Robustness of Framed Steel-Concrete Composite Systems: The case of a Column Collapse.

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This paper illustrates the preliminary work carried on within a European Research Project, aimed at developing new design concepts for steel-concrete composite frames against accidental actions. Accidental actions can be resisted by residual strength
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  ROBUSTEZZA DI SISTEMI INTELAIATI MISTI ACCIAIO-CALCESTRUZZO: IL CASO DI COLLASSO DI UNA COLONNA Nadia Baldassino 1 , Fabio Freddi 1 , Riccardo Zandonini 1   1 Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e Meccanica, Università degli Studi di Trento SOMMARIO  Negli ultimi anni, la ricerca di soluzioni costruttive finalizzate alla mitigazione dei danni causati da eventi eccezionali ha suscitato un grande interesse da parte della comunità scientifica internazionale. Tali azioni possono essere fronteggiate sia attraverso criteri di sovraresistenza che di ridondanza strutturale e la combinazione di questi criteri può portare alla definizione di metodi di progetto efficaci ed economicamente efficienti. Uno dei principali obiettivi delle strategie di intervento è quello di realizzare sistemi strutturali in grado di attivare meccanismi di ridistribuzione dei carichi in modo che questi possano essere trasferiti, dalla parte danneggiata alla  parte non danneggiata della struttura. Il lavoro svolto fa parte di un Progetto di Ricerca Europeo che ha l'obiettivo di definire nuovi criteri di progetto per strutture miste acciaio-calcestruzzo nei confronti di azioni eccezionali. La prima parte della ricerca si concentra sul comportamento di due telai 3-D nei confronti del collasso di una colonna interna. Due prove a scala reale saranno eseguite su una  parte di queste strutture. Simulando il collasso completo di una colonna sarà possibile studiare la ridondanza del sistema tridimensionale fornito dalla soletta attraverso l'attivazione delle forze membranali. Il presente articolo illustra lo studio preliminare condotto in fase di progetto delle prove. ROBUSTNESS OF FRAMED STEEL-CONCRETE COMPOSITE SYSTEMS: THE CASE OF A COLUMN COLLAPSE SUMMARY The last years were characterized by a growing interest about the development of strategies for the mitigation of the damages caused  by accidental events. Accidental actions can be resisted by residual strength and alternate load path methods and combination of these strategies can lead to an effective and cost efficient design procedure for progressive collapse mitigation by redistributing the loads within the structure. One of the main objective of these strategies is the development of structural systems able to activate mechanisms to transfer the loads from the damaged to the undamaged part of the structure. This paper illustrates the preliminary work carried on within a European Research Project, aimed at developing new design concepts for steel-concrete composite frames against accidental actions. The first part of the study investigates the behavior of two geometrically different steel-concrete 3-D composite frames subjected to the loss of an internal column. Two full-scale experimental tests will be performed on a part of these structure. By simulating the total loss of the impacted column, the experiments enable investigation of the redundancy of the 3-D slab system in terms of activation of membrane effects. The present paper presents the preliminary study for the design of the tests. 1. INTRODUZIONE Il concetto di affidabilità strutturale  è spesso sinonimo di  sicurezza   e ricopre un ruolo di primo piano nell’ottica  progettuale odierna. In particolare, il conseguimento di un  predefinito livello di affidabilità nei confronti di eventi rari è stato ed è tuttora uno degli argomenti di principale interesse all’interno della  comunità scientifica. La sua importanza è legata al fatto che, nonostante tali azioni siano molto rare, le loro conseguenze sono spesso disastrose ed è necessario  perseguire il giusto compromesso tra sicurezza ed economicità. Grandi progressi sono stati fatti negli ultimi anni nella valutazione della sicurezza nei confronti di alcune azioni rare quali ad esempio il sisma, mentre lo studio dell’affidabilità strutturale a seguito di eventi eccezionali  (impatti, esplosioni, conseguenze