Nuovi obblighi per gli edifici in cemento armato

Esempio pratico di verifica di nodo trave pilastro in c.a. con la Circolare e NTC 2018
05/10/2018 - Ing. Cosimo Amico, Servizio di Assistenza Tecnica Logical Soft
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Tra le novità introdotte dalle NTC 2018 ce n'è una in particolare che sta cambiando il modo di progettare le strutture.
Tutti i nuovi edifici in calcestruzzo armato devono infatti dare una risposta in duttilità, vale a dire che devono essere in grado di subire grandi deformazioni in risposta all'eventuale sisma. Non si tratta di una novità assoluta; la precedente normativa prevedeva già una serie di verifiche per raggiungere questo obiettivo. Le NTC 2018 estendono però a tutti gli edifici la verifica di resistenza dei nodi trave-pilastro, verifica che prima era necessaria solo per gli edifici classificati come CDA (capacità dissipativa alta) mentre ora è necessaria anche per gli edifici in classe CDB (media capacità dissipativa).
La misura è rafforzata anche dall'eliminazione definitiva delle verifiche alle tensioni ammissibili anche nelle zone a bassa sismicità, dall'eliminazione delle zone sismiche amministrative e dall'introduzione della verifica di duttilità allo spiccato dei pilastri principali.

In questo focus tecnico approfondiamo la verifica di resistenza dei nodi evidenziandone i meccanismi resistenti e le grandezze sulle quali agire per soddisfare i requisiti di legge. Eseguiamo inoltre la verifica di un nodo appartenente ad una struttura intelaiata in cemento armato con il Modulo CEMENTO ARMATO di TRAVILOG.

Le NTC 2018 prescrivono che le costruzioni soggette all'azione sismica devono essere progettate prevedendo un comportamento strutturale non dissipativo o un comportamento strutturale dissipativo (CDA o CDB). È necessario condurre la verifica di resistenza dei nodi trave-pilastro nelle strutture dissipative.
La circolare prescrive invece che tale verifica non deve essere condotta per gli edifici progettati con comportamento non dissipativo:

Verifiche da condurre nella progettazione dissipativa e non dissipativa
Verifiche da condurre nella progettazione dissipativa e non dissipativa

Duttilità delle strutture
La duttilità globale di una struttura rappresenta la capacità di subire grandi deformazioni se sottoposta alle accelerazioni sismiche previste. Il comportamento duttile di una struttura, oltre che dalla duttilità dei materiali, è condizionato dalle caratteristiche generali della struttura che ne determinano la sua iperstaticità. La capacità di far fronte alle sollecitazioni derivanti da un evento sismico dipende dalla capacità di dissiparne l'energia prodotta.

La struttura dissipa energia attraverso la formazione di cerniere plastiche, sezioni nelle quali vengono garantite grandi deformazioni grazie all'impiego di materiali deformabili oltre il limite elastico (duttilità dei materiali). Sarà dissipata tanta più energia quante più saranno le cerniere plastiche che la struttura è in grado di innescare prima della labilità (iperstaticità della struttura).

Meccanismo duttile globale di un telaio piano
Meccanismo duttile globale di un telaio piano

Per garantire alle strutture meccanismi duttili, le NTC 2018 al §7.4.4.3.1 prescrivono che i nodi siano progettati in maniera tale da evitare una loro rottura anticipata rispetto alle zone delle travi e dei pilastri in esso concorrenti. Di seguito analizziamo le formulazioni per il calcolo di tutte le grandezze necessarie alla definizione della verifica del nodo trave-pilastro previste dalla normativa.

Valutazione della domanda di taglio sul nodo
Il primo passo è definire la domanda di taglio che il nodo in calcestruzzo armato deve fronteggiare con il suo meccanismo resistente. Uno dei rischi che si corre per soddisfare le NTC 2018 è di armare molto i nodi travi-pilastro creando problemi nella messa in opera.
7.4.4.3.1 La domanda a taglio in direzione orizzontale deve essere calcolata tenendo conto delle sollecitazioni più gravose che, per effetto dell'azione sismica, si possono verificare negli elementi che vi confluiscono. In assenza di più accurate valutazioni, la domanda a taglio agente nel nucleo di calcestruzzo del nodo può essere calcolata, per ciascuna direzione dell'azione sismica, come:


