CAPITOLO 1: LE STRUTTURE PREFABBRICATE
1.1: LE STRUTTURE PREFABBRICATE
Il concetto di struttura prefabbricata identifica gli edifici la cui maggioranza dei componenti strutturali sono standardizzati e prodotti in impianti specializzati e sucessivamente trasportati nel sito di costruzione per l’assemblaggio. Questi componenti sono realizzati con metodi industriali basati sulla produzione di massa al fine di costruire un grande numero di edifici a basso costo ed in tempi contentuti. Le caratteristiche principali di questa metodologia sono le seguenti:
1) La divisione e la specializzazione della manodopera;
2) L’utilizzo di strumenti e macchinari, solitamente automizzati, per la produzione di elementi standard ed intercambiabili.
In Italia le costruzioni prefabbricate rappresentano, specialmente nel settore industriale, un’ampia fetta del patrimonio industriale. L’abbattimento dei costi e la riduzione dei tempi di realizzazione, requisiti sempre più predominanti sul mercato, sono i punti di forza di questa tipologia strutturale che ne comporta la sua diffusione in costante aumento4. Nel 2002, per esempio, sono stati realizzati circa venti milioni di metri quadri di orizzontamenti prefabbricati e sono presenti, nel territorio nazionale, circa 500 aziende con 20000 addetti5.
FIGURA 2: UNA STRUTTURA PREFABBRICATA A PANNELLI PORTANTI
4A.Barsaglini, Modellazione di una struttura prefabbricata in zona sismica, Tesi di Laurea in
Ingegneria Civile, dell’Ambiente e del Territorio.
5
M.Previdero, Comportamento sismico delle connessioni nelle strutture prefabbricate in C.A., Tesi di Laurea in Ingegneria delle costruzioni civili.
1.1.1 I COLLEGAMENTI NELLE STRUTTURE PREFABBRICATE IN C.A.
Fondamentalmente esistono tre tipologie di strutture prefabbricate in cemento armato: a panelli portanti (figura 2), a telaio (figura 1) ed a portale. Il design, la costruzione e le performance delle strutture prefabbricate sono sostanzialmente influenzati dal comportamento dei suoi collegamenti che, nella strutture a telaio, sono comunemente quelli trave/colonna. Nelle strutture prefabbricate, i collegamenti possono essere definiti come il sistema per collegare degli elementi prefabbricati tra di loro o, in alternativa, a collegare un elemento prefabbricato ad un elemento strutturale gettato in opera, in acciaio od in muratura. I collegamenti possono essere trave/colonna, colonna o parete/fondazione, pannello/pannello.
FIGURA 3: PARTICOLARE DI COLLEGAMENTO PREFABBRICATO
Per svolgere il suo compito, il collegamento deve essere in grado di trasmettere momento, taglio, sforzo normale e torsione (singolarmente o in una loro combinazione) risultanti dalle azioni date dai pesi permanenti e variabili che includono il carico di esercizio, il carico neve, il carico vento, quello dovuto alle deformazioni termiche, al terremoto e altri carichi risultanti dalle procedure di costruzione.
I collegamenti influenzano la metodologia di costruzione, la durabilità, la flessibilità, la forza e la stabilità, in aggiunta, ricoprono un ruolo fondamentale nella dissipazione di energia e nella ridistribuzione dei carichi agenti sulla struttura. Per quanto visto fino adesso è chiara l’importanza che assumono i collegamenti, in quanto il corretto funzionamento delle strutture prefabbricate in cemento armato, dipende dal loro comportamento6.
