Capitolo 2:

Capitolo 2:

Il ruolo delle connessioni strutturali

nelle costruzioni prefabbricate in C.A.

2.1 Principi della progettazione delle costruzioni

prefabbricate

La progettazione effettiva e la costruzione di sistemi prefabbricati in cemento armato è possibile attraverso l’uso di appropriate connessioni che permettano tutte le condizioni di carico a servizio, di carichi ambientali e di carico allo stato limite ultimo.

I sistemi strutturali sono composti da elementi prefabbricati in calcestruzzo che sono collegati in modo meccanico, per esempio usando tiranti, saldature, barre rinforzanti, e malte e calcestruzzo nei nodi.

Comunque, collegare insieme gli elementi non è soltanto una questione di fissaggio degli stessi tra loro, ma consiste nell’assicurare l’integrità strutturale dell’intera struttura.

Figura 1 Definizione di “nodo”- connessione

Nella costruzione finita, le connessioni strutturali formeranno una parte essenziale del sistema resistente. La risposta della struttura dipenderà dal comportamento e dalle caratteristiche della connessione. La pianta strutturale, la disposizione delle unità stabilizzanti, il progetto del sistema strutturale (e del suo sotto-sistema) e il progetto e il dettaglio delle connessioni deve essere svolto coerentemente con consapevolezza del comportamento strutturale voluto. Per permettere un soddisfacente progetto, la progettazione dovrebbe comprendere il modo in cui le connessioni influenzano il flusso di forze nella struttura soggetta a carichi orizzontali e verticali.

Il principale proposito delle connessioni strutturali è quindi quello di trasferire forze tra elementi prefabbricati in modo da permettere l’interazione strutturale voluta quando il sistema è caricato.

Le connessioni strutturali interagiscono con gli elementi strutturali adiacenti, e il progetto e i dettagli delle stesse sono influenzati dal progetto e dai dettagli degli elementi adiacenti che sono ad esse connessi. Per questo, le connessioni e gli elementi devono essere dettagliati e progettati in modo che il flusso delle forze non sia solo logico e naturale, ma le forze che le connessioni sopportano possano essere trasferite negli elementi e all’ulteriore sistema carico-resistente.

2.2 Sistemi strutturali prefabbricati e interazioni

strutturali

2.2.1 Sistemi di base in cemento armato prefabbricato

Le costruzioni prefabbricate in cemento armato sono composte da alcuni tipi di sistemi strutturali di base. Questi sistemi possono essere combinati in diversi modi tali da ottenere un concetto strutturale appropriato ed efficace che soddisfi i bisogni delle costruzioni specifiche.

Foto 2 Esempio di costruzione intelaiata

Foto 4 Esempio di portale

I più comuni sistemi sono:

- sistemi trave-pilastro (elementi trave, elementi pilastro, connessioni), Fig.2;

- sistemi di piano e interpiano (elementi di piano, elementi di interpiano, connessioni), Fig.3;

- sistemi a pareti portanti (elementi di parete, connessioni), Fig.4; - sistemi di facciata (elementi parete di facciata, connessioni), Fig.5.

La lista sopra citata non è unica, vi possono essere diverse possibili variazioni per ottenere gli stessi risultati.

Altri meno comuni sistemi prefabbricati sono: - sistemi trave (elementi trave, connessioni)

Figura 2 Sistema trave/pilastro, a) colonne monopiano, b) colonne multipiano

Figura 3 Tipici sistemi di piano, a) sistema di piano a blocchi cavi, b) sistema di piano a doppio T

Figura 4 Sistemi a pareti portanti, a) muri di facciata caricati, b) setti interni caricati

Figura 6 Sistemi cellulari prefabbricati, a) elementi cella chiusi, b) elementi cella aperti con sezione a U

2.2.1.1 Sistemi di piano e interpiano

Il principale proposito dei sistemi di piano e interpiano (Fig.7) è di portare i carichi verticali verso gli elementi strutturali resistenti ai suddetti tipi di carico. I piani e gli interpiani prefabbricati sono spesso usati come parti essenziali del sistema stabilizzante in quanto adatti a trasferire alla suddetta unità stabilizzante i carichi orizzontali attraverso le azioni diaframma.

I più comuni sistemi di piano sono le piastre di piano cave e le coperture a doppio T.

