Valutazione sismica di edifici esistenti in c.a. con tamponature: l'influenza della rottura a taglio delle colonne

INFLUENZA DELLA ROTTURA A TAGLIO DELLE COLONNE SULLA VALUTAZIONE SISMICA DI EDIFICI ESISTENTI IN C.A. CON TAMPONATURE

Memoria tratta dagli atti delle GIORNATE AICAP 2014, Bergamo 22-24 maggio 2014

SOMMARIO
Le tamponature possono influire significativamente sulla risposta sismica di edifici in c.a. di vecchia progettazione. Le osservazioni fatte dopo vari eventi sismici hanno evidenziato modalità di collasso dovute a inadeguate armature a taglio nelle colonne e scarsi dettagli costruttivi nei nodi. Questi aspetti vengono molto spesso trascurati sia in approcci di calcolo lineari che non lineari a causa della complessità della modellazione e del calcolo stesso. Questo lavoro ha l’obiettivo di identificare le conseguenze della presenza di colonne poco resistenti a taglio in edifici a telaio tamponati. A tale scopo vengono analizzate tre differenti configurazioni di telai tamponati usando un modello di tamponatura che coniuga accuratezza e facilità di impiego basato sulla biella equivalente (ASCE41/FEMA356): a) telaio nudo; b) telaio parzialmente tamponato (pilotis); c) telaio uniformemente tamponato. Inoltre, al fine di cogliere la rottura a taglio nelle colonne, il comportamento non lineare a taglio viene aggregato a livello di elemento, e analisi mediante procedure statiche di tipo pushover ed analisi dinamiche non lineari di tipo IDA (Incremental Dynamic Analysis) vengono condotte a vari livelli di intensità sismica. I risultati mostrano che l’inclusione della rottura a taglio innescata dalle tamponature può causare una significativa perdita di resistenza nelle configurazioni di telaio uniformemente tamponato.

INTRODUZIONE

Prima dell’introduzione di codici progettazione antisismica gran parte delle strutture veniva progettata per soli carichi verticali. Il risultato è che una parte considerevole degli edifici a telaio esistenti presenta dettagli di armatura non adeguati, contribuendo a buona parte del rischio sismico in zone a media e alta pericolosità.
Gli edifici in c.a. di vecchia progettazione e con tamponature presentano una serie di aspetti importanti quali l’interazione tra telaio e pannelli di tamponatura, la presenza di nodi non armati, lo scorrimento delle barre o degli ancoraggi in prossimità dei nodi [1], [2], l’interazione taglio-flessione e flessione-sforzo assiale nelle membrature ed altri effetti, [3], [4], [5], [6]. Tali aspetti possono drasticamente influenzare sia la risposta locale che quella globale, e sono simulati mediante modelli accurati di strutture e componenti.
Questa ricerca evidenzia l’influenza di tali fenomeni sul comportamento sismico e sulla risposta di telai tamponati con particolare enfasi alla rottura a taglio nelle colonne.
Un fattore comune di scarsa prestazione negli edifici in c.a. tamponati è la presenza del piano debole (Figura 1a) e di colonne tozze poco resistenti a taglio (colonne fragili a taglio) (Figura 1b). Vari eventi sismici di forte intensità hanno mostrato che danni considerevoli e collasso si possono verificare anche in caso di telai uniformemente tamponati con colonne non resistenti a taglio, come è mostrato in Figura 1c e Figura 1d.

