Plastic seismic design of ductile reinforced concrete frame–shear wall dual systems

Sintesi Tecnica: Progettazione Sismica Plastica di Sistemi Duali di Telai e Pareti di Taglio in Calcestruzzo Armato Duttile

Definizione del Problema
Le attuali norme di progettazione sismica (ad es., ACI 318, ASCE 7) incoraggiano il comportamento duttile nei sistemi duali in calcestruzzo armato (RC) attraverso regole prescrittive come il criterio colonna forte–trave debole (SCWB). Tuttavia, l'articolo sostiene che tali disposizioni siano spesso insufficienti per i sistemi duali telaio–parete in RC. I controlli di equilibrio dei nodi locali non tengono conto degli effetti dinamici come le risposte ai modi superiori, la ridistribuzione dei momenti e lo spostamento dei punti di inflessione durante la risposta inelastica. Di conseguenza, i sistemi duali progettati convenzionalmente possono sviluppare meccanismi di rottura fragili imprevisti, come collassi di piano debole (soft-story) o di piano oscillante (story-sway), piuttosto che il desiderato meccanismo globale duttile in cui le deformazioni inelastiche si distribuiscono tra le travi e alla base delle pareti di taglio. Sebbene esistano metodi avanzati come la Progettazione Plastica Basata sulle Prestazioni (PBPD), la loro applicazione diretta ai sistemi duali in RC è complicata dall'interazione tra la parete rigida e il telaio duttile, che spesso porta a una snervamento prematuro delle colonne o a un comportamento imprevisto della parete, anche quando i requisiti normativi sono soddisfatti.

Metodologia
Gli autori propongono una metodologia di progettazione plastica statica che impone un meccanismo di collasso globale tipo beam-sway (trave-piano), rimanendo pienamente compatibile con le attuali disposizioni sismiche (ASCE 7 e ACI 318). L'approccio si basa sull'equilibrio statico globale e sulla coerenza energetica, evitando vincoli di meccanismo artificiali o fattori di riduzione della duttilità assunti.

I componenti chiave del framework proposto includono:

1. Parametro di ripartizione del carico laterale ($\rho$): Viene introdotto un parametro per coordinare l'interazione tra telaio e parete di taglio, definendo la porzione del taglio alla base totale resistita dalla parete rispetto al telaio.
2. Fattore di sovraresistenza del sistema ($\Omega$): La metodologia incorpora un ricalcolo sistematico del fattore di sovraresistenza basato sulle capacità probabili dei membri (tenendo conto della sovraresistenza dei materiali e dell'incrudimento, ad es., $1.25M_n$). Ciò garantisce la coerenza tra le capacità di progetto assunte e le effettive capacità plastiche.
3. Procedura di Progettazione per Capacità:
   • Travi: Progettate per snervare per prime, con momenti derivati dai carichi gravitazionali e dalle domande sismiche distribuite tramite equivalenza energetica.
   • Colonne e Pareti di Taglio: Progettate per rimanere essenzialmente elastiche al di sopra della base. Le loro domande sismiche sono calcolate utilizzando i momenti probabili delle travi ($M_{pr}$) e le forze assiali derivate dall'equilibrio globale, integrando esplicitamente gli effetti P-$\Delta$.
   • Specifiche delle Pareti di Taglio: La resistenza flessionale e la capacità di lavoro plastico della parete sono calcolate mediante analisi della sezione con compatibilità delle deformazioni, idealizzando la distribuzione della curvatura per tenere conto della lunghezza della cerniera plastica alla base.
4. Algoritmo di Progettazione Iterativo: Il processo prevede l'inizializzazione dei parametri (drift target, $\Omega$ iniziale, $\rho$ iniziale), la progettazione delle travi, il calcolo delle domande di colonne e pareti basate sulle capacità probabili delle travi, e successivamente l'aggiornamento del fattore di sovraresistenza. Se l'aggiornato $\Omega$ o il rapporto di ripartizione del carico risultante devia significativamente dalle assunzioni, i membri vengono riprogettati fino al raggiungimento della convergenza.

Principali Contributi
Lo studio presenta quattro contributi primari:

1. Una procedura pratica per coordinare le azioni di telaio e parete nei sistemi duali in RC per garantire un meccanismo globale di collasso beam-sway.
2. Una formulazione conforme alle norme per distribuire le domande sismiche e valutare le azioni dei membri senza introdurre assunzioni incompatibili con il comportamento delle pareti in RC (affrontando specificamente i limiti dell'applicazione diretta della PBPD per l'acciaio alle pareti in RC).
3. Una procedura di aggiornamento della sovraresistenza basata sulle capacità probabili dei membri per mantenere la protezione delle colonne e delle regioni superiori della parete.
4. La validazione della procedura attraverso analisi statiche non lineari (pushover) e analisi delle risposte storiche non lineari (NRHA) su strutture prototipo.

Risultati
La metodologia è stata applicata a sistemi prototipo in RC telaio-parete di 5, 10 e 15 piani.

• Convergenza della Progettazione: L'algoritmo iterativo ha raggiunto la convergenza con successo, con i rapporti di ripartizione del carico finale ($\rho$) che sono rimasti vicini alle assunzioni iniziali (0,7) e entro l'intervallo accettabile (0,5–0,75).
• Meccanismo di Collasso: Le analisi statiche non lineari (pushover) hanno confermato che è stato raggiunto l'inteso meccanismo di collasso globale. Le cerniere plastiche si sono formate prevalentemente nelle travi e alla base delle pareti di taglio. Le colonne e le porzioni superiori delle pareti sono rimaste essenzialmente elastiche, senza snervamento plastico osservato nelle colonne sopra la base per i modelli a 5 e 10 piani (e minimo o nullo per il modello a 15 piani nell'intervallo di spostamento considerato).
• Prestazione Dinamica: Le analisi delle risposte storiche non lineari (NRHA) utilizzando otto terremoti far-field dal database FEMA P695 hanno dimostrato che le strutture sono rimaste stabili. I rapporti di drift interpiano massimi sono stati coerenti tra i record e sono rimasti al di sotto degli spostamenti di progetto target.
• Validazione del Modello: L'approccio di modellazione agli elementi finiti è stato validato rispetto ai dati sperimentali (Campione C5), mostrando che il modello di armatura uniforme adottato può catturare in modo affidabile l'instabilità flessionale e l'inelasticità distribuita.

Significato e Rivendicazioni
L'articolo sostiene di colmare il divario tra la progettazione sismica prescrittiva e la prestazione controllata dal meccanismo. Non propone una nuova filosofia di progettazione sismica, ma piuttosto un'estensione razionale e pratica delle disposizioni esistenti. Gli autori affermano che il loro framework fornisce agli ingegneri strutturisti una via trasparente e implementabile per raggiungere una vera progettazione sismica basata sulle prestazioni. Imponendo esplicitamente un meccanismo globale di collasso beam-sway attraverso l'equilibrio globale e la coerenza energetica, il metodo assicura che i sistemi duali progettati secondo le norme attuali possano affidabilmente evitare fallimenti fragili localizzati, aumentando così la ridondanza strutturale e la sicurezza senza discostarsi dagli standard di progettazione stabiliti.