Connessioni duttili per il miglioramento sismico di edifici prefabbricati

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1 Connessioni duttili per il miglioramento sismico di edifici prefabbricati ABSTRACT I recenti eventi sismici italiani (2009 L'Aquila e il 2012 in Emilia), così come quelli turchi (1998 Adana 1999 Kocaeli 2003 Bingol e 2011 Van), hanno evidenziato l'importanza della progettazione per i collegamenti degli elementi per evitare crolli parziali o totali di edifici prefabbricati. Questo argomento è stato discusso ampiamente in diversi convegni internazionali ed è stato oggetto di numerosi test di laboratorio, in tutta Europa. Il codice europeo EN : (Punto ) 2005 introduce requisiti e criteri di progettazione per i collegamenti di elementi prefabbricati. La ricerca Edilmatic ha riguardato l'interazione tra connessioni esistenti in acciaio (principalmente tasselli) e le nuove connessioni duttili costituite da dispositivi in acciaio, posizionate al di fuori degli elementi di calcestruzzo. Lo scopo di questo studio era di valutare le forze sismiche che agiscono sia nei tasselli che nei dispositivi presentati. La ricerca è iniziata con un'analisi delle caratteristiche meccaniche dei tasselli esistenti ed il loro comportamento sotto carichi ciclici di tipo sismico. Sono state inoltre condotte analisi anelastiche non lineari per verificare l'efficienza dei dispositivi applicati alle più comuni tipologie di edifici prefabbricati presenti sul mercato europeo al fine di verificare la compatibilità degli spostamenti dell'edificio con quelle ammissibili dei dispositivi. 1 Introduzione La tecnica di strutture prefabbricate in cemento armato è la più consona per costruire edifici industriali e commerciali e quindi è stata ampiamente utilizzata in tutto il mondo. La particolarità di queste strutture consiste nell assemblaggio di pilastri collegati con travi. Tra le diverse tipologie di connessioni tra elementi prefabbricati, quelle che utilizzano le barre di acciaio sono le più comuni. I recenti eventi sismici italiani (2009 L' Aquila e 2012 Emilia), come quelli turchi (1998 Adana, 1999 Kocaeli, 2003 Bingol e2011 Van), hanno messo in evidenza l importanza della progettazione delle connessioni, rilevante per evitare il collasso parziale o totale degli edifici prefabbricati. L argomento è stato discusso ampiamente in molti convegni internazionali ed è stato oggetto di molte prove sperimentali universitarie in tutta Europa. La norma europea EN :2005 (paragrafo ) introduce prescrizioni e criteri di calcolo per le connessioni di elementi prefabbricati. Il risultato è stato possibile grazie a numerose ricerche congiunte ed a azioni di sviluppo, tra cui l ultima è il progetto SAFECAST, dove l argomento è stato approfondito da un gruppo di associazioni europee di produttori di elementi prefabbricati e partners industriali con l assistenza di gruppi di ricerca universitari. Il documento di Vintzelou e Tassios (1987) descrive il comportamento di barre sotto deformazioni cicliche e fornisce una formula per la determinazione della resistenza a taglio della barra ( rottura), mentre gli studi svolti da Giuriani, Gelfi e Marini (2002) sono utili per definire la rigidezza a taglio delle barre esistenti, estendendo agli elementi in calcestruzzo i concetti e le formule analitiche del testo Stud shear connection design for composite concrete slab and wood beams. Infine, il documento finale della Commissione Europea Design guidelines for connection of precast structures under seismic actions (Toniolo e Negro, 2012) mostra che nessun contributo di duttilità e dissipazione è fornito dalle barre esistenti alla duttilità globale della struttura. La ricerca tratta l interazione tra le connessioni esistenti, composte da barre in acciaio, e connessioni duttili, composte da dispositivi in acciaio posizionati esternamente agli elementi in calcestruzzo. Lo scopo dello studio è di valutare le forze sismiche agenti sia nelle barre che nei dispositivi. A tal fine si sono utilizzati i programmi MIDAS/Gen ( MIDAS Information Technology Co., Ltd ) e REXEL ( Iervolino I. Galasso, C. Cosenza E ). 2 Prove di laboratorio 2.1 Descrizione dei dispositivi L azienda Edilmatic srl ha sviluppato due dispositivi, illustrati in figura 2.1 (a) e (b), con lo scopo di produrre connessioni duttili per il miglioramento sismico degli edifici prefabbricati e trovare un rimedio alla rottura delle connessioni degli elementi prefabbricati (come successo nei terremoti precedenti), o per inserire una nuova connessione ove mancante. Entrambi i prodotti sono composti da due tubi concentrici che terminano con dei piatti d acciaio quadrati, utili per la connessione dei dispositivi agli elementi in cemento armato tramite il fissaggio di tasselli meccanici. Sono anche forniti di un meccanismo di rotazione per consentire gli aggiustamenti in fase di montaggio. 1

2 Figure 2.1(a) dati geometrici del connettore EDIL TT Il prodotto EDIL TT è progettato per formare una connessione tra le travi secondarie di copertura e le travi portanti ( figura 2.1 (a) ), mentre il prodotto EDILTP è progettato per formare una connessione tra le travi principali e i pilastri ( figura 2.1(b) ). Figure 2.1(b) dati geometrici del connettore EDIL TP 2.2 Obiettivi e modalità di prova. Il fine delle prove di laboratorio, eseguite presso l Università di Bergamo (BG), è stato di determinare la risposta dei dispositivi ai carichi ciclici e di descrivere in dettaglio il comportamento elastico fino al punto di 2

