Robustezza di strutture in calcestruzzo armato con tamponamenti

Il paper presenta uno studio numerico sul ruolo dei tamponamenti in muratura, con e senza aperture, sulla robustezza delle strutture intelaiate in calcestruzzo armato. Viene presentata un’analisi parametrica sull'influenza del fattore di forma della maglia, dei dettagli sismici e del grado di vincolo laterale nei casi di telai nudi e tamponati, impiegando test di pushdown numerici volti a simulare la perdita di un pilastro su telai piani a doppia campata, estratti da diversi edifici intelaiati 3D.

Le maglie telaio-tamponamento sono modellate mediante un dettagliato modello FEM calibrato sperimentalmente. I risultati presentati forniscono una quantificazione dell'influenza dei tamponamenti, in termini di capacità forza-spostamento al collasso verticale, confrontata con la domanda di carico attesa, mostrando un numero di casi in cui l'azione meccanica dei tamponamenti è fondamentale ad evitare il collasso multiplo.

1 INTRODUZIONE

Negli ultimi decenni l’interesse verso la robustezza strutturale ha assunto caratteri di maggior rilievo sia nella letteratura scientifica che all’interno delle normative tecniche.

Per le strutture civili ad uso residenziale, commerciale o pubblico, la possibilità di limitare la propagazione del danno dovuto alla perdita accidentale di un elemento strutturale primario, come un pilastro, diventa un aspetto essenziale sia per l’incolumità pubblica, che per le perdite economiche.

Il concetto fondante della robustezza strutturale, indirizza infatti la progettazione verso la ricerca di soluzioni tali da evitare che il danno subito da una struttura a causa di un evento accidentale, non sia sproporzionato rispetto alla causa che lo ha generato.

Negli edifici in calcestruzzo armato, la perdita di un pilastro perimetrale a causa di urti, esplosioni o avanzato degrado dei materiali, pone il problema della risposta del sistema a tale evento. Di conseguenza, la valutazione della propagazione degli effetti del danneggiamento in funzione della posizione dell’elemento collassato, della forma delle campate, e della tipologia degli elementi del telaio e della disposizione delle armature, apre la possibilità a diversi scenari.

Per gli edifici intelaiati in calcestruzzo armato, la possibilità di evitare collassi multipli (collasso di tutti i piani superiori o collasso di un’intera porzione di fabbricato) a seguito della perdita di un pilastro, dipende dalla capacità degli elementi trave, convergenti verso il pilastro rimosso, di passare da un iniziale meccanismo resistente di tipo flessionale ad un successivo meccanismo resistente di catenaria, che si innesca in regime di grandi spostamenti (Figura 1).

Tale possibilità dipende da numerosi fattori, ma in maggior misura dalla duttilità delle sezioni in calcestruzzo plasticizzate, e dalla resistenza residua che queste possiedono all’innesco del meccanismo di catenaria, in ragione del livello di deformazione degli acciai e del calcestruzzo.

Negli ultimi anni, diversi autori hanno condotto studi sulla valutazione della robustezza di alcuni sistemi strutturali. Fra questi Izzuddin et al. (2008) hanno proposto un metodo per la valutazione semplificata della domanda caricospostamento dinamica, attraverso un approccio pseudo-statico, proponendo un’applicazione alle strutture metalliche (Vlassis et al. 2008).

Diversi ulteriori studi hanno riguardato la robustezza delle strutture in calcestruzzo armato, studi sperimentali su elementi strutturali in scala (Ren et al. 2016) o su strutture reali (Xiao et al. 2015) e studi sperimentali accompagnati da interpretazioni numeriche dei risultati (Yu et al 2013, Dat et al. 2015, Pham et al. 2017, Weng et al. 2017).

Da questi studi è emerso che la duttilità delle sezioni di estremità gioca un ruolo fondamentale sulla capacità di attivazione del meccanismo di catenaria, ma che questa è condizionata da ulteriori fattori quali la rigidezza dei vincoli orizzontali e la reale capacità di allungamento degli acciai.

Altri studi numerici su strutture tridimensionali in c.a. sono stati condotti da Arshian e Morgenthal (2017), simulando scenari di rimozione progressiva delle colonne, e Brunesi et al (2015) in termini di fragilità, attraverso l’applicazione dell’analisi dinamica incrementale.

Un recente stato dell’arte proposto da Kunnath et al. (2018), riporta gli avanzamenti più recenti sulle strategie di modellazione del collasso sotto carichi gravitazionali per le strutture in calcestruzzo armato.

