Nodo trave-pilastro in cemento armato: come verificarlo ai sensi delle NTC2018 e Circolare 2019

Il nodo trave-pilastro di una struttura in cemento armato rappresenta spesso un elemento critico dell’intero progetto strutturale, sia dal punto di vista realizzativo (eccesso di armatura in un nucleo di calcestruzzo di dimensioni ridotte), sia dal punto di vista progettuale a causa delle prescrizioni della Normativa Tecnica per la verifica di resistenza, talvolta difficile da soddisfare.

In quest’articolo ti mostro qual è il meccanismo resistente del nodo trave-pilastro, come eseguire la verifica di resistenza e tutte le prescrizioni della Normativa Tecnica NTC2018 e Circolare 2019 sull’argomento.

Nel corso dell’articolo potrai scaricare un applicativo implementato in Microsoft Excel (foglio elettronico in formato xlsx) per eseguire la verifica di resistenza del nodo trave-pilastro e il Focus Normativo PDF che raccoglie tutte le prescrizioni delle NTC2018 e della Circolare 2019 sul tema e sulle limitazioni geometriche e di armatura da rispettare. Buona lettura.

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Scarica l’app NODI C.A. (xls di Microsoft Excel) per la verifica di resistenza del nodo trave-pilastro

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Nodo trave pilastro: meccanismo resistente tirante-puntone

Per analizzare il comportamento meccanico di un nodo trave-pilastro non è possibile adottare i modelli fisico-matematici solitamente utilizzati per gli elementi monodimensionali quali travi e pilastri. In sostanza per l’analisi di un nodo non è possibile applicare la teoria tecnica della trave di Timoschenko o Eulero-Bernoulli, in quanto il nodo trave-pilastro è un elemento tozzo, mentre la teoria tecnica della trave è applicabile ad elementi in cui una dimensione (asse della trave) è nettamente prevalente rispetto alle altre due (dimensioni della sezione).

Il comportamento di un nodo trave-pilastro va pertanto studiato adottando un modello meccanico in cui si individuano puntoni compressi e tiranti tesi (metodo tirante-puntone o strut and tie model secondo la dicitura anglosassone). Si tratta di un meccanismo resistente analogo a quello utilizzato per lo studio della resistenza a taglio di travi e pilastri in cemento armato, in cui i puntoni compressi e i tiranti tesi individuano il cosiddetto traliccio di Morsch.

Ti mostro un’immagine del meccanismo tirante-puntone per un nodo trave-pilastro in cemento armato nell’immagine seguente.

Come puoi vedere nell’immagine, secondo i principi della gerarchia delle resistenze (progettazione in capacità), le travi si plasticizzeranno prima dei pilastri. Il momento trasmesso dalle travi al nodo sarà il momento resistente ultimo con tensioni di compressione nel calcestruzzo schematizzabili con un diagramma parabola-rettangolo. Le tensioni di compressione trasmesse dal pilastro saranno invece di tipo triangolare, in quanto il momento trasmesso sarà inferiore al momento resistente ultimo del pilastro.

Tipologie di nodi trave-pilastro

La Normativa tecnica definisce due tipologie di nodo trave-pilastro: nodi interamente confinati e nodi non interamente confinati. Vediamo di seguito le diverse tipologie di nodi:

• nodi interamente confinati – per potersi definire tali, devono essere rispettate tutte le seguenti limitazioni:
  • su ognuna delle quattro facce verticali si innesta una trave;
  • su ogni faccia del nodo la larghezza della sezione della trave copre per almeno i 3/4 la larghezza del pilastro;
  • su entrambe le coppie di facce opposte del nodo le sezioni delle travi si ricoprono per almeno i 3/4 dell’altezza;
• nodi non interamente confinati: tutti i nodi che non rispettano le precedenti condizioni.

Un nodo non interamente confinato può essere definito esterno o interno in ciascuna delle due direzioni ortogonali di innesto delle travi:

• nodo esterno: solo da un lato si innesta una trave. Esempio: nodo perimetrale in direzione ortogonale al lato del perimetro oppure nodo d’angolo in entrambe le direzioni ortogonali di innesto delle travi;
• nodo interno: da entrambi i lati si innesta una trave. Esempio: nodo perimetrale, direzione parallela al lato del perimetro.

Per la verifica di resistenza dei nodi si adotteranno formule di verifica differenziate a seconda della tipologia di nodo, come mostrato più avanti e nel Focus Normativo PDF scaricabile alla fine del post.

Verifica del nodo trave-pilastro: quando è necessaria ai sensi della Normativa Tecnica

Il nodo trave-pilastro va progettato in modo da evitare una rottura anticipata rispetto alle zone delle travi e dei pilastri in esso concorrenti.

Ai sensi delle NTC2018, la verifica del nodo va eseguita sempre, sia per le strutture con comportamento dissipativo in CD”A” (classe di duttilità Alta) o in CD”B” (classe di duttilità Media), sia per strutture con comportamento non dissipativo. Per le strutture a comportamento non dissipativo, la verifica del nodo va eseguita applicando le regole di progetto relative alle strutture in CD”B”, ovvero applicando il fattore di sovraresistenza γRd per strutture in CD”B” (γRd = 1.10).

Le NTC2018 apportano pertanto una modifica rispetto alle precedenti NTC2008, le quali prescrivevano la verifica del nodo solo per le strutture in CD”A”.

