Manuale tecnico per il collegamento delle costruzioni prefabbricate in zona sismica

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1 Manuale tecnico per il collegamento delle costruzioni prefabbricate in zona sismica

2 Presentazione del capannone oggetto di studio Esempio di calcolo : Collegamento Tegolo - Trave mediante ancoraggi meccanici fischer FAZ II Esempio di calcolo 2: Collegamento Trave - Pilastro mediante ancoraggi meccanici fischer FIS EM Esempio di calcolo 3: Collegamento Pannello - Trave/Pilastro mediante ancoraggi meccanici fischer FH II Esempio di calcolo 4: Rinforzo della base di un pilastro mediante CFRP Edizione 06/203

3 Il terremoto è un fenomeno naturale con tempi di ritorno lunghi, dell ordine di decenni e, per i terremoti di elevata intensità, di secoli. Le conseguenze di questi eventi tuttora difficilmente prevedibili sono purtroppo da gravi a catastrofiche. Per i governi e per coloro che operano nel settore delle costruzioni questo comporta la necessità di elaborare e aggiornare continuamente le strategie migliori per aumentare la sicurezza. Fra i paesi caratterizzati da una intensa attività sismica l Italia ha sofferto danni elevati anche a seguito di terremoti di moderata intensità, a testimonianza del fatto che il nostro paese è caratterizzato da un patrimonio edilizio fortemente vulnerabile, non solo quello risalente ad epoche lontane ma anche quello recente a destinazione industriale-produttiva. Ne sono prova i danni registrati durante i recenti terremoti in Emilia (202) e Abruzzo (2009), oltre a quelli che ancora oggi si ricordano risalenti al terremoto dell Umbria e delle Marche (997), Campania e Basilicata (980) o del Friuli (976). L ingente sacrificio di vite umane per il crollo di edifici sia privati che pubblici ha reso le istituzioni più sensibili al problema dei terremoti e queste, grazie alle conoscenze sempre maggiori nell ambito dei fenomeni sismici, hanno provveduto a promulgare i primi codici normativi per limitare i danni derivanti dai terremoti. Nel 974 venne resa vigente la prima Normativa Sismica Nazionale che conteneva i criteri di costruzione antisismica e la lista dei comuni in cui questi dovevano essere applicati. Questa lista veniva aggiornata semplicemente aggiungendo i comuni di volta in volta colpiti da eventi simici. Un sostanziale sviluppo dell approccio alla difesa del territorio si ebbe in seguito ai terremoti del Friuli (976) e dell Irpinia (980), quando gli studi sismologici svolti nell ambito del Progetto Finalizzato Geodinamica del Consiglio Nazionale delle Ricerche portarono ad una proposta di classificazione sismica basata, per la prima volta in Italia, su indagini di tipo probabilistico. La proposta del CNR venne tradotta dal governo italiano in una serie di decreti da parte del Ministero dei Lavori Pubblici. Più di recente, nell ambito della ricerca del Gruppo Nazionale di Difesa dai terremoti (GNDT) del CNR, si è posto l obiettivo di una nuova stima della pericolosità sismica italiana utilizzando metodologie statistiche internazionalmente convalidate. Si è fatto riferimento al Metodo di Cornell (proposto negli anni settanta per la classificazione sismica statunitense) che prevede: Individuazione delle zone o sorgenti sismogeniche, ovvero delle zone responsabili della sismicità. Quantificazione del loro gradi di attività. La determinazione, in base alla distanza, dell effetto provocato da tali sorgenti. La zonazione sismogenica del territorio italiano ha considerato 80 sorgenti, omogenee dal punto di vista strutturale, e un database di terremoti di riferimento avvenuti dall anno 000 al 980. I valori base di pericolosità sono definiti per ogni punto del territorio su una maglia quadrata di 5 km di lato. I risultati di questo nuovo approccio sono contenuti nelle Norme Tecniche per le Costruzioni del 2008 ed entrate in vigore il Luglio Per ogni costruzione si deve fare riferimento ad una accelerazione di riferimento propria, individuata sulla base delle coordinate geografiche dell area di progetto e in funzione della vita nominale dell opera. Non c è più la suddivisione del territorio in tre zone sismiche ed una non sismica, ma l individuazione di intervalli di accelerazione sismica (ag, valori massimi su roccia) con probabilità di superamento pari al 0 % in 50 anni da attribuire a 4 categorie simiche: zona : a g > 0.25 zona 2: 0.5 < a g < 0.25 zona 3: 0.05 < a g 0.5 zona 4: a g Edizione 06/203

