Adriano Castagnone Domenico Leone Strutture prefabbricate: proposte di miglioramento antisismico Parte 2
2
Adriano Castagnone Ingegnere libero professionista dal 1978, si occupa di calcolo strutturale in vari ambiti. É amministratore e responsabile scientifico di STA DATA srl, software house specializzata nel software per il calcolo strutturale. I prodotti principali sviluppati e distribuiti da STA DATA sono: 3Muri, per il calcolo delle strutture in muratura con analisi push over, Piano 2012 per il calcolo sismico di strutture in c.a., acciaio, miste, legno e vetro, Axis VM per il calcolo agli elementi finiti in analisi lineare e non lineare. Ha realizzato numerosi progetti per l adeguamento sismico delle strutture, tra cui la prima scuola in Piemonte isolata con elementi BRB e ha eseguito numerose valutazioni di vulnerabilità sismica di strutture sensibili (scuole, municipi, ponti, infrastrutture). È autore di diversi volumi tecnici riguardanti il calcolo strutturale e pubblica con regolarità sul sito faresismica.net. Domenico Leone Vanta un esperienza più che trentennale nel campo della progettazione e realizzazione di strutture metalliche sia in campo industriale che infrastrutturale e civile ed è titolare del laboratorio di Costruzione dell Architettura presso la facoltà di Architettura di Genova in qualità di professore a contratto. È consulente di azienda ed è stato responsabile del settore di progettazione di opere in carpenteria metallica presso le società Italimpianti S.p.A., SMSDemag e Paul-Wurth S.p.A. Ha partecipato alla progettazione di grandi impianti industriali di produzione e trasformazione dell acciaio e ne ha seguito la realizzazione con le imprese costruttrici e di montaggio acquisendo ampia esperienza in tutti i settori del ciclo di esecuzione delle opere metalliche. Per il suo impegno in campo internazionale vanta ampia conoscenza delle norme di settore utilizzate in varie nazioni con particolare riguardo agli Eurocodici. È autore di diversi volumi tecnici riguardanti il calcolo strutturale e pubblica con regolarità sul sito faresismica.net. Entrambi gli autori sono partner di: Clicca qui per informazioni ST.A. DATA srl Corso Raffaello, 12-10126 Torino tel. 011 6699345 www.stadata.com 3
4
Soluzioni alternative La soluzione proposta nella prima parte a livello di schizzo da elaborare progettualmente è applicabile nel caso in cui sia possibile l inserimento di tasselli chimici nella piattabanda inferiore della trave senza che ci sia interferenza con le barre di acciaio dell armatura. La posizione dei ferri pre-tesi può essere individuata direttamente dagli elaborati di progetto e, se questi non fossero disponibili o affidabili, con l uso del pacometro o con l esecuzione di incisione trasversale nel lembo inferiore della piattabanda o ancora con raschiamento della testata fino a scoprire la posizione dei vari strati di armatura. Qualora l uso dei tasselli non fosse realizzabile (tipico nel caso di sezione ridotta) è possibile eseguire l intervento di seguito rappresentato e commentato. In questa proposta il collegamento della trave alla colonna è eseguito con angolari in acciaio inox piegati con una superficie lavorata in modo da realizzare un ingranamento con un piatto a U anch esso lavorato e ancorato, con bulloni passanti, all anima della trave in C.A. Tra il piatto a U e la parete dell anima della trave è interposto un profilo scatolare o piegato a freddo quale elemento distanziatore. La dissipazione (se pur minima) avviene per piegamento dell angolare da ciascun lato della colonna. Di seguito il dettaglio dell ingranamento tra angolare e ferro a U. 5
Al posto delle superfici lavorate per l ingranamento possono essere usate viti di grosso diametro ad alta resistenza (8.8 o 10.9) in fori pre-filettati come rappresentato nello schizzo seguente La figura iniziale evidenzia anche una coppia di barre stabilizzatrici della trave che oppongono resistenza al ribaltamento qualora la trave non fosse efficacemente vincolata dalla soletta di copertura o da travi prefabbricate longitudinali. 6
Tali barre stabilizzatrici si oppongono per trazione al ribaltamento della trave mediante l ausilio di controsagome in acciaio inox piegato a freddo disposte contro l anima della trave come di seguito rappresentato. Per agevolare il funzionamento del meccanismo in condizioni di cinematismo sismico è consigliato disporre rondelle teflonate sotto la testa e il dado dei bulloni passanti (perni). Inoltre per evitare rotture locali tra gli elementi distanziatori e la piattabanda della trave è bene disporre guarnizioni in gomma. 7
