WORKSHOP Tecniche innovative per il miglioramento sismico di edifici prefabbricati SAIE 214, Bologna 22 ottobre 214 ACI Italy Chapter Prove cicliche a taglio sulla connessione SicurLink TM tra trave e pilastro prefabbricati G. Magliulo 1, M. Cimmino 2, M. Ercolino 3 e G. Manfredi 4 ABSTRACT: I recenti eventi sismici, che hanno interessato zone industriali italiane ma anche europee, hanno messo in luce l elevata vulnerabilità delle strutture prefabbricate. Tale vulnerabilità è legata alla cattiva progettazione delle connessioni tra gli elementi, che risultano spesso inadeguate a resistere ad elevate azioni taglianti e che necessitano, quindi, di interventi di miglioramento. Nel presente lavoro viene proposto un innovativo sistema di connessione da applicare alle unioni trave-pilastro che ne aumenta le prestazioni sismiche in termini di resistenza a taglio oltre che in termini di capacità dissipative. Il comportamento di tale sistema è stato indagato attraverso una campagna di prove sperimentali cicliche su provini in scala reale. 1 INTRODUZIONE Gli ultimi terremoti avvenuti in Italia (L'Aquila, 29 e l'emilia, 212) ed in Europa (Turchia, 211) hanno largamente coinvolto zone industriali facendo registrare ingenti danni alle strutture prefabbricate e sottolineando la loro elevata vulnerabilità nei confronti delle azioni taglianti durante un evento sismico. Infatti, la scarsa conoscenza del comportamento dinamico di tale tipologia strutturale e le carenti disposizioni normative hanno portato ad una progettazione antisismica insufficiente. Ciò si traduce, spesso, in meccanismi di collasso che coinvolgono solo porzioni limitate dell intero complesso strutturale: i principali danni riguardano i sistemi di collegamento, spesso progettati solo per carichi verticali (Magliulo et al. 213) In questo lavoro, è presentata una nuova soluzione brevettata per il miglioramento sismico dei collegamenti tra elementi prefabbricati: il sistema SicurLink TM. Grazie ad una configurazione di arco a tre cerniere, costituito da due profili in acciaio, fissati agli elementi da collegare tramite cerniere realizzate con spinotti passanti, tale sistema migliora la risposta a taglio del collegamento e il comportamento sismico complessivo degli edifici prefabbricati esistenti. Questa soluzione può essere adottata per diversi tipi di connessione in edifici prefabbricati, tra due elementi strutturali o tra componenti strutturali e non strutturali. In questo 1 Prof. Gennaro Magliulo, Dipartimento di Strutture per l Ingegneria e l Architettura, Università di Napoli Federico II, gmagliul@unina.it 2 PhD student Maddalena Cimmino, Dipartimento di Strutture per l Ingegneria e l Architettura, Università di Napoli Federico II, maddalena.cimmino@unina.it 3 PhD Marianna Ercolino, Dipartimento di Strutture per l Ingegneria e l Architettura, Università di Napoli Federico II, marianna.ercolino@unina.it 4 Prof. Gaetano Manfredi, Dipartimento di Strutture per l Ingegneria e l Architettura, Università di Napoli Federico II, gamanfre@unina.it 43
lavoro, il sistema SicurLink TM è stato studiato e descritto nel dettaglio, con riferimento all adeguamento di una connessione prefabbricata esterna trave-colonna ed, in particolare, adottando una configurazione laterale (Figura 1). In questo caso, il sistema è costituito da due coppie di profili in acciaio applicati su entrambi i lati della connessione e fissati agli elementi in calcestruzzo mediante spinotti orizzontali in acciaio, bloccati con dadi e rondelle. Gli spinotti orizzontali in acciaio possono essere ricoperti con guaine in gomma, al fine di consentire spostamenti e rotazioni relative. In accordo alla comune pratica realizzativa, un cuscinetto di neoprene è interposto tra colonna e trave per evitare concentrazioni di sforzo localizzate. Di seguito, sono descritte due prove cicliche condotte nell ambito di una campagna sperimentale, presso il Dipartimento di Strutture per l Ingegneria e l Architettura dell Università degli Studi di Napoli Federico II, su connessioni prefabbricate tra trave e pilastro. Il sistema SicurLink TM è stato applicato come sistema