Comportamento strutturale di un sistema innovativo per pareti prefabbricate alleggerite

La prefabbricazione integrale di edifici di media altezza in c.a. è tipicamente realizzata con strutture a grandi pannelli caratterizzate da elevata massa e connessioni non duttili di gravosa esecuzione, che spesso pregiudicano il potenziale di duttilità dei muri e le prestazioni sismiche della struttura.

Un innovativo elemento di parete allegge-rito con canne verticali e collegato puntualmente è stato inventato e brevettato dalla DLC Consulting di Milano e studiato in una collaborazione tra Politecnico di Milano e Università di Pristina. Il comportamento strutturale di tale muro sotto carico laterale è stato studiato attraverso analisi non lineari con elementi a guscio sensibili a danneggiamento. Tali elementi permettono di stimare il profilo di fessurazione atteso e di studiare l’effetto di differenti disposizioni di armatura sul comportamento strutturale dei muri.

Una soluzione innovativa viene proposta per migliorare la duttilità dei muri soggetti a carichi sismici quando vengono significativamente armati contro la rottura a taglio. Un modello semplificato dei muri con elementi “trave” a plasticità diffusa viene inoltre validato attraverso simulazioni dinamiche non lineari confrontate con i risultati sperimentali ottenuti con prove pseudo-dinamiche effettuate su una struttura prefabbricata multipiano in scala al vero dotata dei muri oggetto di studio nel laboratorio ELSA/JRC di Ispra (VA) nell’ambito del progetto di ricerca Safecast.

Un Elemento di muro prefabbricato innovativo, denominato Master®

La memoria presenta lo studio numerico svolto su un elemento di muro prefabbricato innovativo, denominato Master®, sviluppato grazie ad una collaborazione tra DLC Consulting e Politecnico di Milano (Dal lago, 2006).

Tale elemento è stato concepito per resistere ad azioni verticali e laterali in complessi strutturali formati da muri isolati o accoppiati lateralmente attraverso l’attivazione di connessioni meccaniche. La presente memoria si focalizza sul comportamento di un muro isolato soggetto a carichi laterali, indotti da azioni statiche o dinamiche.

La concezione dell’elemento può essere ricondotta allo sforzo internazionale che si sta compiendo in tempi recenti per lo sviluppo di sistemi intelligenti assemblati a secco per una prefabbricazione in calcestruzzo finalizzata all’ottenimento della massima industrializzazione dell’intero processo costruttivo (Dal Lago et al., 2016a).

Sistemi strutturali a pannelli portanti assemblati a secco sono stati e sono tuttora utilizzati in diverse parti del mondo. Tipicamente, i sistemi a grandi pannelli adottati nei paesi dell’Europa orientale e dell’Asia, che rappresentano le aree di principale diffusione, sono basati sull’assemblaggio di pannelli con connessioni fragili, come giunti saldati, che possono compromettere le potenziali capacità di duttilità e dissipazione energetica di tali sistemi (Simeonov et al., 1985 e Sun et al., 2015). Inoltre, la sperimentazione su scala reale delle prestazioni di tali muri a fronte di azioni gravitazionali o laterali riportata in letteratura è scarsa, principalmente a causa della necessità di apparati di sperimentazione di dimensione eccezionale ed ai costi relativi. Muri post-tesi longitudinalmente con cavi non aderenti, sviluppati per basculare rigidamente sotto azione sismica, sono stati sperimentati da Schoettler et al. (2009) e da Perez et al. (2007) in scala al vero, e da Priestley et al. (1999) in scala ridotta. Una sprototipo in scala reale di struttura prefabbricata di tre piani è stato sottopo-sto a prove pseudodinamiche presso il laboratorio ELSA del Centro Comune di Ricerca di Ispra (VA), nell’ambito delle finalità del progetto di ricerca Sa-fecast (FP7-SME-2007-2, Grant agreement No. 218417, 2009 - Toniolo, 2012). Tale prototipo è stato sottoposto a prova in diverse configurazioni strut-turali, inclusa una accoppiata telaio - muri di contro-vento (Negro et al., 2013). I muri di controvento utilizzati sono i medesimi oggetto di studio della presente memoria.

