Progetto e valutazione sismica di telai e sistemi duali con dissipatori ad attrito

Il lavoro illustra il progetto e l’analisi statica non lineare di sistemi perimetrali sismo-resistenti in acciaio. Nello specifico, sia telai sismo-resistenti (MRFs) sia sistemi accoppiati telaio-controvento concentrico (D-CBFs) sono progettati tramite la Teoria del Controllo del Meccanismo Plastico (TPMC), che ha lo scopo di attivare tutte le zone dissipative, promuovendo, in tal modo, la formazione di un meccanismo globale. Le strutture sono dotate, inoltre, di dissipatori ad attrito, chiamati FREEDAM, in corrispondenza delle estremità delle travi e dell’intersezione delle diagonali di controvento. Essi dissipano l’energia sismica in ingresso e preservano gli elementi strutturali dal danneggiamento. Il lavoro si propone di confrontare le due tipologie strutturali proposte sia in termini di risultati di progettazione sia in termini di prestazioni sismiche. A tal fine, sono state progettate 8 diverse strutture per ogni tipologia proposta (MRF e D-CBF) e, in seguito, sono state sottoposte ad analisi statica non lineare.

La dissipazione sismica e l'uso dei dissipativi ad attrito

L’utilizzo dei dispositivi ad attrito nell’ambito della dissipazione di energia sismica si sta incrementando sempre più, grazie ai vantaggi che derivano dal loro impiego. Essi possono, infatti, sia rimpiazzare le zone dissipative sia costituire una risorsa dissipativa supplementare, allo scopo di salvaguardare gli elementi strutturali principali dal danno con efficacia e versatilità (Fiorino e altri, 2017; Mirzai e altri, 2018. Campiche e altri 2018. Totter e altri, 2018. De Matteis e altri, 2018. Fiorino e altri, 2016. Macillo e altri, 2017. Macillo, e altri, 2014).

Se da un lato il danno strutturale risulta essenziale per la dissipazione dell’energia sismica in ingresso, esso costituisce anche la principale causa di perdite dirette e indirette. Molti ricercatori, pertanto, hanno focalizzato gli studi su diverse strategie di dissipazione dell’energia, in grado di evitare o ridurre il danno strutturale causato da eventi sismici distruttivi.

La strategia di dissipazione supplementare è basata sull’uso di dissipatori di energia collocati tra coppie di punti dello schema strutturale in cui, sotto l’azione di eventi sismici severi, sono attesi ingenti spostamenti relativi e velocità (Christopoulos e altri, 2006. Soong e Spencer, 2002. Mualla e Belev, 2002. Oh e altri, 2009). Nell’ambito della strategia  del  controllo  passivo  (Latour  e  altri, 2013. Khoo e altri, 2012. Khoo e altri, 2013. Borzouie e altri, 2015. Latour e altri, 2011.), invece, i dissipatori possono sostituire completamente le tradizionali zone dissipative delle strutture, come le estremità delle travi.

A questo scopo, le connessioni trave-colonna possono essere dotate di dissipatori ad attrito. Nel presente lavoro, si farà riferimento ai dissipatori FREEDAM, ampiamente testati al Laboratorio di Materiali e Strutture dell’Università di Salerno (STRENGTH), nell’ambito del progetto europeo FREEDAM. Essi sono impiegati sia nell’ambito della strategia sostitutiva, in corrispondenza dei nodi trave-colonna, sia di quella supplementare, all’intersezione delle diagonali di controvento.

In particolare, saranno investigate due tipologie strutturali: telai a nodi rigidi (indicati nel prosieguo come MRFs - Moment Resisting Frames) e sistemi accoppiati telaio-controvento concentrico a “V” rovescia (nel seguito riferiti come MRF-CBFs). In molti casi, infatti, i MRFs sono sovradimensionati a causa della necessità di ridurre lo spostamento relativo di interpiano. Tale effetto è preponderante nelle strutture in cui la trave principale risulti parallela alle travi secondarie dell’impalcato, ossia quando le travi non sono eccessivamente caricate. E proprio in tali casi risulta utile ed efficacie l’aggiunta di diagonali di controvento che riducano gli spostamenti laterali della struttura. Inoltre, l’intersezione delle diagonali di controvento può costituire il naturale alloggio di un dissipatore ad attrito aggiuntivo che incrementi la capacità dissipativa totale della struttura.