di adeguamento per una connessione spinottata precedentemente testata per carichi ciclici orizzontali. Le due prove sono eseguite applicando la stessa storia di carico su due setup uguali in termini di caratteristiche geometriche e meccaniche dei componenti. I due provini si differenziano per la presenza o meno della guaina in gomma che ricopre lo spinotto passante nella trave prefabbricata. I risultati dei due test sono presentati in termini di quadro fessurativo (per l individuazione del meccanismo di rottura) ed in termini di legame forzaspostamento (per l individuazione della massima resistenza a taglio della connessione). Il confronto tra le due prove ha permesso di descrivere in maniera dettagliata la risposta sismica della connessione ripristinata, confermando le elevate prestazioni del sistema SicurLink TM. 2 IL SISTEMA SICURLINK TM LATERALE 2.1 Progettazione ed installazione Il funzionamento del sistema SicurLink TM si basa essenzialmente su due meccanismi: la trasmissione dell azione tagliante al pilastro attraverso l arco a tre cerniere che si configura grazie ai profili in acciaio e agli spinotti orizzontali; l assorbimento di tale azione tagliante attraverso l effetto spinotto offerto dalle barre orizzontali passanti negli elementi da collegare. Se i profili sono perfettamente allineati nel piano, assorbono l azione sismica unicamente attraverso sforzi assiali. Inoltre, a seconda del diametro e della resistenza degli spinotti, oltre che dell ampiezza del copriferro, si possono verificare tre tipologie di collasso: (a) una rottura tagliante dello spinotto, (b) una rottura di tipo fragile con espulsione del copriferro, (c) una rottura di tipo duttile con snervamento della barra e schiacciamento del calcestruzzo circostante. Il sistema SicurLink TM, nella configurazione descritta, garantisce la possibilità di realizzare ampi copriferri per favorire la formazione di un meccanismo di tipo duttile con una migliore dissipazione di energia. La progettazione del sistema di connessione è stata eseguita facendo riferimento ad una forza orizzontale totale pari a 142kN, valutata in accordo al DM 14/1/28 (28) per una zona ad alta sismicità (ag=.35g) su suolo tipo B. I due profili sono caratterizzati dalle stesse proprietà meccaniche (fyk,profile=275mpa, Ey,profile=21MPa) e rispettano le limitazioni geometriche dell EC3 parte 1-8 (CEN 25) per elementi bullonati e quelle dell EC3 parte 1-1 (CEN 25) per elementi soggetti a fenomeni di instabilità. Nel seguito, il profilo 1 rappresenta il profilo che collega 44
il nodo 1, in basso sulla colonna, al nodo 2 sulla trave (Figura 2) e il profilo 2 rappresenta il profilo che collega il nodo 2 al nodo 3 in alto sulla colonna (Figura 2). Gli spinotti orizzontali sono stati realizzati con barre filettate di diametro pari a 3mm, con una resistenza caratteristica allo snervamento di 64MPa (classe 8.8). Due prove a trazione hanno permesso di ricavare i valori medi della resistenza allo snervamento (fym=685mpa), del modulo di Young (Em=17666MPa) e della deformazione allo snervamento ( ym=.39%). Il progetto degli spinotti è stato effettuato in accordo alle disposizioni dell EC3 parte 1-8 (CEN 25) per le unioni spinottate e la resistenza a taglio è stata valutata in accordo a CNR 125/98 (2). 5cm node 2 neoprene pad 18.5cm node 3 profile 2 38 14.5cm cm 17.5cm 27 profile 1 115 42cm node 1 Figura 1 Configurazione laterale del sistema SicurLink TM Figura 2 Componenti del sistema di connessione SicurLink TM Nel presente lavoro, il dispositivo SicurLink TM è stato applicato come sistema di miglioramento di una tipica connessione trave-pilastro spinottata nella quale il collegamento tra la trave e il pilastro è garantito da due spinotti verticali, immersi nella colonna e passanti nella trave (Figura 3). Tale connessione, precedentemente soggetta ad una prova a taglio ciclica eseguita presso il Dipartimento di Strutture per l Ingegneria e l Architettura dell Università degli Studi di Napoli Federico II, aveva esibito una rottura di tipo fragile con fessurazione del copriferro della colonna, che circondava lateralmente gli spinotti verticali (Figura 4). Tale meccanismo di rottura si è verificato in corrispondenza dell attingimento della resistenza tagliante massima, pari a 176.57kN (per carichi orizzontali diretti verso la parete di contrasto, Figura 3). Figura 3 Setup di prova della connessione trave-pilastro spinottata Figura 4 Espulsione del copriferro della colonna che ricopre gli spinotti verticali 45