Vi sono diverse tecniche di modellazione numeri-ca non lineare del comportamento strutturale di elementi a pannelli in calcestruzzo armato, incluse metodologie a trave equivalente con macro-elementi e plasticizzazione concentrata (Fischinger et al., 2008, 2012) o con elementi a fibre con plasticizzazione distribuita (Orakcal et al., 2006), e tecniche più sofisti-cate con elementi a guscio. Modelli a danno sono stati utilizzati per cogliere i profili di fessurazione e di deformazione attesi in elementi anche complessi (di Prisco & Mazars, 1996, Ferrara & di Prisco, 2001 e Muhaxheri, 2014).

Una campagna di analisi numeriche non lineari è stata condotta tramite una collaborazione tra Politecnico di Milano e Universtà di Pristina con l’obiettivo di cogliere il comportamento strutturale del muro oggetto di studio quando soggetto a carichi laterali attraverso l’utilizzo di elementi sensibili al danneggiamento. Un muro utilizzato nelle prove sperimentali presso il laboratorio ELSA/JRC è stato scelto come caso studio. Ulteriori analisi numeriche non lineari sono state svolte presso il Politecnico di Milano con una modellazione attraverso elementi beam con l’obiettivo di cogliere il comportamento dinamico non lineare sotto accelerogramma del prototipo sperimentale.

2 MURO OGGETTO DI STUDIO

Il muro oggetto di studio presenta le seguenti innovazioni tecnologico-strutturali:

(a) il muro è notevolmente alleggerito da cavità verticali lasciate dall’estrazione di anime metalliche dopo il processo di maturazione accelerata condotto entro speciali casseri verticali,

(b) cavità prescelte (normalmente le più esterne) sono riempite di calcestruzzo e formano dei “pilastri” continui dalle fondazioni alla sommità del muro,

(c) una sottile fessura orizzontale di costruzione viene lasciata in corrispondenza della zona alleggerita ad ogni sovrapposizione di pannelli, che avviene a ciascun interpiano (Figura 1a).

L’elemento risulta quindi essere un muro portante con funzioni di controvento con contenuto di cls notevolmente inferiore rispetto ad un muro gettato in opera avente le medesime dimensioni.

Il suo peso ridotto facilita le operazioni di trasporto e montaggio. L’elemento è di fatto strutturalmente ottimizzato nei confronti del comportamento flessionale, mantenendo armatura passante e notevole area di calcestruzzo agli estremi del muro.

Il comportamento pressoflessionale di un muro oggetto di studio è comparato a quello di un muro tradizionale in Figura 1.

La resistenza puramente assiale del muro è ridotta rispetto a quella di un muro pieno in funzione dell’area delle cavità di alleggerimento, e ridotta è anche la resistenza a taglio del muro stesso, a causa della riduzione di spessore pieno nelle aree alleggerite.

In generale, un comportamento flessionale duttile può essere raggiunto solo se le modalità di rottura per taglio e per taglio-scivolamento sono evitate in accordo al principio di gerarchia delle resistenze.

La connessione tra pannelli sovrapposti è realizzata attraverso le porzioni non alleggerite del manufatto (i “pilastri” passanti), attraverso due differenti soluzioni tecnologiche:

(1) il riempimento con cls delle cavità prescelte dopo l’inserimento in opera delle gabbie di armatura ad ogni interpiano,

(2) l’attivazione di connessioni meccaniche tipo accop-piatori (Dal Lago et al., 2016b) inserite in fase di produzione entro le porzioni già riempite e il completamento in opera con il getto di un piccolo volume di malta ad alta resistenza tixotropica.

La seconda soluzione garantisce una maggiore velocità di assemblaggio.