di errori umani) necessita ancora di importanti sviluppi. Seguendo i principi di sicurezza ed economicità delle strutture, è ormai consolidato il concetto che, a seguito di eventi rari, i principali obiettivi del progettista sono quelli di salvaguardare la vita degli occupanti e di evitare danni sproporzionati rispetto all’entità delle cause. Nell’ambito dell’ingegneria sismica questi concetti sono largamente diffusi e recepiti dalle normative attraverso la definizione di differenti stati limite in relazione alla frequenza di accadimento  dell’evento. Nonostante la somiglianza delle problematiche,  per quanto riguarda gli eventi eccezionali, la codificazione delle procedure non ha raggiunto gli stessi livelli di avanzamento e una delle cause è sicuramente la difficoltà nell'identificazione di tali eventi e nella descrizione della loro  probabilità di accadimento. Dal punto di vista normativo, il tema delle azioni eccezionali è trattato negli Eurocodici EN 1990  Eurocode  –    Basis of Structual Design  [1] e EN 1991-1-7  Eurocode 1  –    Part 1-7 Accidental Actions  [2]. In particolare, l’Eurocodice EN 1990 [1] stabilisce i principi necessari al perseguimento di un’adeguata robustezza strutturale  definita come “la capacità della struttura di evitare danni sproporzionati rispetto alle cause innescanti quali fuoco, esplosioni, impatti o conseguenze di errori umani”   (EN 1991-1-7 1.5.14 [2]). L ’Eurocodice EN 199 1-1-7 [2] propone diverse strategie per il conseguimento della robustezza introducendo i concetti di eventi eccezionali identificati  e non identificati  e di classe di conseguenza . Nel caso di eventi eccezionali identificati  (e.g. impatti, esplosioni, ecc. ) le strategie di progetto includono: la realizzazione di elementi strutturali tali da sopportare le azioni eccezionali, progettati sulla base di forze statiche equivalenti e la prevenzione o riduzione dell’azione. Tali misure hanno l’obiettivo di prevenire il danno. Nel caso di eventi eccezionali non identificati (e.g. conseguenze di errori umani, attacchi terroristici, ecc. ) le strategie di intervento dipendono dalla classe di conseguenza. In questi casi, l’impossibilità di  prevedere le eventuali situazioni di innesco del fenomeno hanno portato a sviluppare strategie di progetto capaci di mitigare, piuttosto che di prevenire il danno. In particolare, l’elevata ridondanza strutturale (e.g. l’introduzione di percorsi di carico alternativi), il progetto di elementi chiave e l’adozione di regole prescrittive atte al mantenimento di un’adeguata integrità e duttilità strutturale sono alcune del le strategie proposte dall’Eurocodice [2]. L’obiettivo diventa quindi quello di realizzare un sistema strutturale dotato di difese intrinseche, tali da garantire il mantenimento di un livello di integrità adeguato a seguito di un qualunque  possibile evento critico [3]. La robustezza  è quindi una  proprietà ‘ intrinseca ’  di una struttura nel senso che non dipende dalle possibili cause scatenanti. Infatti, nel momento in cui si consideri la dipendenza dalle azioni, risulta più appropriato parlare di resistenza al collasso. L’Eurocodice propone una classificazione delle strutture sulla base di classi di conseguenza (CC) . L’obiettivo è quello di differenziare l’affidabilità richiesta in base alle conseguenze derivanti dal fallimento del raggiungimento del requisito richiesto. La classe di conseguenza 3 (CC3) prevede elevate conseguenze in termini di perdite di vite umane e danni economici. In questi casi sono necessari criteri più stringenti al fine del raggiungimento del requisito di robustezza. Diversamente, la classe di conseguenza 1 (CC1) si riferisce ad esempio ad edifici agricoli dove l’uomo normalmente non entra ed un eventuale crisi strutturale non comporterebbe gravi danni sia dal punto di vista umano che economico. Il crescente interesse per lo studio degli effetti delle azioni eccezionali ha portato negli ultimi decenni ad una consistente mole di ricerca. Gli studi si sono peraltro focalizzati sulla valutazione del comportamento di strutture in cemento armato. Solo pochi sono stati condotti su strutture in acciaio o su strutture miste acciaio-calcestruzzo investigando quasi esclusivamente la risposta di un singolo elemento all’impatto, mentre le conseguenze sulla struttura non sono mai state sufficientemente approfondite. Le