4 Il comportamento degli edifici sottoposti all azione sismica, determinata secondo l approccio soprariportato, dipende intrinsecamente dalla modalità costruttiva, dalle caratteristiche meccaniche dei materiali utilizzati, dalla presenza di zone in grado di dissipare energia, dal grado di vincolo o collegamento tra le strutture portanti. Negli anni sono stati discussi ed analizzati approfonditamente i meccaniscmi di collasso relativi agli edifici storici, realizzati tipicamente in muratura, ed alle strutture in cemento armato gettate in opera. Negli ultimi decenni un forte sviluppo economico e produttivo ha portato alla realizzazione di edifici industriali a struttura prefabbricata secondo schemi strutturali non particolarmente approfonditi nelle analisi antisismiche del passato. In particolare, per gli edifici prefabbricati costruiti senza accorgimenti antisismici, il collegamento tra le strutture è argomento di importanza nevralgica. Questi, infatti, sono realizzati con elementi semplicemente appoggiati gli uni agli altri, talvolta con l aiuto di perni di connessione, che possono resistere ad azioni orizzontali facendo unicamente affidamento all attrito. La vulnerabilità al sisma di tali costruzioni è stata tragicamente sottolineata dalle conseguenze delle scosse del 20 de del 29 Maggio 202 che hanno colpito il territorio emiliano, e hanno interessato alcune zone della Lombardia e del Veneto. Nonostante fossero state rispettate le norme tecniche vigenti all epoca della realizzazione dei capannoni prefabbricati, la semplice giustapposizione tra elementi portanti aveva già destato preoccupazione. Fischer ha sviluppato e testato, sin dalla metà dello scorso decennio, soluzioni in ambito sismico per lo staffaggio degli impianti e dei controsoffitti, per l ancoraggio delle facciate ventilate, per il rinforzo degli elementi strutturali e per il collegamento degli elementi prefabbricati. Le conoscenze maturate in questi ambiti vennero raccolte in una volume tecnico denominato Sistemi e soluzioni per costruire in zona sismica edito nel Con la presente pubblicazione ci siamo preoccupati di aggiornare le nozioni contenute nel volume sopracitato, approfondendo la trattazione in relazione al miglioramento sismico dei capannoni prefabbricati. In particolare, forte dei sistemi di ancoraggio dotati di certificazione americana al sisma ICC-ES e della gamma di prodotti per il rinforzo strutturale FRS system, fischer è in grado di offrire un ampio ventaglio di soluzioni per l intervento di riparazione o di adeguamento sismico, coprendo tutte le tipologie individuate nel documento Linee Guida Emilia Linee di indirizzo per interventi locali e globali su edifici monopiano non progettati con criteri antisismici. INQUADRAMENTO NORMATIVO PER GLI ANCORAGGI IN ZONA SISMICA Per quanto riguarda l ancoraggio su supporto in calcestruzzo sono disponibili a livello europeo linee guida ETAG 00 (Guideline for European Technical Approval) emanate dall EOTA (European Organisation for Technical Approvals) che illustrano le varie tipologie di ancoraggio, le classi di resistenza a compressione del calcestruzzo, direzione e tipi di carichi applicati, fattori di sicurezza, modalità di rottura dei sistemi ancorante-supporto in calcestruzzo fessurato o non fessurato. Tali codici di calcolo sono tuttavia riferiti ad ancoranti sottoposti unicamente ad azioni statiche. La normativa comunitaria per ancoranti sottoposti ad azione sismiche è attualmente in fase di sviluppo: l ANNEX E, appendice normativa delle ETAG 00 per gli ancoraggi in zona sismica, è infatti in via di ultimazione e servirà come base per poi ottenere la certificazione europea ETA (European Technical Approval) per l uso in zona sismica dei Edizione 06/203 3

