… al tempo, ché, spero, mi darà ragione; ma, soprattutto, alla mia famiglia, con affetto!
Introduzione
La presente Tesi ha per oggetto la caratterizzazione sperimentale del comportamento meccanico dei collegamenti impiegati nelle strutture prefabbricate in c.a., ed in particolare del comportamento sismico delle connessioni fra elementi prefabbricati di copertura di grande luce (tegoli binervati tipo TT) e travi principali in strutture prefabbricate in cemento armato.
Il lavoro sviluppato presso l’Università di Pisa si inserisce in un programma sperimentale di ricerca finanziato dall’Associazione italiana dell’industria di prefabbricazione Assobeton, che è stato svolto con il coordinamento del Prof. G. Toniolo del Politecnico di Milano ed in collaborazione con le Università di Firenze, di Udine, di Bologna, di Molise e di Napoli.
La ricerca si prefigge l’intento di costituire una sorta di approfondimento specifico relativo al comportamento, anche in campo dinamico, delle connessioni tegolo-trave, cosicché lo studio è stato dedicato all’investigazione del comportamento sotto sisma di alcune connessioni tipiche, caratterizzandole in termini di duttilità, capacità dissipativa e resistenza a fatica oligociclica, sì da individuare soluzioni ottimali per i nodi e le unioni delle strutture prefabbricate, dando pratica applicazione ai criteri di duttilità e di gerarchia delle resistenze (Capacity Design), tipici dei moderni approcci progettuali in zona sismica. Il problema è di grande attualità perché tali soluzioni sono adottate in misura crescente, oltre che nel tradizionale settore degli edifici industriali monopiano, anche per la realizzazione di edifici polifunzionali e residenziali multipiano.
È da evidenziare, peraltro, che, benché il comportamento ciclico delle giunzioni e le relative proprietà meccaniche condizionino fortemente l'esito della progettazione strutturale sotto sisma, le informazioni disponibili in letteratura al riguardo sono generalmente limitate e spesso limitate a specifici dispositivi, spesso coperti da brevetti.
Il montaggio di questo tipo di edifici è realizzato prevalentemente "a secco". Le soluzioni ricorrenti, infatti, prevedono la realizzazione della copertura mediante elementi lineari appoggiati su travi prefabbricate, a loro volta collegate a pilastri a tutta altezza, anch’essi prefabbricati, incastrati alla base. Lo schema statico che si
ottiene è caratterizzato pertanto dall’assenza di quella solidarietà tra gli elementi, che in altre soluzioni strutturali è garantita da getti di completamento o armature passanti.
Naturalmente, il comportamento sismico di questa tipologia di struttura prefabbricata presenta aspetti peculiari [1] e [2], anche perché il collasso sotto azioni sismiche è stato spesso originato dalla crisi dei collegamenti [2].
La conoscenza sperimentale del comportamento oligociclico delle unioni fra i diversi elementi strutturali diventa perciò essenziale sia per la previsione della risposta indotta dalle azioni sismiche di progetto sia per la determinazione di un appropriato fattore di struttura.
Il programma sperimentale della ricerca in cui il presente studio si inserisce è stato studiato in modo da coprire le tipologie di unione a secco maggiormente ricorrenti nelle costruzioni prefabbricate, adottando un apposito protocollo di prova.
Le connessioni studiate appartengono a cinque diverse classi, di seguito indicate:
1. connessioni tegolo-tegolo; 2. connessioni tegolo-trave; 3. connessioni trave-pilastro;
4. connessioni pannelli di tamponamento-pilastri/travi; 5. connessioni pilastri-plinti di fondazione.
In particolare, sono state esaminate le più diffuse tipologie di connessioni con riferimento ai principali ordini di unioni presenti in una struttura prefabbricata, valutando in primo luogo i livelli di resistenza e duttilità nel loro tipico funzionamento ed i parametri di rigidezza necessari per la loro rappresentazione nell’ambito dei modelli globali di analisi strutturale.