Vari ricercatori hanno affrontato il problema della considerazione dei meccanismi nonlineari di comportamento a taglio nella valutazione delle strutture in c.a., tra cui Takayanaki et al. 1979 ‎[9]; D’Ambrisi and Filippou ‎[10]; Ricles et al. [11]‎; Pincheira et al. [12]‎; Braga et al. ‎[13]; Marini e Spacone [14]‎. Il comportamento derivante da interazione tra flessione inelastica e taglio di colonne soggette a deformazioni cicliche è stato valutato da Lee ed Elnashai ‎[15], Elwood e Moehle 2004 ‎[16], attraverso studi sperimentali considerando le modalità di collasso a taglio delle colonne e proponendo una nuova formulazione per la duttilità di spostamento. Calarec e Dolsek [17]‎ hanno proposto una simulazione approssimata della rottura a taglio delle colonne mediante una procedura iterativa basata su analisi di pushover per telai tamponati.
Nel presente lavoro la rottura locale a taglio delle colonne è simulata mediante una legge nonlineare forza-spostamento assegnata a livello di sezione assieme ad una formulazione classica nonlineare della sezione a fibre ‎[18] per gli effetti assiali e flessionali analogamente alla teoria della trave di Timoshenko [19]‎. Petrangeli et al. ‎[20] hanno esteso la formulazione di sezioni a fibre sviluppata originariamente per travi di Eulero-Bernoulli ad un modello di sezione di trave di Timoshenko, mediante un approccio più razionale ma al contempo computazionalmente impegnativo. Un modello alternativo semplificato per simulare la deformazione a taglio in elementi in c.a. è stato introdotto da Martino e Spacone ‎[21], attraverso una legge fenomenologica V-gamma che è stata ulteriormente impiegata da Marini e Spacone [14]. In questo modello le forze flessionali sono accoppiate al livello di elemento poiché l’equilibrio è imposto all’elemento, mentre le deformazioni da taglio sono disaccoppiate da quelle assiali nella rigidezza di sezione.
Il presente lavoro estende l’approccio dell’analisi prestazionale della risposta di telai di edifici esistenti nel contesto di elementi a fibre ‎[22], ‎[23] con enfasi particolare alle colonne critiche a taglio, ed all’interazione telaio-tamponatura, [24].

METODO

Vengono presentati risultati relativi ad analisi statiche non lineari ed analisi dinamiche incrementali IDA condotte su tre differenti configurazioni usando il software OpenSees ‎[25] ed OpenSeesMP ‎[26],[27]. I segnali di input sismico sono naturali e sono stati selezionati mediante REXEL beta [28]‎. Le 14 storie non scalate sono estratte dall’European Strong Motions database in coerenza con lo spettro target della norma Italiana NTC08 ‎[29], relativo al sito scelto e con riferimento al range di periodi prescritto. I segnali sono poi scalati linearmente ad una serie di livelli di pericolosità in base alla curva probabilistica di pericolosità sismica PSHC fornita dall’INGV ‎[30].
Tutti gli elementi nonlineari nel modello sono beam-column a fibre di tipo force-based. Differenti proprietà meccaniche sono state assegnate al calcestruzzo confinato e non-confinato. La resistenza a taglio della sezione è modellata con il comando section aggregator di OpenSees utilizzando una legge nonlineare. I pannelli di tamponatura sono modellati mediante bielle. Il legame tensione-deformazione Giuffrè-Menegotto-Pinto, ‎[31], è usato per le fibre di armatura, il legame modificato Kent e Park ‎[32], è usato sia per le fibre di calcestruzzo confinato che per quelle non-confinate (a tensione di trazione nulla). Per i pannelli di tamponatura il legame monotonico è determinato in base alle norme ASCE41 ‎[33] ed è assegnato ad elementi biella bidiagonali mediante materiale uniassiale isteretico bilineare. Il comportamento locale a taglio nel telaio è modellato sia con legge lineare, che con legge nonlineare, assegnate alle sezioni delle colonne. La massa della struttura è modellata mediante masse concentrate ai nodi. Le masse sono calcolate direttamente in base ai carichi verticali includendo il peso proprio degli elementi ed i carichi permanenti. I carichi variabili sono inclusi nelle masse sismiche con una quota del 30%. Lo smorzamento strutturale viene modellato mediante smorzamento proporzionale alla rigidezza ed alla massa del 2% di quello critico per i primi due modi di vibrazione. I periodi di questi due modi sono stimati in base agli autovalori ottenuti usando la matrice di rigidezza iniziale elastica.
Si è usato il metodo d’integrazione di Newmark con coefficienti gamma=0.50, ß=0.25 e un passo di integrazione di 0.01sec. Le equazioni di equilibrio nonlineari vengono risolte con l’algoritmo di Newton-Raphson. Si analizzano gli Engineering Demand Parameters (EDP) di massima acclerazione ai piani (PFA) e il drift interpiano (IDR). Nelle analisi incrementali dinamiche di tipo IDA il parametro di misura di intensità IM scelto è l’acceerazione di ancoraggio PGA dello spettro di progetto rispetto a cui viene valutata la coerenza degli accelerogrammi GM.

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Nell'articolo completo:

• ANALISI SU CASI STUDIO
• CONCLUSIONI
• RINGRAZIAMENTI
• BIBLIOGRAFIA