Sull’interazione sismica fuori piano tra telai prefabbricati e pannelli di tamponamento / On the seismic out-of-plane interaction between precast frames structures and cladding panels

The connection system of the heavy sandwich panels used as claddings of precast concrete industrial structures performed unsatisfactorily under the strong earthquakes recently occurred in Southern Europe. The correct estimation of both in-plane and out-of-plane seismic action on the mechanical devices connecting the panels with the structure is a key step for their correct proportioning. While the design framework of the cladding connection system for in-plane interaction was recently set and experimentally evaluated within the European project Safecladding, the present paper deals with the issue of evaluating the out-of-plane seismic actions. In the current design practice, the panels are included as masses without stiffness, assuming there is no in-plane panel-structure seismic interaction, evaluating the out-of-plane forces on the basis of local forces proportional to the mass of the panel. The present formulation of these out-of-plane forces provided in the Eurocode 8 for non-structural elements does not, however, take into account the case of elements connected both to the structure and to the ground, as typical of vertical panels. The designers need to make heterogeneous assumptions that often bring to remarkably different solutions. The paper presents a rigorous dynamic formulation of the problem of the vibration of the panels, assumed at a first attempt as rigid bodies, connected with cantilever columns. The solution leads to analytical expressions for evaluating the exact out-of-plane action on the connections and the correct amount of panel mass to be lumped in the simplified analysis. A parametric linear dynamic time-history analysis is performed to study how the fundamental period and the cladding connection forces are influenced by the building arrangement. The results are compared with those of the currently adopted simplified design approach.

I forti terremoti che hanno colpito l’Europa meridionale in tempi recenti hanno sottolineato una scarsa prestazione sismica dei sistemi di connessione dei pannelli di tamponamento delle strutture prefabbricate a telaio. I pannelli di tali edifici sono usualmente pareti in c.a. multistrato prefabbricate con massa elevata, e sono connessi alla struttura con connessioni meccaniche. La stima delle azioni sismiche fuori piano agenti su queste connessioni è un passaggio fondamentale per il loro corretto dimensionamento. Mentre la progettazione sismica delle strutture prefabbricate con pannelli è stata recentemente inquadrata e dettagliata nei riguardi dell’interazione nel piano nell’ambito del progetto europeo Safecladding, l’articolo tratta della stima delle azioni fuori piano dei pannelli. Nella pratica progettuale vigente, i pannelli sono considerati nel modello strutturale come masse senza rigidezza, nell’ipotesi di assenza di interazione con la struttura nel piano, e le azioni fuori piano sono valutate sulla base di forze locali proporzionali alla massa dei pannelli. La formulazione fornita nell’Eurocodice 8 per elementi non strutturali, tipicamente usata dai progettisti, non è però pensata per elementi connessi sia alla struttura che al terreno, come tipicamente avviene per pannelli verticali. I progettisti sono quindi costretti a fare ipotesi spesso molto diverse tra loro. L’articolo presenta una formulazione dinamica rigorosa del problema delle vibrazioni dei pannelli, idealizzati in prima approssimazione come corpi rigidi, connessi a pilastri a mensola. La soluzione porta ad espressioni analitiche per la valutazione delle corrette azioni fuori piano sulle connessioni e per il calcolo della frazione di massa da concentrare a livello della copertura. Un’analisi parametrica dinamica lineare al passo consente di studiare come differenti assetti strutturali influenzino il periodo fondamentale di vibrare e le forze nelle connessioni. I risultati sono poi messi a confronto con quelli ottenuti con l’approccio semplificato comunemente adottato.