Oggetto della presente Tesi è lo studio sperimentale delle unioni del secondo ordine, ovvero le unioni tra elementi di copertura e travi portanti, unioni che forniscono i vincoli perimetrali del diaframma di piano destinati a trasferire le azioni orizzontali indotte dal sisma. Quanto detto riguarda tutti i tipi di solaio e copertura, sia quelli con elementi affiancati solidarizzati da una soletta gettata in opera o reciprocamente collegati con connessioni puntuali, sia quelli di copertura distanziati dalla interposizione di lucernari.
Per questo ordine di unioni è stato esaminato un tipo di connettore largamente impiegato nella pratica costruttiva, costituite da dispositivi metallici
ancorati alle parti della struttura in c.a. da connettere, verificandone il comportamento per via sperimentale ed introducendo una serie di interventi correttivi volti ad ottimizzarne il comportamento sismico.
La campagna sperimentale svolta su campioni di giunzioni al vero è stata articolata secondo due fasi, individuate come:
- fase preliminare (prima fase) e
- indagine sulle connessioni tegolo-trave (seconda fase); ed è consistita in prove monotone e cicliche, spinte fino a rottura.
Gli assetti di prova, le storie di carico e i parametri di valutazione dei dati acquisiti, sono stati preliminarmente stabiliti mediante protocolli di prova armonizzati e concordati con le altre unità operative, anche sulla base delle pertinenti indicazioni bibliografiche e normative, in modo da ottenere risultati quanto più possibile generali e coerenti con i metodi dell’analisi strutturale.
Nella prima fase della ricerca è stata individuata una tipologia di connessione particolarmente rappresentativa nell’industria della prefabbricazione, su cui sono state svolte due serie di prove sperimentali, di cui una indicata come longitudinale, l’altra come trasversale, tese specificamente a caratterizzare e ad ottimizzare il comportamento dei dispositivi metallici di connessione, soggetti a sollecitazioni statiche e cicliche spiranti secondo la direzione dell’asse del tegolo (prove longitudinali) o, in alternativa, secondo la direzione dell'asse della trave di banchina (prove trasversali).
Nella seconda fase, il programma generale della ricerca è stato indirizzato a caratterizzare in maniera compiuta il comportamento delle unioni, estendendo la sperimentazione a campioni rappresentativi della situazione effettiva d’impiego, in cui i dispositivi di collegamento, ottimizzati nella fase preliminare, sono stati associati a porzioni di elementi in cemento armato.
I dati sperimentali raccolti sono serviti alla qualificazione meccanica del dettaglio e dei suoi elementi componenti ed hanno consentito non solo una prima definizione delle proprietà della connessione in termini di duttilità e di capacità dissipativa, ma anche di ottimizzarne il funzionamento.
Allo stesso tempo, i risultati di cui sopra, sono stati la base per la definizione di un modello agli elementi finiti, elaborato per un edificio caso di studio, monopiano prefabbricato, sul quale sono state condotte analisi numeriche lineari e non lineari.
Una volta effettuato il progetto dell'edificio in esame utilizzando i risultati dell'analisi dinamica lineare con spettro elastico ridotto secondo il fattore q=2.5, prescelto per il tipo di costruzione prefabbricata a pilastri isostatici secondo le indicazioni contenute nelle NTC, si è proceduto ad analizzare la risposta della stessa struttura al sisma di elevata intensità, conducendo l'analisi dinamica non lineare.
Il tutto allo scopo di verificare che l'evoluzione della struttura in campo plastico procedesse effettivamente secondo quanto previsto in fase progettuale, ovvero secondo la gerarchia delle resistenze, e che la struttura fosse in grado di sviluppare una duttilità compatibile con il fattore di struttura, scelto in conformità alle indicazioni della normativa tecnica vigente, ed adottato per l'analisi lineare.
L'individuazione e la quantificazione dei parametri che governano il comportamento dei collegamenti fino al loro stato limite ultimo, nonché la loro caratterizzazione in termini di resistenza, duttilità e capacità dissipativa sono premesse indispensabili per la definizione di un modello locale di comportamento che consenta di valutare al meglio la risposta reale della struttura alle azioni sismiche, tenendo conto sia dell’effettiva rigidezza nel piano della copertura, sia dell’eventuale protezione che la plasticizzazione delle giunzioni garantisce ai pilastri in termini di gerarchia delle resistenze.
