Edifici esistenti in c.a.: intervento di rinforzo di nodi non confinati mediante nastri metallici pre-tesi

I nodi trave-colonna non confinati sono la principale causa di limitazione della capacità sismica degli edifici esistenti in c.a. in quanto generalmente privi di un'armatura trasversale. 

Le tecniche di rafforzamento locale devono mirare a incrementare la resistenza di nodo sino a favorire lo sviluppo di meccanismi duttili degli elementi in esso concorrenti. In tal senso, l’utilizzo di nastri metallici pre-tesi può risultare una soluzione particolarmente vantaggiosa e caratterizzata da un limitato impatto e invasività.

In questo articolo sono dapprima illustrate le modalità di progettazione dell’intervento con nastri metallici pre-tesi, e successivamente verificate mediante l'esecuzione di test sperimentali eseguiti su tre sub-assemblaggi trave-colonna definiti rispettivamente, da un nodo rinforzato, un nodo esistente e un nodo progettato secondo le attuali prescrizioni sismiche. 

 

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La verifica dei nodi nella valutazione sismica degli edifici esistenti in cemento armato

La gran parte degli edifici esistenti in cemento armato (c.a.) è notoriamente caratterizzato da un’elevata vulnerabilità sismica, come tristemente testimoniato dai più recenti terremoti in Italia.

L’80% del patrimonio edilizio residenziale italiano in c.a., infatti, è stato realizzato prima degli anni ‘90. La percentuale sale ulteriormente, fino a sfiorare la totalità dell’edificato in c.a., se si considerano le costruzioni realizzate prima dell’entrata in vigore delle NTC 2008 (e poi delle attuali NTC 2018). Il dato è significativo se si pensa che solo con l’entrata in vigore del suddetto decreto hanno preso finalmente piede l’effettiva applicazione del principio cardine nell’ingegneria sismica della gerarchia delle resistenze e, con esso, il principio secondo cui l’intersezione trave-colonna ha la sua “dimensione” e dignità strutturale.

Come è noto, prima della Circolare Ministeriale del 1997 (C.M. 10-4-1997) non era infatti prevista alcuna progettazione/verifica per l’elemento nodale. La suddetta Circolare prevedeva, invece, che le staffe della colonna inferiore dovessero proseguire nel pannello di nodo sovrastante con lo stesso passo.

Le NTC 2008 introducono per la prima volta il progetto e la verifica espliciti del nodo, differenziando tra nodi interni ed esterni, interamente confinati e non, e prescrive una verifica dei nodi nella valutazione sismica di edifici esistenti limitandone la capacità alla sola prima fessurazione diagonale.

In accordo alle NTC 2008 e alle vigenti norme tecniche (NTC 2018), sia in fase di progettazione ex-novo sia di valutazione dell’as-built è spesso proprio l’elemento nodale a condizionare fortemente la valutazione della capacità sismica di edifici in c.a. e le verifiche normative connesse.

Il tema è certamente di interesse, dunque, sia nella pratica professionale sia in ambito di ricerca, e anche estremamente attuale, come testimoniano le recenti indicazioni fornite dalle Linee Guida per la Classificazione del Rischio Sismico delle Costruzioni e la conseguente ricaduta sul beneficio fiscale ottenibile (Sismabonus, Superbonus). Le Linee Guida appena citate prevedono, infatti, che, per edifici intelaiati in entrambe le direzioni principali, si possa garantire il miglioramento di una classe sismica se si interviene opportunamente a evitare le crisi fragili proprio dei nodi non confinati (oltre alla predisposizione di presidi anti-ribaltamento per le tamponature e al ripristino di eventuali zone di degrado).

È dunque di estrema importanza l’analisi del comportamento dei nodi in c.a. sotto azione sismica per un’affidabile valutazione del patrimonio esistente e un progetto efficace dell’intervento.

 

Le tecniche di rinforzo dei nodi

Tra le tecniche di rinforzo dei nodi più utilizzate, a parte interventi di ringrossi più o meno localizzati mirati ad incrementare l’area di nodo, si possono annoverare:

  • l’utilizzo di piastre in acciaio collegate con cavi pretesi;
  • l’inghisaggio di staffe nel pannello nodale a mezzo di opportuni ancoraggi;
  • la sostituzione del copriferro con calcestruzzi ad elevata resistenza;
  • l’utilizzo di fasciature con materiali compositi (FRP), sempre più diffuso negli ultimi anni. 