Al termine della prova, la connessione danneggiata è stata ripristinata e il collegamento tra la trave ed il pilastro è stato assicurato grazie all installazione del sistema di connessione SicurLink TM laterale: la Figura 5 ne mostra le fasi di montaggio. La prima fase consiste nel ripristino degli elementi di calcestruzzo danneggiati, grazie al getto in situ di malta a ritiro compensato con una resistenza caratteristica a compressione di 6MPa dopo 7 giorni di stagionatura e di 75MPa dopo 28 giorni (Figura 5a). Successivamente, vengono praticati dei fori per l inserimento degli spinotti orizzontali avendo cura di non interferire con l armatura preesistente (Figura 5b e Figura 5c). Dopo il posizionamento dei profili metallici (Figura 5d), la connessione tra gli spinotti orizzontali e gli elementi da collegare è assicurata da un getto di malta ad alta resistenza che riempie i fori nel calcestruzzo (Figura 5e). Infine, gli spinotti vengono fissati agli elementi in calcestruzzo grazie a dadi e bulloni. (a) (b) (c) (d) (e) Figura 5 Fasi di installazione: (a) ripristino degli elementi in c.a.; (b) identificazione dell armatura preesistente; (c) creazione di fori; (d) posizionamento dei profile; (e) getto della malta di riempimento 2.2 Prova ciclica a taglio sulla connessione ripristinata con sistema SicurLink TM Il comportamento della connessione ripristinata (Figura 6) è stato indagato attraverso una prova ciclica a taglio in controllo di spostamenti. L assemblaggio testato è costituito da una trave orizzontale di lunghezza pari 2.1m che collega due elementi verticali alti 1.m; sia la trave che le colonne hanno una sezione trasversale di 6cmx6cm. Gli elementi trave e colonna sono in calcestruzzo C45/55, caratterizzato da una resistenza cubica a compressione di 55MPa. I dettagli di armatura longitudinale e trasversale sono progettati in accordo alle disposizioni europee (CEN 23). L armatura longitudinale della trave e delle colonne è costituita da barre filettate (B45C) di diametro 2mm; l armatura trasversale è, invece, realizzata con staffe di diametro 8mm. Nelle colonne sono state disposte 4 barre per ciascun lato della sezione trasversale. Nella trave sono state disposte 4 barre rispettivamente al lembo superiore ed inferiore della sezione trasversale. L armatura trasversale è caratterizzata da un passo di 5cm nelle colonne e 7.5cm nella trave. Durante la prova, sono stati applicati carichi verticali che simulano l azione gravitazionale e carichi orizzontali che simulano l azione sismica. La forza verticale (45kN) è stata applicata grazie ad un martinetto idraulico agente sulla superficie superiore della trave; il carico orizzontale è stato applicato attraverso un attuatore orizzontale che imprime all estremità della trave spostamenti di entità crescente in 17 step, ciascuno dei quali costituito da 3 cicli a parità di carico. In Figura 7 è mostrata la storia di carico. 46
Figura 6 Setup di prova della connessione ripristinata Displacement [mm] 25 2 15 1 5-5 -1-15 -2-25 1 2 3 4 5 6 7 8 Time [s] Figura 7 Storia di carico per la prova ciclica a taglio sulla connessione ripristinata La risposta sismica della connessione con sistema SicurLink TM è stata indagata in termini di quadro fessurativo ed in termini di diagramma forza-spostamento. I valori di forza corrispondono alle registrazioni della cella di carico applicata all attuatore orizzontale; gli spostamenti rappresentano gli spostamenti relativi tra trave e pilastro ottenuti dalle registrazioni di LVDT posti in testa alla trave. La Figura 8 mostra che, al termine della prova, il danneggiamento del calcestruzzo si concentra attorno al nodo nella trave, nel quale convergono entrambi i profili: le fessure sono orientate nella direzione