Figura 7 Tipici sistemi di piano, a) sistema di piano a blocchi cavi, b) sistema di piano a doppio T

Le connessioni che interessano questi sistemi sono del tipo: - piastra – piastra, nei nodi longitudinali all’intradosso; - piastra - elemento d’angolo, nell’angolo longitudinale; - piastra – piastra, nel supporto interno;

- piastra - supporto finale.

Gli elementi in un sistema di piano non resisteranno ai carichi separatamente da ogni altro, ma è desiderato un grado di interazione tra elementi adiacenti. Per ottenere una distribuzione trasversale degli effetti di carico nel caso di carichi concentrati e prevenire indesiderati spostamenti verticale nei nodi longitudinali, le connessioni di piano devono essere progettate per sviluppare una azione di taglio che assicuri l’interazione tra elementi adiacenti.

In piastre composite di piano (conosciute anche come mezze-piastre), piastre piane prefabbricate in cemento armato sono usate come cassaforma per la parte fabbricata in situ e poi integrata nella sezione composita di piano.

La composizione delle azioni dipende dal trasferimento del taglio nei nodi orizzontali tra le piastre prefabbricate e la parte in calcestruzzo costruita in situ.

2.2.2 Sistemi strutturali

2.2.2.1 Concetto progettuale

Uno dei principali vantaggi della tecnologia prefabbricata in cemento armato è la velocità di costruzione. Ma questo richiede essenzialmente semplicità e facilità per realizzare le soluzioni proposte a tutti i livelli del processo costruttivo.

Questo aspetto è più importante con riguardo alle connessioni dove l’uso di connessioni nodali fisse e semplicemente sostenute da travi è la più favorevole soluzione per le strutture intelaiate.

In strutture parete e cellulari, le connessioni sono troppo vincolate nella direzione fuori piano, ma sono resistenti al momento nel piano .

Le strutture prefabbricate devono essere robuste e adeguatamente progettate verso il collasso progressivo, verso la rottura strutturale, la fessurazione e le deformazioni inaccettabili. La stabilità del sistema e delle sue parti deve essere assicurato a tutti i livelli della costruzione così come deve esserlo durante tutta la sua vita a servizio.

La prima e vera importante fase della progettazione è la scelta del concetto strutturale. L’aspetto funzionale primario della costruzione, la sua forma, la sua massa e l’aspetto estetico devono essere considerati.

A questo livello le decisioni importanti sono:

- posizione e requisiti approssimati degli elementi stabilizzanti, - numero dei necessari giunti di espansione,

- le maglie del telaio,

- la luce di piastre e delle travi, - la posizione di colonne e di pareti, - uso di carichi portati da pareti o facciate.

E’ la scelta del giusto percorso delle forze e del principale schema strutturale che determina lo sviluppo del sistema prefabbricato in calcestruzzo e il suo successo o fallimento. L’ingegnere strutturale ha ancora la libertà di posizionare pareti di taglio e scegliere la luce di travi e/o solai in modo che il carico gravitazionale agente sul nucleo o sulle pareti di taglio sia grande abbastanza da eliminare le forze che tirano verso l’alto e le tensioni di trazione dovuti alla curvatura, Fig.8.

Le forze di trazione richiedono connessioni più complicate e maggior dispendio di tempo, dovendo usare per esempio barre rinforzanti passanti fra gli elementi, piatti di acciaio saldati, etc.

Le forze di compressione possono essere facilmente trasferite tra gli elementi ad esempio con nodi gettati in situ, che sono facili e poco costosi da realizzare.

Figura 8Vista in pianta della posizione delle pareti di taglio nella costruzione, a) buona, b) buona, c) buona,d) soddisfacente, due pareti trasversali hanno

sempre momenti dovuti all’eccentricità del carico verticale, e) cattiva, quasi nessun carico verticale, e/o carico verticale eccentrico, f) cattiva, quasi nessun carico verticale sulla parete longitudinale di taglio.

2.2.2.2 Percorso delle forze

Per ogni carico esterno applicato alla struttura deve essere possibile identificare il percorso della forza che collega questo carico alla sua reazione in fondazione. Questa forza deve passare attraverso gli elementi strutturali e le connessioni che possono essere riguardate come una catena di componenti.

