Controventi in acciaio. Cosa differenzia le diverse tipologie?

Dei controventi in acciaio, si parla al § 7.5.2.1 delle NTC che tratta le tipologie strutturali valide solo per strutture con comportamento dissipativo.

Le strutture a comportamento non dissipativo, invece, devono rifarsi solo alle prescrizioni date al Capitolo 4 delle NTC, potendo quindi tralasciare per intero il Capitolo 7 relativo alla progettazione per azioni sismiche.

La Normativa al già citato § 7.5.2.1 riconosce una serie di tipologie (come per le strutture in calcestruzzo, si trascura quella a mensola o pendolo inverso). Vediamo quali.

Controventi in acciaio concentrici: in quali categorie si identificano?

Nelle strutture con controventi in acciaio concentrici, le forze orizzontali sono assorbite principalmente da membrature soggette a forze assiali. In queste strutture le zone dissipative sono principalmente collocate nelle diagonali tese, pertanto possono essere considerati in questa tipologia solo quei controventi per cui lo snervamento delle diagonali tese precede il raggiungimento della resistenza delle aste strettamente necessarie ad equilibrare i carichi esterni.

I controventi reticolari concentrici possono essere distinti nelle seguenti tre categorie:

• controventi con diagonale tesa attiva, in cui la resistenza alle forze orizzontali e le capacità dissipative sono affidate alle aste diagonali soggette a trazione (Fig.1);
• controventi a V, in cui le forze orizzontali devono essere assorbite considerando sia le diagonali tese che quelle compresse. Il punto d’intersezione di queste diagonali giace su di una membratura orizzontale che deve essere continua (Fig.2);
• controventi a K, in cui il punto d’intersezione delle diagonali giace su una colonna. Questa categoria non deve essere considerata dissipativa in quanto il meccanismo di collasso coinvolge la colonna (Fig.3).

Per le configurazioni di strutture a controventi in acciaio concentrici con diagonale tesa attiva, l’introduzione di elementi detti appunto di controventamento (diagonali), comporta che il taglio indotto dalle forze laterali venga assorbito prevalentemente da tali elementi di controvento attraverso uno stato di sollecitazioni assiali.

Per poter resistere ai cambi di segno dell’azione sismica, è sempre necessario che gli elementi di controvento siano disposti in coppia, in maniera che uno dei due elementi sia sempre in uno stato di trazione. È altresì consigliabile utilizzare per la coppia di controventi profili aventi le stesse dimensioni, per garantire uguale rigidezza nei due versi.

La dissipazione di energia da parte del sistema avviene principalmente quando le diagonali tese si plasticizzano.

Sia i collegamenti tra elementi di controvento e struttura, sia i profili facenti parte della struttura stessa (travi e pilastri) devono essere sovradimensionati in modo da rimanere sempre in campo elastico; nonostante ciò le dimensioni richieste alle membrature (collegamenti, travi e pilastri) rimangono inferiori a quelle che sarebbero richieste in caso di adozione di tipologia strutturale a telaio.

Ciò in conseguenza del fatto che i controventi si fanno carico della totalità delle forze orizzontali, lasciando a travi e pilastri il solo compito di resistere ai carichi verticali.

Il sistema a controventi concentrici con diagonale tesa attiva si rivela molto efficiente in campo elastico, dove abbina una grande rigidezza ad una altrettanto grande semplicità (e conseguente basso costo).

Per contro, lo stesso sistema non può dirsi altrettanto efficiente dal punto di vista dello sviluppo della duttilità in campo post-elastico. Il comportamento ciclico in campo post-elastico e infatti caratterizzato dal degrado della capacità di dissipazione di energia, a causa del ripetersi dell’instabilità delle aste diagonali compresse.

Sotto l’azione orizzontale del sisma, infatti, le diagonali compresse (anche se le normative pongono dei limiti alla snellezza dei profili da impiegare) possono instabilizzarsi e nel momento dell’inversione del carico entrambe le diagonali potrebbero trovarsi ad essere instabilizzate; ne consegue un tratto a rigidezza nulla nel diagramma forza/spostamento (il fenomeno e noto come pinching). Una seconda conseguenza del fenomeno e inoltre la possibilità di rottura fragile per trazione dei profili dovuta all’improvvisa ripresa del carico.