Gli studi fin qui elencati prendono in considerazione la robustezza delle strutture intelaiate prescindendo dagli effetti di interazione con i tamponamenti in muratura che, come è noto, influenzano in maniera significativa la risposta strutturale della maglia in termini di resistenza, rigidezza e meccanismi di collasso.

Tale interazione è stata ampiamente documentata, con riferimento alle azioni laterali, da numerosi studi sperimentali (e.g. Mehrabi et al. 1996, Colangelo 2005, Cavaleri & Di Trapani et al. 2014), e numerici (e.g. Mehrabi et al. 1997, Caliò & Pantò 2014, Ateris et. al 2016, Di Trapani et. al 2018).

Solo negli ultimi anni tuttavia, alcuni primi studi numerici su strutture in acciaio tamponate (Farazman 2013, Xavier et al. 2015) e sperimentali su quelle in calcestruzzo amato (Quian et al. 2017), sono stati rivolti all’influenza della tamponatura sul collasso per carichi gravitazionali, confermando che per via dell’incremento di resistenza e della variazione dei meccanismi resistenti , la valutazione della robustezza delle maglie tamponate, non può prescindere da una adeguata modellazione della tamponatura.

Questo paper presenta uno studio numerico sulla robustezza delle strutture intelaiate in calcestruzzo armato con tamponamenti in muratura, in termini di resistenza ultima, duttilità e meccanismi resistenti.

Sulla base di un caso studio, viene presentata un’analisi parametrica estesa alle grandezze geometriche e meccaniche di maggior rilievo ai fini della robustezza (fattore di forma della maglia, dettagli sismici, grado di vincolo laterale), confrontando risultati i con quelli ottenuti attraverso la modellazione dei telai privi dei tamponamenti.

Le analisi sono eseguite mediante test di pushdown su sotto-telai estratti da uno dei telai di facciata dell’edificio studio.

I modelli FEM sono stati realizzati attraverso il software Atena 2D (Cervenka 2014), 2D non lineari a stato di tensione piano ed interfacce di tipo attritivo.

I risultati mostrano un significativo incremento di resistenza delle maglie tamponate, associato alla modifica sostanziale del meccanismo resistente.

2 PROGRAMMA DI SPERIMENTAZIONE NUMERICA

2.1 Definizione degli edifici studio e delle analisi parametriche

Lo studio condotto ha preso in considerazione la tipologia strutturale di un fabbricato a cinque elevazioni ad uso residenziale, con struttura intelaiata in calcestruzzo armato, del quale viene ipotizzata la perdita accidentale di un pilastro centrale di uno dei telai di facciata.

Il fabbricato è stato progettato con due diverse configurazioni delle maglie centrali che convergono sul pilastro di interesse, in maniera tale da ottenere di fatto due edifici, uno con campate corte e fattore di forma della maglia l/h=1 (Fig. 2a, 3a), ed uno con campate lunghe e fattore di forma l/h=2 (Fig. 2b, 3b).

Le dimensioni in pianta sono 19.08 m x 16.48 m e le altezze di interpiano 3.57 m alla prima elevazione e 3.07 dalla seconda in poi. Gli edifici sono progettati impiegando calcestruzzo di classe C25/30 e acciaio B450C.

I carichi di progetto sui solai di interpiano sono G1=3.20 kN/m, G2=3.80 kN/m, Qk1=2.00 kN/m, mentre per il solaio di copertura G1=3.20 kN/m, G2=2.10 kN/m, Qk1=0.50 kN/m (ispezione) e  Qk2=0.48 kN/m (neve).

Compatibilmente con la destinazione d’uso, il suolo (cat. A) e la pericolosità sismica del sito (Palermo) i parametri di definizione dell’azione sismica sono VN=50, CU=1, S=1, TR=475 anni, ag=0.176 g, F0=2.377, TC*=0.290 s.

Per estendere la valenza delle analisi anche a strutture non sismicamente concepite, i due edifici sono stati progettati una prima volta ipotizzando la presenza del sisma e rispettando i criteri di capacity design di gerarchia delle resistenze e i dettagli sismici e una seconda volta in assenza di azioni sismiche e regole di design sismico.

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L'ARTICOLO COMPLETO E' DISPONIBILE IN ALLEGATO

KEYWORDS: KEYWORDS: roubstness, infilled frames, reinforced concrete, masonry, pushdown. / robustezza, telai tamponati, calcestruzzo armato, muratura, pushdown.

Articolo presentato in occasione degli Italian Concrete Days 2018 di aicap e CTE