FIGURA 4: COLLEGAMENTO PER PREFABBRICATI ROMTECH
6
Ling Tieng Kooi, Behaviour Of Precast Concrete Beam To Column Connection With Hidden Corbel, disponibile su: http://www.efka.utm.my/thesis/default2.asp?active_page_id=128
1.1.2 LE STRUTTURE PREFABBRICATE IN C.A IN ZONA SISMICA
L’utilizzo e lo sviluppo di strutture in cemento armato prefabbricato in zone sismiche ha fino ad ora sofferto, a livello internazionale, della limitata conoscenza delle prestazioni di tale tipologia costruttiva sotto l’effetto di azioni sismiche, nonché della mancanza di adeguate normative nei codici progettuali. Gli eventi sismici che hanno colpito paesi europei negli ultimi anni hanno evidenziato l’elevata vulnerabilità di edifici industriali in prefabbricato, realizzati, come tipico anche della pratica costruttiva italiana, con schemi isostatici, in cui gli elementi trave sono semplicemente appoggiati, o incernierati, sulla sommità dei pilastri, incastrati a terra con schema a mensola.
FIGURA 5: CROLLO DI UN PARCHEGGIO ALLA CALIFORNIA STATE UNIVERSITY A SEGUITO DEL SISMA DEL 1994.
L’assenza di uno schema a telaio comporta inevitabilmente una notevole deformabilità del sistema, con potenziale danneggiamento di parti strutturali e non strutturali interne ed esterne. Inadeguate lunghezze d’appoggio delle travi sulle mensole dei pilastri possono condurre a collassi parziali o totali per effetto a catena, data la limitata ridondanza dello schema strutturale7.Tutto ciò ha portato un attenzione maggiore alle tematiche della sicurezza su tutti i livelli, a partire dalle normative. La tendenza dei maggiori codici di progettazione internazionale è quella di consentire l’utilizzo di opere in prefabbricato in zone sismiche purché il comportamento strutturale sia del tutto analogo a quello di una struttura equivalente in c.a. gettato in opera, a patto che studi dettagliati, basati su prove sperimentali ed analitiche, comprovino una soddisfacente prestazione sismica del sistema alternativo. Tale approccio prevede l’utilizzo di elementi strutturali prefabbricati con getto in opera, anche solo parziale, di completamento come nel caso del “Sistema K” della Toscana Soltravi.
7
Stefano Pampanin, progettazione sismica di edifici in c.a. prefabbricato, disponibile su: http://ir.canterbury.ac.nz/bitstream/10092/198/1/12587525_Main.pdf
1.2 PREFABBRICATI TOSCANA SOLTRAVI
La Toscana Soltravi opera nel settore delle strutture industrializzate in calcestruzzo armato fino dal 1973, con l’utilizzo del brevetto denominato “Sistema K” messo a punto dal fondatore dell’azienda Ing. Sergio Borghi.
1.2.1 SISTEMA K
Il “Sistema K” è attualmente il più diffuso sistema di prefabbricazione a telai ad armatura lenta in Italia. Tale procedimento di prefabbricazione si caratterizza di un certo numero di elementi prodotti nel cantiere di prefabbricazione, assemblati in cantiere attraverso nodi strutturali realizzati con armature integrative e getti di completamento in opera. La caratteristica principale del procedimento costruttivo K è la completa progettabilità dei componenti, dei giunti di costruzione e delle armature necessarie da cui ne deriva una notevole flessibilità di impiego.
PRODUZIONE
Caratteristica del sistema K è il duplice metodo di produzione: dinamico e statico. Il metodo di prefabbricazione dinamico è riservato alla produzione dei componenti elementari travi e pilastri. La linea dinamica utilizza una pista a getto continuo sulla quale si muovono dei fondini in acciaio. I fondini ricevono e trasportano, per successive lavorazioni, le armature degli elementi da produrre e i componenti finiti dopo il getto.
Le operazioni di getto finale e di immediato sformo con calcestruzzo a basso rapporto acqua/cemento avvengono con l’utilizzo di una macchina vibrante e precedono la fase di essiccazione e sformo che è completata in circa 6 ore. Sulla pista è costantemente applicata la verifica dei tempi e metodi con aggiornamenti periodici e i controlli previsti dal piano qualità. I controlli permettono l’individuazione e correzione di eventuali anomalie dimensionali o di armatura. La prefabbricazione statica è invece riservata alla produzione di tutti gli altri elementi ed è eseguita prevalentemente su banchi piani, casseri verticali e a ribaltamento. Il getto ha carattere ciclico giornaliero ed è preceduto dalle fasi di disarmo, pulizia, applicazione del disarmante e posizionamento delle armature.
