Analisi di link removibili corti con connessioni tipo flush ed extended sotto carico ciclico mediante analisi FEM

I controventi eccentrici sono comunemente utilizzati in zone sismiche grazie al loro eccellente equilibrio tra rigidezza e duttilità. Questo studio esamina le prestazioni di alcuni link rimovibili bullonati sotto azioni cicliche; l’utilizzo di tale soluzione risulta interessante in quanto permette la sostituzione degli elementi dissipativi danneggiati dopo un evento sismico. I modelli FEM di tali link sono stati calibrati utilizzando precedenti test sperimentali; tali dati sperimentali riferiti a link rimovibili di varie lunghezze con piastre di collegamento flush (a filo) ed extended (estese) fungono da punto di riferimento per valutare l'impatto della lunghezza del collegamento e del tipo di connessione sulla risposta dell’intero sistema sulle azioni cicliche agenti su di esso. Successivamente, il metodo degli elementi finiti viene utilizzato per indagare soluzioni alternative, estendendo i risultati oltre le configurazioni testate. Un'analisi comparativa di queste alternative evidenzia i vantaggi e gli svantaggi di ciascuna soluzione sotto carico ciclico, offrendo preziose informazioni per eventuali progetti di strutture metalliche in zone sismiche.

Quali vantaggi dalle connessioni di tipo "flush"?

L’approccio progettuale dissipativo solitamente adottato nella progettazione di edifici situati in aree ad alta sismicità favorisce la concentrazione di danni anche di importante entità negli elementi dissipativi del sistema strutturale al fine di salvaguardare quelli non dissipativi. Dopo un evento sismico, la riparazione delle strutture con elementi dissipativi come i telai con controventati eccentrici (EBF) presenta diverse criticità da dover considerare in fase di progetto.

In questo contesto, i link rimovibili offrono una valida soluzione per minimizzare i danni post-sisma, permettendo di ridurre il tempo di inagibilità della struttura e di conseguenza avendo un impatto positivo anche sulla riduzione di perdite economiche. Il presente lavoro vuole mostrare come i diversi tipi di connessione tra link rimovibili e EBF influenzino il comportamento dell’intero sistema antisismico sotto azioni cicliche. Utilizzando precedenti campagne sperimentali e analisi numeriche sui link rimovibili, sono state condotte analisi agli elementi finiti (FEA) al fine di valutare le prestazioni di due tipi di link corti al variare della tipologia di connessione adottata.

Il principale vantaggio delle connessioni tipo flush consiste nella possibilità di dettagliare la connessione in maniera semplice, poiché la trave e il link hanno la stessa altezza della sezione trasversale, fornendo un supporto continuo alla soletta in calcestruzzo. D’altra parte, il principale svantaggio di questo tipo di collegamento risiede nella difficoltà di progettazione dovuto all’esiguo spazio principale delle connessioni a piastra di estremità a filo è la difficoltà di progettazione, poiché il numero di file di bulloni che possono essere inserite è limitato e hanno un piccolo braccio di leva. Inoltre, la sostituzione del collegamento può risultare difficile con elevate richieste plastiche, a causa delle maggiori deformazioni a flessione dei bulloni.

D'altra parte, le connessioni extended offrono il vantaggio di una maggiore resistenza, grazie allo spazio aggiuntivo per più file di bulloni. Questo, a sua volta, riduce le deformazioni dei bulloni otto grandi sollecitazioni, facilitando la sostituzione del link dopo un evento sismico.

Ciò può portare a riparazioni più rapide e a ridurre i tempi di inattività della struttura; tuttavia, l’impiego di questo tipo di soluzione richiede l’impiego di travi con sezioni maggiori per i segmenti di trave al di fuori dell’elemento dissipativo, comportando un aumento dei costi per la realizzazione della struttura.
La scelta tra questi due tipi di connessioni dovrebbe quindi considerare fattori come la praticità di costruzione, la resilienza sismica e il budget complessivo del progetto.

Caratteristiche dei link e comportamento monotono

Sono stati progettati due link, rispettivamente da 500 mm e 1000 mm, ciascuno completato da una specifica tipologia di piastre di collegamento: piastre tipo flush (LF500) per il più corto e piastre tipo extended (LE1000) per quello più lungo. Entrambi i link rientrano comunque nella categoria dei collegamenti corti, dove il meccanismo di rottura è principalmente dovuto a taglio. Sia per i link che per le piastre di collegamento è stato utilizzato acciaio S355 e la connessione degli elementi dissipativi con la struttura è stata stabilita utilizzando bulloni M30 HV classe 10.9. Le connessioni, i segmenti di trave al di fuori dei link e i controventi sono stati tutti progettati secondo i principi del capacity design per garantire che rimanessero in campo elastico.

Le caratteristiche del link LF500 includono una lunghezza (e) di 500 mm, una sezione ad I pari 250
× 150 × 15 × 6 mm (altezza × larghezza dell'ala × spessore dell'ala × spessore dell'anima), con tre irrigidimenti sull'anima di dimensioni pari a 220 × 70 × 6 mm (altezza × larghezza della base × spessore). La trave connessa è una HEA260 e il controvento utilizzato una HEB200. La piastra di collegamento tipo flush, di dimensioni pari a 250 × 260 × 30 mm (altezza × larghezza della base × spessore) collega il link alla struttura con l’ausilio di 3 file di 2 bulloni ciascuna.

Il link LE1000 ha invece una lunghezza (e) di 1000 mm, con la medesima sezione del link LF500 e completato da sette irrigidimenti sull'anima di dimensione 220 × 70 × 6 mm. La trave connessa al link è una IPE450 e il controvento utilizzato una HEB200. La piastra di collegamento tipo ex- tended, di dimensioni pari a 450 × 190 × 30 mm collega il link alla trave grazie a 5 file di 2 bulloni ciascuna.

La Modellazione ad Elementi Finiti (FEM) ha facilitato l'analisi dei link progettati, tenuto conto delle proprietà dei materiali e dei protocolli di carico ottenuti dalle prove sperimentali. Lo studio ha permesso di ottenere informazioni importanti sul comportamento dei link appena descritti rispetto alle giunzioni saldate: i risultati suggeriscono che le connessioni tipo flush contribuiscono a una diminuzione della rigidezza e della resistenza, migliorando la duttilità del sistema grazie ad una migliore distribuzione delle deformazioni plastiche tra i link e le connessioni; al contrario, le connessioni tipo extended permettono di ottenere un sistema meno duttile ma più rigido e resistente rispetto al precedente.

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La presente relazione è stata presentata in occasione del XXIX Congresso CTA, svoltosi a Milano il 26 e 27 settembre 2024.