Le colonne e i telai composti: tecnologia e metodi di analisi

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1 Le colonne e i telai composti: tecnologia e metodi di analisi Marisa Pecce 1, Giovanni Fabbrocino 2, Edoardo Cosenza 2 1 Dipartimento di Ingegneria - Università del Sannio- Benevento 2 Dipartimento di Analisi e Progettazione Strutturale - Università di Napoli Federico II Abstract. In questo lavoro si illustrano le principali caratteristiche strutturali e tecnologiche delle colonne composte acciaio-calcestruzzo, nonché le indicazioni normative più recenti per la progettazione. Inoltre si inquadrano in maniera sintetica le problematiche proposte dalle strutture intelaiate composte in acciaio e calcestruzzo. 1 Introduzione L aspetto peculiare delle costruzioni composte acciaio-calcestruzzo è rappresentato dall interazione che si genera tra i due componenti per l installazione di un apposito sistema di connessione, capace di garantire un meccanismo resistente e deformativo proprio di un unico componente. Ciò si può ottenere sia localmente a livello di elemento che globalmente a livello di struttura. Il settore delle costruzioni composte comprende, dunque, una grande varietà di soluzioni strutturali nelle quali sono compresi sia sistemi intelaiati realizzati con tutti gli elementi composti acciaio-calcestruzzo (travi, colonne, nodi) sia dall assemblaggio di sub-strutture in acciaio e cemento armato, inserite per ottimizzare reciprocamente la capacità portante e gli ingombri (Uchida & Tohki, 1997). Nel seguito l attenzione è focalizzata sulle colonne composte acciaio-calcestruzzo e sulle strutture intelaiate realizzate con membrature composte. Le colonne composte acciaio-calcestruzzo rappresentano una tipologia strutturale moderna non solo dal punto di vista tecnologico, ma anche progettuale. Infatti, gli studi teorici e sperimentali si sono sviluppati in modo significativo solo negli ultimi trenta anni e le indicazioni normative sono ancora in evoluzione su alcuni aspetti (Elnashai et al., 1990, Cosenza et al., 1998); tuttavia è ormai diffusa la consapevolezza dei numerosi vantaggi connessi all impiego di colonne composte (Cosenza & Zandonini, 1997; Dowling et al., 1992; Cosenza & Pecce, 1999). Nel corso degli anni le applicazioni di strutture composte intelaiate si sono moltiplicate, in special modo nelle aree non esposte a rischio sismico, tanto che sensibile è stato l impulso all industrializzazione dei dispositivi di connessione sia tradizionali che innovativi. La Millenium Tower, Figura 1, rappresenta uno degli esempi più interessanti di coniugazione delle prestazioni meccaniche e deformative dell acciaio e del calcestruzzo per l originalità delle soluzioni adottate e il dettaglio delle analisi strutturali di progetto; l edificio è stato realizzato con orizzontamenti composti tipo slim-floor e colonne composte riempite di calcestruzzo collegate agli impalcati con collegamenti semi-rigidi (Huber, 2001). Più limitate sono le applicazioni in zona sismica di strutture intelaiate costituite da elementi composti, mentre è diffuso l uso di strutture ibride, nelle quali cioè le azioni laterali sono affidate a pareti o elementi scatolari in cemento armato, mentre i carichi verticali sono affidati a telai in carpenteria metallica.