Il cinematismo del nodo è rappresentato nel seguente schizzo in cui si evidenzia il NON disturbo delle barre stabilizzatrici al comportamento a cerniera (o meglio pseudocerniera) del giunto trave-colonna. La trazione che si genera nelle barre stabilizzatrici per l aumento della distanza tra i perni in fase di spostamento sismico orizzontale è bene assorbita oltre che dalla presenza della guarnizione in gomma anche dalla duttilità dei distanziali in lamiera piegata a freddo e dalla flessibilità della parte sporgente dei perni. Di fatto il comportamento è dissipativo. Si noti il comportamento degli angolari non più direttamente collegati con tasselli alla piattabanda inferiore della trave ma comunque solidali sia con la trave che con la colonna. Come considerazione generale tutte le proposte non contengono elementi realizzati o uniti con saldature poiché queste costituiscono la parte fragile del nodo e vanno facilmente a rottura sotto azioni cicliche di taglio e trazione. Circa la possibilità che il sistema proposto alteri lo schema statico di semplice appoggio della trave sulla colonna occorre considerare che proprio quest ultimo deve essere eliminato ma non cercando di realizzare la cerniera pura bensì una pseudo-cerniera dotata di una minima resistenza rotazionale in modo da offrire un contributo sia pure minimo alla dissipazione dell energia sismica. 8
Il sistema può invece essere integrato da elementi o dispositivi di dissipazione meccanici, ad attrito o oleodinamici, collegati agli angolari come proposto nella prima parte dell articolo oppure come di seguito rappresentato. Un altro valido sistema per evitare il ribaltamento delle travi sugli appoggi è realizzabile con travi longitudinali in profilo a I collegate all anima delle travi prefabbricate con l uso di spessoramenti o distanziali come di seguito rappresentato. 9
L appoggio delle travi prefabbricate su colonne intermedie può essere realizzato in base al seguente schizzo dove le barre stabilizzatrici possono essere sostituite da travi longitudinali come sopra rappresentato e possono essere aggiunti dispositivi di dissipazione. 10
Considerazioni circa le soluzioni proposte nel documento elaborato da: Protezione Civile - RELUIS CNI ASSOBETON - Linee di indirizzo per interventi locali e globali su edifici industriali monopiano non progettati con criteri antisismici Bozza 19 giugno 2012 v. 1.0 SOLUZIONE TP-1 DEFORMAZIONE IN CASO DI SISMA Lo spostamento teorico dell asse del perno generato dal cinematismo sismico induce nel perno una forza di taglio ben più alta di quella staticamente calcolata con possibile rottura del perno stesso o della forcella di calcestruzzo. È necessario valutare attentamente questi spostamenti al fine di dimensionare correttamente gli elementi. Se del caso è possibile realizzare un foro di dimensioni maggiori rispetto al perno, consentendo in questo modo il movimento, completando con materiale elastico lo spazio tra perno e foro. 11
Cinematismo opposto : forza di taglio sul perno ben più alta di quella statica calcolata Il sistema di ancoraggio a cerniera funziona solo nel caso in cui vi sia uno spazio sufficiente a consentire la libera rotazione della trave ovvero la trave non appoggi fisicamente sulla testa del pilastro ma sul perno e sia opportunamente distanziata dalla spalla della forcella. Anche la proposta TP-2 presenta la stessa problematica. SOLUZIONE TP-2 12
SOLUZIONE TP-3 DEFORMAZIONE IN CASO DI SISMA I modo (scorrimento della trave sull appoggio) Lo spostamento orizzontale non è impedito dalla fune. La stabilità al ribaltamento laterale della trave non è contrastata. 13
II modo (effetto di tiro della trave sulla colonna ) La rotazione della sommità della colonna genera una trazione aggiuntiva nella fune che incrementa la forza di taglio sui perni delle staffe e sulla saldatura dell occhiello alla staffa La soluzione a fune è valida per il fissaggio dei pannelli di parete mentre per il collegamento trave-pilastro sarebbe preferibile usare molle calibrate o sistemi dissipativi più efficaci capaci di contrastare sia le forze di trazione che di compressione. SOLUZIONE TP-5 14
La soluzione con squadretta irrigidita solidale alla colonna e fissata con saldatura ad una coppia di angolari può presentare le seguenti criticità: 1 è bene evitare nelle zone di azione della forza sismica saldature d angolo specie se eseguite in sito, sia per la fragilità del collegamento sia per l oggettiva difficoltà di esecuzione in quota; 2 l angolare laminato a caldo e irrigidito con piatti saldati ha scarsa duttilità e le saldature degli irrigidimenti sono soggette a facile rottura per forze di trazione sulla sezione di gola; 3 - la presenza di un solo perno di rotazione nella trave rende debole la connessione che non presenta risorse dissipative e non impedisce l instabilità laterale della trave. Comportamento cinematico : Grandi forze di taglio e trazione sulla saldatura tra gli angolari Grandi forze di trazione sulla saldatura degli irrigidimenti dell angolare Alla soluzione con squadrette di collegamento si propone quanto esposto nella prima parte di questo articolo. 15