conoscenze in questo campo sono pertanto ancora piuttosto limitate. Tali strutture rappresentano una importante tipologia con applicazioni sia nel campo degli edifici multi-piano a uso residenziale e commerciale, sia di edifici industriali. La ricerca in questo campo ha quindi un’elevata rilevanza  pratica. Alcuni contributi sono stati dati di recente allo sviluppo di strategie di progetto atte all’ottenimento di un’adeguata robustezza per questo tipo di strutture [4] e [ 5]. Permane tuttavia la necessità di ulteriori approfondimenti in particolare sul comportamento 3-D. In molte tipologie di edifici le colonne risultano essere elementi vulnerabili nei confronti delle azioni eccezionali e quindi, l’identificazione degli effetti del collasso di una colonna ha una rilevanza fondamentale nella valutazione della robustezza. Tale interesse deriva sia dal ruolo fondamentale ricoperto de ll’elemento strutturale sia dalla probabilità di accadimento di tale evento, che sebbene sia difficilmente quantificabile, ha sicuramente una rilevanza non trascurabile, in particolare nei casi di edifici situati in prossimità di strade molto trafficate o di edifici con zone carrabili al piano terra, dove la collisione di un veicolo è un evento con probabilità di accadimento non trascurabile. Le strutture miste acciaio-calcestruzzo sono caratterizzate da un elevato rapporto resistenza/peso , un’elevata duttilità tale da garantire lo sfruttamento delle risorse residue del sistema e da un’elevata rigidezza dei solai nel comportamento a piastra tale da consentire un'ottima ripartizione dei carichi nel caso di collasso di una colonna sfruttando il principio di ridondanza strutturale. Il principio delle resistenze residue persegue l’obiettivo della stabilità globale attraverso un’elevata dissipazione di energia e mediante lo sfruttamento delle resistenze plastiche. Diversamente il principio della ridondanza strutturale si basa sull’idea di creare dei sistemi atti ad assorbire le azioni e quindi garantire un diverso percorso dei carichi qualora uno degli elementi strutturali dovesse collassare. Tale ridistribuzione delle forze interne consente di limitare la crisi ad una parte della struttura senza compromettere la stabilità globale dell’edificio  come mostrato in Figura 1. Nonostante questi siano due concetti differenti, la loro interazione è indispensabile al fine di ottenere un’adeguata robustezza strutturale.  Figura 1  –   Danneggiamento locale di un edificio (da EN 1991-1-7 [2]) Il collasso di una colonna genera un significativo cambiamento dello schema statico della parte di struttura interessata con conseguente incremento delle deformazioni, delle sollecitazioni e il trasferimento dei carichi negli elementi strutturali adiacenti. Tuttavia, il trasferimento delle azioni è un  meccanismo che si attiva a seguito di grandi spostamenti, è quindi necessario non solo un attento studio dei percorsi di carico alternativi e delle resistenze residue degli elementi interessati ma anche delle loro capacità deformative. La continuità degli elementi orizzontali è di fondamentale importanza e una delle problematiche principali riguarda l’evoluzione delle sollecitaz ioni nei collegamenti. Il corretto funzionamento di questi è indispensabile al fine di consentire il trasferimento dei carichi ed è quindi necessaria una  progettazione mirata a ottenere consistenti resistenze residue e consentire grandi deformazioni tali da mobilitare le ulteriori riserve di resistenza della struttura, associate allo sviluppo di un comportamento ‘ a catenaria ’  del sistema di solaio. Questo articolo illustra il lavoro preliminare svolto all'interno di un Progetto di Ricerca Europeo con l'obiettivo di sviluppare nuovi criteri di progetto per le strutture miste acciaio-calcestruzzo nei confronti di azioni eccezionali. Il  principale obiettivo perseguito in questa prima parte di studio è quello di investigare i meccanismi 3-D di trasferimento delle azioni nel caso di collasso di una colonna attraverso prove sperimentali. In particolare, saranno eseguite due prove sperimentali a scala reale su di una sottostruttura ed il presente articolo illustra lo studio preliminare per la progettazione della  prova. Simulando il collasso di una colonna, la sperimentazione consente lo studio della ridondanza strutturale attraverso l'attivazione di diversi meccanismi resistenti compreso l'effetto membranale della soletta. 