2 Effettivamente, l analisi di strutture intelaiate composte acciaio-calcestruzzo si presenta piuttosto complessa, dal momento che per le applicazioni sismiche la progettazione deve essere orientata a garantire livelli di duttilità globale e locale capaci di dissipare energia in campo anelastico. Tale circostanza obbliga ad effettuare accurate valutazioni dei meccanismi di interazione tra le membrature (collegamenti trave-colonna e colonna-fondazione) e a livello più locale (travi, colonne) tra acciaio e calcestruzzo. Nel seguito, dopo alcuni cenni sulle principali caratteristiche strutturali e tecnologiche delle colonne composte in acciaio e calcestruzzo e sulle più recenti norme di progettazione nazionali ed internazionali, si inquadrano alcune problematiche proposte dalle soluzioni intelaiate composte acciaio-calcestruzzo. Figura 1. Vista del complesso Millennium Tower, Vienna. 2 Le colonne composte 2.1 Tipologie e prestazioni Le colonne composte si possono suddividere in tre tipologie di base: - fully encased ovvero profili in acciaio completamente rivestiti in calcestruzzo (Fig. 2a) - partially encased ovvero profili in acciaio parzialmente rivestiti in calcestruzzo (Fig. 2b) - concrete filled ovvero profili in acciaio riempiti di calcestruzzo (Fig. 2c,d) In generale, la presenza del calcestruzzo riduce, in maniera più o meno efficace al variare del tipo di sezione (Boyd et al., 1995), i fenomeni di instabilità locale che rappresentano uno dei problemi preminenti dei profili in acciaio, limitandone la resistenza e la duttilità. In

3 particolare l instabilità locale è totalmente inibita nelle sezioni completamente rivestite, mentre è contrastata in quelle parzialmente rivestite ed in quelle riempite. D altro canto, l acciaio esercita un confinamento sul calcestruzzo aumentandone la resistenza a compressione soprattutto nelle colonne concrete filled, in modo limitato per le sezioni rettangolari, ma talvolta molto rilevante per quelle circolari (Cosenza & Pecce, 1993), e le prestazioni in termini di duttilità del legame costitutivo a compressione del calcestruzzo. Un altro aspetto peculiare riguarda la protezione al fuoco ed alla corrosione esercitata dal calcestruzzo sull acciaio, soprattutto nella tipologia completamente rivestita. per le quali si può ottenere una modulazione del degrado di resistenza dovuto all esposizione ad elevate temperature (Cosenza et al., 1994; Nigro et al., 1998). Sono altresì interessanti alcuni aspetti legati alle soluzioni esecutive; infatti è possibile non fare ricorso a casseforme, sia nel caso delle colonne concrete filled per le quali il getto viene fatto direttamente nella camicia di acciaio, sia di quelle partially encased se il getto viene effettuato in orizzontale ruotando l elemento sui due lati da riempire. In quest ultimo caso è evidente l opportunità di realizzare le colonne composte partially encased con procedimenti di prefabbricazione strutturale e poi eseguire il montaggio a secco oppure facendo ricorso a getti di solidarizzazione. Una certa cura va tuttavia prestata nei dettagli strutturali, anche al variare della forma della sezione e della tipologia prescelta. Infatti, le diverse sezioni composte sono sensibili in maniera differente alla qualità dei getti, al ritiro del calcestruzzo, alla natura delle azioni (statiche e/o cicliche) e al meccanismo di introduzione del carico sulla membratura composta. b c c y b c y a cz b=bc b y t w h hc y tw h= hc t f cz tf t Z d e Z b d t y Y h t z Z a) b) c) d) Figura 2. Tipologie di colonne composte (Eurocodice n ). Le colonne composte sono usate maggiormente nei moderni edifici medio-alti (Ricles and Paboojian, 1994). Infatti tra le altre caratteristiche consentono una rapida costruzione

4 combinando i vantaggi dell acciaio, come resistenza e leggerezza, con quelli del calcestruzzo, rigidezza ed economia. Infatti negli edifici la realizzazione di colonne composte ai piani più bassi che poi diventano in acciaio in quelli più alti consente di ridurre le rastremazioni dei pilastri; inoltre la costruzione integrale della ossatura portante in acciaio e dei solai con il successivo completamento delle colonne composte, comporta una drastica riduzione dei tempi di esecuzione. Indipendentemente dall applicazione l efficacia della colonna come elemento composto è legata ad un efficiente trasferimento reciproco degli sforzi tra i due componenti mediante tensioni tangenziali; a tale scopo si possono introdurre connettori a taglio lungo la colonna. Tuttavia l inserimento di questi connettori è costoso e può ridurre la qualità del getto di calcestruzzo nella zona di contatto con l acciaio, inoltre alcune prove sperimentali hanno dimostrato che i connettori non sono sempre necessari (Roeder, 1998). Infatti in presenza di carichi verticali gli sforzi di interazione fra i materiali sono modesti perché da un lato l elemento in acciaio e quello in calcestruzzo armato hanno generalmente lo stesso baricentro e la superficie di contatto è elevata, dall altro le azioni taglianti sono usualmente modeste. Per quanto riguarda l utilizzazione in zona sismica, in presenza di terremoti severi, molto