Miglioramento sismico sulle costruzioni esistenti: incamiciature metalliche di pilastri in cemento armato

Aspetti critici dei pilastri nelle strutture esistenti in c.a.

Nella valutazione della capacità sismica degli edifici esistenti in cemento armato la resistenza a taglio dei pilastri gioca un ruolo fondamentale: i pilastri sono infatti gli elementi strutturali che vanno in crisi più frequentemente ed è evidente che il problema tagliante incida in maniera consistente nelle verifiche e quindi nella determinazione degli indici di sicurezza.

I terremoti recenti hanno chiaramente dimostrato che le carenze strutturali più ricorrenti sono, oltre a quelle legate alla carenza di confinamento dei nodi trave e pilastro, alle rotture a taglio nei pilastri, le quali sono evidenziate dalla formazione di fessure circa a 45 gradi.

Questo fenomeno è dovuto al queste principali cause:

• Scarsa qualità del calcestruzzo;
• Staffatura insufficiente (elevato passo delle staffe);
• Pilastri tozzi che hanno una capacità in termini di rigidezza tagliante molto elevata;
• Interazione con tamponature;
• Strutture con piani sfalsati;
• Strutture con piani seminterrati con finestre a nastro.

Le suddette cause risultano evidenti nelle seguenti fotografie, le quali illustrano il danneggiamento di pilastri in cemento armato a seguito di eventi sismici.

Le rotture fragili sono da evitare perché avvengono senza uno stato deformativo evidente e sono rotture che portano istantaneamente alla crisi.

Per la progettazione ex novo, infatti, le NTC 2018 applicano la gerarchia delle resistenze, criterio che consiste nel privilegiare in qualunque punto della struttura meccanismi di collasso duttili piuttosto che meccanismi fragili (es. gerarchia flessione-taglio, gerarchia trave-pilastro-nodo) anche attraverso limitazioni geometriche e di armatura longitudinale/trasversale nei dettagli costruttivi.

Negli edifici esistenti invece, poiché progettati per soli carichi verticali o con obsolete normative sismiche, è probabile che si verifichino rotture fragili. È necessario dunque innalzare la soglia di resistenza delle possibili rotture caratterizzate da questi meccanismi in modo che il comportamento globale della struttura sia governato da meccanismi duttili.

Gli interventi di miglioramento o adeguamento sismico necessiteranno sicuramente di rinforzi strutturali sui pilastri che ne incrementino la resistenza a taglio: poiché il criterio della gerarchia delle resistenze non è di fatto rispettato in questi edifici, l’accuratezza del modello di previsione della capacità a taglio diventa cruciale per la stima dei meccanismi fragili e per la progettazione di efficienti sistemi di rinforzo.

Metodi di analisi, criteri di verifica e modelli di capacità per i pilastri in cemento armato

Metodi di analisi

La Circolare applicativa delle NTC 2018 afferma che gli effetti dell’azione sismica possono essere valutati con i metodi di cui al § 7.3 delle NTC.

I metodi di analisi che vengono presi in considerazione sono:

• Analisi statica lineare: può essere effettuata nel rispetto delle condizioni di cui al § 7.3.3.2 delle NTC 2018 e al § C8.7.2.2.1 della Circolare stessa.
  Nel caso di analisi lineare con spettro elastico la capacita degli elementi duttili, in termini di resistenza, si valuta dividendo le proprieta dei materiali esistenti per il fattore di confidenza FC e la capacita degli elementi fragili per il fattore di confidenza FC e per il coefficiente parziale. Per i materiali nuovi o aggiunti si impiegano i valori di progetto.
  Nel caso di analisi lineare con fattore di comportamento q, per gli elementi duttili la capacita si valuta dividendo le proprieta dei materiali esistenti per il fattore di confidenza FC, per gli elementi fragili le proprieta dei materiali esistenti si dividono sia per il fattore di confidenza FC sia per il coefficiente parziale. Per i materiali nuovi o aggiunti si impiegano i valori di progetto.
  
• Analisi dinamica modale con spettro di risposta elastico o con fattore di comportamento q: può essere effettuata in accordo al § 7.3.3.1 delle NTC 2018 e al § C8.7.2.2.2, oltre che alle condizioni di cui al punto precedente;
  
• Analisi statica non lineare: applicabile in accordo al § 7.3.4.1 delle NTC 2018 e al § C8.7.2.2.3 della Circolare; con le limitazioni della Tabella C8.5.IV che si riporta di seguito:

• Analisi dinamica non lineare: applicabile secondo quanto indicato al § 7.3.4.2 delle NTC 2018, alle medesime condizioni per l’analisi statica non lineare.

Modelli di capacità

La stessa Circolare al § C8.7.2.3, ai fini delle verifiche di sicurezza, propone alcuni modelli di capacità per la valutazione di edifici in cemento armato e classifica i meccanismi resitenti in:

• Meccanismi duttili: travi, pilastri e pareti inflesse con e senza sforzo normale (§ C8.7.2.3.1);
• Meccanismi fragili: meccanismi di taglio in travi, pilastri, pareti e nodi (§ C.8.7.2.3.5).

NOTA: pilastri e pareti soggetti a sollecitazioni di sforzo normale particolarmente elevate possono manifestare comportamento fragile.

Per la valutazione della resistenza a taglio dei pilastri VRd nei confronti di sollecitazioni taglianti dovute ai soli carichi gravitazionali, è possibile ricorrere al tipico schema a traliccio a inclinazione variabile indicato al § 4.1.2.3.5.2 delle NTC 2018 per elementi strutturali dotati di specifica armatura a taglio, assumendola come la minore delle due sotto definite resistenze (rispettivamente “taglio trazione” e “taglio compressione”):

In questo modello gli elementi resistenti del traliccio ideale sono costituiti dalle armature trasversali, dalle armature longitudinali, dal corrente compresso di calcestruzzo e dai puntoni d’anima inclinati (con limitazione 1 ≤ cotgθ ≤ 2,5).

Per le azioni sismiche, invece, occorre considerare la riduzione di resistenza a taglio in condizioni cicliche in funzione della domanda di duttilità sull’elemento, per il livello di azione considerato.
La domanda massima a taglio nell’elemento può essere determinata, indipendentemente dal livello di azione considerato, a partire dai momenti resistenti nelle sezioni di estremita, valutati amplificando le resistenze medie dei materiali tramite il fattore di confidenza appropriato in relazione al Livello di Conoscenza raggiunto.

Per la valutazione della resistenza a taglio V_Rd in condizioni cicliche, quali quelle sismiche, la Circolare propone la formulazione di Biskinis et al., in accordo all’Eurocodice 8-3 (modello empirico degradante in funzione della duttilità):

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Sommario
1) PREMESSA: ASPETTI CRITICI DEI PILASTRI NELLE STRUTTURE ESISTENTI IN CEMENTO ARMATO
2) METODI DI ANALISI, CRITERI DI VERIFICA E MODELLI DI CAPACITÀ PER I PILASTRI IN CEMENTO ARMATO
-Metodi di analisi
-Modelli di capacità
3) RINFORZO LOCALE DI PILASTRI IN CALCESTRUZZO ARMATO: INCAMICIATURA IN ACCIAIO
-Generalità
-Aumento della resistenza a taglio
-Azione di confinamento
-Ulteriori indicazioni per la progettazione e per la messa in opera
4) ESEMPIO DI REALIZZAZIONE DI UNA CERCHIATURA METALLICA SU UN PILASTRO IN CEMENTO ARMATO