Dispositivi Antisismici | Calcestruzzo Armato | Sicurezza | Sismica | Prefabbricati | BIEMME SRL
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Messa in sicurezza degli edifici industriali con dispositivi antisismici

L'articolo affronta la questione della sicurezza sismica degli edifici industriali prefabbricati, concentrando l'attenzione su innovativi dispositivi di connessione con funzione dissipativa. Dopo aver analizzato le principali fonti di vulnerabilità sismica degli edifici industriali, l'articolo fornisce un inquadramento sulla normativa di riferimento per poi descrivere il processo di sviluppo di questi innovativi dispositivi.

Questo lavoro mette in luce il problema della messa in sicurezza degli edifici industriali prefabbricati in cemento armato attraverso l’utilizzo di innovativi dispositivi di connessione con funzione dissipativa.

L’applicazione di questi dispositivi rappresenta un importante strumento per garantire la tutela della vita umana e la continuità aziendale, dato che nel nostro Paese molte strutture presentano un elevato grado di vulnerabilità sismica.

Dopo aver analizzato le principali fonti di vulnerabilità sismica degli edifici industriali prefabbricati in cemento armato evidenziati dai terremoti degli ultimi anni, è stato effettuato un breve excursus sulle principali norme di progettazione e classificazione sismica del territorio.

È stato inoltre descritto il processo di sviluppo di un dispositivo di connessione con funzioni dissipative progettato per la dissipazione e il trasferimento delle azioni sismiche in corrispondenza dei giunti trave-colonna di strutture prefabbricate, evidenziando l'importanza del design del prodotto, ovvero del vantaggio della forma a falce di luna per poter da installare anche in presenza di impianti tecnici. Sono state indicate le possibili configurazioni d'installazione.

Oltre ai giunti trave-pilastro, sono stati definiti ulteriori connettori per migliorare le connessioni trave-tegola e le connessioni rivestimento-pilastri.

 

Gli edifici industriali sono estremamente vulnerabili alle azioni sismiche

Gli ultimi eventi sismici avvenuti in Italia hanno evidenziato l’elevata vulnerabilità nei confronti delle azioni sismiche anche degli edifici industriali. Gli edifici produttivi presenti nel nostro Paese sono per la maggior parte monopiano, realizzati in cemento armato, con struttura a telaio. Presentano pilastri incastrati alla base, nelle strutture di fondazione e travi; queste ultime sono collegate ai pilastri, a volte in maniera rigida con connessioni meccaniche, e a volte invece solo con un semplice appoggio senza elementi di connessione.

In alcuni casi la trave può appoggiare sul pilastro mediante un elemento in neoprene che permette una distribuzione maggiore degli sforzi. Le travi sostengono gli elementi di copertura ed il loro collegamento può essere garantito dal semplice attrito o da connettori. Il telaio portante è rivestito esternamente da pannelli prefabbricati, legati alle travi e ai pilastri, realizzati anche essi in calcestruzzo e disposti in posizione orizzontale o verticale, in funzione della tipologia dell’edificio. Si è riscontrato infatti, in seguito ad eventi sismici, che gli elementi deboli di tali strutture, sono i nodi strutturali e non i singoli elementi strutturali prefabbricati. In particolare gli elementi più fragili sono i punti di contatto dei pilastri con le fondazioni e i punti di contatto dei pilastri con le travi.

 

Cause principali di danneggiamento durante le azioni sismiche

Se si osservano gli edifici danneggiati a seguito di eventi sismici si nota che principalmente le problematiche sono quasi sempre analoghe e riguardano:

  • Mancanza di collegamenti di tipo meccanico tra i vari elementi strutturali come ad esempio tra le travi e i pilastri, o tra i pilastri e il piano di fondazione. Come detto in precedenza, spesso nel caso dei nodi trave – pilastro, si ricorre al semplice collegamento per attrito. Questa connessione può mettere a rischio la stabilità della struttura, se questa è soggetta ad una azione di tipo sismico e quindi dinamico.
  • Presenza di collegamenti meccanici tra gli elementi strutturali (es. tra la trave il pilastro) non efficienti per carenze a livello progettuale/realizzativo.
  • Mancanza di elementi di connessione o inefficacia degli stessi, (es. tra i pannelli di tamponatura esterna e gli elementi strutturali principali, tra i tegoli di copertura, ecc.).

