Come identificare la rigidezza dei tamponamenti in strutture intelaiate mediante analisi inversa

I tamponamenti nella modellazione di strutture intelaiate in calcestruzzo o in acciaio: ecco una procedura  per la valutazione della rigidezza effettiva dei tamponamenti  

È ben noto ormai che i tamponamenti, per azioni sismiche corrispondenti a Stati Limite di Operatività o di Danno, giocano un ruolo spesso determinante nel comportamento dinamico di strutture intelaiate, sia in calcestruzzo armato che in acciaio, soprattutto quando introducono significative irregolarità in pianta o in altezza.
I tamponamenti possono essere introdotti nella modellazione mediante elementi di rigidezza equivalente, ad esempio bielle, al fine di valutare l’effettiva rigidezza della struttura. Nonostante in letteratura siano proposte diverse formulazioni basate su prove di laboratorio, le condizioni di posa e di realizzazione delle tamponature possono influire sulla effettiva rigidezza del sistema telaio-tamponamento, soprattutto quando si valuta il comportamento di edifici esistenti per i quali le incertezze sono più significative.

Questo studio presenta una procedura per la valutazione della rigidezza effettiva dei tamponamenti mediante l’identificazione sperimentale delle caratteristiche modali dell’edificio, la definizione di opportuni modelli meccanici per struttura e tamponamenti e l’utilizzo di un avanzato algoritmo evolutivo per calibrare la rigidezza del tamponamento sulla base delle quantità sperimentali identificate.

Nella memoria vengono presentati i risultati delle analisi condotte su telai multipiano al fine di indagare la variabilità dei risultati ottenuti in funzione dell’incertezza dei parametri modali della struttura.

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Fin dai primi anni ‘60 numerosi ricercatori si sono interessati allo studio degli effetti delle pareti di tamponamento sui telai al fine di comprendere e stimare gli effetti di irrigidimento dati dalle pareti stesse sulla struttura. La presenza di queste ultime, normalmente non inserite nei modelli di calcolo, può provocare irregolarità in pianta o in altezza e quindi produrre modifiche nel comportamento dinamico, con variazioni nella distribuzione dell’effetto dell’azione sismica sulla struttura o effetti locali su singoli elementi strutturali (tipicamente i pilastri). Inoltre, per le verifiche allo Stato Limite di Operatività o di Danno risulta spesso determinante il ruolo delle pareti di tamponamento e la loro presenza difficilmente può essere ignorata.

Nei casi in cui è opportuno inserire i tamponamenti nel modello numerico, si possono adottare principalmente due diverse strategie di modellazione: la micro-modellazione oppure la macro-modellazione. Visto l’onere computazionale previsto dalla prima tipologia, che richiede di modellare gli elementi malta e mattone e assegnarne le opportune leggi costitutive e di interfaccia, solo la seconda ha interesse allo stato pratico per lo studio di strutture reali. In questo secondo approccio gli elementi di tamponamento vengono modellati come bielle o sistemi di bielle monodimensionali equivalenti.

Negli anni sono stati proposti diversi macro-modelli di tamponatura da vari ricercatori (Crisafulli et al., 2000; Asteris et al., 2011; Tarque et al., 2015), ma rimangono, tra i modelli proposti, discordanze riguardanti la caratterizzazione della rigidezza di tamponature con aperture e numerose incertezze legate all’effetto che i carichi verticali producono sul comportamento orizzontale di tali pareti. Inoltre, la modalità di posa ed i dettagli costruttivi (la sigillatura con malta all’interfaccia tra muratura e telaio, la posa del tamponamento antecedentemente al getto della trave superiore, ecc) possono determinare un’interazione più o meno importante con il telaio che difficilmente può essere tenuta in conto in modo analitico diretto.

La strada preferibile per la valutazione non distruttiva delle principali caratteristiche di strutture tamponate esistenti è quindi l’applicazione di tecniche di identificazione dinamica associata alla calibrazione di opportuni modelli numerici in modo da minimizzare la differenza tra le caratteristiche dinamiche della struttura reale ed il modello di simulazione.

Le strategie di minimizzazione, presenti in letteratura, sono molteplici e quasi tutte si basano sulla definizione di una specifica funzione obiettivo da rendere minima, mediante una procedura iterativa di ottimizzazione. Nei problemi associati all’identificazione dinamica, la funzione obiettivo è tipicamente ottenuta come somma pesata dei residui sulle frequenze e sulle deformate modali (Teughels e De Roeck, 2005; Savoia e Vincenzi, 2008; Vincenzi e Savoia, 2015). La scelta del fattore peso da associare a ciascuno dei residui determina risultati differenti e tale scelta quindi riveste un ruolo strategico per la buona riuscita del processo di calibrazione delle caratteristiche meccaniche del sistema (Forghieri et al., 2017).

La procedura di identificazione che viene proposta nel presente lavoro mira a superare alcune delle problematiche attualmente presenti dati in input (frequenze e componenti della forma modale).

Descrizione della metodologia di identificazione della rigidezza dei tamponamenti

Nel seguito si descrive la procedura di identificazione e calibrazione della rigidezza delle bielle; i casi studio esaminati sono descritti nel capitolo 3 e nel capitolo 4 sono riportati i risultati ottenuti. 

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Articolo tratto dagli Atti del XVII Convegno ANIDIS 2017 - Pistoia
Si ringrazia l'ANIDIS per la gentile collaborazione.