Altra tecnica di intervento possibile è quella dell’utilizzo di nastri metallici pre-tesi, posti a realizzare un numero opportuno di staffe chiuse nel pannello nodale che si avvalgono del pregio di fornire uno stato di confinamento attivo al nodo stesso. Quest’ultima tecnica di intervento è il principale oggetto di questo lavoro.

Nelle successive sezioni si analizza dapprima la capacità resistente dei nodi nel quadro normativo italiano attuale. Tali considerazioni costituiscono la base teorica per il successivo progetto dell’intervento a mezzo di nastri metallici pretesi nella sola zona nodale in nodo as-built privo di armature trasversali. L’efficacia dell’intervento viene infine valutata sperimentalmente, grazie anche al confronto con la risposta sismica di un analogo nodo staffato trasversalmente in accordo all’attuale progettazione sismica (NTC 2018).

 

La capacità resistente dei nodi nell'attuale quadro normativo

Nodi non armati trasversalmente

Al fine di valutare il potenziale danneggiamento dei nodi risulta particolarmente significativa l’analisi delle tensioni principali (di trazione e di compressione) che si attingono nel nodo.

Il pannello nodale viene, infatti, ricondotto ad un elemento su cui agisce uno stato tensionale medio, così come riportato in Figura 1, derivabile dalle azioni che sollecitano il nodo: il taglio di nodo orizzontale Vjh, sforzo assiale Nc e Nb.

 

edifici_ca_rinforzo_nodi_nastri_02.jpgFigura 1. Stato tensionale medio indotto dagli elementi confluenti nel nodo

 

 

Si ricavano, a partire dalle tensioni tangenziali di nodo τj e dalle tensioni normali σ, la tensione principale di trazione, pt, e di compressione, p⊂, mediante l’applicazione del cerchio di Mohr (Figura 1):

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che nel caso di sforzo assiale della trave nullo (Nb=0) si specializzano in:

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Eguagliando, nella (2a), la tensione principale di trazione pt alla resistenza a trazione del calcestruzzo fct si ottiene la prima condizione limite imposta dall’attuale normativa italiana, ovvero:

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In particolare, le prescrizioni normative per gli edifici esistenti (C8.7.2.3.5 della Circolare 2019) adottano una resistenza a trazione del calcestruzzo pari a edifici_ca_rinforzo_nodi_nastri_06.jpg

Analogamente, eguagliando nella (2b), la tensione principale di compressione alla resistenza a compressione del calcestruzzo (adeguatamente ridotta) si ottiene la seconda condizione limite imposta dall’attuale normativa italiana, ovvero:

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In particolare, è lecito attendersi una crisi a compressione diagonale del nodo per valori inferiori alla resistenza nominale a compressione del calcestruzzo f⊂, per effetto delle deformazioni a trazione trasversali presenti nel pannello nodale. In questa fase il pannello nodale va considerato diagonalmente fessurato; infatti, la resistenza a compressione si riduce in maniera consistente, rispetto a quella nominale f⊂, solo per entità delle deformazioni a trazione trasversali decisamente superiori alla deformazione corrispondente alla resistenza a trazione del calcestruzzo, f⊂t. In particolare, le prescrizioni normative per gli edifici esistenti (C8.7.2.3.5 della Circolare, 2019) adottano un coefficiente di riduzione κ=0.50.

La condizione di crisi per eccessiva compressione diagonale può verificarsi sia per nodi non armati che per nodi armati trasversalmente (staffati); tuttavia, in via teorica, la presenza di un'armatura trasversale nel pannello di nodo può influenzare, attraverso un’azione di confinamento, l’entità del taglio-compressione.

In linea generale, per resistenze a compressione del calcestruzzo fc ≥ 8MPa e per valori dello sforzo assiale adimensionalizzato ∨< 0.40, la crisi del nodo è attinta per fessurazione diagonale del pannello nodale (taglio- trazione). Pertanto, solo nel caso di colonne caratterizzate da elevati sforzi assiali, la crisi del nodo è attinta per eccessiva compressione.