2.   PROGETTO DEI CASI STUDIO Come casi studio sono stati scelti due edifici con travi composte in acciaio-calcestruzzo, soletta di c.a. e colonne di acciaio. Le dimensioni complessive degli edifici sono di 34,2 m (6 campate) in direzione X, 11,4 m (2 campate) in direzione Y e 18 m di altezza complessiva (5 piani). Sebbene le dimensioni siano uguali, due differenti geometrie in pianta sono state considerate in questo studio. Una configurazione è simmetrica rispetto ad entrambe le direzioni mentre l'altra è simmetrica solo rispetto alla direzione Y. Figura 2 e 3 riportano la rappresentazione in pianta dei due telai. Entrambe le strutture hanno un'altezza di interpiano di 3,60 m ed una campata di 5,70 m in direzione X. In direzione Y la struttura simmetrica ha campate di 5,70 m mentre la struttura asimmetrica ha campate rispettivamente di 7,125 m e 4,275 m. I materiali utilizzati sono calcestruzzo C30/37, barre di armatura B450C, acciaio strutturale S355 e bulloni di classe 10.9. Entrambe le strutture adottano le stesse sezioni per le travi (IPE 240), per le colonne (HEB 220), per i diagonali, lo stesso spessore della soletta (150 mm) e lo stesso collegamento trave-colonna con piastra bullonata. Tale scelta di uniformità ha come obiettivo quello di ridurre le variabili tra le due configurazioni in modo da semplificare il confronto dei risultati. Le dimensioni e la disposizione delle barre sono ovviamente differenti. I casi studio sono stati progettati seguendo le indicazioni degli Eurocodici [1], [2], [6], [7], [8]. Le prescrizioni sismiche non sono state considerate con l'obiettivo di disaccoppiare il  problema della sismica da quello della robustezza. La scelta della posizione dei controventi in direzione Y, asimmetrica in entrambi i telai, non permetterebbe di conseguire un buon comportamento sismico della struttura, tuttavia, questa scelta consente di individuare una sottostruttura da testare sperimentalmente priva di controventi metallici. In questo modo è possibile investigare una sottostruttura rappresentativa di un caso più generale.  Figura 2 -Rappresentazione in pianta - Configurazione simmetrica (dimensioni in mm)  Figura 3 - Rappresentazione in pianta - Configurazione asimmetrica (dimensioni in mm)    Il modello agli elementi finiti del telaio 3-D utilizzato per il progetto è stato sviluppato attraverso il programma SAP 2000 [9]. I telai sono incastrati alla base in entrambe le direzioni. Elementi di tipo ‘  Frame ’  sono stati utilizzati per modellare travi, colonne e diagonali. Elementi di tipo ‘ Shell  ’  sono stati impiegati per modellare la soletta in c.a. Il contributo dell'azione composta è stato considerato nell'analisi connettendo rigidamente le travi metalliche e la soletta in modo da simulare la completa interazione fornita dai connettori a taglio. Le imperfezioni geometriche globali (non verticalità) sono state introdotte direttamente nel modello mentre quelle locali sono state considerate nelle verifiche. L'effetto della viscosità del calcestruzzo è stato introdotto nel modello considerando un modulo di elasticità appropriato in funzione della condizione di progetto considerata. I nodi sono stati modellati introducendo un'appropriata rigidezza rotazionale calcolata utilizzando il metodo delle componenti riportato negli Eurocodici [7]. 3. PROGETTO DELLE PROVE SPERIMENTALI Le prove sperimentali verranno eseguite su di una  porzione del primo piano del corrispondente telaio. La  porzione di telaio da riprodurre in laboratorio per la sperimentazione è rappresentata dall'area tratteggiata in Figura 2 e 3 rispettivamente per il telaio simmetrico e asimmetrico. Al fine di realizzare una sottostruttura rappresentativa del comportamento del caso studio, il progetto della prova sperimentale è stato effettuato attraverso un attento studio del comportamento del telaio completo e del sottotelaio. Modelli agli elementi finiti sviluppati attraverso il programma di calcolo Abaqus [10] hanno consentito una valutazione accurata della risposta. Travi e colonne sono state modellate come elementi ‘  Frame ’  mentre la soletta è stata modellata come elemento ‘ Shell  ’ . Le barre della soletta sono state modellate in perfetta aderenza e la soletta è rigidamente connessa con le travi simulando la completa interazione della sezione composta. In questo studio preliminare, la connessione trave-colonna è stata assunta come rigida. La prova verrà eseguita in tre fasi. Nella prima, il carico gravitazionale di progetto viene applicato sulla soletta andando a simulare la situazione iniziale prima del collasso della colonna; nella seconda la colonna centrale viene ‘ rimossa ’ , mentre nella terza un carico addizionale viene applicato sulla soletta fino alla condizione di collasso con l'obiettivo di ottenere una stima del margine di sicurezza disponibile. La Figura 4 riporta la sequenza di prova del telaio simmetrico e della relativa sottostruttura.  