Linee Guida per l’impiego di pannelli metallici a taglio innovativi per il controventamento sismico di edifici esistenti in c.a.

Applicazione ad un Caso Studio

Le pareti a taglio metalliche rappresentano un sistema per resistere alle azioni orizzontali efficace ed economico, soprattutto in zona sismica. Dai test sperimentali è stato osservato che i pannelli metallici a taglio tradizionali, che si configurano come semplici lamiere piane all’interno di un telaio in acciaio, possono esibire un’elevata resistenza e rigidezza iniziale, una grandissima duttilità ed una buona capacità di dissipare energia. Di recente, è stato proposto il loro utilizzo in soluzioni di adeguamento sismico di strutture esistenti ed è stato visto che per quelle in c.a., progettate per soli carichi gravitazionali, l’applicazione di pareti a taglio in acciaio, aventi funzione di controventamento, può comportare dei rinforzi della struttura principale impegnativi dal punto di vista economico. Per questo motivo, sono state proposte soluzioni innovative basate sull’utilizzo di lamiere piane in materiali a basso limite di snervamento o di lamiere perforate in acciaio tradizionale. Al fine di mostrare un esempio pratico di adeguamento di strutture in c.a. esistenti mediante pareti a taglio metalliche, sono stati prima calibrati numericamente i risultati sperimentali dei test condotti a Bagnoli (Na) nel progetto di ricerca ILVA-IDEM e, successivamente, è stato esteso il caso studio con l’applicazione delle soluzioni innovative di lamiere sopra citate. 

Memoria tratta dagli Atti del XVI Convegno ANIDIS.

INTRODUZIONE
Le pareti a taglio metalliche costituiscono un sistema a lastre innovativo di protezione dal sisma e dal vento. Nei primi studi del sistema, che risalgono a partire dagli anni ’70, veniva focalizzata l’attenzione essenzialmente sul fenomeno di instabilità delle lastre e, per prevenire il raggiungimento di tale condizione, venivano utilizzati irrigidimenti verticali ed orizzontali (Takahashi et al. 1973). A partire dagli anni ’80, a seguito di alcuni studi sperimentali ed analitici, è stato visto che è possibile sfruttare un comportamento post-critico stabile delle lastre grazie alla formazione di un meccanismo a bande tese diagonali, chiamato tension-field (Thorburn et al. 1983, Timler e Kulak 1983), che consente di sfruttare una significativa duttilità. In questo modo, evitando l’utilizzo di irrigidimenti diffusi, il sistema diventa particolarmente semplice e competitivo rispetto alle comuni pareti in c.a., risultando più leggero e veloce da installare.
Numerosi studi su pareti a taglio di acciaio non irrigidite sono stati effettuati in passato per indagare sull’influenza del collegamento nodale del telaio perimetrale (Tromposh e Kulak 1987), delle dimensioni delle lamiere (Sabouri-Ghomi e Roberts 1991), del collegamento lamiera-telaio (Xue e Lu 1994, Schumacher 1999, Choi e Park 2009) e della rigidezza del telaio perimetrale (Driver et al. 1998, Lubell et al. 2000, Park et al. 2007). In maniera del tutto semplificata una parete a taglio di acciaio può essere vista come una trave a parete sottile verticale a mensola in cui le flange rappresentano le colonne, l’anima i piatti e gli irrigidimenti d’anima le travi ai vari livelli. Sulla base di tale analogia erano fondate le normative canadese CSA-94 (1994) e americana AISC-99 (1999) per il progetto di pareti a taglio metalliche. Tuttavia, la rigidezza degli elementi perimetrali gioca un ruolo fondamentale nell’inclinazione del tension-field: per questo motivo è stato dimostrato che tale analogia può portare a risultati penalizzanti (Berman e Bruneau 2004). Tali osservazioni sono state recepite successivamente dalle CSA-09 (2009) e AISC-10 (2010) grazie agli studi di Dastfan e Driver (2008). Inoltre, poiché nelle usuali applicazioni lo spessore minimo delle lamiere di acciaio è spesso scelto per limiti di lavorabilità, è stato proposto l’utilizzo di lamiere multi-perforate per ridurre le azioni indotte dal fenomeno del tension-field sugli elementi perimetrali (Purba e Bruneau 2007). L’utilizzo di tali lamiere è stato recepito per la prima volta nelle normative CSA-09 e AISC-05 (2005).
Sul fronte asiatico, numerosi studi sono stati condotti su pareti a taglio con piatti di acciaio a basso limite di snervamento irrigiditi, che hanno il vantaggio di favorire l’entrata in campo plastico già per bassi valori di carico, prima dell’insorgere di significativi fenomeni di instabilità, consentendo una maggiore dissipazione di energia (Nakashima et al. 1994, Torii et al. 1996). Tali acciai sono caratterizzati da una resistenza convenzionale allo snervamento compresa tra 90 e 120 MPa ed un allungamento a rottura maggiore del 40%. La scarsa disponibilità sul mercato europeo di acciai a basso limite di snervamento ha portato a proporre l’utilizzo di piatti di alluminio puro irrigiditi (De Matteis et al. 2005). Attraverso un trattamento termico è infatti possibile ottenere un materiale caratterizzato da una resistenza convenzionale allo snervamento compresa tra 20 e 70 MPa ed un allungamento a rottura compreso tra il 20 ed il 45%.
Nel contesto dell’adeguamento sismico di strutture in c.a. per mezzo di tecniche innovative basate sull’utilizzo di materiali metallici, le pareti a taglio metalliche rappresentano una soluzione particolarmente vantaggiosa dal momento che il loro inserimento in strutture esistenti, progettate per soli carichi gravitazionali, offre un contributo significativo in termini di resistenza, rigidezza e capacità di energia dissipata, senza penalizzare eccessivamente le strutture di fondazione (De Matteis e Mistakidis 2003, Formisano et al. 2010). La disponibilità di testare strutture reali nella ex-area industriale di Bagnoli (Na) nel progetto di ricerca ILVA-IDEM (Mazzolani 2008) ha consentito di sviluppare un sistema di parete a taglio metallica efficace ed economico. In questo articolo è presentata una raccolta delle indicazioni normative più recenti e viene mostrata un’estensione dello studio sperimentale condotto a Bagnoli, in cui è stata effettuata un’appropriata calibrazione numerica dei risultati sperimentali ottenuti su una struttura in c.a. adeguata con pareti a taglio d’acciaio e alluminio, attraverso i risultati ottenuti da soluzioni alternative di pannelli.

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