Capitolo 3:
Il progetto delle connessioni strutturali
3.1 Introduzione
Il compito principale 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.
3.2 La concezione delle connessioni a secco
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.
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.
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.
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
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.
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 connessione con accorgimenti scorrevoli o realizzare una cerniera.
3.3 Connessioni e 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 Figura 3.1. La massima resistenza (Smax) e la rigidezza (K = S/u) nello stato ultimo di servizio sono di
Figura 3.1 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 appropriato livello di carico.
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
:umax =
=
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 uye umaxin 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:
( )
=∫
( )
udu
u
S
u
W
0 int (3.2)Per lo stesso spostamento “u”, l’energia di deformazione relativa è definita come:
( )
( )
u S u W u ⋅ = max intξ
(3.3) 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 uu(capacità di deformazione), definisce l’energia di deformazione finale o la capacità di energia di deformazione
ξ
( )
uu( )
( )
u u u u S u W u ⋅ = max intξ
(3.4) La capacità di energia di deformazione relativa avrà sempre un valore tra:( )
1,00≤
ξ
uu ≤ (3.5) Si avrà:un ideale comportamento plastico per
ξ
( )
uu =1,un ideale comportamento elastico per
ξ
( )
uu =0,5Il più alto valore del rapporto
ξ
( )
uu rappresenta la più alta duttilità della connessione considerata.Figura 3.2 Esempio di come la capacità di energia di deformazione dipende
dalla forma della relazione carico-spostamento
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.
3.4 Connessioni e principio di Capacity Design
L’applicazione della gerarchia delle resistenze può garantire alle connessioni una resistenza superiore a quella richiesta in base alle capacità dissipative delle sezioni critiche degli elementi contigui. Questo dà affidabilità al modello globale con piena utilizzazione delle risorse duttili degli elementi. Ma l’applicazione di detto criterio non è sempre semplice né scontata.
Per la connessione all’appoggio di una trave su di un pilastro, basta valutare il taglio massimo sul pilastro stesso corrispondente al momento resistente ultimo della sua sezione critica di base per quantificare la forza di progetto con il dovuto margine.
Nel caso di due travi su di un pilastro, pare ragionevole suddividere la stessa forza in ragione delle rispettive masse.
Nel caso di un pilastro continuo di un edificio a più piani, la ripartizione della forza di taglio tra i diversi piani resta un problema iperstatico che dipende anche dai modi di vibrazione della struttura, [10].
Nel caso delle innumerevoli connessioni interne ed esterne di un diaframma di piano, l’applicazione della gerarchia delle resistenze sulla base delle capacità ultime dei pilastri resta un problema di difficilissima soluzione se non anche inconsistente.
Il tema va dunque approfondito per mezzo di opportune indagini parametriche operate attraverso analisi dinamiche su degli assetti tipo.