per nodi inteni [7.4.6 ]


per nodi esterni [7.4.7 ]

in cui per il valore di γRd si veda la Tab. 7.2.I, AS1 ed AS2 sono rispettivamente l'area dell'armatura superiore ed inferiore della trave e VC è la forza di taglio nel pilastro al di sopra del nodo, derivante dall'analisi in condizioni sismiche.
Dalla formula si deduce chiaramente che diminuire l'armatura delle travi in corrispondenza del pilastro ha l'effetto di abbassare la richiesta di taglio nel nodo. In altre parole, pur rispettando le verifiche di resistenza e dei dettagli costruttivi, non armare eccessivamente le travi ha l'effetto sperato di ridurre l'armatura richiesta all'interno del nodo.

Valutazione della capacità di taglio nel nodo
La resistenza a taglio all'interno del nodo è affidata al meccanismo a traliccio che viene a formarsi a seguito della fessurazione diagonale (tirante-puntone).
La verifica deve garantire la resistenza a compressione del puntone in calcestruzzo e la resistenza a trazione dell'armatura tesa all'interno del nodo (staffe).

Meccanismo resistente all'interno di un nodo trave-pilastro in c.a.
Meccanismo resistente all'interno di un nodo trave-pilastro in c.a.

VERIFICA A COMPRESSIONE
La verifica al taglio compressione viene condotta confrontando la domanda Vjbd con la capacità resistente del puntone diagonale in calcestruzzo VjRC all'interno del nodo.
7.4.4.3.1 La compressione nel puntone diagonale indotta dal meccanismo a traliccio non deve eccedere la resistenza a compressione del calcestruzzo:

[7.4.8 ]



αj è un coefficiente che vale 0,6 per nodi interni e 0,48 per nodi esterni, νd è la forza assiale nel pilastro al di sopra del nodo, normalizzata rispetto alla resistenza a compressione della sezione di solo calcestruzzo, hjc è la distanza tra le giaciture più esterne delle armature del pilastro, bj è la larghezza effettiva del nodo.
Quest'ultima è assunta pari alla minore tra:
  • la maggiore tra le larghezze della sezione del pilastro e della sezione della trave;
  • la minore tra le larghezze della sezione del pilastro e della sezione della trave, ambedue aumentate di metà altezza della sezione del pilastro.
Soddisfare tale verifica in genere non comporta grosse difficoltà. È evidente che, per garantire una migliore prestazione a compressione del nodo, è necessario agire sulla larghezza del nodo stesso bj.

VERIFICA A TRAZIONE
Per quanto riguarda la verifica a trazione, la normativa richiede che all'interno del nodo la sollecitazione di trazione diagonale non superi la resistenza a trazione del calcestruzzo; se tale condizione non risulta soddisfatta è necessario inserire un'adeguata armatura di confinamento.
7.4.4.3.1 Per evitare che la massima trazione diagonale del calcestruzzo ecceda la fctd deve essere previsto un adeguato confinamento. In assenza di modelli più accurati, si possono disporre nel nodo staffe orizzontali di diametro non inferiore a 6 mm, in modo che:

[7.4.10]

Ash è l'area totale della sezione delle staffe e hjw è la distanza tra le giaciture di armature superiori e inferiori della trave.

In alternativa, l'integrità del nodo a seguito della fessurazione diagonale può essere garantita integralmente dalle staffe orizzontali se:

per nodi interni [7.4.11]


per nodi esterni [7.4.12]

νd è la forza assiale normalizzata agente al di sopra del nodo, per i nodi interni, al di sotto del nodo, per i nodi esterni.
Esempio di calcolo
Ora eseguiamo la verifica di resistenza di un nodo trave-pilastro appartenente a una struttura intelaiata in c.a. con il software TRAVILOG secondo le prescrizioni del §7.4.4.3.1 delle NTC 2018.

Telaio in calcestruzzo armato modellato col modulo CEMENTO ARMATO di TRAVILOG
Telaio in calcestruzzo armato modellato col modulo CEMENTO ARMATO di TRAVILOG

TRAVILOG progetta in automatico l'armatura eseguendo la verifica dei pilastri e dei nodi secondo i criteri delle nuove Norme Tecniche.

