Performance sismiche di pareti in acciaio leggere e controventate con pareti in cartongesso: analisi sperimentale secondo l'Eurocodice 8

Nel panorama dell’edilizia moderna, i sistemi a telaio leggero in acciaio formati a freddo (Lightweight Steel Framing - LSF) rappresentano una soluzione costruttiva sempre più diffusa grazie alle loro caratteristiche di sostenibilità ambientale, prefabbricabilità e leggerezza.

Tuttavia, nonostante i vantaggi intrinseci, l’impiego di tali sistemi in zona sismica è tutt’oggi limitato, sia a livello nazionale che europeo, da un quadro normativo ancora restrittivo. L’attuale Eurocodice 8, infatti, consente unicamente una progettazione non dissipativa, impedendo di valorizzare la capacità inelastica di queste strutture, e prevede un solo sistema sismoresistente a base di controventi metallici.

In vista della prossima revisione dell’Eurocodice, che introdurrà una più ampia gamma di sistemi sismoresistenti — tra cui pareti a taglio con rivestimenti in legno, cartongesso o lamiera sottile — è risultato fondamentale indagare sperimentalmente le prestazioni effettive di tali configurazioni. Il lavoro qui presentato si inserisce in questo contesto, mirando a valutare la risposta ciclica in piano di pareti in LSF rivestite in cartongesso, seguendo i principi di capacity design previsti per la classe di utilità 3 (DC3), corrispondente alla massima duttilità progettuale.

Ne ha parlato, in occasione dell'evento CTA di Milano, il dottorando dell'Università Federico II di Napoli Alessandro Prota.

Obiettivi e inquadramento normativo

L’obiettivo principale della ricerca è stato quello di verificare sperimentalmente la validità delle nuove regole progettuali introdotte nella bozza del futuro Eurocodice 8 per sistemi LSF controventati. In particolare, si è analizzata la possibilità di conseguire un comportamento sismico dissipativo, identificando le modalità di crisi più ricorrenti e valutando l’influenza di parametri progettuali come il rapporto di forma della parete e l’interasse dei fissaggi tra pannello e profilo metallico.

La futura normativa individua tre classi di utilità (DC1, DC2, DC3), che riflettono diversi livelli di duttilità e di richiesta in termini di capacità dissipativa. Per strutture in DC3, come quelle oggetto di questa ricerca, è essenziale individuare un componente chiaramente duttile, che nelle pareti studiate è rappresentato dal fissaggio tra pannello e telaio. Tutti gli altri elementi (telaio in acciaio, pannello in cartongesso, ancoraggi a trazione e a taglio) devono quindi essere progettati in sovraresistenza rispetto a questa componente critica.

La campagna sperimentale

L’intera sperimentazione è stata condotta presso il Dipartimento di Strutture per l’Ingegneria e l’Architettura dell’Università di Napoli Federico II, in collaborazione con le aziende Manni Green Tech e Saint-Gobain, rispettivamente produttrici dei profili in acciaio e dei pannelli in cartongesso.

La campagna è stata articolata su due livelli, secondo un approccio multiscala. In una prima fase, detta microscala, sono state eseguite prove meccaniche sui materiali e sulle connessioni fondamentali della parete. Successivamente, si è passati alla mesoscala, con prove in piano su pareti a grandezza reale.

Le prove sui materiali hanno incluso test a trazione sull’acciaio e test meccanici sui pannelli di cartongesso, tra cui rifollamento, trazione e taglio. Particolarmente rilevanti sono risultate le prove a taglio tra pannello e profilo, eseguite secondo un adattamento della norma ASTM D1037. Da queste prove si è evidenziato che l’orientamento del pannello (longitudinale o trasversale rispetto alla parete) ha un’influenza trascurabile sulla resistenza ultima e sulla rigidezza. È stato inoltre osservato che i carichi ciclici tendono a ridurre la capacità resistente del fissaggio di circa il 10%, pur aumentando la rigidezza elastica di circa il 20%.

Sulla base dei risultati ottenuti alla microscala, sono state progettate e testate tre configurazioni di pareti in scala reale, con dimensioni tipiche di 2,4 m di larghezza per 2,7 m di altezza. Le differenze tra le configurazioni hanno riguardato la spaziatura dei fissaggi (150 mm e valore ridotto) e il rapporto di forma, ottenuto riducendo le dimensioni della parete.

Le prove sono state condotte utilizzando un apposito dispositivo per prove in piano, in grado di applicare esclusivamente azioni orizzontali. Le pareti venivano vincolate a una trave di base e caricate orizzontalmente tramite una trave superiore collegata a un attuatore idraulico.

I risultati ottenuti hanno confermato che, in tutte le configurazioni, il meccanismo di crisi era riconducibile alla rottura dei fissaggi, garantendo così il rispetto del principio di capacity design. Le altre componenti sono risultate in sovraresistenza, come richiesto dal progetto in DC3.

L’analisi delle tre configurazioni ha evidenziato alcuni aspetti interessanti. L’applicazione di carichi ciclici ha confermato quanto già osservato nelle prove a microscala, con una riduzione della resistenza ultima compresa tra l’8% e il 10%, ma con un incremento significativo della rigidezza.

La variazione del rapporto di forma tra le configurazioni non ha prodotto differenze sostanziali in termini di resistenza, mentre ha comportato una modesta riduzione della rigidezza elastica. Decisamente più influente è risultata la spaziatura dei fissaggi: una densità maggiore ha portato a un incremento della capacità portante della parete di circa 1,6 volte. Tuttavia, l’aumento del numero di fissaggi ha comportato una leggera diminuzione della resistenza media del singolo fissaggio, probabilmente a causa di imperfezioni introdotte in fase di montaggio.

Un’ultima valutazione ha riguardato il coefficiente di sovraresistenza, confrontato con quanto prescritto dall’Eurocodice. I valori sperimentali ottenuti si sono attestati tra 1,25 e 1,5, sensibilmente inferiori al valore standard pari a 2, suggerendo la possibilità di una revisione più calibrata di tale parametro, fondata su basi sperimentali più ampie.

L’indagine sperimentale condotta ha evidenziato come le pareti in LSF rivestite in cartongesso possano effettivamente rispondere positivamente alle richieste di progetto per strutture in classe DC3. Il comportamento duttile è stato sempre governato dai fissaggi, come previsto, e l’influenza delle principali variabili progettuali è risultata coerente con le aspettative.

In particolare, il carico ciclico produce una riduzione limitata della resistenza ma aumenta la rigidezza, il rapporto di forma influisce marginalmente, mentre la spaziatura dei fissaggi si conferma come parametro chiave nella definizione della capacità portante. I risultati ottenuti offrono quindi un utile contributo alla validazione delle nuove regole di progetto e suggeriscono la possibilità di un affinamento dei coefficienti di sovraresistenza oggi proposti dal codice.

Testo estratto dalla videoregistrazione dell'intervento, mediante l'ausilio dell'Intelligenza Artificiale.