Le Connessioni Bullonate Peikko per applicazioni sismiche

Elena Camnasio - PEIKKO GROUP CORPORATION

1 Introduzione
Le connessioni fra gli elementi prefabbricati svolgono un ruolo fondamentale nel complesso delle prestazioni della struttura, in particolare se si considerano le applicazioni sismiche. Infatti, i collegamenti prefabbricati rappresentano un punto di criticità laddove la continuità strutturale sarebbe necessaria. In passato le costruzioni prefabbricate presentavano dettagli costruttivi inadeguati e mancavano di continuità e ridondanza strutturale, causando prestazioni sismiche carenti. Inoltre, non vi erano linee guida di progettazione per le strutture prefabbricate in zona sismica.
Per tali ragioni, il prefabbricato ha visto uno scarso impiego nelle zone soggette a terremoti. Finora, gli ingegneri hanno preferito soluzioni gettate in opera o usato alternative come le barre fuoriuscenti dal pilastro o le connessioni ibride per consuetudine. Tuttavia, non vi è sempre evidenza del loro comportamento sismico, e mancano inoltre le valutazioni di rischio del loro utilizzo. In aggiunta, le strutture prefabbricate offrono alcuni vantaggi durante sia la produzione sia l’installazione rispetto alle soluzioni tradizionali, come miglior controllo di qualità del prodotto e del materiale, installazione più veloce e contenimento dei costi.
Negli ultimi due decenni, si sono svolti numerosi studi riguardo al comportamento ciclico dei giunti prefabbricati a supporto dello sviluppo delle attuali Normative [5], [8], [9], [14], [15]. Lo scopo principale è la mitigazione del rischio sismico attraverso un approccio progettuale prestazionale dove predefiniti livelli di danno vengono ammessi come stati limite. Specifici requisiti sia di resistenza sia di duttilità delle connessioni sono stati imposti affinché le strutture possano sostenere i carichi ciclici da sisma senza una sostanziale riduzione della resistenza globale.
Nel riguardo di tali necessità di progetto e considerando gli interessi dei clienti, nel 2008 Peikko ha intrapreso un programma di ricerca sperimentale ad ampio spettro in collaborazione con il Politecnico di Milano per indagare le prestazioni delle connessioni bullonate pilastro-fondazione realizzate con Scarpe per Pilastri HPKM® [16] e Tirafondi HPM® [17]. Scopo della ricerca era sviluppare una connessione prefabbricata che fosse emulativa dei giunti monolitici avente le stesse prestazioni in termini di duttilità, dissipazione di energia, rigidezza e degrado della resistenza, così da combinare il rispetto delle Normative con i vantaggi delle strutture prefabbricate.

2 La Connessione Bullonata per Pilastri Peikko
La Connessione Bullonata per Pilastri Peikko consiste di Scarpe per Pilastri HPKM® e Tirafondi HPM® (Figura 1a). Le Scarpe per Pilastri HPKM® [16] vengono assemblate con piastre di base e laterale e barre di ancoraggio, le quali vengono inserite alla base dell’elemento prefabbricato. Le saldature fra tali componenti hanno una resistenza nominale almeno due volte quella dei tirafondi. Ciò garantisce la risposta elastica delle saldature. I Tirafondi HPM® sono barre ad aderenza migliorata, le quali vengono parzialmente gettate in fondazione. La parte esterna filettata permette il serraggio della piastra di base tramite due rondelle e due dadi esagonali.
Il giunto aperto fra pilastro e struttura di fondazione, incluse le tasche delle scarpe, viene riempito con malta cementizia anti-ritiro. La malta ha una resistenza di progetto a compressione di almeno una classe superiore alla più alta classe di calcestruzzo usata negli elementi coillegati, cosicché si evitino le rotture fragili nel giunto.
Il principale vantaggio di utilizzare le connessioni bullonate è la realizzazione immediata della connessione. Il pilastro può essere installato in cantiere senza puntellamenti, semplicemente livellando e serrando i dadi. La Connessione per Pilastri Peikko offre sufficienti tolleranze di assemblaggio per regolare il pilastro al corretto livello e posizione verticale. Il processo di costruzione è veloce e sicuro, e l’aspetto finale della connessione è molto simile, se non identico, alle tradizionali soluzioni gettate in opera.
La parte del pilastro al di sopra del giunto è sovra-resistente cosicché le cerniere plastiche si formino esclusivamente all’interno del giunto inghisato. Ciò è dovuto alla presenza delle scarpe, le quali sono più resistenti dei tirafondi, e alla sovrapposizione delle barre delle scarpe con l’armatura del pilastro, il che determina una resistenza a flessione della sezione molto più alta di quella del giunto.



Figura 1. (a) La connessione bullonata pilastro-fondazione Peikko (adattata da [16], [17]); (b) Analogia delle alternative di progetto con una catena.