3 A. Surname, B. Surname snervamento e il comportamento plastico con la definizione dei percorsi di carico, utili a definire il quantitativo totale di energia che il dispositivo può dissipare sotto azioni sismiche. Le prove sono state effettuate imponendo alle estremità dei campioni cicli di spostamento di ampiezza crescente, con incrementi multipli dello spostamento di snervamento, individuato tramite due prove monotone: una di trazione e una di compressione. Per ogni spostamento sono stati effettuati 5 cicli ( figura 2.2(a) ). Nelle prove monotone, una volta raggiunti gli spostamenti di snervamento per entrambe le direzioni di carico, il carico è stato rimosso ed i campioni sono stati riportati nella configurazione di partenza. Nella prova ciclica, effettuata sullo stesso campione, gli spostamenti sono stati incrementati fino a rottura ( figura2.2(b) ). Figure 2.2(a) il dispositivo EDIL TP durante le prove Figure 2.2(b) il dispositivo EDILTP dopo le prove 3

4 2.3 Risultati delle prove I percorsi di carico delle prove cicliche su entrambi i dispositivi sono illustrati di seguito ( figure 2.3(a) e figure2.3(b) ). E chiaramente evidenziato che il comportamento meccanico dei prodotti è simmetrico sia per i carichi di trazione che quelli di compressione. Il risultato è raggiunto evitando la rottura dovuta all instabilità a compressione, avendo aggiunto 4 archi di acciaio saldati esternamente ai tubi. Il carico massimo raggiunto è 20 kn per il dispositivo EDIL TT e 50 kn per il dispositivo EDILTP. Figure 2.3(a) cicli di isteresi del dispositivo EDIL TT Figure 2.3(b) cicli di isteresi del dispositivo EDIL TP I risultati delle prove di laboratorio sono riassunti nella tabella 2.3(a) e tabella 2.3(b), dove è specificato il valore di rigidezza iniziale [K i ], il valore di carico massimo [F max ], lo spostamento corrispondente [d max ] e lo spostamento ultimo [d u ] sia per i cicli positivi che negativi. Table 2.3(a) dati di progetto del connettore EDIL TT Figure 2.3(b) dati di progetto del connettore EDIL TP 4

5 A. Surname, B. Surname 3 Applicazione dei dispositivi e risultati E stata svolta un analisi dinamica non lineare usando il programma agli elementi finiti Midas su un edificio prefabbricato di due piani, nel quale sono stati inserite le connessioni duttili come illustrato nelle figure 3.1(a) e (b). Figure 3.1(a) Vista generale del edificio di prova Figure 3.1(b) montaggio del dispositivo EDIL TP Le analisi dinamiche non lineari richiedono una definizione molto accurata dei parametri iniziali per essere svolte in un tempo breve (ragionevole) e per fornire i risultati attesi. Per ridurre i tempi di analisi, è suggerito di fissare valori accurati dei parametri di iterazione, come ad esempio la minima grandezza degli steps ( suggerito 0,001 sec) ed il giusto valore delle iterazioni massime ( suggerito 10 ). Nell analisi bisogna inoltre onsiderare la costruzione per fasi degli edifici, di fondamentale importanza nelle strutture prefabbricate. Lo scopo delle analisi e dei calcoli è quello di verificare che i dispositivi siano adatti alla struttura. Significa che gli spostamenti dell edificio durante il terremoto devono essere compatibili con gli spostamenti ammissibili dei dispositivi, che, qualora troppo elevati, rappresenterebbero un eventuale collasso delle connessioni e la causa delle loro rotture meccaniche. Figure 3.1(c) isteresi del dispositivo al 1 piano Figure 3.1(d) isteresi del dispositivo al 2 piano I cicli di isteresi dei due connettori duttili, applicati nell edificio di prova, sono riportati in figura 3.1(c) e (d). La figura 3.1(c) si riferisce ad un dispositivo montato al primo piano, mentre la figura 3.1(d) si riferisce ad un altro 5

6 montato al secondo piano dello stesso edificio. E mostrato chiaramente che i percorsi sono ovviamente influenzati dall andamento degli spostamenti nel tempo a cui sono soggetti i due dispositivi. 4 Conclusioni E stato illustrato il modo in cui i due connettori duttili EDILTT e EDILTP possono funzionare come una protezione per gli edifici esistenti prefabbricati, indipendentemente dalla presenza o meno delle barre in acciaio. I dispositivi sono capaci di limitare la forza massima che può essere trasmessa tra gli elementi collegati, sviluppando spostamenti relativi controllati e dissipando energia, riuscendo così a proteggere la struttura ed a migliorare il comportamento sotto azioni sismiche. Ulteriori studi ed approfondimenti verranno svolti per meglio definire il collegamento dei dispositivi alle strutture a cui sono applicati ed inoltre per capire la loro influenza e contributo alla risposta locale e globale di un edificio prefabbricato sotto azioni sismiche. 6