I componenti sono controllati singolarmente in qualità in fase di realizzazione, dopo la maturazione e lo sformo. Al processo di produzione del calcestruzzo negli impianti aziendali sono applicati i controlli previsti dal FPC aziendale e dalla normativa vigente mediante il prelievo di campioni cubici. L’azienda dispone di un laboratorio interno per le prove sui materiali e sui prodotti realizzati e si avvale di laboratori esterni per la certificazione delle prove.
MATERIALI
I materiali utilizzati e realizzati in stabilimento per la produzione dei componenti prefabbricati rispondono alle normative tecniche in vigore e sono costantemente verificati nel laboratorio prove interno attraverso le procedure di controllo definite dal Sistema Qualità Toscana Soltravi.
ARMATURE
- Armature correnti
Le armature correnti sono realizzate con acciai ad aderenza migliorata B450 C tempcore di tipo saldabile.
- Staffature
Le staffature sono realizzate con acciai aventi le stesse caratteristiche meccaniche delle armature correnti.
- Acciai semilavorati
CONGLOMERATO
Il conglomerato degli elementi prefabbricati offre qualità di resistenza superiori a quelle ottenute sui cantieri sia per le qualità dei prodotti base, sia per il controllo costante eseguito durante il confezionamento in centrale di dosaggio e sia per le modalità di vibrazione nei casseri. Il ritmo di betonaggio giornaliero impone caratteristiche di resistenza del conglomerato a 6-15 ore elevate (12-15 N/ mm2) per poter effettuare senza danni le operazioni di sformo e stoccaggio. Il processo di produzione del calcestruzzo è realizzato conformemente alle direttive della norma UNI EN 206-1:2001 e definito nelle procedure aziendali del sistema Qualità. Saggi preliminari in corso di produzione e saggi definitivi per ogni commessa sono programmati in conformità al testo unico per l’edilizia e vengono effettuati regolarmente dal nostro laboratorio interno in collaborazione con i Laboratori Ufficiali al fine di verificare la costanza di qualità del conglomerato stesso.
Per il confezionamento del calcestruzzo vengono utilizzati i seguenti componenti:
- CEMENTO: portland classe 52,5 R conforme alla norma EN 197-1 - AGGREGATI: conformi alla norma EN 12620.
Aggregato grosso D=5.6/11.2 mm. Aggregato fine D=0/2 mm; - ACQUA: conforme alla norma EN 1008;
- ADDITIVI: superfluidificanti a base policarbossilati eteri di seconda generazione conformi alla norma EN934-2.
L’azienda certifica una resistenza caratteristica media per il calcestruzzo prodotto in stabilimento pari a C40 per una classe di esposizione standard XC4 e consistenza S1 per la linea dinamica e S5 per la linea statica.
1.3 QUADRO NORMATIVO
In Italia la normativa vigente sono le Norme Tecniche Per le Costruzioni del 14-01-2008 e la loro circolare applicativa del 02-02-09. Queste norme hanno introdotto, per la prima volta nel nostro paese, l’obbligo di progettare secondo la gerarchia delle resistenze per le strutture in zona sismica, metodo che impone di progettare per cui si abbia un meccanismo di rottura duttile. In questa sezione della tesi saranno esposti alcuni tra gli aspetti principali delle NTC08 che riguardano le strutture in cemento armato prefabbricato in zona sismica.
Nella sezione 7.4.5 delle NTC08, in linea con la sezione 10 del Eurocodice 2, che tratta di costruzioni in cemento armato in zona sismica, vengono stabilite indicazioni, in aggiunta a quelle per costruzioni in cemento armato ordinario, riguardanti gli elementi e le strutture prefabbricati in calcestruzzo armato e calcestruzzo armato precompresso, queste prescrizioni sono aggiuntive a quelle contenute nei precedenti capitoli e non una loro sostituzione.
