Travi di accoppiamento e IDEA StatiCa

Le travi di accoppiamento vengono tipicamente aggiunte a una struttura per migliorarne la resistenza alle forze laterali. Collegano due elementi separati e indipendenti (come pareti a taglio) per aumentare la rigidezza del sistema complessivo. Sono generalmente corte e tozze, simili alle travi alte. Negli edifici in calcestruzzo, in particolare, assumono la forma di travi in calcestruzzo, che sono spesso uno degli elementi più critici.

Figura 1. Fisher, Andrew W., et al. "Response of Heavily Reinforced High-Strength Concrete Coupling Beams." ACI Structural Journal, vol. 114, no. 6, Nov.-Dec. 2017, pp. 1483+. Gale Academic OneFile, link.gale.com/apps/doc/A558752923/AONE?u=anon~dff1dbd&sid=googleScholar&xid=6f6988a6. Accessed 1 Nov. 2022.

Le travi di accoppiamento svolgono due ruoli nella maggior parte degli edifici. In primo luogo, la trave accoppia due pareti a taglio per aumentare il momento resistente. Se si hanno due pareti a taglio non accoppiate, la forza esercitata dal lato di una parete non influenzerebbe la seconda parete poiché non sono collegate da travi con una sezione trasversale rettangolare tipica. Ciò significa che la forza esercitata influenzerà solo una parete, il che potrebbe causare movimenti indipendenti dall'altra. Questo riduce significativamente l'integrità strutturale dell'edificio. Al contrario, accoppiando le due pareti, si riduce la tensione attratta da ciascuna parete distribuendo le forze da una parete all'altra attraverso il sistema di travi. Le travi di accoppiamento distribuiscono inoltre la forza laterale lungo la lunghezza della seconda parete, il che diffonde ulteriormente la trazione lungo l'elemento e migliora la resistenza complessiva degli elementi strutturali.

Figura 2. Yang Liu, Hai Chen, Zi-Xiong Guo & Hong-Song Hu (2020) Seismic performance of subassemblies with composite wall and replaceable steel coupling beam, Journal of Asian Architecture and Building Engineering, 19:2, 123-137, DOI: 10.1080/13467581.2020.1718679

Il secondo ruolo di una trave di accoppiamento è quello di fungere da fonte di dissipazione di energia durante sollecitazioni estreme. Ad esempio, in caso di terremoto, un edificio deve essere resiliente alla pressione. Per essere resiliente, una struttura non può essere troppo rigida. Altrimenti, in caso di terremoto (ad esempio), l'edificio si romperebbe in corrispondenza del piedritto della parete e collasserebbe. Al contrario, una leggera flessibilità sotto pressioni straordinarie significa che la struttura è molto più in grado di mantenere l'integrità strutturale essenziale sotto pressione.

Una trave di accoppiamento quindi sia rafforza il progetto di un edificio nel suo complesso, sia è progettata per cedere per prima al fine di preservare le parti più vitali dell'edificio in caso di sollecitazioni estreme. Tenendo conto del movimento dell'edificio nella progettazione delle travi, gli ingegneri strutturali realizzano strutture più stabili e sicure.

Modelli di travi di accoppiamento

Il modello può essere suddiviso in base al meccanismo di dissipazione di energia in funzione del basso/alto rapporto di accoppiamento. A causa del rapporto di armatura e principalmente del rapporto luce/altezza, il meccanismo delle cerniere plastiche si svilupperà nelle travi di accoppiamento. Il Modello 1 di seguito ha un basso rapporto di accoppiamento e l/h >4 e può essere progettato secondo la teoria delle travi; le cerniere plastiche appariranno alle estremità della trave. I Modelli 2 e 3 di seguito hanno un alto rapporto di accoppiamento con l/h<2 e ciò porta a diversi meccanismi di cerniere plastiche causati dalla forza di taglio. I modelli sono stati modellati e sottoposti a verifica normativa in IDEA StatiCa Detail e IDEA StatiCa Member.

Figura 3. Tipi di trave di accoppiamento in funzione del rapporto di accoppiamento e dello sviluppo delle cerniere plastiche

Carichi e ottimizzazione topologica

Le pareti a taglio possono fungere da sistema strutturale efficace per resistere ai carichi laterali, come terremoti o vento, negli edifici alti. Le travi di accoppiamento che collegano queste pareti, che si comportano in modo indipendente a ciascun piano, possono migliorare la capacità di resistenza laterale dell'edificio e dissipare energia. Le forze interne indotte da questi carichi dinamici sono principalmente forze nel piano. Le tensioni principali rivelano le zone più sollecitate della struttura e aiutano a comprendere il corretto schema dell'armatura. L'ottimizzazione topologica utilizza il metodo Puntone e tirante, che è familiare agli ingegneri strutturali.