Quando diversi carichi agiscono simultaneamente ci saranno diversi percorsi di forza, per questo è possibile parlare di flusso di forze.

E’ appropriato esaminare il flusso di forze sotto carichi verticali ed orizzontali separatamente e poi sovrapporre le due soluzioni nello sviluppo del sistema strutturale.

I carichi verticali sono presi dagli elementi di collegamento (elementi di piano e interpiano, travi) e dagli elementi di supporto (colonne, muri portanti).

Per le forze orizzontali la struttura deve essere dotata di unità stabilizzanti in grado di resistere ai carichi orizzontali e che colleghino questi ultimi alle loro reazioni in fondazione.

I seguenti componenti possono essere parti del sistema stabilizzante: - colonna incastrata al piede (azioni mensola),

- pareti sottili incastrate al piede (azioni mensola), - pareti spesse (azioni diaframma),

- telai con nodi resistenti a momento (azioni telaio), - scatola muraria (azioni trave e diaframma), - piani (azioni diaframma),

- interpiani (azioni diaframma).

Una colonna incastrata alla base e resistente a momento si comporta come una mensola quando è caricata orizzontalmente come in Fig.9.

Figura 9 Strutture prefabbricate con colonne incastrate alla base

In strutture multi piano, i pozzi scala e/o pareti sottili alte possono essere usati come unità stabilizzanti, Fig.10.

Figura 10 Sistemi trave/colonna prefabbricati stabilizzati da unità rinforzanti, a)costruzione multipiano, b) modello di calcolo

Talvolta le unità stabilizzanti sono spesso composte da elementi parete prefabbricati in calcestruzzo progettati come enormi mensole parete fissate alla base e assicurate tra loro da connessioni poste tra le varie unità, Fig.11.

Figura 11 Esempio di snella unità stabilizzante prefabbricata, a) parete di taglio prefabbricata, b) vano scala prefabbricato

Per pareti spesse il modello di comportamento flessionale non è pronunciato come in quelle sottili che resistono ai carichi orizzontali come fossero mensole. Nelle pareti spesse, Fig.12, la capacità di taglio nei nodi e nelle connessioni con la fondazione può essere sufficiente per la stabilizzazione verso le azioni diaframma pur con misure relativamente

usate come unità stabilizzanti. In questa prospettiva è preferibile che le pareti portanti siano caricate dal carico verticale, che dà compressione nei nodi orizzontali riducendo la necessità di trasferire le forze di trazione attraverso i nodi.

Figura 12 Stabilizzazione con azione diaframma in pareti tozze

I telai con connessioni trave-colonna resistenti a momento possono adottare azioni trave, che possono essere usate anche per pannelli facciata, Fig.13.

Figura 13 Stabilizzazione con azione telaio su elementi facciata, a) azioni telaio su elementi facciata, b) azioni telaio su travi perimetrali e colonne continue

Il carico orizzontale deve essere trasferito dall’azione diaframma nei piani e negli interpiani prefabbricati alle unità stabilizzanti, parti essenziali del sistema stabilizzante.

Le connessioni tra i piani o gli interpiani e le unità stabilizzanti interagiscono per resistere ai carichi orizzontali come mostrato in Fig.14.

I piani o gli interpiani prefabbricati che conseguiranno considerevole rigidezza nel loro piano, dove essi sono normalmente considerati come pienamente rigidi nel progetto, sono quelli a nodi fissi.

2.3 Considerazioni di base per il progetto delle

connessioni strutturali

2.3.1 Filosofia del progetto

Il principale proposito della connessione strutturale è quello di trasferire le forze tra gli elementi prefabbricati in calcestruzzo in modo da ottenere una interazione strutturale quando il sistema è caricato. Oltre questa abilità la connessione dovrebbe assicurare il comportamento strutturale voluto della intera struttura e del sottosistema prefabbricato integrati in essa. Per questa ragione le connessioni dovrebbero essere riguardate come parti essenziali e integranti del sistema strutturale e quindi progettate con la stessa cura che si ha per gli elementi in calcestruzzo prefabbricati. Il vantaggio della prefabbricazione può essere perso per un inadeguato progetto delle connessioni strutturali.

