Ruolo di dissipatori isteretici a falce di luna impiegati in giunti trave-pilastro sull’impatto ambientale di un edificio reale prefabbricato pluripiano

La crescente esigenza di adottare strutture prefabbricate negli edifici pluripiano si accompagna spesso alla necessità di ottimizzare le sezioni degli elementi strutturali. Nel presente articolo viene illustrato il caso di un edificio reale progettato con l’impiego di dissipatori isteretici a falce di luna in acciaio aventi comportamento elasto-plastico duttile in corrispondenza dei nodi trave-pilastro, soluzione recentemente sottoposta a brevetto.

La continuità al nodo che ne deriva produce effetti benefici nel dimensionamento delle strutture sismoresistenti verticali, permettendo una riduzione della sezione del pilastro rispetto al classico schema incernierato prefabbricato, al contempo proteggendo travi e pilastri dalle eccessive sollecitazioni generate dai carichi statici e sismici tipiche delle soluzioni gettate in opera o prefabbricate con giunti a umido che prevedono l’incastro perfetto ai nodi.

In seguito al dimensionamento completo della struttura dell’edificio oggetto di studio con le 3 soluzioni sopra descritte, eseguito con analisi dinamica non lineare nel caso di telaio prefabbricato dissipativo, si confrontano e discutono i risultati dell’analisi di impatto ambientale, dalla quale emerge una maggiore sostenibilità ambientale della soluzione prefabbricata dissipativa nei confronti sia della soluzione in cemento armato ordinario sia di quella prefabbricata con pilastri incastrati alla base ed orizzontamenti incernierati.

Nelle zona a media o alta sismicità l'adozione di strutture sismoresistenti verticali a pareti non risulta compatibile con le esigenze architettoniche

La domanda di strutture prefabbricate in c.a.v. e c.a.p. per la realizzazione di edifici pluripiano è in crescente aumento, in virtù dei vantaggi offerti dalla tecnologia della precompressione, della rapidità di realizzazione, della costanza di prestazione e controllo di qualità del prodotto.
Tuttavia, l’adozione di strutture a pilastri incastrati alla base ed orizzontamenti incernierati tipica della prefabbricazione non sempre si concilia con l’esigenza di contenere i drift di piano e le dimensioni della sezione dei pilastri.

La complessità del problema aumenta nelle zone a media o alta sismicità, dove spesso l’adozione di strutture sismoresistenti verticali a pareti e nuclei non risulta compatibile con le esigenze architettoniche.

In questi casi, nelle classiche strutture in c.a.o. gettato in opera, il controllo degli spostamenti di in- terpiano, la resistenza e la dissipazione vengono affidati a telai spaziali di travi e pilastri con incastro ai nodi.

Questo tipo di soluzione comporta la gestione di sollecitazioni di notevole entità in corrispondenza dei nodi, in combinazione sia statica che sismica. Ciò ha importanti implicazioni nel dimensionamento delle sezioni dei pilastri, anche in virtù della necessità di garantire la gerarchia di resistenza, quando la progettazione delle strutture venga condotta con ipotesi di comportamento dissipativo.

Le problematiche relative alla gerarchia di resistenza e duttilità del nodo trave-pilastro, nell’ipotesi di strutture prefabbricate emulative con incastro perfetto realizzato a umido, si complicano fino a diven- tare talvolta non risolvibili nell’adottare maglie di pilastri con luci superiori a quelle consentite dalle strutture in cemento armato ordinario.
Si è proposto recentemente di utilizzare telai prefabbricati realizzati a secco con nodi adattabili da cerniere a incastro (Dal Lago et al. 2018) grazie all’impiego di accoppiatori meccanici, con ciò andando a ridurre il contributo di momento statico al nodo.

La risposta alle criticità di cui sopra è stata data nel caso oggetto di studio mediante un approccio alternativo con l’introduzione, in corrispondenza dei nodi trave-pilastro, di dispositivi isteretici di dissipazione energetica a comportamento elasto-plastico in grado di controllare il grado di rigidezza dell’incastro in corrispondenza dei nodi stessi, al contempo plafonando i momenti al superamento della soglia di snervamento. Tali dispositivi agiscono come fusibili strutturali, eventualmente sostituibili in caso di estesa plasticizzazione. Questo dettaglio è stato recentemente proposto e brevettato dalla Manini Prefabbricati S.p.a. con deposito n. 102019000025459.
In Fig. 1 è rappresentata una vista assonometrica della struttura prefabbricata oggetto di studio, composta di tre livelli per una altezza totale di 15 m e superficie complessiva di circa 3.000 m².

Come noto, il settore delle costruzioni ha un rilevante impatto ambientale, che specificatamente per le costruzioni in calcestruzzo armato è attribuibile principalmente ai contributi di cemento e acciaio. Le tecniche a disposizione dei progettisti per ridurre l’impatto in termini di materiali primi si traducono essenzialmente in due strategie.

La prima strategia, oggetto di ampie attività di ricerca da diversi decenni, riguarda la sostituzione dei componenti più inquinanti già citati con materiali alternativi, ad esempio con cemento solfalluminoso al posto del portland (Coppola et al. 2018), oppure con armature di materiale composito al posto dell’acciaio (Dal Lago et al. 2017).

