Strutture Vertical

I sistemi verticali che possono resistere alle azioni sismiche sono essenzialmente di tre tipi (Figura 2.16):

c Pareti di taglio;

d Telai con controventi;

e Telai resistenti a momento.

Questi sistemi, che generalmente resistono anche ad azioni verticali, sono rappresentati in ordine decrescente di rigidezza. Devono essere disposti secondo due direzioni ortogonali rispetto alla planimetria della costruzione, in maniera da resistere ad azioni sismiche agenti secondo qualsiasi direzione. I sistemi resistenti verticali devono essere estesi a tutta l’altezza dell’edificio e devono essere vincolati saldamente al suolo attraverso il sistema di fondazione. Sono soggetti a sforzo normale, sforzo di taglio e momento flettente per effetto delle forze sismiche orizzontali trasmesse dai diaframmi di piano.

Figure professionali come architetti o ingegneri, sono chiamati a progettare sistemi verticali adeguati alle zone sismiche su cui giacerà l’edificio. Di seguito vengono elencate le diverse tipologie di streutture verticali considerate:

c

Le pareti di taglio (figura 2.17) sono di solito realizzate in conglomerato cementizio armato e costituiscono un sistema molto efficace nei confronti delle azioni sismiche. La loro notevole rigidezza minimizza gli spostamenti di interpiano e, di conseguenza, i danni agli elementi strutturali e non strutturali. Lo sforzo di taglio e il momento flettente aumentano dall’alto verso il basso e raggiungono i loro valori massimi in corrispondenza della fondazione. La resistenza a taglio è fornita dall’intera parete, mentre il momento flettente provoca sforzi di compressione e di trazione principalmente ai suoi estremi. Questi sforzi sono poi trasmessi alla fondazione che deve essere in grado di resistere allo scorrimento e al ribaltamento indotti dalla parete. Le pareti di taglio sono progettate per ricevere dai diaframmi le forze laterali e trasmetterle poi al suolo. In queste pareti, le forze di taglio agiscono sulle fibre all’interno del materiale, tentando di scivolare l’una sull’altra. Per essere funzionali, le pareti di taglio devono essere prive di aperture dalla base dell’edificio fino alla sua sommità. La struttura verticale richiesta per la resistenza sismica è spesso molto differente da quella resistente alle forze di gravità. Una struttura resistente alle forze di gravità può avere due possibili configurazioni (Figura 2.18) i cui elementi verticali sostengono il carico dovuto dalla

Scheda

12.

Fig. 2.19 – Azioni delle forze sulle pareti di taglio

compressione.

Le strutture post-e-beam (trave-pilastro) con cerniere poste alle estremità superiori ed inferiori dei pilastri sono completamente instabili. Telai progettati per resistere solo alle forze di gravità, dove i nodi trave-pilastro sono abbastanza rigidi da formare dei fotogrammi del momento, possono essere più stabili contro le forze orizzontali a seconda della snellezza dei loro pilastri.

Con il termine parete di taglio originariamente ci si riferiva ad un muro che era in procinto di collassare o era collassato durante un terremoto dannoso. Adesso che l’obiettivo primario per la progettazione strutturale è quello di evitare l’insufficienza di taglio, “parete di taglio” è una dicitura un po’ inappropriata per un elemento moderno e ben progettato. Tuttavia, data la popolarità internazionale del termine, il suo uso in corso è giustificato dal fatto che una parete

di taglio viene progettata per sopportare le forze di taglio orizzontali.

Questa sperimenta momenti flettenti ed una notevole tendenza a ribaltarsi (Vedi figura 2.19). Di tutti i sistemi strutturali resistenti alle onde sismiche, le pareti di taglio (in calcestruzzo rinforzato) hanno dimostrato un track record migliore. Documenti che registrano gli effetti dei terremoti sulle costruzioni, denotano che edifici con pareti non particolarmente prestanti sismicamente progettati con sufficienti rinforzi ben distribuiti, hanno salvato edifici dal collasso. Il successo delle pareti di taglio resistenti alle onde sismiche è stato anche reso noto da molti ingegneri strutturali, Mark Fintel a tal proposito dice: “We cannot to build concrete buildings meant to resist severe

earthquakes without shear walls.” 20

I paesi vulnerabili al sisma, dovrebbero adottare le pareti di taglio come prassi costruttiva, tuttavia, sebbene siano di facile costruzione, i costi elevati di realizzazione e la difficoltà di renderli “gradevoli” sotto il profilo architettonico, non permettono a tali presidi di essere ampiamente adottati a livello internazionale.

