Miglioramento sismico di edifici prefabbricati mediante connessioni dissipative in copertura

Progettazione di connessioni dissipative fra gli elementi di copertura in edifici prefabbricati per il miglioramento della risposta sismica di edifici prefabbricati 

I recenti eventi sismici italiani hanno messo in evidenza la vulnerabilità sismica degli edifici industriali prefabbricati. Le principali carenze riscontrate sono legate al mancato trasferimento delle forze orizzontali tra gli elementi strutturali a causa dell’inefficacia o totale assenza di connessioni tra le membrature. I recenti eventi sismici hanno pertanto determinato il crollo spesso per perdita di appoggio delle strutture di copertura.
La semplice introduzione di vincoli di tipo rigido risulta molte volte inutile, se non dannosa, per l’intrinseca fragilità degli stessi, perché diminuisce la capacità di dissipazione energetica e aumenta la rigidezza della struttura con conseguente aumento delle forze sismiche. In questo lavoro viene indagata l’efficacia dell’introduzione di connessioni dissipative elasto-plastiche tra gli elementi di copertura e le travi in edifici prefabbricati. Viene illustrata una procedura per il dimensionamento dei dispositivi bilanciata tra la necessità di evitare la perdita di appoggio degli elementi di copertura e quella di assicurare un efficace smorzamento per dissipazione isteretica dei dispositivi introdotti. Per il corretto funzionamento delle connessioni duttili è necessario controllare l'attrito all’interfaccia degli elementi di copertura. La soluzione proposta assicura una sostanziale riduzione delle sollecitazioni alla base delle colonne, limitando nel contempo gli spostamenti relativi fra gli elementi di copertura.

I recenti eventi sismici italiani, in particolare L'Aquila 2009 (Menegotto 2009, Colombo and Toniolo, 2012a) ed Emilia 2012 (Colombo and Toniolo 2012b, Liberatore et al. 2013, Belleri et al 2014, Bournas et al 2014, Ercolino et al 2016) hanno messo in evidenza la vulnerabilità sismica degli edifici industriali prefabbricati italiani. Molti crolli si sono verificati a causa dell’inefficacia e/o totale assenza di connessioni tra le membrature.

In Italia, prima del 2008, molte zone italiane erano considerate dalle norme tecniche vigenti come non sismiche. La progettazione degli edifici industriali prefabbricati in queste zone avveniva per le sole azioni gravitazionali e per quelle orizzontali modeste date dal vento. Molto spesso, per opporsi alle azioni del vento, si faceva affidamento sul solo attrito tra le membrature (con o senza appoggi di neoprene), come consentito dalle norme dell’epoca (vedi D.M. LL.PP. 3/12/1987 (1987); Circolare LL.PP. 16/03/1989 (1989). Questo ha comportato, in queste zone, la costruzione di edifici prefabbricati privi di collegamenti meccanici tra le membrature degli edifici prefabbricati esistenti.

Con l’introduzione delle Norme Tecniche per le Costruzioni del 2008 (Norme Tecniche 2008) tutto il territorio nazionale italiano è diventato sismico e lo standard di progettazione è stato allineato a quello dei più moderni codici antisismici, anche per le strutture prefabbricate.

Le carenze principali degli edifici prefabbricati e le possibili soluzioni

Tuttavia, per i prefabbricati esistenti con connessioni inefficaci e/o privi di connessioni i recenti sismi hanno indotto spostamenti relativi tra gli elementi strutturali maggiori della luce di appoggio degli stessi, determinandone il crollo. Questo si è verificato soprattutto per gli elementi di copertura.

Altre carenze riscontrate riguardano il collegamento dei pannelli di tamponamento, criticitàgià ampiamente trattata in letteratura (Biondini et al 2013, Scotta et al 2015 and Belleri et al 2016).

I tipici interventi utilizzati per eliminare queste labilità alle azioni orizzontali sono sostanzialmente di due tipologie:

• incremento delle lunghezze di appoggio (Reluis 2012);
• introduzione di connessioni rigido/elastiche (Dal Lago and Ferrara 2016).

L’incremento della lunghezza di appoggio non va ad alterare la rigidezza della struttura e consente gli spostamenti relativi tra le membrature strutturali. Tale soluzione però non è spesso percorribile poiché le lunghezze di appoggio necessarie possono essere importanti.

L’introduzione di connessioni rigido/elastiche annulla gli spostamenti relativi tra gli elementi strutturali a fronte di una domanda di resistenza della connessione molto elevata. Adottando questa soluzione  nasce la problematica progettuale di garantire il trasferimento di sollecitazioni di taglio molto elevate tra gli elementi strutturali mediante le connessioni (Belletti et al 2013, Belletti et al 2014), inoltre è spesso necessario il rinforzo alla base delle colonne e delle fondazioni. Di più recente introduzione è una soluzione di compromesso tra le due precedenti: l’adozione di connessioni duttili/dissipative (Belleri et al 2015). Mediante tale soluzione, se correttamente dimensionata, si possono consentire spostamenti relativi tra le membrature compatibili con le lunghezze d’appoggio a disposizione. Poiché le connessioni introdotte sono di tipo duttile (elasto-plastico), la loro resistenza può essere tarata in modo da garantire il passaggio di limitate sollecitazioni di taglio tra gli elementi strutturali.

La deformabilità del piano di copertura, determina lo snervamento di tali connessioni ottenendo un effetto benefico di dissipazione energetica diffusa che va a limitare la domanda di sollecitazione alla base dei pilastri e delle fondazioni.

In questo lavoro viene verificata l’efficacia dell’applicazione di tali connessioni dissipative tra gli elementi di copertura e le travi svolgendo analisi dinamiche non lineari su un modello FE di un edificio caso studio. I risultati ottenuti sono molto sensibili alla forza di snervamento adottata per le connessioni duttili ed all’attrito presente all’interfaccia tra le membrature strutturali.

L’attrito presente tra gli elementi di copertura e le travi non è quantificabile, soprattutto in presenza di sismi con forte componente verticale. La conseguenza è che la risposta strutturale al sisma diventa casuale. In questo lavoro viene pertanto proposta la riduzione dell’attrito mediante l’interposizione di fogli di teflon o neoprene tra gli elementi strutturali e l’utilizzo accoppiato di connessioni duttili per controllare gli spostamenti relativi tra gli elementi strutturali.

Viene inoltre introdotta una procedura progettuale per il dimensionamento delle connessioni duttili bilanciata tra la necessità di evitare la perdita di appoggio degli elementi di copertura e quella di assicurare un efficace smorzamento per dissipazione isteretica dei dispositivi introdotti. 

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Articolo tratto dagli Atti del Convegno ANIDIS 2017.

Si ringrazia l'ANIDIS per la gentile collaborazione