spesso le colonne composte si uniscono in un sistema ibrido dove si inseriscono elementi resistenti alle azioni orizzontali in calcestruzzo armato come setti o nuclei, oppure controventi, che anch essi possono essere realizzati tradizionalmente in carpenteria metallica, oppure in combinazione con il calcestruzzo a formare un sistema composto. Ricerche sperimentali hanno altresì mostrato che le colonne composte hanno buone potenzialità nell assorbimento delle azioni sismiche. Le ricerche più numerose riguardano le colonne parzialmente e totalmente rivestite mentre sono più limitati gli studi sulle colonne riempite (Shanmugam and Lakshmi, 2001). Campagne sperimentali su colonne parzialmente rivestite soggette a carichi ciclici e pseudodinamici hanno ottenuto risultati molto promettenti (Elnashai et al., 1991; Ricles & Paboojian, 1994; Elghazouli & Bowling, 1992). In generale si ottiene una contenuta instabilità locale e buone prestazioni per la stabilità globale del telaio e la riduzione dell effetto P-?(Elnashai and Elghazouli, 1993-a,b). Tuttavia le colonne composte appaiono ancora più efficaci in termini di duttilità per l elevato grado di confinamento del calcestruzzo (Hajjar, 2002). L interesse per l impiego in zona sismica è confermato dalle numerose realizzazioni con colonne composte e dai numerosi studi sul comportamento ciclico effettuati in Giappone e negli Stati Uniti, che sono un paesi ad alto rischio sismico. Le prove sperimentali recentemente illustrate in Varma et al., 2002, mostrano che le azioni cicliche non modificano in modo significativo la rigidezza e la resistenza delle colonne riempite, in questo caso rettangolari, anche se il risultato può dipendere in modo rilevante dall aliquota di sforzo normale e comunque è correlato al rapporto tra lato e spessore del tubolare oltre che alle caratteristiche meccaniche dell acciaio. A tale proposito, è opportuno sottolineare che la norma di riferimento Europea del settore, l'eurocodice 8 (Eurocodice 8, 1994), fino al 2001, forniva solo principi generali e non consentiva nei fatti una progettazione delle strutture composte, giacché non venivano presentati criteri di progetto o procedure affidabili. Per questo motivo negli ultimi anni è stato prodotto in Europa un intenso sforzo di ricerca per raccogliere le attuali conoscenze nel campo delle strutture composte in zona sismica e fornire un contributo organico per un capitolo specifico dell'eurocodice 8 sulle strutture

5 composte (Plumier & Doneux, 2001). Il lavoro è stato sostanzialmente orientato alla migliore comprensione del comportamento dei telai composti sismoresistenti con meccanismi dissipativi di natura flessionale, ma realizzati con connessioni trave colonna rigide ed inoltre è stato finalizzato ad una revisione ed un'analisi critica delle conoscenze e dei dati teorici e sperimentali disponibili negli Stati Uniti e in Giappone su altre tipologie strutturali, per le quali in quei paesi sono già disponibili indicazioni di progetto. Inoltre, molti dati che costituiscono il necessario background per il miglioramento e l'integrazione dell'eurocodice 8 nel settore delle strutture composte sono stati desunti da specifiche attività sperimentali in molti laboratori Europei (Plumier, 2000) e raccolti nella versione pren dell Eurocodice 8 (Draft 5, 2002). Sono altresì in corso ricerche sperimentali su sub-elementi e strutture in scala reale (Bursi et al., 2003) finalizzate alla valutazione dell efficacia delle indicazioni progettuali disponibili in relazione all impiego di nodi semi-rigidi ad elevata duttilità rotazionale. 2.2 Metodi di analisi e riscontro sperimentale Per la modellazione del comportamento strutturale si devono distinguere due aspetti; uno relativo alla sezione e l altro all elemento. Nel caso della sezione il modello di riferimento è quello in cui si adottano le ipotesi classiche degli elementi in calcestruzzo armato. La resistenza in presso-flessione si calcola assumendo la perfetta aderenza tra i componenti, il calcestruzzo non reagente a trazione e considerando la linearità delle deformazioni lungo la sezione. Inoltre i confronti con i risultati sperimentali confermano che l utilizzazione dei diagrammi a blocco per le tensioni, individuati cioè nell ipotesi di materiali con legame rigido-plastico applicata anche al calcestruzzo in tutta la regione compressa, forniscono risultati affidabili. Modellazioni più sofisticate sono state analizzate e proposte per tenere conto dell effetto di confinamento nelle colonne riempite (Pecce, 1993). Confronti fra diverse modalità di calcolo sono riportate in Nigro (1995). Passando all elemento, le modellazioni per il calcolo della resistenza devono introdurre principalmente gli effetti della non linearità geometrica e meccanica; in tal caso il primo approccio è quello sviluppato da Basu nel 1967 su cui è basato il metodo semplificato di progetto introdotto in (Basu & Sommerville, 1969). Piuttosto limitati sono gli studi analitici sul comportamento non lineare anche in campo post-elastico e ciclico delle colonne composte in cui si utilizzano modelli a fibre, modellazioni agli elementi finiti e modelli