Il progetto di queste ultime non è solo una questione di scelta delle dimensioni appropriate per il dispositivo di collegamento, ma il percorso delle forze nella connessione deve essere studiato in una visione globale di connessione e membratura strutturale adiacente. I vari aspetti che dovrebbero essere considerati nel progetto e nel dettaglio della connessione possono essere relativi ai seguenti gruppi:

- comportamento strutturale per carichi ordinari e eccessivi,

- aspetto e funzionalità della costruzione nello stato limite a servizio, - protezione dal fuoco,

- produzione di elementi in calcestruzzo,

- controllo, immagazzinamento, trasporto di elementi in calcestruzzo, - costruzione di sistemi strutturali prefabbricati.

Con riguardo al comportamento strutturale, l’abilità delle connessioni di trasferire le forze è la proprietà essenziale. Questa proprietà deve persistere sia nello stato limite ultimo che nello stato limite a servizio.

Nel primo stato limite detto la connessione deve assicurare l’intento di interazione strutturale e possedere sufficiente duttilità e capacità deformativa. Questo è ovvio quando si considerano forze dovute al peso proprio della struttura, al carico portato, al carico vento e neve; non è ovvio quando si considerano forze che nascono quando le deformazioni dovute alla variazione di temperatura, al ritiro, alle deformazioni lente del calcestruzzo ne ostacolano il loro libero sviluppo.

Una capacità addizionale può essere richiesta per resistere ai carichi accidentali (slittamenti in fondazione, esplosioni, collisioni).

Nelle regioni sismiche le connessioni devono essere progettate con riguardo al possibile rischio di terremoto.

2.3.2 Aspetti progettuali

2.3.2.1 Standardizzazione

Le connessioni strutturali sono pensate per trasferire forze, e l’intensità di queste ultime può variare. Per questo l’idea può essere quella di standardizzare un tipo leggero, uno medio e uno robusto della stessa soluzione principale, ognuno con una propria capacità in funzione della forza trasferita. Questo faciliterebbe il progettista nel calcolo, in quanto indotto a scegliere tra soluzioni standard, e gli operai circa la messa in opera.

2.3.2.2 Semplicità

La semplicità è importante per ottenere una connessione poco costosa e avere la minima possibilità che venga realizzata in modo scorretto. Di conseguenza tutte le connessioni dovrebbero contare il minimo numero di pezzi da incastrare nell’elemento.

2.3.2.3 Capacità a trazione

Se una connessione deve presentare capacità a trazione, conseguentemente tutte le unità devono avere sufficiente ancoraggio, e l’attrito non deve partecipare al meccanismo di trasferimento della forza.

2.3.2.4 Duttilità

Le connessioni dovrebbero comportarsi perfettamente in maniera duttile. La duttilità può essere definita come l’abilità dell’elemento di avere una larga deformazione plastica prima della rottura. In un materiale strutturale la duttilità è misurata come l’intensità della deformazione che si manifesta tra lo snervamento e la rottura ultima.

Nelle costruzioni intelaiate la duttilità è generalmente associata alla resistenza a momento.

Nelle membrature in calcestruzzo con connessioni resistenti a momento, la resistenza flessionale è normalmente fornita dalla componente di acciaio, sia da barre rinforzanti, sia da membrature strutturali di acciaio.

I nodi duttili possono essere ottenuti dando alle parti fragili dei nodi una extra capacità, per esempio calcolando queste componenti con ridotte tensioni ammissibili.

2.3.2.5 Movimenti

Le connessioni non devono necessariamente impedire i movimenti nella struttura. In molti casi i movimenti saranno le deformazioni delle travi o delle lastre dovute ai carichi e/o alle forze di pretensione. Tipicamente questo problema nasce dove un pannello verticale di facciata è connesso alla trave o alla lastra in qualche punto della luce. Se la connessione impedisce il movimento della trave o della lastra, ciò può causare danno alla connessione stessa o agli elementi. Comunque, anche se non c’è danneggiamento, questo può introdurre forze non desiderate negli elementi causando deformazioni non volute. La soluzione è quella di realizzare una

2.3.3 Caratteristiche meccaniche

Il comportamento meccanico delle connessioni strutturali può essere caratterizzato dalla relazione tra forza trasferita (azione principale) e il corrispondente spostamento, per esempio:

- relazione tra forza di trazione e allungamento (apertura di fessure), - curva momento-rotazione,

- forza di taglio e spostamento a taglio (scorrimento).