La Figura 1c mostra sezioni e prospetti strutturali di un modulo di muro estratte dai disegni esecutivi riferiti al prototipo sottoposto a prova presso ELSA/JRC.

La soluzione tecnologica (1) è stata adottata per questo elemento.

3 ANALISI STATICA NON LINEARE

Le analisi statiche non lineari sono state effettuate con il programma CAST3M modellando un muro isolato con elementi 2D con modello costitutivo del calcestruzzo a danno “crush-crack”, sviluppato implementando l’energia dissipata in trazione e compressione come stabilizzatrice delle funzioni di evoluzione del danneggiamento.

Il comportamento meccanico in compressione e trazione del cls classe C45/55 è stato attribuito sulla base delle prescrizioni fornite nel documento fib- Model Code 2010, in cui la resistenza a trazione e l’energia di frattura sono calcolate sulla base di valori di resistenza a compressione misurati sperimentalmente.

Mentre il comportamento a compressione riprende il modello di Sargin (1971), la curva costitutiva in trazione consiste in quattro rami: ramo elastico fino al 90% della resistenza, ramo di maggiore inclinazione che tiene in conto la formazione delle microfessure fino al picco, ramo discendente lineare conseguente al raggiungimento della localizzazione della fessura fino ad una tensione residua pari al 20% della resistenza, corrispondente all’ampiezza di prima fessurazione w1, e ramo terminale fino a completa apertura di fessura wc, corrispondente a tensione residua nulla.

Il comportamento meccanico dell’acciaio dolce classe B450C è modellato in trazione e compressione con un diagramma bilineare caratterizzato dal tratto elastico sino al raggiungimento dello snervamento e un conseguente tratto incrudente lineare indefinito passante per la resistenza a trazione dell’acciaio, raggiunta alla deformazione del 7,5%.

Sono utilizzati i valori caratteristici di resistenza.

Il comportamento strutturale del muro sottoposto a carichi laterali è stato studiato con riferimento a una sezione ad I, dove lo spessore dell’anima è dato dalla somma di quelli delle pareti esterne (100 mm).

Ai fini dello studio del comportamento pressoflessionale del muro, questa semplificazione non introduce alcun errore. Sono state considerate quattro tipologie di muro:

• Gettato in opera equivalente, Figura 3a
• Prefabbricato non armato a taglio, Figura 3b
• Prefabbricato armato a taglio, Figura 3c
• Prefabbricato armato a taglio con guaine, Fig. 3d

Tutti i muri sono armati longitudinalmente con 8 barre Φ20 e 2 barre Φ16 per bordo. In ciascuna parete esterna del muro prefabbricato armato a taglio è inserita una rete Φ8/150 mm, in aggiunta a 4 barre Φ20 orizzontali disposte in cima e in basso a ciascun modulo di muro, con funzione di tirante.

Il muro prefabbricato armato a taglio con guaine ha, in aggiunta al precedente, delle guaine installate sulla parte inferiore di tutte le armature longitudinali di ogni pannello, in grado di annullare l’aderenza delle barre per una lunghezza di 600 mm.

In Figura 4 sono riportate le curve forzaspostamento dei quattro modelli di muro.

La presenza delle fessure di costruzione orizzontali altera poco il comportamento strutturale dell’elemento.

Invece, una rilevante diminuzione di duttilità si verifica nel caso del muro prefabbricato armato a taglio, rispetto ai precedenti.

Tale diminuzione è attribuibile al fatto che la rete di armatura al taglio è installata nelle pareti dell’elemento, e tale rinforzo non è passante tra moduli sovrapposti e tra il modulo di base e la fondazione.

La sovrapposizione con le armature longitudinali, che avviene ben presto per via del ridotto diametro dell’armatura di pelle, incrementa la resistenza pressoflessionale dei tratti centrali di ciascun modulo di muro, concentrando la richiesta di duttilità nella piccola altezza della zona di sovrapposizione dei muri.

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