isteretici (Ricles & Paboojian 1994, Elghazouli & Bowling, 1992; Mirza et al 1996; Fujinaga et al., 2000). Recentemente è stato proposto da Alav et al. (2002) un semplice modello non-lineare a fibre per lo studio delle colonne composte riempite presso-inflesse in grandi spostamenti. Lo studio analitico mostra che l uso di connettori o di tubolari con risalti può migliorare la resistenza ultima ed incrementare l energia dissipata. Uno stato dell arte sui modelli analitici e sulle sperimentazioni disponibili si trova in Shams and Saadeghvaziri (1997). Per quanto riguarda i metodi di calcolo normativi si può fare riferimento all Eurocodice 4 (EC4) sulle costruzioni composte acciaio-calcestruzzo parte 1 (parte generale ed edifici) (Eurocode N 4, 1992) e parte 2 (ponti) (Eurocode N 4, 1997). Inoltre in Italia sono state messe a punto le CNR in cui sono introdotte le indicazioni

6 anche per le colonne con un approccio analogo all Eurocodice 4. Per quanto riguarda le strutture composte in zona sismica già si è detto che recentemente l aggiornamento dell Eurocodice 8 comprende un capitolo dedicato alle costruzioni composte, in linea con il quale sono state elaborate le norme contenute nell Ordinanza 3274 (2003). L Eurocodice 4 indica due metodi di progetto: uno generale ad ampio spettro, che definisce solo i principi di base, ed uno meno generale ma descritto in dettaglio e quindi operativo, anche se applicabile solo in un certo campo. Nel seguito si farà riferimento esclusivamente al secondo metodo. Il campo di applicazione viene definito sulla base di alcune limitazioni: le sezioni devono essere a doppia simmetria; le sezioni metalliche devono rispettare alcune limitazioni dei rapporti tra dimensioni e spessori (snellezza locale); la percentuale meccanica di acciaio da carpenteria, rispetto all intera sezione, deve essere limitata inferiormente e superiormente; la snellezza relativa λ della colonna composta, definita successivamente, non può essere superiore a 2; nel caso delle sezioni completamente rivestite devono essere rispettati dei minimi copriferri, allo scopo di garantire una buona protezione dell acciaio e di esercitare un vincolo efficace per l instabilità locale delle ali; analogamente devono essere rispettati dei minimi sull armatura longitudinale e sulle staffe. Le formulazioni utilizzate dalla normativa sono state sperimentalmente verificate solo in un certo campo di materiali. In particolare si possono utilizzare calcestruzzi ordinari, quindi con resistenza cilindrica a compressione non superiore a 50 MPa; allo stato attuale si devono considerare esclusi gli acciai da carpenteria ad alto limite di snervamento (classe superiore a Fe510). Per quanto concerne la procedura di progetto, ci si riferisce al metodo semiprobabilistico agli stati limite, dal momento che specifiche valutazioni quantitative hanno mostrato la sostanziale inadeguatezza del metodo delle tensioni ammissibili. Esso, infatti, conduce a sottostimare in maniera non giustificata le resistenze disponibili, in particolare della parte in acciaio (Cosenza & Pecce, 1996). Di conseguenza, il progetto consiste nel valutare la resistenza della sezione (indicata con il pedice Rd) tenendo in conto i coefficienti parziali di sicurezza dei materiali, e di verificare che essa sia maggiore della sollecitazione di progetto (indicata con il pedice Sd). Le resistenze della sezione sono calcolate mediante i diagrammi costanti per le tensioni dei materiali, cioè assumendo che questi siano idealmente rigido-plastici; tale ipotesi implica una elevata duttilità, che di fatto si realizza per gli effetti di confinamento del calcestruzzo e di limitazione dell instabilità locale evidenziati in precedenza. In tal modo i calcoli sono molto semplificati in quanto basati solo su equazioni di equilibrio. Nel caso dello sforzo normale centrato, la resistenza plastica di progetto N pl.rd risulta: N pl.rd = A a f yk /γ a + A c (0.85 f ck /γ c ) + A s f sk /γ s (1) dove A, f e γ sono rispettivamente le aree, le resistenze ed i coefficienti parziali dei materiali; i pedici a, c ed s indicano l acciaio strutturale, il calcestruzzo e l acciaio da armatura. I coefficienti parziali dei materiali sono forniti dall EC4, nell attuale fase ENV, come incasellati, cioè possono essere sostituiti da quelli del paese che applica il codice; in particolare in Italia, nelle Istruzioni CNR, si adotta per il calcestruzzo γ c =1.6, per l acciaio da carpenteria γ a =1.1 e per l acciaio da armatura γ s =1.15. Il coefficiente 0.85, relativo alla resistenza del calcestruzzo, viene eliminato per le sezioni riempite allo scopo di tenere in conto l effetto benefico di confinamento dell elemento in