Figura 4 - Configurazione simmetrica - Risposta del telaio e del sottotelaio a conclusione delle seguenti fasi: a) e b) Applicazione del carico  gravitazionale; c) e d) Rimozione della colonna; e) e f) Incremento di carico a) b) c) d) e) f)     Figura 5 - a) Posizione del campione nel laboratorio; b) Sezioni ‘   significative ’    Option 1 Option 2 Option 3  Figura 6 - Opzioni di vincolo del campione Durante il progetto della prova, si sono affrontati alcuni  problemi, due dei quali riguardano ‘l’equivalenza’ in termini di risposta tra il campione e il telaio di riferimento: 1) come vincolare la sottostruttura alle pareti di contrasto al fine di simulare la continuità presente nel telaio completo, 2) quali modalità di incremento di carico utilizzare per l'esecuzione della terza fase. Il confronto dei risultati delle analisi numeriche del telaio completo e della sottostruttura ha consentito di individuare le soluzioni più appropriate. Tali questioni sono trattate in modo dettagliato nei seguenti  paragrafi. Per limitare le dimensioni dell'articolo vengono riportati esclusivamente i risultati relativi alla configurazione simmetrica. Risultati analoghi sono stati ottenuti per la configurazione asimmetrica. 3.1   Definizione delle condizioni di vincolo del sottotelaio La sottostruttura deve essere vincolata in modo tale da simulare correttamente il comportamento del telaio completo. Questo è stato uno dei principali aspetti investigati in questa fase di studio preliminare. La sottostruttura viene ‘ estratta ’  dal  primo piano del telaio e le colonne risultano quindi incastrate alla base. Le colonne sono più lunghe dell'altezza del piano e si estendono fino a metà dell'altezza del piano superiore dove sono connesse tra loro attraverso profili metallici. Tale configurazione consente di simulare correttamente la distribuzione dei momenti nelle colonne e la rigidezza rotazionale dei nodi trave-colonna. L'adeguatezza di questa scelta è stata confermata dal confronto dei risultati delle analisi numeriche tra telaio completo e sottostruttura. Mentre la definizione del vincolo sulle colonne è stata quasi immediata, lo studio della connessione delle travi con la  parete di contrasto ha richiesto maggiore attenzione. La Figura 5a riporta la posizione del campione nel laboratorio e la relativa posizione rispetto alle pareti di contrasto. Sono state considerate tre differenti opzioni per le condizioni di vincolo (Fig. 6) e i principali risultati in termini di deformazioni e sollecitazioni sono stati confrontati con quelli ottenuti dal telaio completo. L'adeguatezza delle condizioni al contorno è stata controllata confrontando i risultati in alcune sezioni ‘ significative ’  riportate in Figura 5b. Per brevità, in questo articolo sono riportati esclusivamente i risultati relativi alla sezione 1.  Nelle opzioni 1 e 3, le sole travi metalliche vengono vincolate mentre la soletta non è connessa alla parete di contrasto. I controventi metallici del telaio impediscono ogni spostamento longitudinale dei telai laterali, quindi, lo spostamento longitudinale (U1) delle travi laterali è impedito (A e C in Fig. 6). Questo spostamento è libero nella trave centrale (B in Fig. 6) dove vengono invece vincolati lo spostamento trasversale e verticale (U2 e U3). Nell'opzione 1 sono vincolate anche le rotazioni R2 e R3 mentre nell'opzione 3 tutte le rotazioni sono libere. Nell'opzione 2, in aggiunta ai vincoli dell'opzione 1, anche la parte di soletta adiacente alle travi laterali viene vincolata alla traslazione longitudinale per una larghezza di 0,5 m su entrambi i lati. Le elevate forze assiali nelle colonne del telaio generano a) b)
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