STRUTTURE COMPOSTE ACCIAIO CALCESTRUZZO IN ZONA SISMICA

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Scritto da Ing. Marco Dalla Via

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Strutture composte acciaio-calcestruzzo in zona sismica

 Strutture composte acciaio - calcestruzzo in zona sismica

L'assemblaggio di elementi in acciaio con elementi in conglomerato cementizio armato, permette di realizzare delle strutture composte che consentono di sfruttare le peculiari caratteristiche dei due elementi che le formano. La trave realizzata unendo un profilo in acciaio con una soletta in conglomerato cementizio armato è un tipico esempio di struttura mista.

Ora mi soffermerò in particolare nella descrizione delle caratteristiche delle strutture interamente realizzate in acciaio o interamente realizzate in calcestruzzo, descrivendo i pregi ed i difetti di ciascuna categoria di strutture, ed enfatizzando i vantaggi delle strutture composte acciaio - calcestruzzo rispetto ad esse.

Le strutture in acciaio hanno un valore particolarmente vantaggioso del rapporto fra il peso specifico e la resistenza; esso è dell’ordine del 20-30% di quello relativo alle strutture in cemento armato. Nelle strutture in acciaio, gli effetti del peso proprio sono quindi spesso trascurabili rispetto a quelli dovuti agli altri carichi. Questo è vantaggioso soprattutto ai fini del dimensionamento delle strutture: il peso proprio delle strutture può essere valutato in modo decisamente approssimato in quanto non ha una incidenza significativa sui risultati. Per contro nelle strutture in acciaio divengono spesso determinanti degli effetti che sono invece trascurati nelle strutture in cemento armato. In particolare, dato che le strutture in acciaio sono strutture abbastanza snelle, risentono molto degli effetti dell’instabilità per compressione e dell’instabilità flesso - torsionale. Questi effetti sono al contrario spesso trascurabili nelle strutture in cemento armato, dato che le sezioni di questo materiale sono tipicamente tozze.

Le strutture realizzate interamente in cemento armato hanno il vantaggio della buona resistenza a compressione. Lo svantaggio è rappresentato soprattutto dal peso elevato di queste strutture rispetto alle strutture realizzate interamente in acciaio.

Le strutture composte acciaio-calcestruzzo presentano alcuni vantaggi rispetto alle costruzioni tradizionali. Questi sono rappresentati soprattutto da una superiore velocità di costruzione e da una maggiore rigidezza e resistenza delle travi che permette di superare grandi luci con altezze limitate, con un conseguente risparmio di materiale impiegato.

Per quanto riguarda le colonne in cemento armato soggette ad azioni sismiche sappiamo da eventi sismici passati e recenti che esse si sono rivelate inadatte ad attingere a risorse duttili, quali elevate deformabità in campo plastico. Ciò accade perché questi elementi, la cui unica risorsa plastica risiede nello snervamento plastico delle barre d’armatura, sono soggetti durante un sisma ad una combinazione di carichi di compressione, flessione e taglio. Ecco allora che si comprende il grosso vantaggio dell’utilizzo delle colonne composte acciaio-calcestruzzo in zona sismica. Utilizzando infatti una colonna in acciaio parzialmente o totalmente riempita di calcestruzzo armato e realizzando una opportuna connessione tra i due elementi, abbiamo la collaborazione fra la resistenza a compressione del calcestruzzo, la duttilità delle barre di armatura e la resistenza flessionale e duttilità del profilo in acciaio, con un conseguente aumento della resistenza alle azioni sismiche.

Per quanto concerne le solette in cemento armato esse hanno il vantaggio della buona resistenza a compressione, ma lo svantaggio della scarsa resistenza a trazione e della scarsa duttilità, limitata solamente allo snervamento plastico delle barre di armatura. La presenza di una trave in acciaio sotto alla soletta di calcestruzzo ed opportunamente solidarizzata ad essa tramite dei pioli di collegamento, rende la struttura più duttile e maggiormente resistente alle sollecitazioni di trazione e di flessione che si verificano durante il sisma. La resistenza a trazione nella parte inferiore della soletta è quindi affidata alla trave in acciaio, mentre nella parte superiore lo sforzo di trazione è assorbito dalle barre poste nella soletta.

Nel caso delle travi composte, la collaborazione tra profilo in acciaio e soletta può essere garantita tramite connettori metallici a taglio, in grado di assorbire, completamente o parzialmente, gli scorrimenti che le sollecitazioni flettenti, indotte dai carichi, generano all’interfaccia tra profilo metallico e soletta in calcestruzzo.

Uno fra i più diffusi sistemi di connessione è quello che prevede l’impiego di pioli metallici muniti di testa che vengono saldati elettricamente ed in maniera automatica alla flangia superiore del profilo in acciaio. Essi presentano ottime caratteristiche meccaniche in termini di resistenza e duttilità, ma soprattutto sono molto pratici ed economici e per questo preferiti ad altri dispositivi di connessione.

L’unione della trave in acciaio con la soletta mediante i pioli permette, a livello progettuale, l’introduzione della variabile “grado di connessione”, parametro proporzionale al numero di connettori impiegati per la realizzazione del collegamento profilo di acciaio – soletta. Si parla di “connessione completa” se, per un’assegnata distribuzione dei carichi, la resistenza della trave non risulta incrementabile aumentando il numero di connettori.

Questi devono avere una sufficiente capacità deformativa, tale da permettere lo sviluppo del momento resistente plastico delle sezioni. Oltre a questo comportamento duttile, i pioli devono poter trasferire le forze di taglio longitudinali tra il profilo d'acciaio e la soletta. Per questo devono essere disposti in numero opportuno e adeguatamente spaziati lungo la trave. Il loro numero e la loro resistenza determina il valore del grado di connessione

Le positive aspettative nei confronti dell’utilizzo delle strutture composte in zona sismica e le carenze normative al riguardo, propongono in maniera evidente l’esigenza di approfondire la conoscenza del loro comportamento, con particolare attenzione rivolta alle opportunità offerte della variabilità del grado di connessione.

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