5 diversi sistemi di fissaggio. Come indicato dalle NTC del 2008, al momento in questo ambito è possibile fare riferimento a normative internazionali di comprovata validità, tra le quali quella americana è certamente tra le più esaustive. L approccio è simile a quello europeo, esistono due normative: una di prodotto e una di progetto (ACI e ACI 38-02) e la maggior parte delle prove sperimentali rispecchiano quelle contenute nell ETAG 00 (comprese quelle su calcestruzzo fessurato). Tuttavia viene preso in considerazione il problema sismico con prove sperimentali dedicate e con indicazioni progettuali di dimensionamento specifiche. Per il calcolo degli ancoraggi sottoposti ad azioni sismiche il progettista deve fare riferimento alla appendice D della norma ACI 38. In particolare nel presente documento si fa riferimento alla versione del 20 in quanto introduce il calcolo degli ancoraggi chimici ed approfondisce gli aspetti da tenere in considerazione in zona sismica. Il codice americano, come le linee guida ETAG, presenta una schematizzazione delle distanze minime da mantenere dai bordi del supporto e delle distanze reciproche tra più ancoraggi ravvicinati; viene illustrato lo sviluppo e l area interessata nel calcestruzzo dal possibile cono di rottura che si ha nel momento in cui l ancoraggio viene sottoposto ad uno sforzo di trazione tale da portare a rottura il legame tra ancoraggio e supporto. Le modalità di prova richiedono che sul supporto di calcestruzzo venga installata una strumentazione per la misura dell ampiezza delle fessurazioni (estensimetri o trasduttori elettrici) in direzione perpendicolare alle possibili fessure che potrebbero crearsi in modo da registrare il comportamento del supporto fino a rottura. Le modalità di rottura, inoltre, sono associate alla variazione di resistenza del supporto e al fatto che il calcestruzzo sia fessurato o meno. Per i risultati dei test deve essere calcolato un coefficiente k, in base al numero dei campioni sottoposti a prove, inserendo i dati in un modulo previsto dal codice americano. Quest ultimo prevede test di idoneità per determinare la sensibilità dell ancoraggio in condizioni di installazione avverse, con larghezza minima delle fessure di 0,3 mm. Lo stesso dicasi nei casi in cui vengano predisposti fori per il posizionamento dell ancoraggio con diversi diametri, in calcestruzzo fessurato (larghezza minima 0,5 mm) o non fessurato e con alte o basse resistenze del calcestruzzo. Gli ancoraggi devono essere capaci di assicurare un comportamento affidabile sia in condizioni di applicazione normali, sia in presenza di eventuali errori di installazione. I fattori che influenzano il comportamento dell ancoraggio sono: Confronto normativo ETAG ACI Non prevede prove sismiche Distanze tra ancoranti min= 3 hef Distanze dal bordo del supporto min=,5 hef Prove su calcestruzzo fessurato con ampiezza fessure tra 0,3-0,5 mm Modalità di rottura Prevede prove oligocicliche per simulare comportamento sismico 4 Edizione 06/203

