Pareti a taglio con aperture (ACI)

In questo capitolo viene esaminato il comportamento di quattro provini di pareti a taglio in calcestruzzo armato (CA) con aperture. La capacità di carico laterale e l'angolo di deriva (spostamento/lunghezza) sono stati valutati utilizzando il software IDEA StatiCa e confrontati con i dati sperimentali riportati da Taleb et al. (2012). 

I risultati sono stati inoltre confrontati con le capacità di progetto calcolate utilizzando il modello Puntone-e-tirante (STM) incluso in ACI 318-19 (2019). Uno dei provini di parete a taglio testati è stato selezionato come modello di riferimento per ulteriori analisi con il software ABAQUS (2023), dove l'angolo di deriva, la distribuzione delle tensioni principali e i pattern di fessurazione sono stati calcolati e confrontati con quelli misurati durante gli esperimenti. Inoltre, il modello di confinamento di Mander et al. (1988) è stato applicato per esaminare in dettaglio l'effetto del calcestruzzo confinato sulle capacità delle pareti a taglio.

Studio Sperimentale

Per valutare le prestazioni strutturali delle pareti a taglio con aperture, sono stati studiati quattro provini di pareti strutturali in CA a campata singola, identificati come N1, S1, M1 e L1. Questi provini sono stati costruiti e testati da Taleb et al. (2012) presso il laboratorio strutturale dell'Università di Kyoto sotto carico ciclico reversibile laterale. Le pareti sono state scalate al 40%, rappresentando i tre piani inferiori di un edificio in CA a sei piani. Gli obiettivi principali di questi esperimenti erano analizzare il comportamento laterale e comprendere gli effetti di diverse dimensioni e posizioni delle aperture sulla distribuzione delle fessure e sulla resistenza a taglio delle pareti strutturali in CA. La coerenza nell'armatura principale è stata mantenuta in tutti i provini, con variazioni nei rapporti di apertura. Tra questi provini, L1 è stato selezionato come modello di riferimento per ulteriori analisi con il software ABAQUS.

Configurazione Sperimentale

La configurazione sperimentale e i dettagli del sistema di carico sono mostrati rispettivamente nelle Figure 3.1 e 3.2. Il carico laterale Q è stato applicato alla trave di carico utilizzando due martinetti idraulici da 2 MN (449,6 kips), che fornivano carichi orizzontali ciclici reversibili ai provini. Questi carichi sono stati applicati in entrambe le direzioni, simulando condizioni sismiche reali. Oltre ai carichi orizzontali, carichi assiali verticali sono stati applicati alle colonne utilizzando due martinetti idraulici da 1 MN (224,8 kips), replicando i carichi sui tre piani inferiori di un edificio in CA a sei piani. I livelli di carico verticale sono stati scelti per riflettere i carichi assiali a lungo termine attesi in tale struttura, con ciascun martinetto che applicava inizialmente un carico di 400 kN (89,9 kips) per rappresentare il peso dei piani superiori.

I due martinetti idraulici verticali sono stati regolati per applicare forze assiali, N_w​ e N_e​, che variavano con il carico laterale Q, per mantenere un rapporto di luce a taglio (M/Ql) pari a 1,0. Qui, M rappresenta il momento alla base della parete, Q è il carico orizzontale e l è la distanza tra i centri delle colonne laterali. Questa configurazione garantiva che il collasso a taglio si verificasse prima di qualsiasi snervamento flessionale della parete.

L'impatto del carico assiale sulla capacità a taglio era minimo poiché le colonne laterali rimanevano intatte fino al termine delle prove.

Figura 3.1, 3.2 Configurazione della prova, Sistema di carico

Provini di Prova

Quattro provini di pareti in calcestruzzo armato sono stati costruiti e testati presso l'Università di Kyoto. Come illustrato nella Figura 3.3, tre provini (S1, M1, L1) presentavano aperture eccentriche, mentre un provino (N1) era privo di aperture. Le variabili principali per i provini a tre piani con aperture erano il rapporto di apertura e la posizione delle aperture. Uno degli obiettivi principali delle prove sperimentali era valutare l'impatto dei diversi rapporti di apertura sulla resistenza a taglio delle pareti strutturali. I rapporti di apertura per i provini S1, M1 e L1 erano rispettivamente 0,30, 0,34 e 0,46.

Figura 3.3: Configurazioni dei provini e disposizione delle barre di armatura: a) dettagli e dimensioni per il provino N1 senza apertura, e b) dimensioni e dettagli delle aperture per i provini S1, M1 e L1.

Analisi con IDEA StatiCa

Il comportamento dei provini di pareti a taglio in calcestruzzo armato con aperture, come esplorato nella Sezione 3.3.1, è stato analizzato utilizzando IDEA StatiCa Detail. Questo studio estende la ricerca precedente di Taleb et al. (2012) e si concentra sui provini N1, S1, M1 e L1. Questi provini sono stati specificamente scelti per indagare l'influenza dei diversi rapporti di apertura e delle posizioni sulle loro prestazioni strutturali. La metodologia di modellazione in IDEA StatiCa Detail ha integrato la resistenza a compressione effettiva del calcestruzzo e le resistenze allo snervamento e ultime delle barre di armatura in acciaio, seguendo i parametri delineati da Taleb et al. (2012).