Ciò premesso, lo scopo del lavoro è quello di evidenziare le differenze tra MRFs e sistemi duali MRF-CBF in termini di peso strutturale, e quindi di costi, e in termini di prestazioni sismiche. Inoltre, le strutture sono progettate secondo la Teoria del Controllo del Meccanismo di collasso Plastico (TPMC) (Longo e altri, 2014a. Piluso e altri, 2015. Piluso e altri 2019a. Nastri e altri 2019. Montuori e altri, 2018a. Dell'Aglio e altri, 2017. Montuori e altri, 2017a. Montuori e altri, 2017b. Montuori e altri, 2016a. Nastri e altri, 2016. Longo e altri, 2014b. Montuori e altri 2016b. Piluso e altri, 2019b), la quale garantisce, in fase di collasso, la formazione di un meccanismo globale, che coinvolga, dunque, tutte le zone dissipative nella plasticizzazione. Si omette, in tale sede, la dettagliata esposizione della procedura di progetto anzi detta, giacché è possibile ritrovarla in articoli preliminari (Piluso e altri, 2019a). Entrambe le tipologie strutturali così progettate, MRFs e MRF- CBFs, sono state altresì sottoposte ad analisi pushover, al fine di evidenziare al meglio la differenza tra le stesse e di validare la procedura di progetto.

I dissipatori FREEDAM: cosa sono e come sono stati utilizzati

I dispositivi FREEDAM sono in grado di dissipare l’energia sismica in ingresso attraverso la forza di attrito che si sviluppa dallo scorrimento relativo dei piatti (pads) che li costituiscono (Latour e altri, 2011. Ferrante Cavallaro e altri, 2017. Latour e altri, 2018. Latour e altri, 2019.Ferrante Cavallaro e altri, 2018. Latour e altri, 2018).

In questo lavoro, i dissipatori FREEDAM sono stati utilizzati nell’ambito della strategia di dissipazione dell’energia sismica sia supplementare sia sostitutiva; infatti, sono posizionati all’intersezione delle diagonali di controvento dei sistemi duali MRF-CBF e nei nodi trave-colonna degli stessi e dei MRF. I due differenti dettagli sono riportati in Figura 1 e Figura 2 e sono meglio descritti nel seguito.

Nel nodo trave-colonna, il dissipatore ad attrito è bullonato a un ringrosso, posizionato al di sotto della flangia inferiore della trave, che serve ad aumentare il braccio di leva. In tale zona può avvenire lo slittamento relativo tra i due piatti attritivi, grazie all’uso di fori asolati che consentono gli spostamenti richiesti (Latour e altri, 2011. Ferrante Cavallaro e altri, 2017. Latour e altri, 2018. Latour e altri, 2019. Ferrante Cavallaro e altri, 2018. Latour e altri, 2018). Gli altri elementi costituenti la connessione sono progettati per restare in campo elastico. Il dettaglio trave- colonna è costituito, inoltre, da un classico giunto a T, in cui risiede il centro di rotazione del nodo, che connette la flangia superiore della trave alla colonna. Il principale vantaggio di tale connessione è che la resistenza flessionale può essere calibrata in funzione delle azioni derivanti dalla combinazione di carico sismico, in maniera tale da promuovere la simultanea attivazione di tutti i dispositivi. Il dissipatore FREEDAM localizzato alla testa delle diagonali di controvento è costituito anch’esso da piatti attritivi bullonati a un fazzoletto interno in acciaio inossidabile dotato di fori asolati che ne consente lo scorrimento orizzontale.

Al fine di progettare il nodo (CEN. Eurocode 3- Part 1-8, 2005c. Di Lauro e atri, 2019), si applicano i principi del capacity design. In base al primo, si progettano le zone dissipative in funzione delle massime sollecitazioni derivanti dalle combinazioni di carico. Di conseguenza, si procede all’applicazione del secondo principio, secondo cui si progettano le zone non dissipative in funzione delle massime sollecitazioni che le zone dissipative, plasticizzate ed incrudite fino al limite della resistenza ultima, sono in grado di trasmettere ad esse.

Nei casi studio di seguito analizzati, le connessioni trave-colonna FREEDAM, nonostante costituiscano la zona dissipativa, sono state progettate a seguito di travi e colonne a causa delle stringenti verifiche allo Stato Limite di Danno. 

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Articolo tratto dagli atti del XVIII Convegno ANIDIS - Ascoli Piceno 2019