Prove su tavola vibrante di controsoffitti continui in cartongesso

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1 Prove su tavola vibrante di controsoffitti continui in cartongesso Gennaro Magliulo, Vincenzo Pentangelo, Vittorio Capozzi, Crescenzo Petrone, Gaetano Manfredi Università degli Studi di Napoli. Dipartimento di Strutture per l Ingegneria e l Architettura. Via Claudio 21, Napoli. Giuseppe Maddaloni Università degli Studi di Napoli Parthenope. Dipartimento per le Tecnologie. Centro Direzionale Isola C4, Napoli. Pauline Lopez, Renato Talamonti Siniat, Direction Innovation and R&D. 500 Rue Marcel Demonque, Avignon, France. Keywords: controsoffitto in cartongesso, tavola vibrante, componenti non strutturali. ABSTRACT Negli ultimi anni è notevolmente cresciuto l interesse e l impegno della ricerca scientifica internazionale verso il comportamento sismico dei componenti non strutturali. A tal proposito, in questo articolo sono presentati i risultati di prove sperimentali, eseguite su tavola vibrante, progettate e realizzate per studiare il comportamento sismico di una tipologia di componenti non strutturali molto comune: i controsoffitti continui in cartongesso. Utilizzando come spettro di risposta target quello fornito dalla normativa americana per la qualificazione sismica dei componenti non strutturali (AC 156) è stato selezionato un set di cinque accelerogrammi. Tali accelerogrammi, rappresentativi di diversi livelli di intensità, sono stati quindi utilizzati come input nei test eseguiti. Per caratterizzare la risposta sismica dei sistemi di controsoffitto testati, così come comunemente indicato nelle principali normative tecniche internazionali, si è fatto riferimento a tre stati limite (operatività, danno e salvaguardia della vita). Ai diversi livelli di intensità sismica a cui sono stati sottoposti durante le prove, i controsoffitti non hanno mostrano alcun danno, esibendo quindi un livello di vulnerabilità molto basso. 1 INTRODUZIONE Il crollo dei sistemi di controsoffittatura rappresenta uno dei danni non strutturali più ampiamente riportati negli edifici durante i terremoti del recente passato (Badillo et al. 2006, Gilani et al. 20). Il terremoto che ha colpito l Abruzzo, il 6 aprile 2009, ha ampiamente confermato quanto appena detto: per la maggior parte degli edifici evacuati ci sono stati pochi danni agli elementi strutturali ed ingenti per gli elementi non strutturali ed in particolare per i controsoffitti (Magliulo et al. 2009). Il danneggiamento dei componenti non strutturali rappresenta la più importante perdita economica causata dal terremoto. Il costo di costruzione di un edificio legato agli elementi strutturali rappresenta solo una porzione piccola sul totale, corrispondente al 18%, 13% e 8% per gli uffici, gli alberghi e gli ospedali rispettivamente (Taghavi and Miranda 2003). Per queste ragioni, la conoscenza della risposta sismica degli elementi non strutturali è essenziale (Magliulo et al. 2012b). A tal fine, già alcuni anni fa a Buffalo, è stato effettuato un ampio studio finalizzato alla valutazione della vulnerabilità del sistema di controsoffitto a pannelli discreti, quindi non continuo (Badillo-Almaraz et al. 2007, Gilani et al. 20). In questo lavoro, invece, è stato analizzato il comportamento sismico di controsoffitti continui in cartongesso e la valutazione della sua vulnerabilità sismica è stato il principale obiettivo della ricerca. Questo obiettivo è stato perseguito eseguendo prove su tavola vibrante. La sperimentazione, in questo caso, è particolarmente necessaria, in quanto il comportamento dei sistemi di controsoffitti è

2 difficilmente comprensibile con una tradizionale analisi strutturale. 2 DESCRIZIONE DEI TEST EFFETTUATI Sono state testate due tipologie di controsoffitti continui in cartongesso: controsoffitto a singola orditura (CSO) e controsoffitto a doppia orditura (CDO). Una rappresentazione schematica dei due sistemi utilizzati è mostrata in Figura 1 (a) e Figura 1 (b), rispettivamente. hanger plasterboard perimetral channel primary channel (a) l channel channel hanger plasterboard primary channel Al fine di simulare al meglio gli effetti sismici sui controsoffitti, è stato adeguatamente progettato e realizzato un telaio in acciaio (Figura 2). Il telaio di prova è in acciaio tipo S275 e realizzato utilizzando quattro colonne HE A con controventi a V con sezione tipo UPN160. Il