Va infine ricordato, che nell’ambito dell’attuale quadro normativo, la condizione di fessurazione diagonale del pannello nodale è da intendersi come una condizione di collasso; in altre parole, il taglio di nodo in corrispondenza del quale si attinge la fessurazione diagonale del pannello nodale va inteso come taglio resistente (taglio-trazione) del nodo.

Tuttavia, numerose risultanze sperimentali (tra queste De Risi et al, 2016,2017) fanno registrare entità del taglio di nodo sollecitante superiori rispetto al taglio-trazione. Infatti, dopo la fessurazione diagonale, il pannello nodale può sopportare ulteriori incrementi del taglio sollecitante Vjh grazie alla formazione di un meccanismo post-fessurativo costituito principalmente da un puntone diagonale compresso (se i dettagli di ancoraggio degli elementi in esso convergenti lo consentono).

Il collasso del nodo, in corrispondenza del quale si raggiunge la massima resistenza, sopraggiunge per eccessiva compressione del puntone diagonale. Le attuali prescrizioni normative, pertanto, non tengono in conto dell’ulteriore incremento di resistenza, rispetto alla formazione di una fessurazione diagonale, riconducibile alla formazione di un puntone diagonale.

 

Nodi armati trasversalmente

Nelle attuali prescrizioni normative (NTC 2018) si assume che la capacità a taglio del nodo sia fornita da un meccanismo a traliccio che, a seguito della fessurazione diagonale, vede operare contemporaneamente due meccanismi resistenti: un meccanismo di taglio-compressione, un meccanismo di taglio-trazione.

Inoltre, la norma effettua una distinzione tra nodi “interamente confinati” e nodi “non confinati” secondo le seguenti definizioni:

  • interamente confinati: quando in ognuna delle quattro facce verticali si innesta una trave; il confinamento si considera realizzato quando, su ogni faccia del nodo, la sezione della trave copre per almeno i 3/4 la larghezza del pilastro e, su entrambe le coppie di facce opposte del nodo, le sezioni delle travi si ricoprono per almeno i 3/4 dell’altezza;
  • non interamente confinati: quando non appartenenti alla categoria precedente.

 

Verifica a compressione diagonale

La normativa parte dal presupposto che il pannello nodale non debba andare in crisi per eccessiva compressione diagonale. Tale condizione viene espressa come di seguito indicato:

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dove: bj è la base del nodo, hjc è la distanza tra le due armature più esterne della colonna, ∨d è lo sforzo assiale adimensionalizzato di progetto fcd la resistenza compressione del calcestruzzo di design.

Il primo membro, Vjhd è il taglio di nodo sollecitante (di design) mentre il secondo membro è il taglio-compressione. Esso può facilmente valutarsi dalla (4), ricordando le definizioni di τj e σv riportati in Figura 1, come:

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Dal confronto risulta palese che le formulazioni sono identiche. In particolare, il parametro η svolge lo stesso compito del parametro κ ossia quello di ridurre la resistenza a compressione per effetto delle deformazioni a trazione trasversali presenti nel calcestruzzo del pannello nodale, che si specializzano per nodi interni ed esterni, in relazione al diverso grado di confinamento prodotto dagli elementi contigui, come di seguito indicato:

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In definitiva, la formulazione adottata dalla attuale normativa per il taglio-compressione fornisce il valore del taglio di nodo in corrispondenza del quale la tensione principale di compressione pc, che si sviluppa nel pannello nodale, eguaglia la tensione limite di compressione assunta pari a (η fc).

La verifica a compressione va effettuata, indipendentemente dal grado di confinamento, per tutti i nodi di strutture progettate in classe di duttilità alta (CDA); viceversa, va eseguita solo per i nodi non interamente confinati per le strutture progettate in classe di duttilità bassa (CDB). Non va effettuata per le strutture non dissipative.

 

Verifica a trazione diagonale

La normativa italiana non si limita a fornire la valutazione del taglio resistente a compressione (taglio- compressione) ma fornisce anche delle indicazioni in merito al quantitativo di armatura trasversale (staffe) da inserire nel pannello nodale.

In particolare, essa prescrive che, allo scopo di evitare che la massima trazione diagonale del calcestruzzo ecceda la resistenza a trazione (di design) del calcestruzzo fctd, debba essere previsto un adeguato confinamento del pannello nodale.