Figura 4.1. Forze interne e ottimizzazione topologica per basso rapporto di accoppiamento

Figura 4.2. Forze interne e ottimizzazione topologica per alto rapporto di accoppiamento

Meccanismo delle cerniere plastiche

Le cerniere plastiche si sviluppano in base al rapporto di accoppiamento. Le travi di accoppiamento alte con un alto rapporto di accoppiamento sviluppano cerniere plastiche a taglio localizzate nella mezzeria della trave. D'altra parte, una trave con un basso rapporto di accoppiamento sfrutta la bassa rigidezza flessionale delle travi per creare le cerniere plastiche alle estremità delle travi di accoppiamento. 

Figura 5. Cerniere plastiche a taglio e a flessione

Singolarità vs. tensione

Lo spigolo vivo creato alla giunzione tra la trave di accoppiamento e la parete a taglio genera un picco di tensione locale che distorce i risultati del modello. Questo picco è causato dalle singolarità nel punto dello spigolo rientrante acuto. La questione è come gestire questi picchi nei modelli stessi. Scopri di più qui.

Verifica normativa delle travi di accoppiamento

La verifica normativa, secondo la normativa, è la parte principale della procedura di analisi. Esaminiamo cosa possiamo ottenere dai risultati per le travi di accoppiamento in calcestruzzo e ibride utilizzando IDEA StatiCa Detail e IDEA StatiCa Member.

Travi di accoppiamento – basso rapporto di accoppiamento

Grazie alla sua dettagliazione relativamente semplice e alla facilità di costruzione, la trave di accoppiamento in CA convenzionale è il tipo di trave di accoppiamento più ampiamente utilizzato nella progettazione degli edifici. Nelle zone a basso rischio sismico, le travi di accoppiamento in CA convenzionali vengono talvolta dimensionate con larghezza maggiore delle pareti a taglio di collegamento negli edifici a solaio piatto. Tuttavia, la trave di accoppiamento in CA convenzionale non fornisce buone capacità di dissipazione di energia sotto elevate tensioni di taglio cicliche, e nel suo comportamento isteretico sono presenti significativi fenomeni di "pinching". Il collasso per taglio diagonale e il collasso per scorrimento a taglio non sono evitabili in questo tipo di trave di accoppiamento, anche con una dettagliazione dell'armatura trasversale a passo ravvicinato.

Figura 6. Tensione principale in compressione 

Figura 7. Tensione nelle barre di armatura

 Figura 8. Tensione di aderenza di ancoraggio nell'armatura

 Figura 9. Sviluppo e direzione delle fessure

 Figura 10. Freccia non lineare 

Travi di accoppiamento – alto rapporto di accoppiamento

Le travi di accoppiamento in calcestruzzo armato con armatura diagonale sono riconosciute come il tipo di trave di armatura più efficace per garantire prestazioni duttili con un'eccellente capacità di dissipazione di energia, specialmente quando il rapporto luce/altezza è inferiore a due. Sebbene le travi di accoppiamento con armatura diagonale mostrino un'eccellente rigidezza e capacità di dissipazione di energia altamente duttile, alcuni problemi di costruttività ne limitano l'applicazione.

Figura 11. Tensione principale in compressione 

Figura 12. Tensione nelle barre di armatura

 Figura 13. Tensione di aderenza di ancoraggio nell'armatura

 Figura 14. Sviluppo e direzione delle fessure

Figura 15. Freccia non lineare 

La trave di accoppiamento ibrida

Le travi di accoppiamento sono difficili e richiedono molto tempo per essere riparate una volta danneggiate dopo un terremoto. Recentemente, diversi ricercatori hanno sviluppato vari tipi di travi di accoppiamento sostituibili che possono essere riparate dopo il terremoto. Una preoccupazione principale per la trave di accoppiamento sostituibile è migliorare la sua capacità di auto-centraggio per ridurre la deriva residua delle strutture. 

Figura 16. Modello di travi di accoppiamento ibride

Figura 17. Tensione equivalente

Figura 18. Prima forma di instabilità lineare 

Figura 19. Seconda forma di instabilità lineare

Figura 20. GMNIA e forma deformata

Conclusione

Ogni tipo di trave di accoppiamento adottato dall'industria ha i propri vantaggi e limitazioni. Tuttavia, non esiste un unico tipo di trave di accoppiamento applicabile a tutti i casi nella progettazione degli edifici. La trave di accoppiamento in CA convenzionale è spesso la soluzione più fattibile ed economica quando la tensione di taglio nella trave è bassa e la trave è governata dalla flessione. Quando i rapporti luce/altezza delle travi di accoppiamento sono ridotti, sono previste elevate tensioni di taglio. Le limitazioni di questi tipi di travi di accoppiamento e i requisiti di ancoraggio associati devono essere tenuti a mente nella scelta di un tipo appropriato di trave di accoppiamento per progetti specifici. Come sempre, il progettista dovrebbe considerare le preferenze del team di costruzione ogni volta che è possibile, poiché molti appaltatori avranno opinioni diverse in merito a ciascuna metodologia.