telaio è stato volutamente realizzato molto rigido, al fine di evitare che, per problemi di risonanza tra la tavola, il telaio di prova ed sistema di controsoffitto, arrivassero eccessive accelerazioni sul provino da testare. Due profili con sezione ad U (UPN) sono stati saldati lungo il perimetro del telaio di prova, ad una distanza di 20 cm e 50 cm dalla sommità plasterboard dello stesso; su tali profili sono quindi stati hanger perimetral channel ancorati dei listelli in legno di dimensioni 40 mm x mm sui quali sono stati montati i pannelli in cartongesso della controsoffittatura. Tale profilo rappresenta, dunque, il vincolo laterale al sistema di controsoffitto. Tale vincolo, caratterizzato da una massa ridotta unita alla grande rigidezza dei profili in acciaio perimetrali, rappresenta una delle possibili condizioni al contorno dei controsoffitti in una struttura. In questo caso, si trascura primary channel del sistemasecondary channel l interazione di controsoffittatura con gli elementi cui è collegato. Il peso totale del telaio di prova è pari (b) a circa 2 tonnellate. perimetral channel secondary channel Figura 2. Telaio in acciaio utilizzato per effettuare i test su tavola vibrante (b) Figura 1. Controsoffitto a singola orditura (a) e a doppia orditura (b) Il comportamento sismico delle due tipologie di controsoffitto è stato studiato utilizzando il sistema di tavole vibranti installate presso il laboratorio del Dipartimento di Strutture per l Ingegneria e l Architettura dell'università degli Studi di Napoli Federico II. Il sistema è costituito da due tavole vibranti di forma quadrata e di dimensioni 3 m x 3 m. In questa campagna di prove sperimentali è stata utilizzata una sola tavola. Il provino testato sia per il CSO (Figura 3 (a)) che per il CDO (Figura 3 (b)) è costituito da tre pannelli in cartongesso sigillati tra loro tramite stucco. La dimensione totale del provino è di 2.20 m x 2.20 m. La controsoffittatura a singola orditura (Figura 3(a)) è stata realizzata mediante dei profili in acciaio con sezione ad U ed interasse pari 50 cm e pendini posti su tre allineamenti con interasse cm. I pendini servono a collegare la controsoffittatura con il solaio dell ambiente in cui la stessa è realizzata.

3 La controsoffittatura a doppia orditura (Figura 3(b)) è stata realizzata utilizzando 3 profili principali in acciaio con sezione ad U posti ad una distanza di cm TRI-3762 e 5 profili secondari con interasse pari a 50 cm collegati ai principali mediante dei Plasterboard connettori. no. 2 Anche Plasterboard in questa no. 3 soluzione sono presenti pendini su tre allineamenti ad interasse 1 pari a cm. 1 Diversi accelerometri ed estensimetri sono stati utilizzati per monitorare la risposta del telaio in acciaio e della TRI-3763 controsoffittatura in cartongesso. La posizione degli accelerometri installati sui pannelli in cartongesso nelle due configurazioni CSO Plasterboard e no. CDO 1 è indicata TRI-3765 nella Figure 3 (a) e 3 (b). Y TRI-3762 Plasterboard no TRI-3763 TRI-3765 Plasterboard no Plasterboard no. 2 X Primary channel axis TRI-3762Pasterboard joint Hanger Plasterboard no. 2 Plasterboard no Primary channel axis Pasterboard joint Secondary channel axis Hanger (b) Figura 3. Provino testato: a singola orditura (a); a doppia orditura (b) Y X TRI-3763 Plasterboard no Primary channel axis Pasterboard joint Hanger (a) TRI-3765 Gli input sismici utilizzati per le prove, sono stati selezionati soddisfacendo il criterio della spettrocompatibilità nei confronti di uno spettro di risposta target. In altre parole, lo spettro di risposta elastico che si ottiene dagli accelerogrammi selezionati è molto simile allo spettro di risposta (RRS), proposto dalla normativa statunitense AC156 per la qualificazione sismica dei componenti non strutturali (ICBO, 2000). Lo spettro di risposta RRS è ottenuto a partire da un parametro, S DS, in funzione del tipo di sottosuolo e della massima accelerazione attesa al sito. La procedura di selezione degli accelerogrammi è stata effettuata, per un RRS corrispondente a S DS =1.50g; la time-history così generata è stata quindi ridotta in modo da ottenere altri quattro livelli di intensità corrispondenti ad S DS 0.30 g, 0.60 g, 0.90 g e 1.20 g (Figura 4). Maggiori dettagli sulla selezione dell input, sul telaio di prova utilizzato e sui provini testati, possono essere trovati in Magliulo et al. (2012a).

