Connessione a secco trave pilastro dissipativa per edifici prefabbricati multipiano

I vantaggi della prefabbricazione spesso si scontrano con le vulnerabilità sismiche

Le attuali esigenze legate al mondo delle costruzioni sono orientate verso sistemi costruttivi caratterizzati da rapidità di esecuzione. Molto spesso, soprattutto in ambito pubblico, uno dei criteri determinanti per una gara d’appalto è rappresentato dai tempi necessari alla realizzazione dell’opera. Tali richieste hanno consentito un importante sviluppo della prefabbricazione, dove la maggior parte delle operazioni può essere realizzata in stabilimento, con elevati livelli di sicurezza, prestazioni dei materiali ed efficienza, lasciando alla fase di cantiere il solo assemblaggio degli elementi. Allo stato attuale, una delle operazioni che rallentano maggiormente la fase di realizzazione della struttura è rappresentata dalla realizzazione dei collegamenti, soprattutto quando questi sono associati a getti di completamento in opera.

I vantaggi della prefabbricazione si scontrano spesso con le vulnerabilità sismiche dei sistemi prefabbricati (Magliulo et al. 2014, Bournas et al. 2014, Belleri et al. 2015a, Belleri et al. 2015b, Ercolino et al. 2016, Palanci et al., 2017, Nastri et al., 2017, Bosio et al. 2021), riscontrate soprattutto in edifici esistenti. Lo schema statico più frequente è molto semplice: il pilastro risulta incastrato alla base o connesso alla fondazione per mezzo di dispositivi di collegamento meccanici, mentre il resto dell’edificio viene realizzato mediante schemi isostatici in grado di trasferire le azioni gravitazionali e, per le moderne progettazioni, i carichi sismici, comunque con ridotte capacità di trasmissione dei momenti flettenti tra i vari elementi strutturali.

Con questo tipo di costruzione si ha che i principali collassi sono causati da elevati spostamenti in copertura dovuti alla flessibilità del telaio che può portare alla perdita dell’appoggio della trave o dei tegoli di copertura, rottura dei collegamenti dei pannelli prefabbricati perimetrali con successivo collasso del pannello, collasso delle forcelle in calcestruzzo armato in sommità ai pilastri tra le varie vulnerabilità (Belleri et al. 2016, Belleri et al. 2017, Dal Lago et al. 2018, Demartino et al. 2018; Iervolino et al. 2019, Ricci et al. 2019, Magliulo et al. 2019, Bracchi et al. 2019, Cantisani et al. 2019, Ragni et al. 2019, Bosio et al. al., 2020; Sousa et al., 2020).

Questo lavoro mostra lo studio di fattibilità di una connessione a secco dissipativa che consente di ridurre ulteriormente le tempistiche associate alla fase di assemblaggio degli elementi strutturali. In particolare, tale connessione è sviluppata per poter trasferire oltre agli sforzi taglianti generati dalle azioni gravitazionali e dal sisma, anche il momento flettente ed emulare il comportamento di una struttura gettata in opera. L’introduzione del dispositivo a secco presentato in questo lavoro consentirebbe di realizzare in tempi rapidi edifici multipiano di grandi dimensioni.

Il lavoro si concentra sullo studio effettuato per individuare ed ottimizzare la geometria dell’elemento dissipativo utile per la trasmissione del momento flettente nel nodo trave-pilastro. Va infatti enfatizzato come l’intero sistema di connessione, inizialmente ideato per strutture prefabbricate in calcestruzzo armato, ma facilmente estendibile anche ad altre tipologie strutturali, come ad esempio le costruzioni in acciaio, consente di sfruttare a pieno i vantaggi della prefabbricazione senza rinunciare ai benefici forniti dalle strutture monolitiche gettate in opera.

Definizione della geometria e normativa di riferimento

Determinazione della geometria

Il dispositivo sviluppato ha l’ambizione di consentire di sfruttare i vantaggi della prefabbricazione senza rinunciare ai pregi presenti nei tradizionali edifici gettati in opera. Tra i principali pregi, difficilmente replicabili nelle strutture prefabbricare tradizionali, troviamo la capacità di realizzare dei vincoli relativi di incastro tra travi e pilastri che consentono di irrigidire il sistema strutturale e ridurre le dimensioni degli elementi, garantendo un comportamento a telaio.

La connessione studiata ha quindi la doppia funzione di trasferire sia i carichi verticali gravanti sull’edificio sia il momento flettente tra due elementi strutturali. Differentemente da quello che avviene nelle tradizionali strutture gettate in opera, il dispositivo consente di scindere in due elementi diversi queste due funzioni, in particolare l’azione tagliante viene trasferita tra i due elementi mediante una connessione meccanica a cerniera, mentre la capacità flessionale viene garantita da due dispositivi dissipativi posti in prossimità dell’intradosso e dell’estradosso della trave. In Figura 1 è possibile osservare uno schema esemplificativo del funziona- mento della connessione.

Si osserva come il momento resistente della connessione è pari alla forza assiale dell’elemento dissipativo N moltiplicata per il braccio della coppia, h. Ipotizzando quindi un edificio regolare in pianta con maglia strutturale quadrata con interasse tra i pilastri (l), pari a 8m, ed un carico uniformemente distribuito P, pari a 10 kN/m² è possibile calcolare il momento sollecitante nella connessione nel caso di perfetto incastro per una campata centrale del telaio. Tale valore è M = 427kNm.
La connessione viene quindi dimensionata in modo da restare elastica nei confronti delle sollecitazioni gravitazionali e sfruttare la plasticizzatine del dispositivo in caso di sisma. Ne risulta che, nel caso di h=0.5m, la capacità assiale N del dissipatore deve risultare superiore a F=M/h=853kN.

Lo schema iniziale del dissipatore prevede di sfruttare la rotazione relativa tra il pilastro e la trave intorno alla cerniera che genera un allontanamento e avvicinamento dei punti di connessione del dispositivo. Moltiplicando la capacità rotazionale desiderata (3%) per la distanza tra i dispositivi si ottiene uno spostamento di progetto Dd pari a 7.5mm.

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La presente memoria è tratta da Italian Concrete Conference - Napoli, 12-15 ottobre 2022
Evento organizzato da aicap e CTE