6 le condizioni di installazione su supporto in calcestruzzo; i diametri dei fori per il posizionamento dell ancoraggio; carichi continui e variabili sull ancoraggio; larghezza delle fessurazioni; larghezza delle fessurazioni associate a carichi permanenti e variabili delle strutture. Per sondare la risposta degli ancoranti a carichi non statici il codice americano prevede una innovazione rispetto le attuali linee guida ETAG: le prove oligocicliche, di cui riassumiamo di seguito l approccio. Prove di simulazione di carico sismico a trazione. Questi test vengono eseguiti per valutare il comportamento degli ancoranti sottoposti a trazione sismica, inclusi gli effetti di fessurazione. Si trascurano gli effetti di bordo. Nel caso che il produttore decida di effettuare questi test, occorre comunque completare l intero programma di prove previsto in calcestruzzo fessurato. Livello di carico N eq : la tensione sismica massima, pari al 50% della resistenza media a trazione in calcestruzzo fessurato, secondo i test di riferimento. Numero di cicli 0 N i =(N eq + N m )/2 30 N m =25% della resistenza media a trazione in calcestruzzo fessurato, secondo i testi di riferimento 00 Dopo che l ancorante è stato sottoposto a cicli di prova per simulare la trazione sismica, occorre applicare all ancorante una forza di trazione fino a determinare la rottura con un ampiezza di fessurazione iniziale non inferiore all ampiezza di fessurazione alla fine delle prove cicliche. Tale valore a rottura deve essere almeno l 80% del valore a rottura di ancoranti non sottoposti precedentemente al ciclo di carico. Test che simulano un carico sismico a trazione (pulsante/impulsivo) sull ancorante devono essere effettuati con la più bassa profondità di ancoraggio per la quale l ancorante deve ottenere la qualifica per l uso in calcestruzzo fessurato. È permesso testare gli ancoranti utilizzando maggiori profondità di ancoraggio per verificare le capacità di carico con profondità di ancoraggio superiore. load N eq N i cycles Tutti gli ancoranti testati simulando condizioni sismiche devono superare la prova di simulazione di carico sismico a trazione. È possibile testare nuovamente gli ancoranti che cedono durante le prove cicliche a trazione con carichi ciclici massimi inferiori per stabilire una ridotta capacità nominale di rottura per sfilamento. Per gli ancoranti testati con inferiori carichi ciclici massimi la capacità nominale di trazione deve essere diminuita del rapporto tra carico ciclico massimo testato e il 50% della capacità statica media. La capacità residua media degli ancoranti nella serie di prove deve essere, nelle prove di trazione, almeno l 80% della capacità media dei corrispondenti test di riferimento, diminuita del rapporto tra il carico ciclico massimo testato e il 50% della capacità statica a trazione. Nm Edizione 06/203 5

7 Prove di simulazione di carico sismico a taglio. Queste prove vengono realizzate per valutare il comportamento sotto carico a taglio alternato che simuli quello del sisma. Vale quanto già detto nel paragrafo relativo alle prova a trazione. load ±V eq ±V i ±Vm cycles Livello di carico Numero di cicli V eq : il massimo carico di taglio sismico, pari al 50% della resistenza media del calcestruzzo fessurato ottenuta dai test a taglio o dai 0 calcoli di resistenza a taglio dell acciaio secondo ACI 38. V i = (V eq + V m )/2 30 V m =25% resistenza media a taglio in calcestruzzo fessurato ottenuta dai 00 test a taglio o dai calcoli di resistenza a taglio dell acciaio La capacità residua media degli ancoranti nella serie di prove deve essere, nelle prove di taglio, almeno l 80% della capacità media dei corrispondenti test di riferimento (ottenuti con prove su ancoranti che non hanno subito i carichi ciclici). Tutti gli ancoranti testati, simulando condizioni sismiche, devono superare il test di simulazione di carico sismico a taglio. È possibile testare nuovamente gli ancoranti che cedono durante le prove cicliche a trazione con carichi ciclici massimi inferiori per stabilire una ridotta capacità nominale. Per gli ancoranti testati con carichi ciclici massimi inferiori la capacità nominale a taglio deve essere diminuita del rapporto tra il carico ciclico massimo testato e il 50% della capacità statica a taglio. La capacità residua media degli ancoranti nella serie di test deve essere, per le prove a taglio, almeno pari all 80% della capacità media dei corrispondenti test di riferimento e diminuita del rapporto tra carico ciclico massimo testato e il 50% della capacità ultima a taglio. 6