4 Figura 4. I cinque input sismici utilizzati nelle prove 3 RISULTATI Utilizzando gli accelerogrammi selezionati sono state quindi eseguite cinque prove unidirezionali per entrambi i sistemi di controsoffitto. In Figura 5 sono mostrate, per le cinque prove eseguite sul sistema CSO, le storie temporali delle accelerazioni registrate sul controsoffitto, mentre nelle Tabelle 1 e 2 sono riportati i massimi valori delle accelerazioni registrate sul controsoffitto e alla base della tavola vibrante per entrambi i sistemi testati. Come è possibile notare, valori di accelerazioni superiori a 2.0 g, sono stati registrati sul controsoffitto. Al fine di caratterizzare la risposta sismica dei sistemi di controsoffitto testati, sono stati considerati tre stati limite: (a) stato limite di operatività (SLO), (b) stato limite di danno (SLD), (c) lo stato limite di salvaguardia della vita (SLV). Gli stati limite sono definiti quantitativamente dal numero di componenti danneggiati, indicati come percentuale di danno e considerati come %, 30% e 50% rispettivamente. Figura 5. Storie temporali in accelerazioni registrate sul controsoffitto (accelerometro no. 3763) sul sistema CSO per livelli di intensità corrispondenti a S DS uguale a 0.30 g, 0.60 g, 0.90 g, 1.20 g e 1.50 g. Tabella 1. Massime accelerazioni registrate sul controsoffitto e alla base della tavola nel sistema CSO test n. controsoffitto base tavola g 0.25g g 0.50g 3 1.g 0.69g g 1.04g g 1.36g Tabella 2. Massime accelerazioni registrate sul controsoffitto e alla base della tavola nel sistema CDO test n. controsoffitto base tavola g 0.28g g 0.52g g 0.75g g 1.06g g 1.35g Al termine di ogni prova, per valutare il livello di danneggiamento, è stata eseguita un attenta ispezione sui singoli componenti del sistema di controsoffittatura. Sul sistema di controsoffitto a singola orditura tali componenti sono rappresentati dai profili principali e perimetrali, dai pendini, dai pannelli in cartongesso e dalle viti che collegano i pannelli ai profili. Il risultato dell ispezione eseguita subito dopo la prova con intensità S DS pari ad 1.50 g è sintetizzato in Tabella 3. La Tabella riporta per ogni componente, il numero totale di elementi presenti sul sistema, la tipologia del danno, il numero minimo di elementi danneggiati necessari per raggiungere uno stato limite ed il numero di elementi danneggiati. Come chiaramente mostrato in Tabella 3, nessun danno è stato registrato,

5 nonostante il notevole livello di accelerazioni orizzontali registrato (superiore a 2.0 g). Lo stesso risultato è stato ottenuto per il sistema di controsoffitto a doppia orditura (CDO). Tabella 3. Danni osservati durante la prova eseguita sul sistema CSO con livello di intensità S DS pari a 1.50g Componente N. Tipo SLO SLD SLV Elem. di danno Dann. Pendino Profilo stabilità principale flessione 0 Profilo stabilità perimetrale flessione 0 Connessione pannelloprofilo 87 taglio (viti) punzonamento 0 Pannello 3 collasso Il livello di danneggiamento minimo ottenuto dalle prove eseguite differisce dai risultati degli studi di vulnerabilità sismica già eseguiti a Buffalo (USA) nel Quattro possono essere i motivi principali per spiegare questa differente vulnerabilità: (a) la natura continua del provino testato che migliora il comportamento sismico rispetto ai controsoffitti con pannelli discreti testati a Buffalo, (b) la fitta griglia dei profili in acciaio del sistema di controsoffittatura testato (il passo dei profili principali è di 500 mm e di 0 mm per CSO e il CDO rispettivamente, il passo dei profili secondari è di 500 mm per il CDO), che collega tra loro i pannelli di cartongesso formando un unico elemento orizzontale e garantendo quindi un elevato livello di