longitudinale e trasversale del profilo superiore che, per la scomposizione triangolare della forza tagliante applicata nella connessione lungo i due profili, risulta essere quello più sollecitato. Il calcestruzzo che circonda i nodi del pilastro risulta poco danneggiato e soltanto il calcestruzzo attorno al nodo 3, nel quale converge il profilo superiore maggiormente sollecitato, risulta lievemente fessurato (Figura 9). Figura 8 Andamento delle fessure intorno al nodo 2 sulla trave Figura 9 Andamento delle fessure intorno al nodo superiore del pilastro Le deformazioni assiali degli spinotti orizzontali sono state misurate grazie a strain gauges monoassiali: lo strain gauge D1 è stato posizionato lungo lo spinotto nel nodo 1, quello D3 lungo lo spinotto nel nodo 3; nessuno registrazione è disponibile per il nodo 2. La Figura 1 mostra l andamento nel tempo delle deformazioni assiali dell acciaio, rapportate alla deformazione di snervamento y,dowel. Tale diagramma mette in evidenza come lo spinotto orizzontale disposto nel nodo 3 abbia raggiunto lo snervamento ( / t,dowel=1) per cui può ritenersi che la connessione ha raggiunto la crisi. Inoltre, sono stati posizionati strain gauges assiali sui profili di acciaio (lo strain gauge P1 sul profilo inferiore e lo strain gauge P2 sul profilo superiore): le registrazioni ottenute hanno permesso di individuare l andamento nel tempo delle deformazioni assiali, rapportate alla 47
deformazione di snervamento y,profile (Figura 11): tale rapporto risulta essere minore di uno durante tutta la prova per cui è possibile affermare che i profili abbiamo conservato un comportamento elastico lineare. / y,dowel [-] 2 1-1 D1 D3-2 1 2 3 4 5 6 7 8 Time [s] Figura 1 Registrazioni degli strain gauges assiali sugli spinotti orizzontali / y,profile [-].4.3 P1 P2.2.1 -.1 -.2 -.3 -.4 1 2 3 4 5 6 7 8 Time [s] Figura 11 Registrazioni degli strain gauges assiali sui profili in acciaio Il comportamento globale della connessione ripristinata è stato analizzato in termini di diagramma forza-spostamento relativo (curva grigia in Figura 12): i valori negativi della forza e dello spostamento corrispondono ad un carico orizzontale di trazione, verso la parete di contrasto (Figura 6); valori positivi corrispondono ad un carico di compressione, nella direzione opposta. La curva grigia tiene conto di diversi contributi di resistenza: la resistenza a taglio offerta dal sistema SicurLink TM, quella attritiva dovuta all interazione tra calcestruzzo e cuscinetto di neoprene e quella legata a resistenze attritive dovute al setup. La somma dei primi due contributi rappresenta la resistenza effettiva della connessione. Grazie agli strumenti disposti sui profili in acciaio ed in virtù del comportamento lineare di tali elementi (Figura 11), è stato possibile ricavare le tensioni e quindi le forze assiali a cui essi sono soggetti. Le componenti orizzontali di tali forze rappresentano i contributi di resistenza tagliante offerti dal sistema SicurLink TM. La curva blu in Figura 12 rappresenta l andamento nel tempo la somma dei contributo di resistenza tagliante dei due sistemi disposti su entrambi i lati della connessione. La connessione ha esibito un comportamento non simmetrico nelle due direzioni di carico a causa del danneggiamento non uniforme degli elementi trave e colonna: per valori di carico positivi il massimo valore della curva grigia è pari a 293.58kN mentre il corrispondente valore sulla curva blu è pari a 258.19kN; per valori di carico negativi il valore massimo sulla curva grigia è pari -312.98kN mentre il corrispondente valore sulla curva blu è pari a -264.59kN. Dal confronto dei suddetti valori, è possibile verificare che, per entrambe le direzioni di carico, la differenza tra la resistenza complessiva (curva grigia) e quella offerta dal sistema SicurLink TM (curva blu) è da attribuire unicamente al contributo di resistenza attritiva calcestruzzo-neoprene, valutata in accordo a Magliulo et al. (211) per cui la curva grigia rappresenta la resistenza effettiva della connessione. 48