Tali sostituzioni, sulla base delle conoscenze odierne, portano generalmente ad una riduzione delle prestazioni strutturali e/o della competitività del costo della struttura.
La seconda strategia, affrontata meno estesamente dal punto di vista accademico, riguarda la riduzione del volume di materiale utilizzato conseguente all’adozione di tecnologie strutturali più sofisticate (ad es. precompressione o getto in casseri dalla geometria complessa per costruzioni prefabbricate) accoppiata ad un processo di ottimizzazione strutturale.

Ricerche recenti (Lamperti Tornaghi et al. 2018, Abey & Anand 2019, Dal Lago et al. 2021) hanno dimostrato che le costruzioni prefabbricate, pur impiegando materiali più performanti e con maggiore impatto ambientale rispetto alle costruzioni in c.a.o. gettato in opera, consentono una riduzione significativa di volume di materiale impiegato, che risulta assai prevalente nel bilancio di sostenibilità, conferendo a tali strutture un minore impatto ambientale, spesse volte decisamente più efficace di quanto potenzialmente ottenibile con la sostituzione totale o parziale di cemento o acciaio con alternative a minore impatto ambientale (Dal Lago et al. 2021).

Tale bilancio tende a discostarsi ulteriormente tra strutture prefabbricate e gettate in opera, secondo altre ricerche recenti (Bonamente et al. 2014, Rodrigues et al. 2018, Bahramian & Yetilmezsoy 2020, Wang et al. 2020, Nagireddi et al. 2022), al considerare un’analisi nell’ottica di ciclo di vita (LCA), lad- dove fattori ulteriori rispetto al consumo di materiali primi entrano nel bilancio.

Tra gli aspetti positivi figurano la gestione del cantiere, la maggiore durabilità conferita dall’utilizzo di calcestruzzo di maggiore qualità e soprattutto dall’assenza di fessurazione in esercizio ottenuta grazie alla precompressione, la disassemblabilità, nonché la migliore resilienza offerta dai dispositivi isteretici in concomitanza di eventi sismici rilevanti. Tali aspetti possono essere controbilanciati dai consumi dello stabilimento di produzione e dal trasporto degli elementi.

Nell’ottica di quantificare i vantaggi derivanti dall’adozione della soluzione con dispositivi dissipativi in termini di sostenibilità ambientale, si è proceduto al dimensionamento dell’edificio oggetto di studio secondo due approcci classici alternativi della stessa struttura, ottenendone così una progettazione completa secondo le seguenti 3 soluzioni:

1. telaio prefabbricato con giunti dissipativi trave-pilastro;
2. telaio prefabbricato con orizzontamenti incernierati;
3. telaio gettato in opera con nodi incastrati.

L’edificio è stato realmente realizzato con l’ipotesi di cui al punto 1 e progettato ai sensi delle NTC2018 in classe d’uso III, categoria del suolo B, in un sito caratterizzato da accelerazione al suolo in contesto SLV pari a 0.16g.
Nella presente memoria il confronto in termini di sostenibilità ambientale verrà analizzato con riferimento all’edificio oggetto di studio e ai soli ma- teriali primi, lasciando a future pubblicazioni una più ampia trattazione del problema in ottica LCA, attualmente in corso di svolgimento.

Telaio prefabbricato con giunti dissipativi trave-pilastro

Stati limite e valutazioni

Le valutazioni riguardano sia gli stati limite ultimi, SLV ed SLC, che gli stati limite di esercizio, SLO ed SLD, e tengono conto della capacità dissipativa della struttura. Sono condotte due valutazioni.

A) Analisi non lineare di progetto. Consiste nella valutazione dei parametri di risposta della struttura mediante l’utilizzo di analisi dinamiche al passo non lineari, finalizzate alla esecuzione delle verifiche di progetto previste dalle norme.
B) Stima della capacità dissipativa. Consiste nella valutazione della capacità dissipativa media raggiunta dalla struttura, indirettamente associata alla domanda di duttilità tramite la tradizionale equivalenza tra duttilità e fattore di comportamento per strutture deformabili, utilizzabile nell'ambito di analisi dina- miche lineari equivalenti.

Generazione accelerogrammi

L'input sismico delle analisi dinamiche non lineari è costituito da accelerogrammi artificiali spettrocompatibili. La durata della parte pseudo-stazionaria degli accelerogrammi è stata assunta pari a 10 s; la parte pseudo-stazionaria è stata fatta precedere da un intervallo di 2 s con accelerazioni di ampiezza crescente a partire da zero ed è stata fatta seguire da un intervallo di 13 s con accelerazioni di ampiezza decrescente fino a zero; pertanto la durata complessiva degli accelerogrammi è pari a 25 s.
Per ciascuno stato limite sono state generate sette terne di accelerogrammi, ciascuna comprendente le storie di accelerazioni nelle due direzioni orizzontali ed in quella verticale.

Modello di calcolo

Il modello di calcolo è ad elementi finiti (FEM) mostrato in Fig. 2 in cui il sistema strutturale intelaiato è riprodotto con elementi monodimensionali tipo "trave". I dispositivi dissipativi sono riprodotti con elementi monodimensionali “link” a comportamento non lineare (elasto-plastico Bouc-Wen). La connessione trave-pilastro è stata modellata riproducendo accuratamente lo schema reale. Gli impalcati sono stati modellati a diagramma semi-rigido considerandone le effettive rigidezze nel piano.

La presente memoria è tratta da Italian Concrete Conference - Napoli, 12-15 ottobre 2022
Evento organizzato da aicap e CTE

L'ARTICOLO CONTINUA NEL PDF IN ALLEGATO...