L’influenza delle tamponature come meccanismo resistente per la mitigazione del collasso progressivo

Nel presente articolo si mette in luce il meccanismo resistente che hanno le tamponature degli edifici in c.a. con ridotta capacità residua, il cui fallimento di un elemento portante verticale, può portare al collasso progressivo della struttura. Si vedrà, infatti, come tale meccanismo, a volte negativo sotto azioni sismiche, risulta benefico nel caso di strutture soggette a collasso per carichi verticali. Un caso studio permetterà di valutare l’effetto della resistenza delle tamponature sugli indicatori di robustezza.

Influenza delle tamponature

Test-sperimentali

La presenza delle tamponature in strutture in c.a. ha un effetto generalmente benefico nella mitigazione del collasso progressivo come dimostrano numerosi test sperimentali e simulazioni numeriche. Shan et al. (2016) hanno condotto prove quasi-statiche a controllo di spostamento – pushdown su campioni di telai in vera grandezza con e senza pareti di tamponamento.

Si è visto che, queste ultime, hanno prodotto:

• Un aumento del 62% della rigidezza iniziale;
• Danni sviluppati velocemente e gravi;
• Aumento del 57% della resistenza di picco nella fase di compressione (arch-action) delle travi;
• Riduzione della resistenza post-picco per effetto catenaria delle travi (catenary action).

Meccanismi resistenti di tamponature per conferimento robustezza

MODELLO SISMICO A PUNTO EQUIVALENTE (ESM) PER LA PROGETTAZIONE IN ROBUSTEZZA

Il problema della ridistribuzione dei carichi, a seguito del fallimento della colonna, risulta più semplice di quello riscontrato nella progettazione sismica.

L'analisi di un telaio con tamponature sotto l'azione sismica deve tenere conto del carico laterale ciclico e del decadimento della resistenza e della rigidezza del sistema. Nell’analisi di robustezza, l’extra-carico, indotto dalla perdita della colonna, è un evento singolare.

Tuttavia, le differenze di carico tra il taglio alla base applicato, associato all'analisi sismica e il carico verticale indotto dalla gravità, sotto il fallimento della colonna, impongono che le tecniche di modellizzazione del puntone equivalente in condizioni sismiche richiedono una “manipolazione” prima di essere applicate all'analisi di robustezza. La risposta strutturale sotto azione sismica dipende essenzialmente dal drift di piano.

I modelli numerici e sperimentali in presenza di tamponature (puntone diagonale) comportano che il carico laterale nel piano sollecita gli angoli opposti del telaio su una linea parallela a quella del giunto orizzontale del tamponamento dove la resistenza è minore (Figura 2.2). La successiva risposta del pannello è dettata dalla distorsione meccanica del telaio di chiusura e l'orientamento del puntone di compressione dipende dalla lunghezza di contatto risultante tra colonna-trave e tamponatura.

Nel caso del drift di piano questa lunghezza di contatto è principalmente sulla faccia della colonna, cosicché il puntone equivalente tende verso l'orizzontale, il che provoca il fallimento del pannello mediante taglio a scorrimento lungo il giunto del letto di malta. Per quanto riguarda la valutazione della robustezza in caso di fallimento di una colonna, un sistema intelaiato con tamponature viene caricato in modo diverso, in quanto il telaio circostante è sottoposto a carichi verticali anziché orizzontali (Figura 2.3).

La risposta strutturale risultante dipende dalla deformazione delle travi in corrispondenza del contatto con la tamponatura e l'orientamento del puntone di compressione diagonale viene modificato, tendendo verso la verticale e provocandone un cedimento mediante taglio perpendicolare al giunto del letto di malta del tamponamento, dove la resistenza è maggiore. La Figura 2.3 illustra schematicamente le differenze nello sviluppo del meccanismo resistente a puntone compresso che deve essere modificato per effetto della diversa risposta.

Le principali teorie dello stress per i macromodelli sismici, come la teoria di Man Muller, sono state concepite esclusivamente per deformazioni da drift di piano e carico esterno orizzontale con la disposizione del letto di malta della tamponatura parallela alla linea del carico, il che presume che la maggior parte dell'interazione tra frame avvenga in testa al pannello di tamponamento lungo la faccia della colonna.

Pertanto, la distribuzione delle sollecitazioni utilizzata per determinare il carico resistente finale per ciascuna modalità di fallimento si basa sulla resistenza a taglio parallela al giunto di malta e sulla resistenza di compressione / trazione perpendicolare allo stesso. Come mostrato nella figura 2.4 la direzione delle sollecitazioni principali viene invertita in caso di perdita della colonna.

Quando la struttura cede nel piano verticale, la capacità a taglio e a compressione diventano rispettivamente perpendicolari e parallele alla disposizione dei giunti di malta. A causa di questa differenza, l'ESM, derivato dai metodi di valutazione sismica, non può essere applicato direttamente nella valutazione della resistenza tamponatura a seguito del fallimento di una colonna.

Per una stima adeguata, in caso di perdita di una colonna, è necessario un modello di calcolo in cui la definizione del sistema di compressione equivalente deve derivare dalla teoria di base opportunamente modificato. La valutazione del carico di rottura per schiacciamento a compressione degli spigoli richiederà una modifica rispetto a quella derivata dall’azione sismica. La rottura a taglio nel piano verticale ed orizzontale (taglio-scorrimento) richiederanno una valutazione della rottura per trazione tenendo conto della modifica delle sollecitazioni principali, modificando il metodo sismico.

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