Setti sismo-resistenti in c.a. ricentranti con doppia interfaccia rocking

Per far fronte all’urgente necessità di un patrimonio edilizio più sostenibile, negli ultimi anni sono state studiate soluzioni di retrofit e tecniche costruttive innovative per gli edifici in calcestruzzo armato. Le soluzioni di retrofit dovrebbero essere concepite per superare tutte le carenze dell’edificio esistente, perseguendo allo stesso tempo sostenibilità, sicurezza e resilienza, superando i principali ostacoli alla ristrutturazione come il trasferimento degli abitanti. Le tecniche costruttive innovative per i nuovi edifici devono essere concepite considerando l'intero ciclo di vita della costruzione; ad esempio, è necessario tenere conto della localizzazione del danno in caso di terremoto per ridurre tempi e costi di riparazione. In questo contesto, è stata studiata l'efficacia dei sistemi in c.a. ricentranti con doppia interfaccia rocking come sistema sismo-resi- stente sia per i nuovi edifici che per il retrofit di quelli esistenti. Nello specifico sono presentati i risultati di analisi parametriche per valutare l’influenza dei principali parametri di progetto.

Descrizione dei sistemi rocking

I sistemi “rocking” sono tipologie strutturali innovative che hanno dimostrato la loro validità sia quando adottati per nuovi edifici che per interventi di “retrofit” su strutture esistenti (Kurama et al 1999, Holden et al. 2003; Perez et al. 2013; Restrepo and Rahman 2007; Pennucci et al. 2009). Queste strutture possono essere progettate come elementi aventi un meccanismo di oscillazione di tipo ricentrante grazie all’ausilio di cavi post-tesi, permettendo di ridurre o eliminare quasi interamente gli spostamenti residui.

Inoltre, questi sistemi possono essere ideati in modo tale che i danni vengano concentrati in elementi localizzati facilmente riparabili, come i dispositivi dissi- pativi, quali ad esempio i dispositivi isteretici (Rahman et al. 2000; Kurama et al. 1999, Schoettler et al. 2009, Belleri et al. 2014), viscosi (Marriott et al. 2008; Pollino 2015) e ad attrito (Rahman et al. 2000; Christopoulos et al. 2002; Tremblay et al. 2008). La dissipazione di energia porta anche ad una riduzione del taglio alla base e delle accelerazioni al suolo: aspetti fondamentali in fase di “retrofit” di edifici esistenti.

In questo lavoro, è indagato il comportamento sismico di setti in c.a. con doppia interfaccia rocking ai quali vengono aggiunti dispositivi dissipativi isteretici e viscosi. Il comportamento è stato studiato mediante analisi di sensibilità condotte mediante modelli ad elementi finiti.

Studio del comportamento di sistemi rocking con dispositivi accoppiati

Metodologia e dati

Al fine di studiare gli effetti derivanti dall’accoppiamento dei dispositivi dissipativi isteretici e viscosi, è stato svolto uno studio di sensibilità in cui sono state variate le percentuali attribuite alla dissipazione dei dispositivi isteretici (H) e viscosi (V).

In particolare, partendo dal caso in cui l’energia di dissipazione viene affidata interamente ai dispositivi isteretici (100%H - 0%V), si sono analizzate le configurazioni intermedie (75%H-25%V, 50%H-50%V, 25%H-75%V) fino ad arrivare al caso in cui la dissipazione è stata affidata interamente ai dispositivi viscosi (0%H - 100%V).

Il sistema ed i dispositivi sono stati progettati facendo riferimento ad un tipico edificio in c.a. di 6 piani, con un’altezza di 18 m e una pianta regolare di 12x18 m² (Mpampatsikos et al. 2020). Si suppone che la struttura sia posta in un sito ad alta sismicità; in Figure 1 si riporta lo spettro di progetto allo Stato Limite di salvaguardia della Vita (SLV) con classe di sottosuolo C, categoria topografica T1, ed una accelerazione su suolo rigido a_g pari a 0.261g (CEN 2005). Per lo studio di sensibilità sono state condotte analisi dinamiche non lineari utilizzando un accelero- gramma spettro compatibile con lo spettro di progetto.

Per la progettazione del sistema di rinforzo, sono stati considerati quattro setti rocking; un setto per ogni lato della struttura a pianta rettangolare. I carichi permanenti ed i carichi accidentali sono stati conside- rati in un unico contributo pari a 8.60 kN/m², aventi un’area di influenza sul piano considerato pari a 108m². Infine, si è considerata una massa di piano pari a 92880 kg.

Le proprietà dei materiali considerati sono riassunte nella Table 1. In particolare, si è fatto riferimento ad un calcestruzzo di classe C50/60 (f_ck = 50 MPa), un acciaio di armatura B450C (f_ck = 455 MPa). Per quanto riguarda i trefoli del cavo post-teso si è utilizzato un acciaio con una resistenza ultima nominale pari a 1860 MPa.

Progettazione

Alla base della progettazione del sistema a doppia interfaccia rocking sono state fatte le seguenti assunzioni:

1. Le interfacce rocking sono state poste al piano terra ed al secondo piano dell’edificio. A tal proposito, l’altezza della parete rocking (hr) è stata posta pari a 6 m;
2. Il drift di progetto (θd) è stato posto uguale al 2% (in accordo con Eurocode 8 (CEN 2005)). Lo spostamento di progetto (∆d) è quindi pari a 0.12 m in sommità alla parete rocking;
3. Gli spostamenti residui dovranno essere nulli;
4. Si ipotizza l’introduzione di un sistema di irrigidimento al di sopra della seconda interfaccia rocking che garantisca una traslazione rigida della porzione superiore dell’edificio (drift di interpiano quasi nullo al di sopra della seconda interfaccia rocking – dal piano 3 al piano 6).

Sulla base di questi punti, si è proceduto con la progettazione del setto a doppia interfaccia rocking in accordo con il Displacement Based Design (Priestley et al. 1999): la massa equivalente (me) è pari a 510840 kg, l’altezza equivalente (he) è stata imposta pari all’altezza della seconda interfaccia, ossia he = hr = 6 m.

Per definire la curva di comportamento del sistema riportata in Figure 2 è stato determinato il drift di snervamento (θy = 0.001) in accordo con Aaleti & Sritharan (2009), da cui è stato possibile calcolare lo spostamento di snervamento del sistema a un grado di libertà equivalente (SDOF).

Fy è la forza associata all’attivazione del meccanismo rocking, β è il contributo di energia dissipata che si va ad attribuire ai dispositivi isteretici o viscosi. In fase di progettazione il valore β è stato assunto pari a
0.35 (Priestley et al. 2007); la duttilità μ è stata calcolata come:

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