 

Le norme di progettazione e la vulnerabilità degli edifici industriali

Le problematiche tecnico-costruttive evidenziate a carico delle strutture industriali esistenti, sono dovute a molteplici cause che possono essere sia progettuali che realizzative. In particolare, per quanto riguarda le cause progettuali, queste carenze vengono evidenziate spesso in edifici realizzati alcuni decenni fa in aree classificate, durante la loro realizzazione, a basso rischio sismico ma che oggi invece a seguito degli aggiornanti normativi si trovano in zone a rischio sismico elevato. Questo perché la normativa e la classificazione sismica del territorio nazionale sono cambiate diverse volte nel corso degli ultimi decenni.

La prefabbricazione in Italia si sviluppa intorno alla metà del secolo scorso e da quel periodo i riferimenti normativi per la progettazione subiscono diverse evoluzioni. Durante la metà del novecento era in vigore il Regio Decreto n. 2229 dell’11 novembre del 1939, seguito dalla legge n. 1086 del 1971, norme in cui ancora non appariva in maniera chiara la progettazione sismica ma venivano prese in esame le forze orizzontali [Bonfati ed altri, 2012]. Solo a partire dal 1974, con l’emanazione della legge n.64 del 2 febbraio e dalle sue norme d’attuazione emanate l’anno successivo (D.M.3/3/1975), vengono inseriti all’interno di queste norme i primi concetti di progettazione sismica [Bonfati ed altri, 2012]. In seguito, a partire dal 1987 nelle Norme tecniche per la progettazione, esecuzione e collaudo delle costruzioni prefabbricate (D.M. 3/12/1987) inizia un percorso normativo che vieta l’utilizzo in zona sismica di vincoli strutturali progettati per solo attrito.

Successivamente, questo concetto viene ripreso anche nel 2003 con l’emanazione dell’Ordinanza OPCM 3273, nelle Norme tecniche del 2008 (D.M. 14/01/2008), nell’Eurocodice 8 (EN 1998- 1:2004) e nelle attuali Norme tecniche del 2018 (D.M. 17/01/2018) [Bonfati ed altri, 2012]. Da quanto detto si evince dunque che gli edifici prefabbricati storici, non rinforzati e adeguati strutturalmente nel tempo, possono essere estremamente vulnerabili nei confronti delle azioni sismiche. Quindi in fase di verifica di vulnerabilità sismica di edifici prefabbricati industriali storici, per migliorare la conoscenza della struttura, occorre effettuare su questa un’accurata indagine storica con relativa raccolta degli elaborati di progetto dell’epoca.

Occorre poi verificare la rispondenza dei dettagli costruttivi di progetto a quanto effettivamente è stato realizzato. Successivamente si può passare a un dettagliato rilievo geometrico e tipologico per eseguire poi delle indagini di tipo visivo in cui evidenziare le possibili defettologie presenti. In seguito, in base alle risultanze di queste ultime, si può valutare la possibilità di eseguire delle indagini sperimentali mediante esecuzione di indagini non distruttive e se necessario anche distruttive.

 

Fasi di sviluppo di un dispositivo di connessione e dissipazione

Tra le possibili soluzioni tecniche oggi a disposizione per mettere in sicurezza e rinforzare gli edifici industriali prefabbricati rispetto alle azioni sismiche, vi è l’installazione nei nodi trave – pilastro di semplici elementi di collegamento di acciaio. Tali soluzioni però non incrementano molto le prestazioni della struttura rispetto alle azioni sismiche come l’utilizzo di connettori progettati anche per dissipare l’energia sismica.