Nell'analisi con IDEA StatiCa, sono stati utilizzati fattori di carico pari a 1,0 per entrambi i pattern di carico - il peso proprio e il carico laterale applicato - concentrandosi sulla combinazione di carico allo stato limite ultimo (SLU). Per garantire l'accuratezza delle simulazioni e la loro corrispondenza con i risultati sperimentali, i fattori di materiale per il calcestruzzo (f_c) e l'acciaio di armatura (f_s) in IDEA StatiCa sono stati impostati a 1,0.

Il processo di calcolo della capacità per IDEA StatiCa ha previsto l'incremento progressivo del carico laterale applicato al centro della trave superiore fino al raggiungimento di una delle seguenti condizioni:

1. Il calcestruzzo in qualsiasi punto del modello ha raggiunto il 100% della sua capacità resistente sotto il carico applicato.
2. L'acciaio di armatura ha raggiunto il 100% della sua capacità resistente sotto il carico applicato.
3. L'acciaio di ancoraggio ha raggiunto il 100% della sua capacità resistente sotto il carico applicato.

Figura 3.5: Parete a taglio con aperture L1 a 1,82 kN/mm (10,4 kip/in.) di carico laterale: a) modello IDEA StatiCa Detail  con risultati, b) contorno delle deformazioni, c) tensioni principali del calcestruzzo (σc), e d) tensioni nell'armatura (σs).

Calcolo della Capacità con il Modello Puntone-e-Tirante

Le capacità per tutte le pareti a taglio con aperture sono state determinate seguendo le disposizioni per il Modello Puntone-e-Tirante (STM) come delineato nel codice dell'American Concrete Institute (ACI 318-19), descritto specificamente nella Sezione 2.2. A seconda della posizione delle zone nodali e dei puntoni, il fattore di modifica del confinamento del puntone e del nodo (β_c), il coefficiente del puntone (β_s)_, e il coefficiente della zona nodale (β_n) sono stati ricavati rispettivamente dalle Tabelle 2.1 a 2.3 del Capitolo 2. La resistenza a compressione efficace del calcestruzzo (f_ce) in un puntone e in una zona nodale sono stati calcolati utilizzando rispettivamente le Equazioni 2.4 e 2.9.

Sono stati sviluppati molteplici modelli Puntone-e-Tirante per identificare il modello migliore che fornisse la massima capacità di carico laterale e la posizione del collasso nel modo più accurato possibile. Per costruire i modelli a traliccio (o STM con puntoni come elementi compressi e tiranti come elementi tesi), sono stati utilizzati i diagrammi di flusso delle tensioni e i grafici di ottimizzazione topologica dell'analisi IDEA StatiCa per tutti i provini di pareti a taglio. Il volume efficace era del 20% nei grafici di ottimizzazione topologica generati da IDEA StatiCa.

Lo sviluppo di un modello a traliccio o STM comporta la creazione di una rappresentazione semplificata del comportamento strutturale complesso utilizzando i principi di equilibrio delle forze e distribuzione delle tensioni. L'approccio specifico alla progettazione del modello a traliccio può variare significativamente, a seconda del giudizio, delle preferenze e dell'esperienza degli ingegneri strutturali coinvolti. Gli ingegneri selezionano tra una varietà di metodi per costruire il modello a traliccio, con l'obiettivo di rappresentare accuratamente come le tensioni e le forze vengono trasmesse e distribuite all'interno della struttura. Questo processo mira a garantire che il modello a traliccio rappresenti efficacemente il comportamento fisico complessivo e l'integrità strutturale, ed è coerente con i requisiti di portanza del progetto.

Navigare i requisiti delineati nei codici e nelle norme, come quelli dell'ACI 318-19 (in particolare nel Capitolo 23), presenta diverse sfide nello sviluppo di un modello a traliccio o STM. Queste norme specificano fattori critici tra cui il dimensionamento degli elementi, la connettività e i percorsi dei carichi per garantire l'integrità strutturale e la sicurezza in condizioni di carico variabili. I requisiti specifici includono garantire che tutti i nodi siano in equilibrio, bilanciare le forze verticali e orizzontali sui puntoni inclinati nelle zone nodali e impedire che puntoni e tiranti si intersechino. Inoltre, i puntoni devono mantenere un angolo di inclinazione minimo di 25 gradi, e sia i puntoni che le zone nodali devono essere adeguatamente dimensionati per resistere ai carichi applicati. Le dimensioni dei puntoni e delle zone nodali sono determinate in base alle resistenze efficaci del calcestruzzo definite nelle Sezioni 2.3 e 2.4 del Capitolo 2.

