Premio di laurea "Sergio Rotili"; prima annualità.
Travi composte acciaio-calcestruzzo: prove sperimentali.


Per la prima annualità, il Premio di laurea "Sergio Rotili", per laureati di specialistica in Inegneria Civile della facoltà di Ingegneria  dell'Università del Sannio, è stato assegnato alla tesi: “Travi composte acciaio-calcestruzzo: prove sperimentali” di Fabio Bibbò e Fernando Rossi, relatore prof. ing. Marisa Pecce, anno accademico  2008/2009.
Hevelius ha pubblicato la tesi con un volume che sarà presentato agli inizi di aprile: quello che segue è il capitolo introduttivo del libro.
In questo stesso numero, pubblichiamo un intervento in ricordo di Sergio di Alessandro Flora, e l'articolo "Costruire l'ozio", di Luigina De Santis, architetto beneventano, amica di Sergio, che lo ha scritto nella consapevolezza che Sergio ne avrebbe condiviso in pieno il senso.

Il moderno approccio alla progettazione in zona sismica ha definitivamente sottolineato l’importanza delle risorse post-elastiche delle strutture per trovare il giusto compromesso tra la sicurezza per un evento con un elevato periodo di ritorno (bassa probabilità che si verifichi durante la vita utile della struttura) e costo dell’opera.
Si tratta di un concetto ormai consolidato nella letteratura internazionale da molti decenni e già presente da anni nell’Eurocodice8, cioè la normativa europea per la progettazione in zona sismica; tuttavia, in Italia è stato recepito a livello normativo solo da pochi anni con l’Ordinanza della Presidenza del Consiglio dei ministri del 2003 seguita all’evento sismico del Molise, e definitivamente nella Normativa Tecnica per le Costruzioni pubblicata con DM nel gennaio 2008 (NTC 2008).
Secondo questo approccio, nell’analisi strutturale assume un ruolo centrale la capacità deformativa plastica, che si concentra in specifiche zone e conferisce alla struttura una maggiore o minore duttilità globale in base a quella locale, e che consente la dissipazione di energia richiesta dal sisma provocando un danneggiamento diffuso ma evitando il crollo.
La progettazione in zona sismica viene, quindi, affrontata nelle nuove normative esplicitando sia la complessità della previsione delle azioni ma soprattutto il livello di prestazione della struttura fuori dal campo elastico. Nel caso di strutture in calcestruzzo armato o in acciaio la letteratura tecnica è molto vasta e può fare affidamento su ampie sperimentazioni e su numerose osservazioni dei danni effettivamente verificatisi durante gli eventi sismici, mentre spostandosi verso una tipologia strutturale più innovativa come quella delle costruzioni composte acciaio-calcestruzzo c’è ancora la necessità di indagini sperimentali e teoriche e di formulazioni applicative.
Le costruzioni composte acciaio-calcestruzzo sono una promettente alternativa che riesce in molti casi a compensare reciprocamente gli svantaggi dei due materiali componenti, acciaio e calcestruzzo, ottenendo un risultato migliore rispetto ai sistemi più tradizionali.