2.1 Le alternative di progetto per il sistema di connessione
Le normative generalmente permettono due differenti approcci per progettare le connessioni prefabbricate pilastro-fondazione (Figura 1b). Dapprima, le connessioni possono essere sovra-dimensionate così da spostare la zona critica al pilastro collegato. La connessione rimane pressocché elastica con limitati spostamenti o deformazioni locali, costituendo un anello “forte” nella gerarchia delle resistenze. Ciò significa che la resistenza della connessione dipende dal momento resistente del pilastro che essa supporta. Tuttavia, la base del pilastro risulta già sovra-resistente data la presenza sia delle barre di ancoraggio delle scarpe sia della gabbia di armatura. Di conseguenza, le connessioni sovra-dimensionate richiedono sezioni abbastanza grandi per poter inserire i tirafondi necessari. Ciò non è economicamente conveniente e può portare a giunti densamente armati.
La seconda alternativa è rappresentata dalle connessioni dissipative, le quali si trovano nella zona critica ma rispettano anche i criteri di duttilità locale prescritti. In questo caso, la formazione di cerniere plastiche nel pilastro e/o l’instabilizzazione delle barre vengono evitate mentre il possibile danneggiamento viene limitato alla base del pilastro all’interfaccia con la fondazione, dove i tirafondi rappresentano un anello “debole” e si comportano come connettori duttili. Diversamente dalle connessioni sovra-dimensionate, la resistenza delle connessioni dissipative dipende dai momenti agenti come per i giunti gettati in opera. Dato che il giunto dissipa esso stesso energia, può essere progettato per corrispondere alla capacità del pilastro pur rispettando il “capacity design” della struttura nel suo complesso. Sotto specifiche condizioni, ciò porta a sezioni del pilastro ridotte e adeguatamente armate.

2.2 La Connessione per Pilastri Peikko per applicazioni sismiche
Per essere considerata “duttile”, una connessione deve mostrare sperimentalmente un comportamento ciclico stabile e una capacità di dissipazione di energia almeno pari a quella di una connessione monolitica avente la stessa resistenza e conforme ai requisiti di duttilità locale della Normativa. I particolari costruttivi mostrati in Figura 2 sono stati quindi introdotti nella Connessione per Pilastri Peikko standard a tal scopo [11]. L’efficacia delle nuove caratteristiche viene valutata dal confronto con i risultati sperimentali precedenti, dove tali migliorie non erano ancora state inserite [3], [12], [13].

Figura 2. La Connessione per Pilastri Peikko per applicazioni sismiche.

I tirafondi HPM®-EQ [18] sono stati specificamente sviluppati e prodotti in B500C – il tipo di acciaio più duttile. La parte di filettatura immersa nell’elemento di fondazione è stata resa non aderente da una guaina termorestringente, cosicché il tirafondo sia libero di deformarsi e la capacità di deformazione dell’acciaio non venga ridotta. Si sono testati diversi tipi di guaine. La guaina termo-restringente è risultata la migliore opzione per conservare la maggior deformazione ultima dell’acciaio durante i test di trazione-compressione sui tirafondi [13]. I carichi vengono invece trasferiti attraverso le costolature della barra e la testa a martello come nei tirafondi standard.
Il serraggio del giunto sotto carico ciclico è garantito da rondelle anti-svitamento ad alta resistenza e anche da una sorta di pre-tensione del tirafondo, la quale viene indotta da una rotazione aggiuntiva del dado superiore dopo il serraggio a rifiuto. In particolare, le rondelle anti-svitamento sono composte da due parti aventi una superficie interna zigrinata con un angolo di inclinazione maggiore di quello della filettatura. L’eventuale scorrimento relativo fra le due parti provoca un aumento dello spessore della rondella maggiore del passo della filettatura, mantenendo così serrata la connessione. La rotazione aggiuntiva assicura il corretto funzionamento della connessione, la quale è comunque garantita con una certa tolleranza del valore della forza di pre-tensione.
Si è iniettata della resina epossidica nel foro della piastra di base in modo da compensare le tolleranze necessarie in fase di posa. Qualsiasi movimento del tirafondo all’interno del foro viene impedito. Ciò porta a una significativa riduzione del cosiddetto effetto di “pinching”, il quale è dovuto allo spostamento relativo fra tirafondo e scarpa. L’effetto positivo è il conseguente ampliamento dell’area sottesa ai cicli di isteresi, come verificato sperimentalmente.
Per l’inghisaggio viene utilizzata una malta fibro-rinforzata ad alta resistenza per ridurre lo spalling del collare di malta non confinato intorno alla base del pilastro. Ciò limita il danneggiamento e quindi gli interventi di ripristino post-terremoto. Inoltre, le superfici di getto alla base del pilastro e sul piano di fondazione sono state indentate, così da dare luogo alla formazione di puntoni compressi di malta fibro-rinforzata tra l’indentatura superiore e quella inferiore. Ciò evita lo slittamento del pilastro. La resistenza a taglio del giunto sotto carico ciclico risulta aumentata sfruttando sia l’attrito sia l’ingranamento meccanico delle superfici. Il taglio viene principalmente preso da questo meccanismo, mentre i tirafondi vengono soggetti quasi esclusivamente a tensione e compressione.
Infine, le staffe aggiuntive intorno alle scarpe limitano spostamenti e rotazioni relativi, riducendo così la fessurazione del giunto. L’ugual spostamento delle scarpe sotto carico ciclico viene garantito. Ad esempio, in un pilastro con quattro scarpe, due scarpe sarano compresse e due tese alternativamente. La presenza delle staffe aiuta a ridistribuire tale forze fra le scarpe.

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