F [kn] 4 3 2 1-1 -2-3 Resistenza complessiva Resistenza SicurLink TM -4-2 -15-1 -5 5 1 15 2 [mm] Figura 12 Diagramma forza-spostamento della connessione ripristinata con sistema SicurLink TM 3 NUOVA SOLUZIONE DI INTEVENTO I risultati della prova ciclica a taglio condotta sulla connessione ripristinata con sistema SicurLink TM hanno evidenziato un comportamento non simmetrico nelle due direzioni di carico dovuto al danneggiamento non uniforme degli elementi in calcestruzzo. Per tale motivo, è stata apportata una modifica al setup di prova descritto nella sessione precedente. In particolare, per limitare le tensioni nel calcestruzzo che circonda gli spinotti, è stata introdotta una guaina in gomma (spessore 2mm) che ricopre la barra orizzontale nel nodo più sollecitato ovvero quello nella trave. Inoltre, la presenza della guaina garantisce migliori prestazioni della connessione in fase di esercizio, in quanto assorbe eventuali deformazioni termiche, e consente rotazioni relative tra la trave e pilastro. Sul nuovo setup è stata effettuata una prova ciclica a taglio: le caratteristiche geometriche e meccaniche degli elementi che compongono la connessione, così come la storia di carico per le azioni verticali ed orizzontali, sono analoghe a quelle descritte nella sessione precedente. Anche in questo caso, la risposta della connessione è stata analizzata in termini di quadro fessurativo al termine della prova ed in termini di diagramma forza-spostamento. La Figura 13 mostra come, grazie alla presenza della guaina, il calcestruzzo che circonda gli spinotti sia meno danneggiato rispetto alla prova precedente. La guaina, di contro, risulta completamente schiacciata (Figura 14). 49
Figura 13 Danneggiamento del calcestruzzo che circonda lo spinotto orizzontale passante nella trave Figura 14 Schiacciamento della guaina in gomma che ricopre lo spinotto orizzontale passante nella trave Grazie agli strain gauges assiali presenti sugli spinotti orizzontali (D1 per lo spinotto nel nodo 1 del pilastro e D3 per lo spinotto nel nodo 3 del pilastro) e agli strain gauges sui profili in acciaio (P1 per il profilo inferiore e P2 per il profilo superiore), è stato possibile registrare l andamento delle deformazioni nel tempo, rapportate ai rispettivi valori di snervamento. Durante la prova, sia gli spinotti (Figura 15) che i profili in acciaio (Figura 16) hanno mostrato un comportamento elastico lineare. In particolare, per i profili in acciaio, è stato quindi possibile ricavare le tensioni e le forze assiali agenti assorbite durante la prova. Le componenti orizzontali di tali forze hanno permesso di ottenere il contributo alla resistenza tagliante offerto dal sistema SicurLink TM. Anche in questo caso, il comportamento globale della connessione è rappresentato dal diagramma forza-spostamento relativo di Figura 17: dal momento che la connessione ha esibito un comportamento simmetrico nelle due direzioni di carico, per semplicità la figura mostra la risposta della connessione per carichi di trazione. La curva grigia in Figura 17 rappresenta i valori di forza letti nella cella di carico applicata all attuatore mentre i valori di spostamento rappresentano gli spostamenti relativi tra trave e pilastro letti grazie a due LVDT posti all estremità della trave; la curva rossa rappresenta il contributo alla resistenza tagliante offerto dal sistema SicurLink TM. Il massimo valore della resistenza tagliante complessiva (curva grigia in Figura 17) è pari a -284.54kN mentre il corrispondente valore associato al solo SicurLink TM (curva rossa) è pari a -268.64kN. Per cui si può concludere che la differenza tra i due valori è attribuibile alla resistenza attritiva neoprene-calcestruzzo ed anche in questo caso la curva grigia è rappresentativa del comportamento effettivo della connessione. 5