d Telai contro-ventati

I telai con contro-venti sono di solito realizzati in carpenteria metallica e sono essenzialmente costituiti da una trave reticolare disposta verticalmente. Tutti i collegamenti possono essere di tipo cerniera e in questo caso, le aste sono soggette solo a sforzo normale: di trazione o di compressione. I tipi principali sono (Figura 2.20):

‚ Controventi eccentrici (irrigidiscono la struttura e dissipano

l’energia sismica della deformazione al di là del campo elastico di una parte di elemento delle travi realizzate in corrispondenza degli impalcati - elementi con elevata duttilità);

20 Fintel, M. ( 1995). Performance of buildings with shear walls in earthquakes of the last thirty years. PCI Journal, 40: 3 , 62 – 80 .

Fig. 2.17– Pareti di tagio

Fig. 2.18– Instabilità di due strutture resistenti alla forza gravità contro le forze orizzontali.

‚ Telai resistenti a momento.

I telai con controventi eccentrici sono i più duttili tra tutti i telai

afferenti a questa categoria... Questa tipologia di telaio agisce nello stesso modo delle pareti di taglio; tuttavia, in genere fornisce meno resistenza ma hanno una duttilità migliore a seconda del loro disegno di dettaglio esecutivo. Essi o ffrono più libertà di progettazione architettonica rispetto alle pareti di taglio. Esistono due tipi generali di strutture contro-ventate: convenzionali concentrici e eccentriche. Nel telaio convenzionale concentrico, le linee d’asse delle travi incontrano la trave orizzontale in un unico punto; nel telaio eccentrico, le linee d’asse (aste) o le travi sono progettate per giacere (incontrare ) la trave ad una certa distanza. Il breve tratto contenuto tra l’estremità dai contro-venti è la trave di collegamento. La funzione della trave di collegamento è quello di fornire la duttilità al sistema: in forze sismiche pesanti, tale trave, distorce e dissipa l’energia del terremoto in modo controllato, proteggendo così il resto della struttura.

I telai resistenti al momento (Figura 2.21), invece, devono possedere

connessioni del tutto rigide tra travi e colonne tali cioè da trasmettere gli elevati momenti flettenti provocati dalle forze sismiche (Figura 2.22). Di solito sono progettati per resistere all’azione combinata delle forze sismiche orizzontali e di quelle statiche verticali. Le colonne, che sono gli elementi più vulnerabili, devono avere dimensioni sufficienti per limitare gli spostamenti di interpiano e resistere ai notevoli sforzi di taglio cui sono soggette. Per effetto del momento ribaltante alla base, le loro estremità possono essere sottoposte anche a notevoli sforzi normali di trazione e di compressione. Per assicurare un comportamento duttile del telaio, le colonne devono essere più resistenti delle travi. A tal fine l’altezza della sezione di una colonna dovrebbe essere non minore di quella della trave. Nel caso in cui appartengono a due telai ortogonali, le colonne dovrebbero essere a sezione quadrata . Il telaio (resistente)a momento è un sistema che non ha travi diagonali, e le forze laterali vengono assorbite dalle travi e dai pilastri che sono progettati in modo tale da resistervi.

Questi sistemi si possono ibridare (purché sia fatto con cura), perché sono di diverse rigidezze ed è difficile, quindi, ottenere il giusto equilibrio di resistenza. Nel telaio resistente al momento i nodi sono completamente rigidi ed in grado di trasmettere il momento flettente alle altre parti dell’edificio. Infine, nei nodi non sono possibili rotazioni relative degli elementi che vi concorrono.

Fig. 2.20 – Tipologie comuni di telai controventati

Fig. 2.21– Telai resistenti a momento

Fig. 2.22 - Confronto tra un telaio caricato orizzontalmente e un telaio che supporta le forze di gravità.