7 acciaio. Nella verifica delle colonne soggette a sforzo normale centrato si procede ricavando un coefficiente riduttivo χ della resistenza plastica dalle curve di stabilità delle colonne in acciaio (Eurocodice ), in funzione della snellezza; tuttavia per quest ultima non si fa riferimento alla snellezza geometrica ma alla snellezza relativa λ, che tiene conto delle proprietà meccaniche oltre che di quelle geometriche dell elemento ed è definita come segue: essendo N cr il carico critico elastico della colonna: λ = N pl N cr (2) N cr = π²(ei) e / l o ² (3) e N pl la resistenza plastica della sezione, calcolata dalla (1) assumendo unitari i coefficienti parziali di sicurezza. Per il calcolo di N cr si deve quindi valutare, oltre che la lunghezza libera di inflessione l o, anche la rigidezza effettiva (EI) e,: (EI) e = E ai a + E cd I c + E s I s (4) in cui sono sommati i contributi dei singoli componenti, essendo E ed I il modulo elastico ed il momento di inerzia. Il contributo del calcestruzzo viene modificato per tenere conto della forte non linearità meccanica del materiale, utilizzando un modulo elastico E cd ridotto. La verifica è espressa dalla seguente diseguaglianza: N χ (5) Sd N pl.rd Nel caso della presso-flessione si procede costruendo il dominio resistente M-N della sezione composta e successivamente introducendo l'effetto della non linearità geometrica per l analisi dell intera colonna, che provoca la contrazione del dominio stesso. 1,0 χ χ d χ n N / N pl.rd O O µ k dominio di interazione della sezione trasversale µ µ d 1,0 Resistenza flessionale adimensionale è: µ = µ d µ k (χ d - χ n) / (χ - χ n) (8) a) M/ Mpl.Rd N TEST /(cn pl.rd ) riempite circolari riempite quadrate rivestite riempite circolari f.n. riempite quadrate f.n. rivestite f.n. f.n.= fuori norma l b) Figura 3. a) Dominio resistente. b) Confronto teorico-sperimentale. In particolare, facendo riferimento al dominio di interazione adimensionalizzato riportato in Fig. 3a, µ k rappresenta il momento flettente adimensionalizzato corrispondente alla resistenza a

8 compressione della colonna adimensionalizzata χ; χ d è lo sforzo di compressione di progetto adimensionalizzato, a cui corrisponde un momento adimensionalizzato µ d. Ipotizzando una variazione lineare del momento flettente lungo la colonna si calcola inoltre il seguente termine: χ n = χ (1 - r)/4 con χ n χ d (6) essendo r il rapporto tra i momenti alle estremità della colonna, che assume valore massimo pari ad 1 (andamento del momento costante) e minimo pari a 1 (diagramma del momento a farfalla); conseguentemente χ n può avere valori compresi fra 0, per momento costante, e χ/2 per il momento a farfalla. Inoltre si può introdurre l effetto della non-linearità geometrica l amplificando il momento esterno di progetto con un coefficiente che dipende dal rapporto tra lo sforzo normale di progetto N sd e quello critico N cr. In definitiva la verifica dell elemento si effettua mediante la seguente diseguaglianza: M 0.9µ (7) Sd M pl.rd dove il coefficiente numerico 0.9 tiene conto, in maniera forfettaria, delle semplificazioni introdotte nel calcolo, ed in particolare dello stress block esteso all intera profondità dell asse neutro e non all 80% di tale profondità, come invece si fa nel caso delle sezioni in cemento armato (Eurocodice 2, 1992). Le prime sperimentazioni significative sulla resistenza delle colonne composte, che si riscontrano nella letteratura tecnica, sono state condotte negli anni 60-70; i risultati sono stati pubblicati su riviste e catalogati da (Roik e Bergmann, 1989) allo scopo di verificare la metodologia progettuale dell Eurocodice 4. Altri programmi sperimentali sono stati sviluppati in tempi più recenti soprattutto in Giappone anche su elementi in scala reale ed esaminati in Cosenza et al. (1998); tuttavia le prove sperimentali attualmente disponibili sono per la maggior parte relative ad elementi non molto snelli, lasciando più incerto il campo delle snellezze più elevate. In Fig. 3b si riporta il confronto tra la resistenza ottenuta dalle sperimentazioni di diversi autori tra quelli citati e quella fornita dalle indicazioni dell EC4. Il confronto mostra che solo nel caso di elementi che non rispettino i limiti di applicabilità del metodo (fuori norma) la formulazione non è conservativa. 3. I telai composti 3.1 Comportamento strutturale e metodi di analisi I telai composti acciaio-calcestruzzo condividono con le strutture in carpenteria metallica la problematica delle unioni tra gli elementi e della conseguente deformabilità nella risposta strutturale complessiva del telaio. Infatti, mentre nelle costruzioni in cemento armato laddove nelle regioni nodali (trave-colonna o colonna-fondazione) la monoliticità è conferita dalla tecnologia costruttiva, nelle costruzioni composte e in carpenteria metallica la rigidezza e la resistenza della connessione dipende fortemente dai dettagli costruttivi e dalla tecnica di collegamento prescelta (saldatura o bulloni). Nel caso dei collegamenti tra strutture composte il problema si configura più complesso (Tschemmernegg, 1999); infatti, alle usuali problematiche dei collegamenti in carpenteria metallica si aggiunge l interazione tra i componenti in acciaio e quelli in calcestruzzo. Tale