/ y,dowel [-] 2 1-1 D1 D3-2 1 2 3 4 5 6 7 8 Time [s] Figura 15 Andamento delle deformazioni assiali negli spinotti orizzontali / y,profile [-].4.3.2.1 -.1 -.2 -.3 P1 P2 -.4 1 2 3 4 5 6 7 8 Time [s] Figura 16 Andamento delle deformazioni assiali nei profili in acciaio 2 1 Resistenza complessiva Resistenza SicurLink TM F [kn] -1-2 -3-2 -15-1 -5 [mm] Figura 17 Diagramma forza-spostamento della connessione ripristinata con sistema SicurLink TM in presenza della guaina in gomma 4 CONCLUSIONI In questo lavoro è stata presentata una nuova tecnica di intervento sulle connessioni prefabbricate trave-pilastro per l assorbimento delle azioni taglianti durante un evento sismico. L intervento consiste nel ripristino degli elementi danneggiati a seguito di un terremoto e la successiva applicazione del sistema brevettato SicurLink TM. In particolare, nel presente lavoro, è stato indagato il comportamento di una connessione trave-pilastro ripristinata a cui è stato applicato il sistema SicurLink TM nella configurazione laterale: su ciascun lato della connessione sono disposti due profili in acciaio collegati alla trave e al pilastro grazie a degli spinotti orizzontali. Tra la trave e il pilastro è stato interposto un cuscinetto di neoprene per l assorbimento delle pressioni verticali. Su tale configurazione è stata effettuata una prova ciclica a taglio che ha evidenziato un esteso danneggiamento del calcestruzzo che ricopre gli spinotti orizzontali. Ciò si traduce in un comportamento in termini di forza-spostamento fortemente asimmetrico e ridotte capacità dissipative. Il collasso della connessione può essere associato allo snervamento di uno degli spinotti orizzontali nel pilastro. La prova ha comunque evidenziato un notevole miglioramento in termini di incremento della capacità di resistenza a taglio e delle capacità dissipative rispetto ad una connessione spinottata con le stesse caratteristiche geometriche e le stesse proprietà meccaniche del calcestruzzo e dell armatura degli elementi da collegare. 51
Al fine di migliorare le prestazioni della connessione, successivamente è stato modificato il setup di prova inserendo una guaina in gomma che ricopre lo spinotto orizzontale passante nella trave. Sulla nuova configurazione è stata effettuata una prova ciclica a taglio, adottando la stessa storia di carico in modo da rendere possibile il confronto con la precedente configurazione. La prova ha evidenziato una migliore risposta della connessione per il limitato danneggiamento degli elementi in calcestruzzo. Inoltre, il diagramma forza-spostamento mostra un comportamento simmetrico nelle due direzioni di carico ed un ampia capacità dissipativa della connessione. Durante tutta la prova sulla nuova configurazione, non si è registrato lo snervamento degli spinotti orizzontali né dei profili in acciaio e non si sono verificate rotture di tipo fragile con espulsione di copriferro. In definitiva è stato dimostrato che il sistema SicurLink TM applicato alle connessioni prefabbricate trave-pilastro offre un notevole contributo di resistenza tagliante, di gran lunga superiore a quello offerto da una classica connessione spinottata. Inoltre, migliora le capacità dissipative della connessione soprattutto in presenza della guaina in gomma che ricopre gli spinotti orizzontali passanti, in quanto quest ultima assorbe gli sforzi localizzati e limita il danneggiamento degli elementi in calcestruzzo. REFERENCES CEN (23). Eurocode 8: design of structures for earthquake resistance - Part 1: general rules, seismic actions and rules for buildings. European Standard EN 1998-1:23. Comité Européen de Normalisation, Brussels. CEN (25). "Eurocode 3: Design of steel structuress - Part 1-1: General rules and rules for buildings ". CEN (25). "Eurocode 3: Design of steel structuress - Part 1-8: Design of joints." CNR 125/98 (2). "Istruzioni per il progetto, l'esecuzione ed il controllo delle strutture prefabbricate in calcestruzzo (in Italian)." DM 14/1/28 (28). Approvazione delle nuove norme tecniche per le costruzioni. G.U. n. 29 del 4/2/28 (in Italian). Magliulo, G., V. Capozzi, G. Fabbrocino and G. Manfredi (211). "Neoprene-concrete friction relationships for seismic assessment of existing precast buildings." Engineering Structures 33(2): 532-538 DOI: DOI 1.116/j.engstruct.21.11.11, ISSN: 141-296. Magliulo, G., M. Ercolino, C. Petrone, O. Coppola and G. Manfredi (213). "Emilia earthquake: the seismic performance of precast RC buildings." Earthquake Spectra 69, ISSN: 8755-293. 52