In tal senso, l’entità dell’armatura trasversale Ash adibita a tale compito deve soddisfare la seguente diseguaglianza:

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dove hjw è la distanza tra le due armature più esterne della trave, fywd la tensione di snervamento di design dell’armatura trasversale.

Sempre nello spirito dell’analisi delle tensioni principali, eguagliando la tensione principale di trazione pt alla resistenza a trazione del calcestruzzo fct è possibile ottenere la formulazione precedente.

Infatti, considerando nella valutazione della tensione principale di trazione, anche la tensione di compressione orizzontale σh trasmessa, per equilibrio, al pannello nodale dalla azione di trazione presente nelle staffe orizzontali (azione di confinamento) come di seguito espressa:

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si ottiene dalla (1a):

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Ricordando, la definizione della tensione tangenziale di nodo τj e della tensione normale orizzontale (prodotta dall’azione di confinamento delle staffe presenti nel pannello nodale) e sostituendola nella (10) si ricava la (8).

In definitiva, la formulazione adottata dall'attuale normativa per il progetto del quantitativo di armatura trasversale da utilizzare nel pannello di nodo esprime (seppur in maniera indiretta) il valore del taglio di nodo in corrispondenza del quale la tensione principale di trazione pt (valutata considerando l’azione di confinamento delle staffe) eguaglia la resistenza a trazione del calcestruzzo assunta pari a fctd.

Va evidenziato che la formulazione sembra presentare una incongruenza.

Le armature trasversali da disporre nel pannello nodale sono delle armature passive, ossia non sono pretese. La richiesta deformativa nelle staffe tende gradualmente ad aumentare all’aumentare dell’entità delle azioni che sollecitano il pannello nodale, il quale subisce una “espansione” laterale e con essa una graduale crescita dell’azione di confinamento. Tuttavia, l’entità della deformazione allo snervamento, intesa come richiesta progettuale delle armature trasversali, risulta di gran lunga maggiore della deformazione corrispondente alla resistenza a trazione del calcestruzzo. Pertanto, in via teorica, è lecito attendersi che, in corrispondenza di una richiesta deformativa delle staffe al limite dello snervamento, si sia già manifestata la presenza di fessure diagonali all’interno del pannello nodale.

In alternativa, l’attuale normativa prescrive, al fine di assicurare l’integrità del nodo a seguito della fessurazione diagonale, che vengano disposte nel pannello nodale delle staffe orizzontali tale da garantire che:

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dove fyd è la tensione di snervamento di design. Nel caso di nodi interni, As1, As2 è l'area dell’armatura longitudinale superiore e inferiore della trave, νd è lo sforzo assiale adimensionalizzato (di design) agente nella colonna superiore; mentre nel caso di nodi esterni, As2 è la area dell’armatura longitudinale compressa e νd è lo sforzo assiale adimensionalizzato agente nella colonna inferiore.

Come ricordato in precedenza, nel caso di nodi trasversalmente non armati, dopo la fessurazione diagonale il pannello nodale può sopportare ulteriori incrementi del taglio sollecitante grazie alla formazione di un puntone diagonale. Nel caso di nodi trasversalmente armati la norma assume, pertanto, la coesistenza di due meccanismi nel rispetto della seguente equazione:

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dove Vch è l’aliquota del taglio di nodo sollecitante Vjh assorbita dal puntone diagonale, mentre Vsh è la restante aliquota assorbita da micro-puntoni diagonali che la trasmettono, secondo un meccanismo di strut and tie, alle armature trasversali (staffe) da disporre nel pannello nodale.

La verifica a trazione va effettuata, indipendentemente dal grado di confinamento, per tutti i nodi di strutture progettate in classe di duttilità alta (CD A). Viceversa, va eseguita solo per i nodi non interamente confinati per le strutture progettate in classe di duttilità bassa (CD B); in ogni caso vanno disposte delle armature trasversali minime, secondo quanto indicato dalla norma, anche nei nodi interamente confinati.

 

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Il documento continua illustrando l’approccio progettuale e un esempio di intervento di rinforzo eseguito mediante la tecnologia CAM®, che impiega nastri metallici pretesi per il retrofitting di elementi strutturali privi di armatura trasversale o che, più in generale, necessitano rinforzo.