Controllo passivo della risposta sismica di edifici prefabbricati utilizzando i pannelli di tamponamento

Articolo tratto dal WORKSHOP "Tecniche innovative per il miglioramento sismico di ediici prefabbricati" ottobre 2014 – ACI Italy Chapter

ABSTRACT: Nel presente lavoro viene proposta una nuova tecnica per il miglioramento della risposta strutturale di edifici prefabbricati alle azioni sismiche. Lo studio si concentra su prefabbricati con pannelli orizzontali impilati dalla sommità alla fondazione. Controllando l’attrito agente all’interfaccia tra i pannelli, mediante l’introduzione di opportuni dispositivi in acciaio-PTFE, si può ottenere una soluzione strutturale che permette di controllare l’interazione tra i pannelli ed il telaio. Questa configurazione permette di utilizzare i pannelli di tamponamento come pareti di taglio dissipative, garantendo sollecitazioni contenute sulle connessioni ed allo stesso tempo una consistente riduzione delle sollecitazioni alla base delle colonne. Questo concetto può essere utilizzato facilmente per il progetto di nuovi prefabbricati, ma anche per l’adeguamento di quelli esistenti.

1 INTRODUZIONE E STATO DELL’ARTE
Nella prassi progettuale corrente di edifici prefabbricati, i pannelli di tamponamento so- no considerati come elementi non strutturali che non interagiscono con il telaio. Le con- nessioni tra il telaio interno ed i pannelli di tamponamento sono in genere progettate per resistere alle azioni del vento e del sisma agenti perpendicolarmente al piano dei pannel- li stessi. Gli eventi sismici del passato hanno chiaramente dimostrato l’inadeguatezza di questo approccio progettuale (Menegotto 2009, Colombo and Toniolo 2012a). I pannelli di fatto interagiscono col telaio modificandone la risposta strutturale alle azioni sismiche. Questo comporta che forze elevate e non previste agiscono sulle connessioni dei pannelli alla struttura determinandone la rottura. In questo lavoro verrà anche messa in evidenza la nascita di ulteriori inaspettate forze fuori-piano che nascono sulle connessioni telaio-pannelli di strutture prefabbricate con copertura deformabile.
Colombo e Toniolo (2012b) hanno proposto due possibili soluzioni per evitare la rottura delle connessioni e pertanto il collasso dei pannelli:

- Adottare un sistema di connessione isostatico che permette di mantenere indipen- denti i pannelli rispetto alla risposta strutturale del telaio interno;
- Adottare un sistema di connessione integrato, adeguatamente dimensionato, in mo- do da rendere i pannelli parte integrante del sistema resistente alle azioni oriz- zontali.

Una terza possibilità è quella di adottare connessioni di tipo dissipativo come proposto da Biondini et al. (2013) per prefabbricati con pannelli verticali.
Nei lavori precedentemente citati non viene considerato l’effetto di attrito tra i pannelli. Questo però è sempre presente, e se opportunamente controllato può essere utilizzato quale meccanismo di dissipazione energetica senza costi aggiunti. Nel presente lavoro si propone pertanto di re-interpretare i pannelli perimetrali non solo come semplici elementi di tamponamento, ma come elementi strutturali atti a formare dei muri di contro- vento dissipativi utili a migliorare la risposta sismica degli edifici prefabbricati.

L’attenzione si concentra su prefabbricati con pannelli orizzontali impilati dalla sommi- tà alla fondazione. In questa configurazione, se si considera l’attrito agente all’interfaccia tra i pannelli stessi, si può ottenere, adottando un adeguato schema di vincolo per le connessioni, uno schema strutturale misto pareti-telaio. Questo concetto può essere utilizzato più facilmente per il progetto di nuovi prefabbricati, ma anche per l’adeguamento di quelli esistenti.
È stato analizzato un prefabbricato tipologico ad uso industriale mono-piano con pan- nelli orizzontali impilati e connessioni trave-pilastro a cerniera.

E’ stata eseguita una modellazione FEM della struttura per lo svolgimento di analisi dinamiche non lineari, mediante l’applicazione di accelerogrammi artificiali spettro-compatibili. I risultati ot- tenuti sono molto variabili e sensibili all’attrito assunto all’interfaccia tra i pannelli e si discostano in modo considerevole dai risultati analitici ottenuti applicando il classico approccio progettuale in cui i pannelli di facciata assumono solamente la funzione di tamponamento appoggiato alla struttura.

La stima dell’intensità dell’attrito pannello-pannello è un aspetto complicato, in partico- lare se la struttura è sottoposta ad un’azione sismica con una forte componente verticale. L’azione sismica verticale, infatti, fa variare lo sforzo normale presente all’interfaccia tra i pannelli rendendo l’attrito variabile ed imprevedibile per tutta la durata del terremoto. Di conseguenza prevedere la risposta strutturale è un aspetto di notevole complessità. Considerando l’imprevedibilità della componente sismica verticale, si è scelto di effettuare una analisi di sensibilità facendo variare il coefficiente d’attrito nel range 0.0÷0.6 assumendo costante lo sforzo normale all’interfaccia tra i pannelli.

L’analisi di sensibilità effettuata ha permesso, quindi, di individuare il coefficiente di attrito  ottimale che determina la migliore risposta strutturale: ovvero un giusto compresso fra la limitazione sia delle sollecitazioni alla base delle colonne che delle forze sulle connessioni pannello-telaio.

Sulla base dei risultati determinati, si propone di controllare l’intensità dell’attrito all’interfaccia tra i pannelli mediante l’introduzione di opportuni dispositivi acciaio- PTFE che permettono di controllare il valore del coefficiente d’attrito.

2 DESCRIZIONE DEL CASO STUDIO ANALIZZATO E DEL RELATIVO MODELLO NUMERICO
Il caso studio analizzato è quello di un tipico edificio prefabbricato mono-piano a destinazione industriale con pannelli orizzontali impilati che scaricano il loro peso uno sull’altro ed infine direttamente a terra. Le dimensioni in pianta del prefabbricato caso studio sono pari a 20m x26m.

Le figure 1a e 1b mostrano le modalità di connessione telaio-pannelli e i gradi di libertà della struttura.

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