1.3.1 TERMINOLOGIA
Nelle NTC08 e nell’Eurocodici sono spesso citati termini specifici riguardanti gli elementi prefabbricati, si riportano alcune definizioni contenute nel paragrafo 10.1.1 – Eurocodice 2 utili per la lettura:
- Elemento prefabbricato: elemento realizzato in uno stabilimento o in un luogo diverso dalla posizione finale, protetto nei confronti degli agenti atmosferici;
- Prodotto prefabbricato: elemento prefabbricato prodotto in conformità ad una specifica norma CEN;
- Elemento composto: elemento che comprende una parte prefabbricata di calcestruzzo e una porzione di calcestruzzo gettata in opera; la parte
prefabbricata può essere o può o non essere dotata di armature di collegamento;
- Elemento prefabbricato isolato: elemento prefabbricato per il quale, al collasso, non è presente alcun altro schema resistente atto a riportare i carichi sugli altri elementi strutturali;
- Situazioni transitorie: la situazione transitorie nella costruzione di elementi prefabbricati che includono: la sformatura, il trasporto a stoccaggio, lo stoccaggio, il trasposto al cantiere, il sollevamento, l’assemblaggio8.
1.3.2 GERARCHIA DELLE RESISTENZE
Per le costruzioni prefabbricate in zona sismica, viene applica, come per le strutture in cemento armato ordinario, la gerarchia delle resistenze. Per gerarchia delle resistenze, o capacity design come spesso citato nella letteratura tecnica americana, si intende l'insieme di regole da seguire nella progettazione degli elementi strutturali ( travi, pilastri, nodi) in base al comportamento e all'importanza che essi assumono nella costruzione. Si cerca cioè di sfruttare la duttilità degli elementi favorendo i meccanismi che possano sfruttare tale proprietà, come la flessione, rispetto ad altri meccanismi di rottura di tipo fragile, come il taglio. Inoltre si vuole che i nodi trave/pilastro rimangono sempre nel campo elastico, mentre si preferisce la rottura di elementi trave rispetto ai pilastri, che hanno un comportamento meno duttile, per evitare il collasso della struttura.9
8
Antonello Gasperi ,AICAP Progettazione di strutture in calcestruzzo armato, Edizione Pubblicemento 2008, Pag:381;
9
Le normative prendono in considerazione due livelli di capacità dissipativa: - Classe di duttilità alta (CD “A”)
- Classe di duttilità bassa (CD “B”)
In funzione del livello di duttilità che si vuole conseguire variano le modalità della gerarchia delle resistenze e l’entità dell’azione sismica di progetto (regola del fattore di struttura).10
FATTORE DI STRUTTURA
Per la determinazione delle azioni sismiche in base alle quali valutare il rispetto degli stati limite ultimi al fine del progetto o della verifica di una struttura, il fattore di struttura q è un fattore di riduzione che permettere di ottenere gli spettri di progetto, da quelli degli spettri di risposta elastici. Il fattore di struttura q definito dalla formula:
= dove:
- è il valore della forza agente nel caso di comportamento elastico lineare; - è il valore della forza di snervamento oltre il quale inizia il
comportamento plastico della struttura.
Il fattore di struttura pertanto rappresenta il rapporto tra la risposta della generica struttura in campo elastico lineare e la sua effettiva risposta in campo elastoplastico11. Il fattore di struttura q è definito dalla formula = ∙ dove q dipende dalla tipologia strutturale e KR dipende dalla regolarità in altezza della
struttura. Nel punto 7.4.3.2 delle NTC 08 è definito il valore di in considerazione della tipologia strutturale.
