e presentano, pertanto, una serie di criticità, come la presenza di telai piani in una sola direzione e la mancanza di rinforzo trasversale nei nodi. E’ facile desumere, dunque, che costruzioni di questo tipo siano vulnerabili dal punto di vista sismico (Lòpez-Almansa e altri 2013. Nudo e altri 2004. Dönmez 2015. Polese e altri 2008. Rossetto e Elnashai 2003. Magenes e Pampanin 2004.) e ciò è stato comprovato da recenti eventi sismici avvenuti in Italia (Amatrice-Norcia-Visso 2016 e 2017, Emilia-Romagna 2012, Abruzzo 2009) e nel mondo (New Zealand 2010 and 2011).

La reportistica relativa all’analisi degli edifici soggetti a crollo a seguito di eventi sismici disastrosi ha però mostrato che anche edifici di nuova costruzione, soggetti alle regole imposte dai nuovi codici sismici, sono suscettibili della formazione di meccanismi di collasso parziali e di piano soffice. Tale fenomeno è riconducibile alla resistenza aggiuntiva che possono espletare elementi secondari della struttura, come lo stesso impalcato (Lincoln e Bertero 1977. Williamson e Stevens 2009. Aoyama 1985. Suzuki e altri 1983.Masi e Vona 2012. Masi 2003.).

 

Meccanismi di collasso: la ricerca ha fatto tanti passi in avanti

La ricerca inerente i meccanismi di collasso delle strutture in c.a. ha registrato notevoli progressi negli ultimi anni. Sono state condotte molte indagini sperimentali e numeriche per simulare la risposta della struttura a telaio più realisticamente. Esse si sono, dunque, focalizzate su componenti o sottostrutture, come nodi (Park e Mosalam 2013. Alaee e altri 2015) e soletta (Ren e altri 2014), investigando il comportamento spaziale del nodo trave-colonna (Ahmed e altri 2013. Durrani e Zerbe 1987. French e Boroojerdi 1989. Leon e Jirsa 1986). Da una parte, la presenza delle travi trasversali, a causa dell’effetto di confinamento, può limitare le fratture per taglio e lo sfilamento delle  barre di armatura nel nodo (Ehsani e Wight 1982), dall’altra la soletta comporta un incremento della resistenza della trave, cui consegue una duplice implicazione. Infatti, se in fase progettuale, ne derivano telai sovraresistenti in quanto il contributo della soletta non viene considerato, in fase di verifica, tale omissione causa un meccanismo a colonna debole- trave forte che altera la modalità di collasso della struttura, che sarà, pertanto, meno duttile (Paultre e altri 1989. Rattray 1986).

Sulla base di tali studi, si è indagato, in maniera più approfondita, il coinvolgimento del solaio latero-cementizio nella rigidezza laterale della struttura. In lavori precedenti (Montuori e altri 2016, Montuori e altri 2019), si è dimostrato come il comportamento dei travetti sia assimilabile a quello di una trave equivalente, ottenuta dalla somma di tutti i travetti collaboranti alla rigidezza laterale della struttura. Non tutti i travetti posizionati nell’area di influenza partecipano alla resistenza laterale, bensì è possibile stimarli attraverso una formulazione teorica, che si vuole, in questa sede, validare sperimentalmente.

In particolare, l’obiettivo dell’articolo non è solo quello di dimostrare se la formula proposta (Montuori e altri 2016) funzioni dal punto di vista sperimentale, bensì si vuole valutare l’incremento, in termini di resistenza, che la presenza del solaio comporta nei nodi trave-colonna progettati secondo le attuali normative sismiche (EN 1998-3, Eurocodice 8).

Se i travetti si comportano come una vera e propria trave equivalente, infatti, trascurarne il contributo nella verifica dei criteri di gerarchia trave-colonna comporterebbe una grave negligenza, la quale si concretizzerebbe, senz’altro, nella formazione di cerniere plastiche nelle colonne. Di conseguenza, anche gli edifici progettati in accordo alle norme sismiche in vigore, sarebbero suscettibili  di crolli per meccanismi parziali o, addirittura, di piano soffice. In questo lavoro sono stati progettati dei nodi trave-colonna in ottemperanza delle attuali norme sismiche, al fine di sottoporli a prove cicliche. In particolare, sono stati investigati due provini con solaio e uno senza solaio, che costituisce il riferimento rispetto a cui valutare l’incremento di resistenza dovuto alla presenza di travetti e soletta. Tutte le prove innanzi descritte sono state condotte al laboratorio STRENGTH (Structural Engineering Testing All of the Department of Civil Engineering) presso l’Università di Salerno.

 

Progetto dei provini

I provini sono rappresentativi di un nodo esterno centrale di un edificio residenziale, la cui pianta è illustrata in Figura 1. La lunghezza della campata è scelta in maniera tale che il nodo risulti dimensionalmente compatibile con la macchina di prova. L’edificio è composto da due campate in direzione x e una in direzione y, entrambe della lunghezza di 3.2 m. L’altezza di interpiano è pari a 3 m. I materiali adottati sono calcestruzzo di classe C25/30 e barre in acciaio B450C. Il progetto è stato eseguito in accordo all’Eurocodice 2 (EN 1992-1-1, Eurocodice 2) a all’Eurocodice 8 (EN 1998-1, Eurocodice 8), in classe di duttilità Media (MDC).

 

Prove sperimentali su nodi trave-colonna in c.a. con e senza solaio

IMMAGINE 1: Pianta dell’edificio di riferimento

 

Sono state progettate due tipologie di provino, riportate in Figura 2 e in Figura 3. Il primo tipo, chiamato J_01, è il nodo di riferimento, in quanto composto dai soli elementi strutturali principali: la trave da testare, trasversale, le due travi longitudinali e la colonna. Il secondo provino, denominato J_01_S, è uguale al precedente ma, in aggiunta, possiede il solaio latero-cementizio gettato in opera, costituito da travetti e soletta in cemento armato e pignatte.

Nella Tabella 1 sono illustrate le caratteristiche degli elementi strutturali risultanti dalla progettazione: travi e pilastro. I dettagli costruttivi inerenti alla duttilità locale, sono stati curati secondo le prescrizioni dell’Eurocodice 8 (EN 1998-1, Eurocodice 8). Nelle travi, sono state utilizzate staffe f8 con passo di 8 cm nella zona critica e di 10 cm all’esterno di essa. Sono stati, inoltre, verificati i criteri di gerarchia, stimando il momento resistente della colonna in funzione di uno sforzo assiale nullo, in quanto la prova verrà condotta assumendo tale condizione più conservativa (Kang e altri 2012). Nella zona critica della colonna sono state disposte staffe f8 ogni 7 cm, con un tirante f6 per ogni direzione. Fuori dalla zona critica, sono state adoperate staffe f8 con passo di 10 cm. Per quanto riguarda il nodo trave-colonna, l’Eurocodice 8 (EN 1998-1, Eurocodice 8) non prevede particolari verifiche per la classe di duttilità media. Pertanto il nodo presenta le stesse staffe previste nella zona critica della colonna.

 

Provino di riferimento

IMMAGINE 2: Provino di riferimento J_01

 

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