Composite Steel Truss and Concrete Beams and Beam-Column Joints for Seismic Resistant Frames: Modelling, numerical analysis and experimental verifications

L’oggetto della presente Tesi di Dottorato riguarda lo studio delle travi tralicciate composte acciaio e calcestruzzo e dei nodi trave pilastro ideati per l’impiego di tale tipologia strutturale. Le travi tralicciate composte sono costituite da tralicci di acciaio prefabbricati conglobati in getti di calcestruzzo comunemente realizzati in cantiere. Le principali caratteristiche dei tralicci di acciaio sono l’autoportanza nei confronti del peso proprio e di quello del solaio senza alcun ulteriore supporto provvisionale e la collaborazione con il getto di calcestruzzo quando esso indurisce. La recente norma italiana DMLLPP 14/01/2008 fa menzione della tipologia strutturale tralicciata composta e stabilisce che il suo impiego richiede la preventiva autorizzazione del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici senza fornire alcuna altra specifica. L’assenza quindi di normativa Italiana e Internazionale a riguardo richiede la formulazione di regole di progetto specifiche. Gli scopi della ricerca sono la verifica dell’efficienza di questo sistema strutturale, lo sviluppo di un metodo di calcolo attendibile, l’applicazione delle travi tralicciate composte in telai sismo resistenti, il progetto e la verifica di innovativi nodi trave-pilastro con adeguate prestazioni anti sismiche. Come primo obiettivo, si sono focalizzati i telai in cemento armato sismo resistenti per comprendere a pieno le sollecitazioni a cui sono soggetti e per analizzare tutte le caratteristiche che possono condizionare il loro comportamento in termini di rigidezza, resistenza e duttilità. Nel quadro della teoria del danno continuo, è stato proposto un nuovo modello di danno a due parametri per il calcestruzzo. In particolare è stata sviluppata una nuova legge di evoluzione del danno a compressione per il calcestruzzo per una migliore valutazione degli effetti delle armature di confinamento nelle strutture di cemento armato. Allo scopo di descrivere il comportamento dell’armatura in un approccio unitario, sono stati formulati specifici indici di danno per l’acciaio, prendendo in considerazione lo sviluppo della deformazione plastica e il fenomeno dell’instabilità delle barre compresse. È stata inoltre formulata una nuova metodologia per stimare il carico critico delle barre che risulta in ottimo accordo con i risultati sperimentali. Infine è stata proposta una migliore e generalizzata definizione degli indici di danno globali con lo scopo di ottenere strumenti efficaci nella caratterizzazione delle prestazioni di strutture in cemento armato. Il modello sviluppato è stato implementato in un codice di ricerca agli elementi finiti con modello a fibre, il quale è stato validato mediante la comparazione di analisi non lineari di strutture sottoposte a prove sperimentali. In particolare, è stata dimostrata l’affidabilità del modello mediante la comparazione con i risultati di esperimenti condotti in colonne di cemento armato alcune delle quali hanno presentato l’instabilità delle barre compresse. Sono state condotte analisi statiche e dinamiche non lineari di telai in cemento armato progettati con o senza i criteri di alta duttilità e il modello si è dimostrato in grado di descrivere in modo efficiente ed accurato il comportamento dinamico, i meccanismi di collasso e l’energia dissipata. Gli stessi telai sono stati poi studiati mediante un approccio a cerniere plastiche concentrate così come proposto dalla normativa Americana FEMA 356. È stata proposta e indagata una correlazione tra i livelli di prestazione contenuti nella normativa FEMA e gli indici di danno globali. La meccanica delle travi tralicciate composte è stata analizzata ed è stato proposto un innovativo metodo di calcolo nell’ambito del metodo Semiprobabilistico agli Stati Limite. Ogni Stato Limite Ultimo e di Esercizio è stato definito e correlato alle prestazioni delle travi. L’indurimento del getto di completamento distingue due fasi nella vita delle travi tralicciate che sono caratterizzate da differenti sezioni resistenti e conseguentemente da una meccanica differente. Durante la prima fase le travi si comportano come tralicci di acciaio prefabbricati, mentre nella seconda i tralicci di acciaio collaborano con il calcestruzzo indurito. Per entrambe le fasi sono stati proposti metodi di calcolo e verifica del comportamento delle travi. Il metodo così sviluppato è stato impiegato per predire e analizzare le prove sperimentali condotte presso il Laboratorio di Prove sui Materiali da Costruzione del Dipartimento di Costruzioni e Trasporti dell’Università di Padova. Sono presentate tre serie di prove sperimentali su travi tralicciate con le relative analisi dei risultati ottenuti. In particolare sono state progettate e sottoposte a prova: otto travi REP?