Nel presente lavoro si fa riferimento ad una problematica specifica delle strutture composte a telaio in zona sismica, in cui le zone di plasticizzazione sono quelle in prossimità dei pilastri e per le quali si può parlare di capacità rotazionale facendo riferimento ad un modello a plasticità concentrata.
Se per il calcestruzzo armato e l’acciaio esiste la possibilità di consultare una certa mole di dati e di formule, inerenti alla valutazione delle capacità rotazionali, peraltro anche recepite dalle norme, per le strutture composte i dati a disposizione sono ancora insufficienti e quindi è importante produrre ulteriori risultati sperimentali. In particolare, le travi composte usualmente sono costituite da un profilo metallico e da una soletta in calcestruzzo; in questa configurazione la sezione fornisce una ottima prestazione in presenza di momento positivo poiché la soletta in calcestruzzo risulta prevalentemente compressa mentre il profilo è quasi tutto sollecitato a trazione e quindi diventa trascurabile il problema dell’instabilità, globale e locale, che generalmente inficia la prestazione delle strutture metalliche.
Tuttavia il problema in oggetto si presenta diverso perché le zone plastiche nei telai si formano in prossimità dei pilastri dove il momento è generalmente negativo per l’effetto dei carichi verticali o comunque può presentarsi di entrambi i segni a causa dell’inversione di segno dell’azione sismica.
In tal caso la soletta si trova sollecitata a trazione e quindi contribuisce solo con la sua armatura interna, poiché la resistenza a trazione del calcestruzzo risulta trascurabile, mentre il profilo si presenta prevalentemente compresso, riportando in campo gli effetti negativi dell’instabilità.
Ma i fattori che influenzano la capacità rotazionale non sono limitati a quelli tipici del calcestruzzo e dell’acciaio, perché nelle strutture composte interviene anche il sistema di collegamento fra le due parti e poi la tipologia di giunto trave-colonna.
Si tratta, in sostanza, di un problema articolato che viene introdotto nel capitolo 2 con una breve discussione sull’effetto dei vari parametri in gioco, dopo una breve sintesi sulle caratteristiche delle strutture composte introdotta nel capitolo 1. Nello stesso capitolo viene riportato anche un breve stato dell’arte sulle formule per il calcolo delle rotazioni plastiche che diversi autori hanno elaborato con studi sperimentali e teorici, evidenziando prevalentemente un approccio in cui viene introdotta una lunghezza di cerniera plastica.
Infine vengono sintetizzati anche gli aspetti dell’instabilità locale e globale del profilo metallico nell’ambito della sezione composta dove i vincoli e quindi i meccanismi deformativi possono essere differenti.
I successivi tre capitoli (3, 4 e 5) sono dedicati alle prove sperimentali su 4 travi composte in scala reale progettate ed eseguite proprio nell’ambito della suddetta tematica per avere informazioni circa l’influenza di alcuni parametri sulla capacità rotazionale.
Nel terzo capitolo sono esposti i criteri che hanno caratterizzato la progettazione: la geometria delle sezioni, le proprietà dei materiali, le prescrizioni sui minimi di normativa, la classificazione del profilo metallico, lo schema statico di riferimento per la prova, contestualizzato rispetto ad una situazione reale. Infatti, è stato individuato lo schema di trave semplicemente appoggiata soggetta a momento negativo, come rappresentativo della zona di momento negativo della trave inserita nel telaio; gli elementi hanno una lunghezza di 4m e la sezione è costituita da un profilo IPE360 con una soletta di spessore 130 mm larga 1000 mm o 1600 mm. Inoltre, viene illustrata la caratterizzazione dei materiali utilizzati: calcestruzzo, acciaio da carpenteria, acciaio di armatura, e viene verificata la classificazione delle sezioni alla luce dei risultati.
Il quarto capitolo illustra i risultati delle prove eseguite in laboratorio. In primo luogo si descrive la modalità di crisi che ha evidenziato il manifestarsi di fenomeni di instabilità globale e poi locale, non previsti in fase di progettazione, che non hanno consentito lo sviluppo completo della capacità rotazionale. I numerosi strumenti di misura inseriti sugli elementi provati hanno consentito di analizzare in dettaglio il comportamento strutturale sia in termini di risposta globale, mediante l’andamento delle frecce in mezzeria in funzione del carico applicato, sia di misure locali, quali le deformazioni nel profilo metallico e nelle barre in acciaio della soletta, e gli scorrimenti tra la trave in acciaio e la soletta in calcestruzzo.
Nel quinto capitolo sono riportate alcune elaborazioni teoriche semplici come il calcolo dei momenti ultimi delle sezioni, i diagrammi momento-curvatura, il calcolo delle deformazioni nel profilo; i risultati sono confrontati con quelli sperimentali e confermano che durante le prove si sono manifestati fenomeni di instabilità prematuri.
In base all’evidenza sperimentale e a valle di queste prime analisi si è ritenuto di dovere approfondire il problema dell’instabilità, nonostante non fosse questo lo scopo della sperimentazione. Pertanto, nel sesto e ultimo capitolo si è fatta una verifica all’instabilità distorsionale, tipica delle travi continue da ponte di grande luce, mediante le formule disponibili in letteratura (U-Frame model); inoltre si è sviluppato un modello agli elementi finiti per la valutazione del carico critico.
Le valutazioni analitiche e quelle numeriche hanno confermato l’importanza dell’instabilità nelle travi sottoposte a prova soprattutto a causa dei vincoli realizzati effettivamente in laboratorio. Tali vincoli, infatti, non riproducono le condizioni del tratto di trave a momento negativo di una trave continua, ma sono molto meno efficienti per l’instabilità globale.
Si deve concludere che nonostante le prove non abbiano fornito i risultati attesi per i quali erano state progettate, le informazioni ottenute e l’approfondimento delle problematiche di modellazione sono di rilevante interesse



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