Sulla base del grafico di ottimizzazione topologica e dei diagrammi di flusso delle tensioni determinati dall'analisi IDEA StatiCa per il provino di parete a taglio N1, sono stati sviluppati diversi modelli a traliccio. Questi tralicci sono stati poi analizzati utilizzando il software SAP2000 (2024). Questo processo si è concentrato su due obiettivi principali: (a) identificare i puntoni, i tiranti e le zone nodali critiche (utilizzando i grafici di flusso delle tensioni dell'analisi IDEA StatiCa), e (b) valutare la capacità portante di ciascun modello (utilizzando le forze negli elementi del traliccio e le reazioni da SAP2000). Dopo molteplici iterazioni, i risultati dell'STM finale sono stati riportati e confrontati con i dati sperimentali misurati. 

Figura 3.269: Modello Puntone-e-Tirante per il provino N1: a) STM con flusso delle tensioni, b) STM in SAP2000, e c) forze assiali negli elementi STM calcolate in SAP2000.

Sviluppo e Analisi del Modello ABAQUS

In questa sezione, il provino L1, che è stato modellato e analizzato nella Sezione 3.5.1, è stato rimodellato utilizzando il software ABAQUS (2023) per l'analisi agli elementi finiti (FE). I risultati sono stati poi confrontati con quelli ottenuti da IDEA StatiCa. A causa della complessità della struttura, il modello CAD, incluso il calcestruzzo e le barre di armatura, è stato disegnato nel software Rhino (McNeel, 2020) e poi esportato in ABAQUS come file STEP. La versione di Rhino utilizzata sarà inclusa nei Riferimenti. Analogamente al modello IDEA StatiCa, in ABAQUS, oltre al peso proprio (ovvero, Carico 1), due carichi verticali (ovvero, Carichi 2 e 3), ciascuno di 400 kN, sono stati applicati a due piastre di appoggio con uno spessore di 4 in., come mostrato nella Figura 3.34. Poiché il carico lineare può essere utilizzato solo per gli elementi trave in ABAQUS, per simulare il carico laterale imposto sulla struttura nella prova sperimentale e in IDEA StatiCa, una forza orizzontale (ovvero, Carico 4) è stata applicata a un punto di riferimento definito (ovvero, RF2) accoppiato ai bordi della trave superiore per riprodurre il carico lineare.

Figura 3.34: Configurazione del modello in ABAQUS che mostra le posizioni e i dettagli del carico applicato e delle condizioni al contorno.

Due piastre di appoggio sotto la struttura sono state vincolate per impedire lo spostamento verticale e laterale (vedere Figura 3.34). Per catturare accuratamente l'innesco e l'evoluzione delle fessure, la dimensione degli elementi è stata scelta pari a 20 mm, risultando in un totale di 396.505 elementi nel modello (vedere Figura 3.35). Il tipo di elemento solido 3D a 8 nodi con integrazione ridotta lineare (ovvero, C3D8R) è stato selezionato per il calcestruzzo, mentre l'elemento trave è stato scelto per le barre di armatura.

Figura 3.35: Densità della rete con dimensione degli elementi di 20 mm.

In ABAQUS, è stato utilizzato il modello costitutivo Concrete Damage Plasticity (CDP). I parametri necessari per descrivere questo modello sono stati ottenuti dopo calibrazione da varie fonti (Federal Highway Administration, 2006, e Watanabe et al., 2004) poiché non erano esplicitamente indicati in Taleb et al. (2012). Per le barre in acciaio, il comportamento del materiale è stato modellato utilizzando la plasticità bilineare. Altri parametri, tra cui densità, modulo elastico e coefficiente di Poisson, sono stati presi esattamente dalla libreria dei materiali di IDEA StatiCa. La simulazione numerica è stata eseguita su una macchina virtuale con 16 processori (Intel Xeon® Gold Processor 6430 @2,10 GHz) e ha richiesto circa 185 minuti per essere completata, mentre IDEA StatiCa ha completato il calcolo in meno di due minuti.

Sommario

In conclusione, le capacità delle pareti a taglio in calcestruzzo armato con aperture sono state valutate utilizzando IDEA StatiCa Detail, confrontando il modello Puntone-e-Tirante dell'ACI 318-19, ABAQUS, il Metodo del Campo di Tensioni Compatibile (CSFM) e i dati sperimentali. Lo studio ha rivelato che lo STM ha significativamente sottostimato la capacità portante a causa delle sue ipotesi di progetto conservative. Al contrario, sia il CSFM che ABAQUS hanno fornito risultati che si allineavano strettamente con le capacità misurate, specialmente in condizioni di carico positivo. Inoltre, l'analisi ha considerato gli effetti del materiale in calcestruzzo confinato rispetto a quello non confinato sulla resistenza e sul comportamento in termini di angolo di deriva. I risultati hanno mostrato che il confinamento migliora generalmente la capacità delle pareti a taglio, sebbene l'impatto sugli angoli di deriva variasse tra i provini. Nel complesso, i risultati evidenziano l'importanza della selezione di appropriati metodi di previsione, con CSFM e ABAQUS che dimostrano una precisione superiore rispetto allo STM e sottolineano la necessità di un'attenta considerazione degli effetti di confinamento nella progettazione e nell'analisi.

Figura 3.39: Confronto della direzione delle tensioni principali tra IDEA StatiCa e ABAQUS.

Figura 3.41: Confronto delle tensioni nelle barre in acciaio tra a) IDEA StatiCa, e b) ABAQUS.