-NOR, sei travi ECOTRAVE? RAFTILE? e due travi PREREP?.Sono stati studiati la deformabilità globale, i meccanismi resistenti a flessione e taglio e i fenomeni di fessurazione e decompressione. I risultati sono stati comparati con quelli ottenuti per mezzo del metodo di calcolo presentato. La meccanica delle travi è stata così confermata e il metodo di calcolo si è dimostrato efficiente e preciso nella valutazione del comportamento di travi tralicciate, alcune delle quali presentavano soluzioni costruttive distinte ed innovative. La meccanica del nodo trave pilastro in cemento armato è stata poi analizzata, richiamando le principali teorie e i loro recenti sviluppi. Sono stati valutati i due meccanismi di resistenza del nodo ovvero quello del puntone di calcestruzzo e quello a traliccio d’armatura. È stato investigato il loro contributo nell’assorbire il taglio totale che sollecita il nodo per effetto di azioni sismiche. Sono state così chiaramente esplicitate tutte le prescrizioni contenute nelle normative di merito in vista dell’applicazione a nodi di geometrie e caratteristiche distinte. Sono state quindi confrontate le prescrizioni dell’Eurocodice e della normativa Americana ACI 318M nei loro apsetti fondamentali. È stato poi definito un nodo trave-colonna da impiegarsi come struttura di riferimento ed è stato progettato in cemento armato secondo la vigente normativa Europea e Italiana. Si è affrontato di seguito il problema dell’analisi numerica accurata di tale nodo. I modelli numerici proposti sono stati validati tramite confronti con risultati sperimentali. Tramite l’impiego di analisi bi- e tri- dimensionali è stato possibile valutare in modo appropriato il comportamento del nodo progettato. Lo sviluppo teorico ha così trovato conferma nelle analisi numeriche sia qualitativamente che quantitativamente. Partendo da considerazioni teoriche, è stato proposto un innovativo nodo per travi tralicciate miste. Lo scopo principale è stato quello di raggiungere adeguate rigidezza, resistenza e duttilità in telai sismo-resistenti. La similarità dei meccanismi resistenti ha permesso di estendere la teoria dei nodi di cemento armato alla tipologia tralicciata mista. Il calcolo dei nodi proposti parte dallo studio di distribuzioni di tensioni staticamente ammissibili all’interno del nodo e segue con la loro valutazione quantitativa. Per mezzo degli strumenti di analisi numerica studiati e validati con le strutture di cemento armato, sono state eseguite le analisi dei nuovi nodi progettati. Anche in questo caso analisi bi- e tri- dimensionali sono presentate assieme al loro confronto con le corrispettive dei nodi in cemento armato. Le analisi numeriche mostrano il raggiungimento di obiettivi importanti quali la rigidezza del nodo, la sua resistenza e la sua duttilità. È stata altresì verificata la capacità del nodo di dissipare energia confrontandola con quella del nodo in cemento armato. I risultati confermano l’efficienza della soluzione di nodo in tipologia tralicciata mista proposta. Infine, è stato studiato un innovativo nodo di tipologia strutturale composta per applicazioni in zone a medio-bassa sismicità. Il nodo è stato pensato per connettere travi tralicciate composte e pilastri di calcestruzzo con camicia esterna di acciaio. Il principale spunto del nodo è quello di conservare la continuità della camicia di acciaio attraverso il nodo per mezzo di connessioni a freddo con bulloni ciechi. Sono stati quindi proposti elementi strutturali aggiuntivi, che oltrepassano la colonna in corrispondenza del nodo, con il compito di ripristinare la continuità. Le connessioni proposte richiedono un limitato impiego di manodopera in cantiere riducendo così il numero di lavorazioni e i tempi di costruzione. Il nodo risultante è un tipo speciale di struttura composta acciaio e calcestruzzo, collaborando l’acciaio con il calcestruzzo nel sostenere le sollecitazioni. Il progetto del nodo è stato condotto secondo le prescrizioni della vigente normativa Italiana ed Europea. La verifica del comportamento del nodo composto è stata eseguita per mezzo di analisi numeriche con programmi agli elementi finiti valutando differenti soluzioni di modellazione. I modelli numerici hanno tenuto conto della limitazione delle tensioni di trazione all’interfaccia tra camicia di acciaio e calcestruzzo delle travi. Grazie a tale accurata modellazione, i relativi risultati possono essere considerati affidabili e precisi. Le analisi hanno quindi confermato l’efficienza del nodo trave-pilastro proposto in struttura mista acciaio e calcestruzzo.