rigidezza e resistenza; (c) il numero elevato di pendini che collegando il sistema testato al soffitto, assicurano un adeguata rigidezza fuori dal piano, evitando qualsiasi movimento verticale del controsoffitto; (d) le dimensioni ridotte del provino testato a Napoli rispetto a quello utilizzato nella sperimentazione di Buffalo (2.20 m x 2.20 m contro 4.88 m x 4.88 m), dato che gli studi più recenti sembrano dimostrare che le dimensioni del provino possono influenzare la risposta sismica del componente testato. È bene precisare che le prove sono state effettuate movimentando la tavola in una sola direzione e che inoltre non è stata applicata al provino nessuna eccitazione verticale. Per i sistemi di controsoffitto di tipo continuo testati, la componente verticale non è considerata fondamentale. Infatti, il cartongesso continuo è collegato al soffitto mediante molti pendini in acciaio aventi una rigidezza assiale sufficiente ad evitare danni per effetto della componente verticale del sisma. 4 CONCLUSIONI Sono state eseguite prove su tavola vibrante per studiare il comportamento sismico di controsoffitti in cartongesso continui sotto l azione di terremoti. Sono state testate due tipologie di controsoffitti: a singola orditura (CSO) e a doppia orditura (CDO). Il comportamento sismico delle due tipologie è stato studiato utilizzando il sistema di tavole vibranti installate presso il laboratorio del Dipartimento di Strutture per l Ingegneria e l Architettura dell'università degli Studi di Napoli Federico II ed utilizzando un telaio di prova monopiano in acciaio tipo S275, controventato. Il telaio è stato volutamente realizzato molto rigido, al fine di evitare che, per problemi di risonanza tra la tavola, il telaio di prova ed sistema di controsoffitto, arrivassero eccessive accelerazioni sul provino da testare. I controsoffitti testati non hanno mostrano alcun danno anche ai livelli di intensità di eccitazione sismica elevata (l'accelerazione sul controsoffitto è arrivata a superare i 2 g), risultando quindi in una vulnerabilità sismica estremante bassa. RINGRAZIAMENTI Questo lavoro è stato in parte sponsorizzato dalla Protezione Civile nell ambito del progetto di ricerca ReLUIS e da Siniat che ha fornito i sistemi di controsoffitto testati. BIBLIOGRAFIA Badillo-Almaraz, H., Whittaker, A.S., Reinhorn, A.M., Cimellaro, G.P., Seismic Fragility of Suspended Ceiling Systems, Report MCEER , MCEER/SUNY/Buffalo. Badillo-Almaraz, H., Whittaker, A.S., Reinhorn, A.M., Seismic fragility of suspended ceiling systems. Earthquake Spectra, 23(1), Gilani, A.S.J., Reinhorn, A.M., Glasgow, B., Lavan, O., Miyamoto, H.K., 20. Earthquake simulator testing and seismic evaluation of suspended ceilings. ASCE/J Archit Eng, 16(2), International Conference of Building Officials (ICBO), ICBO AC 156 Acceptance Criteria for the Seismic Qualification of Nonstructural Components. ICBO Evaluation Service, Inc., Whittier, California, USA. Magliulo, G., Pentangelo, V., Maddaloni, G., Capozzi, V., Petrone, C., Lopez, P., Talamonti, R., Manfredi, G., 2012a. Shake table tests for seismic assessment of suspended continuous ceilings. Bulletin of Earthquake Engineering. (6), DOI:.7/s Magliulo, G., Petrone, C., Capozzi, V., Maddaloni, G., Lopez, P., Talamonti, R., Manfredi, G., 2012b. Shake

6 table tests on infill plasterboard partitions. Open Constr Build Technol J, 6(Suppl 1-M), doi:.2174/ Magliulo, G., Pentangelo, V., Manfredi, G., Danneggiamento delle controsoffittature a seguito del terremoto dell Aquila dell aprile 2009 V1.00, available on Taghavi, S., Miranda, E., Response assessment of nonstructural building elements, PEER report 2003/05, College of Engineering, University of California Berkeley, USA.