Dettaglio del nodo oggetto della verifica di resistenza
Dettaglio del nodo oggetto della verifica di resistenza

Rispetto al riferimento locale del pilastro, si individuano due direzioni di verifica del nodo:
  • Direzione Z, il nodo risulta essere un nodo interno
  • Direzione Y, il nodo risulta essere un nodo esterno.
GEOMETRIE E ARMATURE
TRAVILOG rileva in automatico tutte le grandezze geometriche e meccaniche necessarie alla verifica dei nodi.

Dettaglio delle sezioni modellate col modulo TRAVI di TRAVILOG
Dettaglio delle sezioni modellate col modulo TRAVI di TRAVILOG

SOLLECITAZIONI
Di seguito sono riportate le forze di taglio calcolate nel pilastro al di sopra del nodo (Pilastro 30x30) derivante dall'analisi sismica.
  • VCZ,min = -2271 N    (il nodo risulta essere un nodo interno)
  • VCY,min = -3333 N    (il nodo risulta essere un nodo esterno)
Queste sono le forze assiali calcolate nel pilastro al di sopra e al di sotto del nodo.
  • Nsup,max = -117493 N
  • Ninf,max = -210746 N
CALCOLO DELLA DOMANDA DI TAGLIO NEL NODO
Il software rileva la direzione Z e Y dei nodi in funzione della modellazione. La domanda di taglio dovrà essere inferiore alla capacità di compressione calcolata in seguito.

DIREZIONE Z: nodo interno

DIREZIONE Y: nodo esterno

CALCOLO DELLA CAPACITÀ DI COMPRESSIONE DEL PUNTONE DIAGONALE
DIREZIONE Z: nodo interno

DIREZIONE Y: nodo esterno

Confrontando la capacità e la domanda di compressione, la verifica risulta essere soddisfatta in entrambe le direzioni.

CALCOLO DELLA CAPACITÀ A TRAZIONE DELL'ARMATURA TRASVERSALE CONSIDERANDO IL CALCESTRUZZO REAGENTE A TRAZIONE
Il software rileva la direzione Z e Y dei nodi in funzione della modellazione. La domanda di taglio dovrà essere inferiore alla capacità di trazione calcolata di seguito.

DIREZIONE Z: nodo interno



DIREZIONE Y: nodo esterno


CALCOLO DELLA CAPACITÀ A TRAZIONE DELL'ARMATURA TRASVERSALE CONSIDERANDO IL CALCESTRUZZO NON REAGENTE A TRAZIONE
Se la verifica precedente non è stata soddisfatta TRAVILOG in automatico procede con la verifica a trazione non considerando il calcestruzzo teso, come richiesto dalle NTC 2018. Il nodo si considera armato con staffe F10, a due bracci con passo 5 cm.

DIREZIONE Z: nodo interno



DIREZIONE Y: nodo esterno


La verifica a trazione si ritiene soddisfatta se uno dei due criteri, alternativi tra loro, risulta avere esito positivo.

TRAVILOG produce un report di verifica che mostra l'esito delle verifiche, l'identificazione del nodo (specificandone se è valutato come nodo interno o esterno) e la quantità di staffatura, oltre alle grandezze calcolate nei paragrafi precedenti.

Report di verifica prodotto da TRAVILOG
Report di verifica prodotto da TRAVILOG

Conclusioni
La verifica di resistenza del nodo trave-pilastro presenta l'aspetto più critico nel soddisfare la capacità a trazione e nella determinazione quindi della quantità di staffatura all'interno del nodo.

Per arrivare ad un esito positivo riassumiamo di seguito i parametri sui cui agire:
  • La superficie di armatura resistente a taglio nel nodo. Aumentando il numero delle staffe, il diametro oppure il numero dei bracci si incrementa la resistenza al taglio trazione.
  • L'armatura longitudinale delle travi convergenti nel nodo. Diminuendo le aree As1 e As2 si riduce la domanda di taglio e di conseguenza la quantità di armatura resistente.
TRAVILOG progetta l'armatura di pilastro verificando in automatico anche la resistenza dei nodi senza richiedere dati aggiuntivi rispetto a quelli necessari e consente di progettare edifici con una risposta in capacità come previsto dalle NTC 2018.