10 D.Sabia, D.Ribella, Tipologie strutturali e fattori di struttura, disponibile su:
http://www.regione.piemonte.it/protciv/pubblicazioni/dwd/new/rivella/vco/sr_vco_tstru.pdf
Al punto 7.4.5.1 viene dato il valore di per tipologie strutturali tipiche dei sistemi prefabbricati:
Nel caso che non venga effettuata un’analisi non lineare il coefficiente αu/αI, che è
il rapporto tra il coefficiente di amplificazione della forza sismica che porta al collasso la struttura e il coefficiente di amplificazione della forza sismica che porta alla formazione della prima cerniera plastica, può assumere questi valori:
a) Strutture a telaio o miste equivalenti a telai:
- strutture a telaio di un piano = 1,1
- strutture a telaio con più piani ed una sola campata = 1,2
- strutture a telaio con più piani e più campate = 1,3
b) Strutture a pareti o miste equivalenti a pareti:
- strutture con solo due pareti non accoppiate per direzione orizzontale = 1,0
- altre strutture a pareti non accoppiate = 1,1
- strutture a pareti accoppiate o miste equivalenti a pareti = 1,2
Le NTC2008 in seguito riportano, nel §7.4.5.2, delle indicazioni sui collegamenti, in caso di mancato rispetto di queste ultime il fattore di struttura deve essere diminuito del 50%. Il “Sistema k” della Toscana Soltravi è un sistema a telai
prefabbricati monolitici realizzati con getti integrativi che danno continuità di forze e momenti, a emulazione delle strutture gettate in opera (figura 9).
FIGURA 9: STRUTTURE A TELAIO CON COLLEGAMENTI MONOLITICI
Poiché tale sistema di prefabbricazione prevede connessioni pilastro-pilastro all’interno della zona critica (al nodo), nel §7.4.5.3 viene imposta la progettazione in Classe di duttilità bassa. Volendo studiare il comportamento dei campioni nella situazione più gravosa vale a dire al massimo spostamento di progetto, si è calcolato il qo per strutture a telaio con più piani e più campate calcolato in classe
di duttilità bassa:
= 1,3 ∙ 3,0 = 3,9 ( 4,0)
Nelle prove si è quindi preparata una storia di carico che imponesse l’abbassamento degli estremi della trave di un valore pari allo spostamento di snervamento dy moltiplicato per il valore . Per maggiori informazioni sulle
La gerarchia delle resistenze varia dunque in maniera significativa la progettazione degli elementi di costruzioni in cemento armato in zona sismica, l'iter prevede questo ordine di dimensionamento:
- flessione delle travi; - taglio delle travi; - flessione dei pilastri; - taglio dei pilastri;
- nodo (solo per la classe di duttilità alta).
Vediamo adesso come calcolare le sollecitazioni per strutture prefabbricate Toscana Soltravi che sono progettate in classe di duttilità bassa.
SOLLECITAZIONI NELLE TRAVI
“Al fine di escludere la formazione di meccanismi inelastici dovuti al taglio, le
sollecitazioni di taglio di calcolo VEd si ottengono sommando il contributo dovuto ai
carichi gravitazionali agenti sulla trave, considerata incernierata agli estremi, alle sollecitazioni di taglio corrispondenti alla formazione delle cerniere plastiche nella
trave e prodotte dai momenti resistenti Mb,Rd,1,2 delle due sezioni di
plasticizzazione (generalmente quelle di estremità) determinati come indicato in §
4.1.2.1.2, amplificati del fattore di sovraresistenza γRd assunto pari,
rispettivamente, ad 1,20 per strutture in CD”A”, ad 1,00 per strutture in CD”B”. Per ciascuna direzione e ciascun verso di applicazione delle azioni sismiche, si considerano due valori di sollecitazione di taglio, massimo e minimo, ipotizzando rispettivamente la presenza e l’assenza dei carichi variabili e momenti resistenti
Mb,Rd,1,2, da assumere in ogni caso di verso concorde sulla trave 12.”
I momenti flettenti e le azioni assiali sono quindi determinati dall’analisi, mentre il taglio è calcolato applicando la gerarchia delle resistenze, scrivendo l’equilibrio limite della trave utilizzando i momenti di estremità (figura 10): Il taglio è quindi
valutando attraverso la semplice sovrapposizione degli effetti e varia linearmente lungo la trave. Si riportano i valori del taglio alle estremità delle travi in oggetto, per travi in CD “B”, il coefficiente di sovra-resistenza γRd vale 1.