Analizzando brevemente i controventi concentrici a V, invece, essi presentano (alla pari dei controventi a croce) un elemento teso ed uno compresso, ed entrambi lavorano contemporaneamente (uno a trazione e l’altro a compressione). La trave su cui i controventi a V s’innestano deve essere considerata come continua, pertanto essa non si appoggia sugli elementi di contro vento, inoltre riceve la componente verticale del carico della diagonale tesa quando quella compressa s’instabilizza.

I controventi a K non vengono analizzati in quanto, coinvolgendo le colonne nel meccanismo di collasso, non possono essere utilizzati nella progettazione di strutture di tipo dissipativo.

Dal punto di vista della fruibilità architettonica, infine, la tipologia a controventi concentrici non consente il massimo sfruttamento degli spazi in quanto le pareti in cui sono disposti dei controventi non consentono di disporre porte o aperture finestrate, alla stregua di una parete in c.a.

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Quali sono le caratteristiche delle strutture con controventi in acciaio eccentrici?

Strutture con controventi eccentrici, nei quali le forze orizzontali sono principalmente assorbite da membrature caricate assialmente, la presenza di eccentricità di schema permette la dissipazione di energia nei traversi per mezzo del comportamento ciclico a flessione e/o taglio. I controventi eccentrici possono essere classificati come dissipativi quando la plasticizzazione dei traversi dovuta alla flessione e/o al taglio precede il raggiungimento della resistenza ultima delle altre parti strutturali (Fig.4).

Le strutture con controventi eccentrici combinano i vantaggi dei vari sistemi a controventi concentrici, assicurando al contempo elevata rigidezza elastica e buone doti di duttilità e capacità di dissipare energia.

In campo elastico, le forze orizzontali sono principalmente assorbite dalle diagonali caricate assialmente, mentre in campo post-elastico la caratteristica eccentricità dello schema consente la dissipazione di energia nei traversi, per mezzo del comportamento ciclico a flessione e/o taglio, in zone dette “link”, che corrispondono alla porzione di trave individuata dalle diagonali, soggetta a plasticizzazione a momento flettente e/o a taglio.

Tali elementi sono suddivisi, in base alle loro caratteristiche geometriche, in “link corti” (che lavorano a taglio) e “link lunghi” (che lavorano a flessione).

I controventi in acciaio eccentrici possono essere considerati come dissipativi solo quando si raggiunga la plasticizzazione dei traversi a flessione e/o a taglio, senza superare la resistenza ultima delle altre parti strutturali (diagonali e colonne). Nel telaio a controventi eccentrici infatti i “link” sono gli unici elementi plasticizzati. Per poter beneficiare dei vantaggi che derivano dal considerare il sistema come dissipativo occorre quindi, anche in questo caso, applicare la Gerarchia delle Resistenze, calcolando le azioni di plasticizzazione dei “link” ed amplificando corrispondentemente quelle negli elementi che devono rimanere in campo elastico (travi colonne e diagonali).

Da un punto di vista operativo, i “link” devono essere costolati, ovvero irrigiditi per mezzo di piatti metallici detti “stiffener”: nel caso di “link corti” e “medi” per evitare l’instabilità a taglio dell’anima; nel caso di “link lunghi” per evitare l’instabilità flessotorsionale e l’instabilità locale.

Un grande vantaggio che deriva dall’utilizzo di controventi eccentrici e la maggior flessibilità architettonica, dato che il loro impiego consente di installare porte o aperture finestrate anche in pareti che alloggiano controventi di questo tipo.

Il testo è tratto dal volume “Prontuario ragionato di calcolo strutturale per opere in c.a. e acciaio” di Carlo Mirarchi e Claudio Marini.

Articolo originariamente pubblicato su Ingegneri.cc

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