La Circolare 2019 contiene delle prescrizioni che sembrano essere in contrasto con il testo normativo delle NTC2018, prescrivendo la verifica di resistenza dei nodi solo per le strutture a comportamento dissipativo in CD”A” e per i nodi non interamente confinati delle strutture a comportamento dissipativo in CD”B”. La Circolare 2019 inoltre non richiede la verifica di resistenza per le strutture a comportamento non dissipativo.

Nodo trave-pilastro: NTC2018 vs Circolare 2019. Come comportarsi?

Le prescrizioni più ragionevoli da applicare per la verifica di resistenza dei nodi trave-pilastro sembrerebbero essere quelle della Circolare 2019. Tali prescrizioni renderebbero meno restrittiva e vincolante la verifica dei nodi. Si ricorda però che il testo delle NTC2018 ha valore di norma cogente, mentre la Circolare contiene solo dei chiarimenti e approfondimenti, ma non ha valore di legge.

Quindi quale strada seguire: Circolare o NTC? Dato l’attuale quadro normativo in merito alla verifica dei nodi, è normale che sorgano delle perplessità per i progettisti strutturali.

Una soluzione potrebbe consistere nell’applicare le prescrizioni delle NTC2018 per rispettare la normative tecnica vigente. Se l’applicazione di tali prescrizioni rende i nodi tecnicamente irrealizzabili, si potrebbe pensare di applicare le prescrizioni della Circolare 2019.

In alternativa si potrebbe pensare di modificare il progetto strutturale, ridimensionando le sezioni dei pilastri e delle travi e i quantitativi di armatura di questi elementi per poter soddisfare la verifica dei nodi ai sensi delle NTC2018.

Come eseguire la verifica di resistenza del nodo trave-pilastro

La verifica di resistenza dei nodi trave-pilastro di strutture in cemento armato richiede che la capacità a taglio del nodo sia maggiore della domanda.

Capacità a taglio del nodo ≥ Domanda a taglio

Vediamo nel seguito del post come valutare la capacità e la domanda a taglio per i nodi trave-pilastro.

Nodo trave-pilastro: domanda a taglio

La domanda a taglio V_jbd in direzione orizzontale viene calcolata sommando la risultante delle tensioni di compressione e trazione corrispondenti ai momenti resistenti ultimi allo SLU trasmessi dalle travi convergenti nel nodo, amplificati per il fattore di sovraresistenza γRd. A tali valori andrà sottratto il taglio orizzontale trasmesso dal pilastro superiore derivante dall’analisi in condizioni sismiche. Troverai la formula completa per il calcolo della domanda a taglio nel Focus Normativo PDF allegato all’articolo.

Nodo trave-pilastro: capacità a taglio

La capacità a taglio del nodo è fornita da un meccanismo a traliccio che si innesca a seguito della fessurazione diagonale del calcestruzzo e che vede operare in contemporanea un meccanismo di taglio compressione (bielle compresse di calcestruzzo) e taglio trazione (armatura trasversale).

Resistenza a taglio compressione e taglio trazione

La resistenza a taglio compressione del puntone diagonale in calcestruzzo dipende dai seguenti fattori:

• forza assiale agente nel pilastro;
• resistenza a compressione del calcestruzzo;
• larghezza effettiva del nodo;
• distanza fra le giaciture di armatura del pilastro.

Per la resistenza a taglio trazione è possibile seguire due strade alternative:

• disporre un quantitativo di staffe del nodo tali da evitare la fessurazione del calcestruzzo;
• affidare integralmente alle staffe orizzontali la sollecitazione di taglio orizzontale nel nodo.

Troverai le formule di calcolo per la resistenza a taglio trazione e taglio compressione nel Focus Normativo PDF scaricabile alla fine del post.

Nodo trave-pilastro: limitazioni geometriche e di armatura

La Normativa Tecnica prescrive alcune limitazioni geometriche e di armatura valide solo per i nodi delle strutture a comportamento dissipativo:

• limitazioni geometriche: bisogna evitare, per quanto possibile, eccentricità fra asse della trave e del pilastro concorrenti in un nodo. Qualora tale eccentricità superi 1/4 della larghezza del pilastro, bisognerà prevedere apposite armature per la trasmissioni degli sforzi;
• limitazioni di armatura: lungo le armature longitudinali del pilastro che attraversano i nodi devono essere disposte staffe orizzontali in quantità pari alla maggiore prevista nelle zone adiacenti al nodo del pilastro superiore o inferiore. Nel caso di nodi interamente confinati il passo risultante dell’armatura di confinamento orizzontale nel nodo può essere raddoppiato, ma non può essere maggiore di 15 cm.

Scarica NODI C.A. – l’app Excel per la verifica di resistenza dei nodi trave-pilastro in cemento armato

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Conclusioni

La verifica di resistenza del nodo trave-pilastro è spesso un passaggio critico dell’intero processo di progettazione strutturale. La verifica di resistenza del nodo va eseguita dopo aver completato l’analisi sismica globale dell’edificio e dopo aver progettato le armature di travi e pilastri. In caso di verifica di resistenza del nodo non soddisfatta potrebbe essere necessario revisionare il progetto strutturale, modificare i quantitativi di armatura delle travi e dei pilastri e le sezioni degli elementi concorrenti nei nodi non verificati.

Essere al corrente dei requisiti richiesti dalla Normativa Tecnica per soddisfare la verifica di resistenza del nodo può aiutare il progettista ad eseguire un controllo preliminare dei nodi in fase di predimensionamento della struttura, magari utilizzando l’app per la verifica dei nodi gratuitamente scaricabile in quest’articolo.

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Al prossimo post.

Marco