Una principale relazione carico spostamento è mostrata in Fig.15. La massima resistenza (Smax) e la rigidezza (K = S/u) nello stato ultimo di

servizio sono di primario interesse.

Figura 15 Relazione carico-spostamento per una azione primaria di una connessione strutturale

Molto spesso la relazione carico-spostamento non è lineare e la suddetta rigidezza caratteristica può essere definita dal modulo secante ad un certo

Per valutare l’effetto della deformazione, dei movimenti e dei vincoli possibili nel sistema strutturale, è necessaria la conoscenza dello spostamento che sviluppa nelle connessioni strutturali quando esse sono caricate. In caso di carico eccessivo, dovuto ad esempio ad una azione accidentale, è più desiderabile un comportamento duttile delle stesse.

I parametri “capacità di deformazione” e “duttilità” sono spesso fraintesi e confusi.

La capacità di deformazione di una connessione è riferita al massimo spostamento che è possibile avere prima del totale degrado della stessa, ma niente altro dice circa la forma della relazione carico spostamento.

La duttilità è la capacità della connessione di sostenere grandi deformazioni plastiche senza una sostanziale riduzione della forza che è sopportata. Essa è spesso espressa dal fattore di duttilità µ:

y u u_max = µ (2.1) dove: = max

u deformazioni massima senza una sostanziale riduzione della forza resistente

=

y

u deformazione quando un comportamento plastico è sopraggiunto. Vari parametri descriventi le deformazioni possono essere usati per determinare il fattore di duttilità, tra cui: gli spostamenti, le rotazioni, gli scorrimenti, le deformazioni e le curvature. Il fattore di duttilità dà indicazioni circa la forma della curva carico-spostamento, ma non circa la capacità di deformazione. Le connessioni possono avere diverse capacità deformative e al contempo la stessa duttilità.

Comunque, il fattore di duttilità è una misura alquanto primitiva per esprimere la duttilità, da esso è infatti anticipato che la relazione carico-spostamento è idealmente elasto-plastica.

Per generali relazioni carico-spostamento non lineari ci saranno difficoltà nel definire le deformazioni caratteristiche u_ye u_maxin quanto non

possono essere determinate in modo preciso dalle curve.

Il parametro energia di deformazione relativa ξ

( )

u è proposto come una misura più generale per esprimere numericamente la duttilità. Questo parametro può facilmente essere definito per alcuni tipi di relazione carico-spostamento.

L’energia di deformazione Wint, che è consumata quando la

connessione è deformata, corrisponde all’area racchiusa dalla curva carico-spostamento.

Per ogni valore dello spostamento “u”, l’energia di deformazione può essere espressa come:

( )

=

_∫

( )

u du u S u W 0 int (2.2)

Per lo stesso spostamento “u”, l’energia di deformazione relativa è definita come:

( )

( )

u S u W u ⋅ = max int ξ (2.3) L’espressione precedente è il rapporto tra la forza media applicata durante lo spostamento “u” e la massima resistenza Smax.

Questo rapporto determinato per lo spostamento ultimo u_u(capacità di deformazione), definisce l’energia di deformazione finale o la capacità di energia di deformazione ξ

( )

u_u

( )

( )

u u u u S u W u ⋅ = max int ξ (2.4) La capacità di energia di deformazione relativa avrà sempre un valore tra:

( )

1,0

0≤ξ u_u ≤ (2.5) Si avrà:

un ideale comportamento plastico per ξ

( )

uu =1, un ideale comportamento elastico per ξ

( )

uu =0,5

Il più alto valore del rapporto ξ

( )

u_u rappresenta la più alta duttilità della connessione considerata.

Tipicamente, nelle connessioni con un comportamento fragile la rottura si ha subito dopo che è stata raggiunta la massima resistenza sopportata, mentre i tipi di connessione duttili possono rompersi con l’arresto della deformazione dopo l’allungamento sotto la resistenza corrispondente allo snervamento. Questo è un comportamento molto favorevole in casi di sovraccarico da forze di vincolo.

Dovuto al comportamento duttile, la resistenza viene ancora conservata anche dopo alcune deformazioni plastiche. In casi di azioni accidentali, fuoco etc. le deformazioni plastiche dovute al sovraccarico rendono possibile avere una favorevole ridistribuzione di forze.