9 circostanza modifica drasticamente i flussi delle tensioni generando sollecitazioni aggiuntive che da un lato innalzano la rigidezza, dall altro determinano una ridistribuzione tra i componenti del collegamento. Figura 4. Esempi di nodi composti. In linea generale, i limiti di comportamento dei collegamenti sono rappresentati dai nodi semplici (cerniera), nei quali il livello di resistenza flessionale è trascurabile rispetto a quello delle membrature collegate e la capacità rotazionale è elevata, e dai nodi rigidi i quali sono in grado di trasmettere momenti flettenti elevati con rotazioni relative trascurabili. In molti casi, i dettagli necessari a raggiungere le prestazioni di nodo rigido sono particolarmente onerosi e complessi da eseguire, per cui si vengono a definire dei collegamenti che consentono il trasferimento di un limitato valore del momento in presenza di una rotazione relativa tra gli elementi non trascurabile. Tali collegamenti si definiscono semi-rigidi. Nella figura 4 (Leon e Zandonini, 1992) sono mostrati due esempi di nodo composto: il primo si definisce rigido (a), il secondo semplice (b). In quest ultimo caso, come si può vedere, la soletta si presenta interrotta in modo da eliminare ogni forma significativa di interazione tra soletta e colonna. I due esempi sopra riportati, però, costituiscono gli estremi di un intervallo di comportamento dei nodi, attraverso i quali si possono ottenere, come già evidenziato, condizioni di parziale continuità. Per quanto riguarda le travi la tipologia classica impiegata nei telai è quella costituita da un profilo metallico a doppio T con una soletta in c.a. sovrastante. E ben noto che le migliori prestazioni di questa tipologia strutturale si ottengono per lo schema statico di trave semplicemente appoggiata, poiché il calcestruzzo risulta compresso e l acciaio teso. Tuttavia la realizzazione di uno schema di trave continua può consentire di avere una minore deformabilità e la riduzione di zone di giunto; pertanto recentemente sono stati sviluppati studi teorici e sperimentali per analizzare l influenza di vari parametri sul comportamento in condizioni di servizio ed ultime di travi composte soggette a momento negativo. In generale nelle travi composte ha un ruolo fondamentale la connessione tra la parte metallica e quella in c.a. che consente di raggiungere una completa interazione tra i materiali ottenendo la massima resistenza e rigidezza, qualora i dispositivi di collegamento (connettori) siano stati proporzionati a tale scopo. Nel caso invece di un progetto con connessione parziale la resistenza dell elemento dipende proprio dal collegamento tra le due parti, che diventa il componente debole la cui crisi comporta il collasso della struttura composta (Fabbrocino,

10 1998; Fabbrocino et al., 2000). Nelle costruzioni in zona sismica il comportamento strutturale non può essere inquadrato analizzando i singoli componenti, come dimostrato anche dagli effetti dei terremoti di Northridge e Hyogoken-Nambu sui collegamenti di alcuni impalcati composti. (Matsuo et al., 2000; Yang e Tagawa, 2000), anche se la valutazione della duttilità dei componenti (travi, colonne e nodi) in presenza di carichi monotoni e ciclici è una informazione di grande rilievo (Bursi and Gramola, 2000; Bursi and Caldara, 2000; Plumier et al., 1998). Infatti il meccanismo di crisi, e le conseguenti caratteristiche di resistenza e duttilità del sistema, è collegato alla gerarchia di resistenza dei componenti ed alla duttilità locale disponibile, che dipende fortemente dalle caratteristiche dei singoli componenti, ma che molto spesso è collegata ai particolari costruttivi più che alla tipologia dell elemento stesso. Un approccio affidabile richiede l individuazione del comportamento globale del telaio definendo, sulla base delle prestazioni dei singoli componenti, il meccanismo di crisi e la duttilità globale; il risultato non può prescindere dalla definizione del terremoto di progetto, che si attribuisce ad una condizione frequente, occasionale, rara e severa. L analisi di azioni più frequenti che per la loro entità non conducono al collasso della struttura, ma che possono indurre danno anche in elementi non strutturali, rappresenta un approccio progettuale (performance based design) più completo anche nell ottica di tenere conto del controllo di qualità e dei costi di manutenzione nel tempo (SEAOC Blue Book, 1995; Bertero, 1997). Il livello prestazionale di un telaio soggetto ad azioni sismiche può essere valutato mediante un analisi di push-over, che consente di individuare la risposta non-lineare della struttura al crescere delle azioni laterali e seguire la successione e l evoluzione della plasticizzazione nei vari componenti. In tal caso, la capacità di spostamento è definita a livello globale attraverso il legame che si instaura tra la forza orizzontale totale alla base della struttura F e lo spostamento dell ultimo livello (Fig. 5), ottenuta da un analisi strutturale in cui la distribuzione verticale delle azioni statiche equivalenti di piano è assunta affine a quella del modo fondamentale della struttura. F=Σ F i F u F i Total base shear F=Σ F i Figura 5. Valutazione della capacità di spostamento. u La significatività di un analisi siffatta è legata ai caratteri di regolarità in pianta ed in elevazione della costruzione; il risultato consente di valutare la deformabilità ultima della struttura, che generalmente si assume pari allo spostamento in corrispondenza della forza massima.

