Progettazione e verifica sperimentale di sistema a parete in calcestruzzo con meccanismo di rocking

In questa relazione viene presentato un innovativo sistema strutturale per edifici prefabbricati basato su pareti in calcestruzzo capaci di “rocking”, progettate per ridurre il danneggiamento sismico. Il sistema combina cavi di pretensione non aderenti e dissipatori metallici concentrati, facilmente sostituibili dopo un sisma. Vengono illustrate le prove sperimentali condotte all’Università di Bologna su un prototipo completo, con valutazione di drift, ricentramento ed energia dissipata. I risultati mostrano un comportamento stabile, buona capacità dissipativa e assenza di danni significativi fino al 2% di drift. Una soluzione promettente per edifici prefabbricati pluripiano a basso danneggiamento.

Dal progetto in duttilità al controllo del danno

La progettazione sismica corrente degli edifici si basa, come noto, sul concetto di duttilità: la sicurezza globale è garantita attraverso la formazione di cerniere plastiche in travi e pilastri, accettando un danneggiamento diffuso della struttura che, dopo un evento sismico significativo, richiede interventi di riparazione spesso complessi e costosi. Nel caso delle strutture prefabbricate in calcestruzzo armato, questo approccio conduce tipicamente alla concentrazione delle cerniere plastiche alla base dei pilastri, con conseguenze rilevanti in termini di funzionalità post-sisma e di tempi di ripristino.

Proprio per superare questi limiti, negli ultimi decenni si sono sviluppati criteri progettuali orientati al basso danneggiamento, che mirano a limitare o controllare le zone in cui si concentra la dissipazione di energia. Tra le strategie più consolidate rientra l’isolamento sismico alla base, mentre per le strutture prefabbricate ha assunto crescente interesse il concetto di pareti a rocking, ovvero elementi verticali in grado di sollevarsi e ruotare alla base sotto azione sismica. Grazie all’impiego di cavi di precompressione non aderenti, tali pareti sono dotate di un marcato comportamento ricentrante, riducendo sensibilmente gli spostamenti residui e il danno strutturale.

Su queste premesse si inserisce il progetto di ricerca PORFES, presentato in occasione di ANIDIS 2025 ad Assisi da Loris Vincenzi, che propone un’evoluzione del sistema rocking capace di coniugare ricentramento, dissipazione di energia e corretta gestione dei carichi verticali, aspetto cruciale nelle strutture prefabbricate pluripiano.

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Il sistema sperimentale: pareti rocking accoppiate a pilastri dissipativi

L’idea alla base del progetto consiste nell’affiancare alle pareti rocking una serie di pilastri deputati al trasferimento dei carichi verticali, collegati alle pareti mediante dispositivi metallici dissipativi concentrati. In questo modo la parete può oscillare liberamente alla base, senza interferire con travi e solai, mentre la dissipazione di energia è affidata a pochi elementi ben definiti, progettati per entrare in campo plastico in modo stabile e ripetibile.

La campagna sperimentale è stata condotta presso il laboratorio dell’Università di Bologna, in collaborazione con l’Università di Modena e Reggio Emilia. Il prototipo testato era costituito da una parete in calcestruzzo armato larga 1,30 m e spessa 25 cm, precompressa tramite due cavi post-tesi, affiancata da due pilastri prefabbricati dotati delle tipiche mensole per l’appoggio delle travi. Le travi, due per lato, erano collegate ai pilastri mediante spinotti, come avviene nei sistemi prefabbricati tradizionali, e costituivano il punto di applicazione delle azioni orizzontali, simulate tramite martinetti idraulici per riprodurre l’effetto delle forze di massa concentrate nei solai.

Un aspetto chiave del sistema è che le travi non risultano in alcun modo collegate direttamente alle pareti. Il trasferimento delle azioni orizzontali avviene esclusivamente attraverso i dispositivi metallici di dissipazione che collegano i pilastri alle pareti. Questa scelta consente di limitare gli effetti dell’innalzamento della parete sui carichi verticali e di garantire che il meccanismo di rocking si sviluppi in modo indipendente, senza indurre danneggiamenti negli elementi orizzontali.

Alla base della parete sono state studiate due soluzioni alternative: una con semplice interfaccia metallica per ridurre il degrado del calcestruzzo dovuto ai cicli di sollevamento e una con chiave di taglio, pensata per impedire eventuali scorrimenti indesiderati. Entrambe le configurazioni sono state testate sperimentalmente.

Risultati sperimentali e prospettive applicative

I dispositivi dissipativi metallici, costituiti da piatti opportunamente sagomati, sono stati oggetto di una fase preliminare di progettazione e ottimizzazione di forma, tenendo conto non solo delle deformazioni cicliche ma anche della presenza di sforzi normali significativi, in particolare sull’elemento che lavora prevalentemente in compressione. Le prove cicliche condotte su questi dissipatori hanno evidenziato cicli isteretici ampi e stabili, senza decadimenti apprezzabili della capacità dissipativa anche dopo numerosi cicli.

Il sistema completo è stato sottoposto a prove quasi statiche in controllo di spostamento, imponendo drift di piano progressivamente crescenti fino al 2,5%. I risultati hanno mostrato un comportamento globale caratterizzato da una buona capacità di dissipazione di energia e, soprattutto, da un efficace ricentramento, con spostamenti residui contenuti anche ai livelli di deformazione più elevati. L’innalzamento massimo della parete alla base ha raggiunto valori dell’ordine di 30 mm, senza evidenze di danneggiamento significativo del calcestruzzo.

Le misure sperimentali, ottenute mediante un’estesa strumentazione composta da LVDT, estensimetri e celle di carico, hanno confermato la diversa ripartizione delle azioni nei due dissipatori laterali, uno prevalentemente teso e l’altro compresso, coerentemente con il meccanismo cinematico del rocking. L’energia dissipata risulta confrontabile nelle due configurazioni di base testate, con e senza chiave di taglio, a dimostrazione della robustezza concettuale del sistema.

Nel complesso, la campagna sperimentale evidenzia come l’accoppiamento tra pareti rocking precompresse e dissipazione concentrata nei collegamenti con i pilastri rappresenti una soluzione promettente per strutture prefabbricate a basso danneggiamento. La concentrazione della dissipazione in pochi elementi facilmente ispezionabili e sostituibili apre scenari interessanti in termini di riparabilità post-sisma e continuità d’uso degli edifici. Le potenzialità applicative risultano particolarmente rilevanti per edifici prefabbricati pluripiano, come palazzine per uffici o strutture produttive, dove la riduzione dei tempi di fermo dopo un evento sismico costituisce un obiettivo progettuale sempre più centrale.

IN SINTESI
-Superamento dell’approccio tradizionale a cerniere plastiche nelle strutture prefabbricate tramite sistemi a basso danneggiamento
-Impiego di pareti rocking precompresse per garantire ricentramento e limitare il danno strutturale
-Introduzione di dissipatori metallici concentrati nel collegamento pareti–pilastri per la dissipazione di energia
-Risultati sperimentali positivi fino a drift del 2–2,5%, con danni trascurabili agli elementi strutturali principali
-Elevata riparabilità post-sisma grazie alla concentrazione della dissipazione in pochi dispositivi sostituibili

DI SEGUITO LA RELAZIONE INTEGRALE DI LORIS VINCENZI AD ANIDIS 2025.

L'articolo è stato redatto mediante la videoregistrazione dell'intervento, con l'ausilio dell'IA.