FIGURA 10: CALCOLO DEL TAGLIO DI PROGETTO
SOLLECITAZIONI NEI PILASTRI
“Per ciascuna direzione e ciascun verso di applicazione delle azioni sismiche, si devono proteggere i pilastri dalla plasticizzazione prematura adottando opportuni momenti flettenti di calcolo; tale condizione si consegue qualora, per ogni nodo trave-pilastro ed ogni direzione e verso dell’azione sismica, la resistenza complessiva dei pilastri sia maggiore della resistenza complessiva delle travi
amplificata del coefficiente γRd, in accordo con la formula13.”
FIGURA 11: EQUILIBRIO DEI MOMENTI AL NODO
, ≥ ,
dove:
-∑ , è la somma dei momenti resistenti di progetto dei pilastri che convengono al nodo, calcolati per i livelli di sollecitazione assiale presente nelle combinazioni sismiche;
-∑ , è la somma dei valori di progetto dei momenti resistenti delle travi che convergono al nodo;
- = 1,1 per strutture progettate in CD “B”.
L’azione assiale è quindi calcolata dall’analisi, mentre, al fine di evitare meccanismi di piano debole, il momento flettente è calcolato mediante la gerarchia delle resistenze con la filosofia di avere la colonna forte e trave debole.
“Al fine di escludere la formazione di meccanismi inelastici dovuti al taglio, le sollecitazioni di taglio da utilizzare per le verifiche ed il dimensionamento delle armature si ottengono dalla condizione di equilibrio del pilastro soggetto all’azione
dei momenti resistenti nelle sezioni di estremità superiore Msc,Rd ed inferiore Mic,Rd
secondo l’espressione14.”
= γ ∙M , + M , l Dove:
- γ = 1,1 per strutture progettate in CD”B”;
- M , è il momento massimo resistente della sezione superiore della colonna;
- M , il momento massimo resistente della sezione inferiore della colonna; - l è la lunghezza del pilastro.
1.3.3 COLLEGAMENTI
I collegamenti tra gli elementi prefabbricati condizionano in modo sostanziale il comportamento statico dell’organismo strutturale e la sua risposta sismica. Le Norme Tecniche per le Costruzioni 2008 pongono particolare attenzione a riguardo alla progettazione e i particolari costruttivi riguardanti i collegamenti.
Per giunzioni non monolitiche, come quelle dei prefabbricati Toscana Soltravi, la normativa stabilisce diversi criteri di dimensionamento. Le tre categorie sono le seguenti:
a) collegamenti situati al di fuori delle previste zone critiche, che quindi non influiscono sulle capacità dissipative della struttura;
b) collegamenti situati nelle zone critiche alle estremità degli elementi prefabbricati ma sovradimensionati in modo tale da spostare la plasticizzazione in zone attigue situate all’interno degli elementi;
c) collegamenti situati nelle zone critiche alle estremità degli elementi prefabbricati, dotati delle necessarie caratteristiche in termini di duttilità e di quantità di energia dissipabile.
Il “Sistema K” rientra nella categoria C e le NTC08 danno indicazioni sulle metodologie per valutare l’idoneità delle giunzioni:
“L’idoneità di giunzioni atte a realizzare il meccanismo plastico previsto per le strutture a telaio ed a soddisfare le richieste globali e locali di duttilità ciclica nella misura corrispondente alle CD “A” e “B” può essere desunta da normative di comprovata validità oppure da prove sperimentali in scala reale che includano
almeno tre cicli completi di deformazione di ampiezza corrispondente al fattore di
struttura q , effettuate su sotto-insiemi strutturali significativi15.”
Una volta dimostrato che il collegamento è equivalente a quello di uno interamente realizzato in opera e che soddisfi le prescrizioni di cui al § 7.4.4, la struttura è assimilabile a una di tipo monolitico e quindi può essere progettata nel medesimo modo.
