Modellazione FEM di un collegamento di base per colonne composte acciaio-calcestruzzo parzialmente rivestite

In questo lavoro viene riportata un’analisi dettagliata dei risultati sperimentali disponibili per un collegamento di base innovativo per colonne composte acciaio-calcestruzzo parzialmente rivestite al fine di valutare il ruolo della fixed-end-rotation. I risultati evidenziano come i collegamenti innovativi siano più duttili di quelli tradizionali e il contributo della rotazione del collegamento stesso (fixed-end-rotation) risulti particolarmente importante. Viene anche sviluppato un modello mono-dimensionale a plasticità concentrata successivamente applicato per calibrare la lunghezza di cerniera plastica; sulla base dei risultati ottenuti si può valutare la rotazione plastica del collegamento dividendo i contributi di tale rotazione fra la plasticizzazione della parte esterna della colonna e quella della parte di colonna immersa nel blocco di calcestruzzo.

Nel campo delle costruzioni composte acciaio-calcestruzzo le possi-bili applicazioni in zona sismica utilizzando un sistema sismo-resistente a telai dipende, come per le altre tipologie strutturali tradizionali in calcestruzzo e in acciaio, dalla duttilità locale disponibile che deve essere garantita per raggiungere un meccanismo globale. Infatti il raggiungimento del momento plastico in tutte le travi e lo sfruttamento della loro duttilità nelle zone critiche rappresenta una risorsa fondamentale per la struttura, ma è importante sottolineare che il meccanismo globale implica anche la plasticizzazione della base delle colonne, in cui la resistenza e la duttilità dipendono dal tipo di collegamento tra la colonna stessa e la fondazione. La capacità in termini di duttilità del collegamento di base con la fondazione è influenzata dalla tipologia di colonna composta e dal sistema utilizzato per la connessione. Infatti la deformabilità della connessione di base in campo plastico può essere vista come la somma di due contributi: la plasticizzazione della zona critica della colonna e la fixed end rotation dovuta alla deformabilità del sistema di connessione tra la colonna e il blocco di fondazione nella parte interna alla fondazione stessa. In letteratura sono disponibili alcuni risultati sperimentali e modelli numerici per le colonne composte sottoposte a carichi orizzontali [1-10] senza considerare l’effetto del collegamento di base, ma la capacità di rotazione plastica e l’analisi non lineare sono spesso basate sulle conoscenze relative alle strutture in acciaio [11 - 16]. D’altra parte il problema della fixed-end-rotation negli ultimi 20 anni è stato ben studiato e valutato per le strutture in cemento armato [17], ma non per quelle in acciaio e per le costruzioni composte acciaio-calcestruzzo, che di solito sono caratterizzate dalla presenza di controventi. Il contributo di questa deformabilità del sistema in campo plastico dipende dal tipo di collegamento di base che per costruzioni in acciaio e composte è tradizionalmente realizzato con piastre bullonate al blocco di fondazione in calcestruzzo; tuttavia questo tipo di collegamento non è particolarmente duttile poiché la deformabilità post-elastica è essenzialmente dovuta allo scorrimento e allo snervamento dei tirafondi, in quanto la deformabilità della piastra viene, in genere, ridotta dalla presenza di costolature di rinforzo. Nel caso delle colonne composte lo studio di una connessione di base alternativa a quella tradizionale è riportato in [18]; il sistema è un giunto di base innovativo tipo plinto a bicchiere, realizzato in modo simile a quelli comunemente utilizzati in strutture prefabbricate [19], e applicato alle colonne composte acciaio-calcestruzzo parzialmente rivestite. Tale connessione a bicchiere, analizzata in termini di resistenza da altri autori [20-22], previene quelle rotture fragili tipiche delle saldature e/o dei bulloni utilizzati nei sistemi tradizionali, in quanto permette la penetrazione dello snervamento nella parte della colonna immersa nella fondazione, caratterizzandosi per l’elevata duttilità e dissipazione d’energia per carichi ciclici; questa buona prestazione nelle colonne composte, rispetto a quelle in acciaio, è ulteriormente migliorata anche nella parte di colonna fuori dalla fondazione dalla riduzione dell’instabilità locale dovuta al calcestruzzo incassato tra le ali del profilo. In questo lavoro vengono esaminati nuovamente i risultati sperimentali presentati in [18] in merito a questo collegamento innovativo, ma al fine di individuare il contributo della rotazione d’estremità e la lunghezza di cerniera plastica per valutare la rotazione plastica dovuta ai due contributi, quello della colonna e quello del collegamento stesso.

Articolo tratto da Costruzioni Metalliche, n. 3 - 2013