11 L analisi consente di avere anche informazioni sul comportamento deformativo della struttura al limite elastico e quindi sulle verifiche per stati limite diversi dal collasso. Il calcolo non-lineare del telaio nel suo insieme richiede generalmente uno sforzo computazionale elevato; pertanto può essere interessante un approccio di analisi per sottoelementi come mostrato in Fig. 6, dove si individua un nodo con una parte delle travi e dei pilastri collegati; ancora una volta tale approccio è significativo quando la struttura non presenta modeste irregolarità in pianta ed in elevazione(bonacci and Wight, 1996). La lunghezza dei tratti di elementi collegati al nodo dipende dai punti di flesso, che in maniera approssimata si possono porre a metà della lunghezza totale trascurandone anche la variazione durante la fase post-elastica. Le azioni che la struttura trasferisce al sub-assemblaggio consistono negli sforzi normali e nei tagli valutati in corrispondenza dei punti di flesso sopra citati; tali azioni possono essere applicate in maniera crescente in analogia con quanto accade nella push-over e possono essere messe in relazione attraverso semplici condizioni di equilibrio. Lo spostamento relativo risulta dalla somma dei diversi contributi: hog beam sag beam = (9) dove il primo ed il secondo termine sono dovuti alle travi soggette a momento positivo e negativo rispettivamente; il terzo è dovuto alla deformazione della colonna e l ultimo al nodo trave-colonna (Fabbrocino et al., 2001). Il contributo della trave soggetta a momento negativo risulta particolarmente rilevante quando non si considerano nodi semi-rigidi; infatti se il progetto è stato condotto secondo un corretto approccio sismico, la colonna risulta poco sollecitata (gerarchia delle resistenze) con una trave a momento positivo che esibisce una rigidezza flessionale generalmente maggiore di quella a momento negativo. col jo int H Η L L NN N Vc V c V Ft b V Ft b V Vc c N Figura 6. Sottostruttura per la valutazione dello spostamento relative. 3.2 Le normative di riferimento. La progettazione delle strutture composte soggette a soli carichi verticali è supportata da specifiche norme raccolte in codici nazionali, come le Istruzioni CNR che sono state aggiornate recentemente, ed europei come l Eurocodice 4, interamente dedicato alle strutture composte. Le procedure attualmente disponibili consentono di conseguire generalmente buoni livelli di affidabilità, sebbene alcuni aspetti specifici siano ancora in fase di ulteriore sviluppo ed approfondimento. L impiego delle costruzioni composte è invece assai limitato in zona

12 sismica, dal momento i riferimenti normativi a livello nazionale sono stati emanati solo recentemente nell Ordinanza 3274 (2003), in linea con le indicazioni dell Eurocodice 8. L attività di ricerca attualmente è finalizzata soprattutto allo studio della risposta di strutture intelaiate composte acciaio-calcestruzzo soggette a forze sismiche. In particolare, l attenzione è rivolta all esame dei telai composti progettati con la finalità di dissipare energia in meccanismi di natura flessionale che investano gli elementi composti e con nodi semi-rigidi (Bursi et al., 2003). Il progetto delle strutture composte in zona sismica può essere sviluppato secondo le tre seguenti concezioni: a) Comportamento strutturale dissipativo con zone dissipative composte; b) Comportamento strutturale dissipativo con zone dissipative in carpenteria metallica; c) Comportamento strutturale non dissipativi. Quindi è consentito che le parti composte superino il campo elastico e contribuiscano alla deformazione anelastica nella struttura. Nel caso in cui le zone dissipative siano in acciaio il progetto delle parti composte segue l Eurocodice 4 e si deve verificare che il calcestruzzo non sia coinvolto nelle zone plasticizzate. Per le strutture non dissipative si può effettuare un analisi elastica per valutare la risposta strutturale in termini di resistenza e deformabilità, quest ultima tenendo conto eventualmente della fessurazione del calcestruzzo. In questo caso la progettazione dei componenti segue l Eurocodice 4, e vengono forniti dei dettagli costruttivi per migliorare la duttilità disponibile ed evitare fenomeni che