Pile di sfioratori esistenti e sisma: l’analisi incrementale dinamica per modelli non lineari con barre lisce e bassi rapporti di armatura
Le pile di sfioratori costruite in Giappone oltre sessanta anni fa presentano un’armatura realizzata con barre tonde lisce e rapporti geometrici di armatura molto ridotti. Questa configurazione, oggi oggetto di uno studio pubblicato su Infrastructures (Vol. 11, pag. 237), solleva un problema tecnico specifico: la risposta sismica di tali elementi risulta fortemente condizionata dallo scorrimento barra-calcestruzzo che segue la fessurazione.
La ricerca, condotta da Yoshiki Matsuoka, Takenori Araki, Hiroshi Nakajima, Yasuyuki Nakanishi, Satoshi Uchida e Hikaru Nakamura, ha confrontato l’efficacia di due approcci modellistici, un modello a trave basato su relazioni momento-curvatura non lineari (M-phi) e un’analisi tridimensionale agli elementi finiti in grado di rappresentare esplicitamente l’interazione di scorrimento tra acciaio e calcestruzzo.
Il limite del modello a trave nella valutazione del danno sismico
L’analisi incrementale dinamica (IDA) condotta su una pila reale di sfioratore ha evidenziato che il modello a trave, pur essendo utile per uno screening globale della struttura, può indurre una classificazione errata del meccanismo di danno. La ragione risiede nell’incapacità del modello M-phi di riprodurre il cedimento per scorrimento delle barre lisce, fenomeno che altera la distribuzione delle curvature e la localizzazione della plasticizzazione.
I ricercatori hanno applicato diversi livelli di intensità sismica, studiando l’effetto del diametro delle barre, del rapporto di armatura e delle condizioni di aderenza. I risultati mostrano che il modello tridimensionale agli elementi finiti riproduce fedelmente un danno di tipo flessionale, quantificando le differenze in termini di spostamento massimo e residuo, deformazione dell’acciaio e distribuzione del danneggiamento a trazione e compressione.
Scostamenti amplificati da terremoti forti, barre di grosso diametro e bassi rapporti di armatura
Le discrepanze tra i due modelli diventano più marcate all’aumentare dell’intensità della sollecitazione sismica. In particolare, per barre di diametro maggiore e rapporti di armatura più bassi, l’effetto dello scorrimento barra-calcestruzzo si accentua, portando a una sovrastima della rigidezza post-fessurazione da parte del modello a trave.
L’analisi ha quindi dimostrato che l’aderenza tra acciaio e calcestruzzo rappresenta un parametro critico per pile con barre lisce e bassi rapporti di armatura, e che la sua modellazione esplicita è indispensabile per una previsione realistica del comportamento sismico.
Una strategia a due stadi per la verifica sismica di strutture esistenti
Lo studio fornisce un supporto metodologico per la valutazione della sicurezza sismica di pile di sfioratori progettate secondo criteri oggi superati. La strategia proposta si articola in due fasi:
- una prima fase di screening globale con modelli a trave, utile per individuare le strutture potenzialmente critiche;
- una seconda fase di analisi dettagliata a livello di elemento, condotta con modelli 3D agli elementi finiti in grado di rappresentare il degrado dell’aderenza e la sua influenza sul danno locale.
L’approccio consente di ottimizzare le risorse computazionali, riservando le analisi più onerose ai soli elementi per i quali il modello semplificato non fornisce garanzie sufficienti di affidabilità. La combinazione dei due metodi rappresenta una possibile linea guida operativa per i tecnici incaricati della verifica sismica di opere idrauliche esistenti con caratteristiche analoghe a quelle oggetto dello studio.
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