Analisi dell’efficacia di controventi sismici realizzati con funi in acciaio

Nel presente articolo si riportano i risultati relativi alle simulazioni numeriche condotte con il fine di valutare il comportamento strutturale di controventi ad X, realizzati con funi in acciaio. Dopo una panoramica generale sull’utilizzo dei controventi in edifici civili ed industriali, si riporta la teoria per l’analisi di elementi tipo “fune” e le valutazioni strutturali relative al comportamento dei controventi in ambito sismico in funzione della pretensione. Conclude la trattazione, un esempio numerico sulla corretta analisi dei controventi a X dissipativi.

INTRODUZIONE
Nelle strutture prefabbricate in acciaio e legno, siano esse standard o leggere, il sistema di controventamento ricopre una parte molto importante, in quanto assolve da stabilizzatore per tutte le forze che presentano una direzione orizzontale (vento o sisma) ed, inoltre, aumenta la rigidezza globale della struttura, riducendone gli effetti torsionali.
I controventi possono assumere svariati schemi configurativi tipo a K oppure a X (Figura 1) e possono essere realizzati con sezioni di diversa topologia, ovvero impiegando profili in acciaio singoli o doppi, collegati opportunamente alla struttura principale attraverso dispositivi di ancoraggio semplici oppure dissipativi.



Figura 1. Tipi di controventamento utilizzati nelle strutture in acciaio.

Molto spesso il sistema di “vincolamento” orizzontale viene realizzato impiegando funi in acciaio, disposte per lo più con una configurazione nota come a “croce di S. Andrea”, collegate ai vertici estremi delle campate attraverso delle piastre di ancoraggio.
In questo caso, il vincolo di spostamento viene garantito da una singola fune in acciaio per ogni direzione, in quanto, come noto, il cavo possiede un’elevata resistenza solo per sollecitazioni di pura trazione. Proprio per questa peculiare e semplice caratteristica, la fune è spesso impiegata come controvento, in quanto essa è considerata come un elemento molto pratico e, allo stesso tempo, molto efficiente.
Il cavo di per se, presenta una forte non linearità geometrica, per cui il suo impiego deve essere opportunamente valutato, imponendo una corretta forza di prepensionamento, la quale, può essere determinata solamente con analisi puntuali. In effetti, la mancanza di un’analisi puntuale specifica, può portare, come vedremo, ad una configurazione errata del controvento con ripercussioni ovvie sulla bontà del vincolamento orizzontale della struttura.

MODELLAZIONE

Il controventamento con funi in acciaio in ambito civile è molto utilizzato; il problema fondamentale sta nel fatto che la loro analisi, molto spesso, viene tralasciata e sostituita da un semplice calcolo di verifica, ovvero, dal semplice confronto tra tensione massima di calcolo e tensione massima di resistenza. Infatti, se consideriamo una struttura in acciaio di supporto (Figura 2), tipica degli insediamenti industriali, realizzata con profili commerciali e controventi a X, il modello numerico di calcolo più semplice e più utilizzato nella pratica progettuale, consiste nell’impiegare elementi beam per le colonne e per le travi ed elementi truss per i controventi, configurati a croce di S. Andrea.
In fase di analisi, si possono utilizzare inoltre, elementi specifici per simulare il reale comportamento della controventatura, come gli elementi cut-off e/o elementi più complessi, reagenti solamente a trazione, in cui la rigidezza viene annullata se lo sforzo risulta di compressione. In questo caso viene effettuata un’analisi statica non lineare.



Figura 2 Tipica struttura controventata adibita a soppalco.

Nella maggior parte delle analisi, comunque, vengono utilizzati elementi asta/biella (truss), in quanto il loro impiego risulta molto semplice ed, inoltre, sono implementati in quasi tutti i software FEM.
Molto spesso, però, questa tipologia di elementi viene impiegata in modo non corretto. Infatti, nel modello di calcolo classico, l’elemento biella risulta “attivo” anche allo stato “0” iniziale ed è quindi pronto ad assolvere, in modo immediato, al suo compito di controvento. Le funi, invece, sono caratterizzate da un comportamento complicato e soprattutto sono elementi che devono essere sottoposti ad una tensione iniziale, in quanto, privi di rigidezza flessionale. Da quanto esposto, pertanto, risulta evidente che, una modellazione agli elementi finiti utilizzando elementi truss, comporta una schematizzazione della struttura non del tutto esatta.
Risulta necessario, quindi, valutare il comportamento della fune al variare della sua pretensione, analizzando le diverse configurazioni nelle varie fasi di attivazione.

ALL'INTERNO DELL'ARTICOLO INTEGRALE ANCHE UN ESEMPIO NUMERICO.