possano ridurre la stabilità della struttura, come l instabilità locale e lo snervamento; per questo vengono indicati specifici dettagli costruttivi come quelli riportati in Fig. 7 ed opportune limitazione dei rapporti tra dimensioni e spessori dei profili.. Nella progettazione di telai sismo-resistenti prevalentemente mediante meccanismi flessionali, la dissipazione avviene con la plasticizzazione nelle zone di nodo, ed il progetto deve essere finalizzato alla formazione delle cerniere plastiche nelle travi e non nelle colonne. b=bc b=bc h=hc h=hc tw a) Figura 7. Dettagli costruttivi. a) staffe saldate all anima, b) barre saldate alle ali. tf tw tf b) Tuttavia vi sono delle limitazioni alla realizzazione di telai sismo-resistenti, poichè è consentita una deformabilità limitata, mediante la seguente relazione in cui vi sono i carichi verticali ed orizzontali, l altezza e lo spostamento di interpiano: Ptot.d r θ = 0,10 (10) V.h tot

13 I telai sismoresistenti con deformabilità limitata corrispondono a quelli classificati come controventati o a nodi fissi nell Eurocodice 4, nei quali sono trascurabili gli effetti del secondo ordine (P ). Tuttavia quando i requisiti per lo stato limite di servizio (SLS) sono stringenti questa condizione è generalmente soddisfatta. L utilizzazione di nodi semi-rigidi e/o di connessioni a parziale ripristino di resistenza è consentita quando viene assicurata una adeguata capacità rotazionale, gli elementi che convergono in un nodo sono stabili allo SLS e si tiene conto dell incremento della deformabilità. 4. Conclusioni Le strutture composte acciaio calcestruzzo offrono una varietà di soluzioni sia in termini di tecnologie di realizzazione che di prestazioni strutturali. Le colonne, in modo più o meno esaustivo, presentano un migliore comportamento strutturale rispetto ad elementi in solo acciaio e calcestruzzo, con una riduzione dei fenomeni di instabilità locale delle parti metalliche ed il confinamento del calcestruzzo. In molti casi agli aspetti strutturali si accompagnano ai vantaggi della prefabbricazione ed di una notevole resistenza al fuoco. Anche per i telai composti vi sono molteplici soluzioni, soprattutto per quanto riguarda i nodi e le colonne, ed attualmente sono numerosi gli studi finalizzati all analisi del comportamento strutturale in presenza di azioni sismiche. In questo caso infatti assume un ruolo primario la duttilità degli elementi con la capacità rotazionale dei collegamenti e l approccio progettuale deve tenere conto, oltre che delle caratteristiche dei singoli componenti, del comportamento globale che deriva dalla loro interazione. Riferimenti bibliografici Aval, S.B.B., Saadeshvaziri, M.A. and Golafshani, A.A. (2002). Comprehensive Composite Inelastic Fiber Element for Cyclic Analysis of Concrete-Filled Steel Tube Columns. Journal of Engineering Mechanics, ASCE, 128(4), Basu A.K., Somerville W. (1969): Derivation of Formulae for the Design of Rectangular Composite Columns, Proceeding of Civil Engineering Department, London,, Supplementary Volume, pp Bertero, V.V. (1997). Performance-based seismic engineering: a critical review of proposed guidelines. Seismic Design Methodologies for the Next Generation of Codes, Fajfar & Krawinkler Eds. Balkema Rotterdam. Bonacci, J.F. and Wight, J.K. (1996).Displacement-based assessment of reinforced concrete frames in earthquake. Mete A. Sozen Symposium, ACI publication SP 162, Boyd, P.F., Cofer, W.F. and McLean, D.I. (1995). Seismic Performance of Steel-Encased Composite Columns Under Flexural Bending. ACI Structural Journal, 92(3), Bursi O. S., Caldara R. (2000). Composite Substructures With Partial Shear Connection: Low Cycle Fatigue Behaviour And Analysis Issues. Proceedings of the 12th World Conference on Earthquake Engineering, WCEE, Paper 0498, Auckland, New Zealand. Bursi, O. S., and Gramola, G. (2000). Behaviour of composite substructures with full and partial shear connection under quasi-static cyclic and pseudo-dynamic displacements. Materials and Structures, RILEM, 33, CNR (1999). Strutture composte di acciaio e calcestruzzo istruzioni per l impiego nelle costruzioni. CNR Bollettino Ufficiale n.192 Norme tecniche.

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