In questo lavoro si descrivono di seguito le fasi di ideazione, progettazione e validazione di un dispositivo di dissipazione di energia che si basa sulle capacità isteretiche di un elemento in acciaio sottoposto a deformazione dopo la fase elastica. Tali fasi di lavoro sono state realizzate nell’ambito di un progetto di ricerca dell’Azienda Biemme S.r.l. di Lucrezia di Cartoceto (PU) e dell’Università degli Studi di Bergamo – Dipartimento di Ingegneria e Scienze Applicate (DISA), Laboratorio Prove Materiali di Dalmine (BG). Il dispositivo, può essere applicato sia alle strutture esistenti, sia a quelle di nuova progettazione e realizzazione. In quest’ultimo caso, nelle strutture di nuova progettazione, è utile il dispositivo in quanto si ottiene una migliore prestazione nei confronti delle azioni sismiche rispetto a una configurazione standard.

Mettere in sicurezza un edificio industriale porta con sé innumerevoli vantaggi sia sociali che economici; innanzitutto si previene la perdita di vite umane e in secondo luogo si garantisce continuità aziendale, evitando per esempio la chiusura temporanea dello stabilimento, la perdita delle attrezzature o delle merci presenti, o nei casi più gravi il crollo generale della struttura. Inoltre si previene la messa fuori servizio dell’edifico e quindi l’interruzione dell’attività. Durante le fasi di sviluppo e prototipazione del dispositivo sono state elaborate diverse forme geometriche con l’obiettivo di massimizzare le capacità di dissipazione energetica dello stesso, ma anche l’aumento di rigidezza strutturale del sistema.

È stata valutata con attenzione ed è stata anche oggetto di prove sperimentali la compatibilità geometrica e la facilità d’installazione dello stesso. Sono state eseguite sempre a cura del Dipartimento di Ingegneria e Scienze Applicate dell’Università degli Studi di Bergamo numerose simulazioni attraverso l’utilizzo dei programmi di calcolo Abaqus e Midas Gen. Sono state così sviluppate modellazioni a elementi finiti, analisi statiche non lineari e analisi cicliche del dispositivo [Bressanelli ed altri, 2021]. A seguito delle analisi condotte, sono stati scelti per quest’ultimo la forma a mezza luna, con curvatura e spessore definiti per massimizzare le sue prestazioni, e il materiale, l’acciaio strutturale S355 [Bressanelli ed altri, 2021].

Durante queste fasi di sviluppo è stata analizzata anche la tipologia di plasticizzazione del dispositivo soggetto all’azione sismica, con l’obiettivo di ottenere un dissipatore che si plasticizzasse in maniera uniforme durante la possibile azione sismica senza presentare possibili fenomeni di instabilità presso-flessio-torsionali a carico della mezzaluna. A seguito delle prove descritte è stata identificata la sagoma finale (fig.1) che prevede una forma come detto in precedenza a mezza luna di lunghezza pari a 72 cm, e spessore pari a 2 cm. A livello operativo il dispositivo viene collegato al pilastro e alla trave mediante flange in acciaio strutturale S355. Le flange di tre diverse tipologie (fig.2,3,4) presentano delle asole allungate così da migliorare l’installazione in presenza dei ferri d’armatura.

Figura 1: immagine tridimensionale del dispositivo, geometria e dimensioni
Figura 2: immagine tridimensionale della flangia con 4 asole, geometria e dimensioni.
Figura 3: immagine tridimensionale della flangia, geometria e dimensioni
Figura 4: immagine tridimensionale della flangia con 2 asole, geometria e dimensioni.

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Nel resto dell'approfondimento si parlerà di qualificazione, accettazione e installazione dei dispositivi e della loro manutenzione dopo un'azione sismica.


Questo articolo fa parte delle MEMORIE CONCRETE 2022, sesta edizione della manifestazione
Leggi il resoconto dell'intero evento.


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