Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design

Transcript

1 Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design Relatori Prof. Ing. Luca Facchini Prof. Ing. Marco Pio Lauriola Correlatore Dott. Ing. Marco Matteucci July 2013

2 Obiettivi e fasi Obiettivi: Confrontare tecniche di modellazione e programmi agli elementi finiti per le strutture in X-LAM Valutare economicamente la progettazione sismica eseguita secondo il criterio del No Damage Design (NDD) 1. Introduzione 2. Sistema costruttivo 3. Modellazione del sistema Fasi: 4. Tecniche di modellazione e programmi FEM 5. Progettazione sismica 6. Conclusioni Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design 2

3 1. Introduzione Pannello in legno massiccio a strati incrociati X-LAM Pannello formato da più strati di tavole, sovrapposti e incollati uno sull altro in modo che la fibratura di ogni singolo strato sia ruotata di 90 rispetto agli strati adiacenti Numero di strati e spessore variabile (minimo 3 strati) Sono prodotti con legno di conifera Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design 3

4 Sistema costruttivo X-LAM 2. Sistema costruttivo Strutture in cui sia le pareti verticali che i solai sono realizzati con pannelli X-LAM assemblati con collegamenti meccanici tra pareteparete e parete-solaio. Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design 4

5 Sistema costruttivo X-LAM 2. Sistema costruttivo I collegamenti se ben progettati possono assicurare il comportamento duttile della costruzione grazie all interazione tra snervamento e rifollamento della connessione legno-acciaio. Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design 5

6 2. Sistema costruttivo I PANNELLI SONO PREFABBRICATI La costruzione arriva in cantiere con i pannelli separati (moduli L = 1.25m 2.5m) I pannelli sono collegati manualmente lungo tutto il perimetro Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design 6

7 Collegamento alla base 2. Sistema costruttivo HOLD DOWN ANGOLARI PIASTRE FORATE Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design 7

8 2. Sistema costruttivo Collegamento laterale: pannelo-pannello CHIODI o VITI Doppia tavola coprigiunto Tavola coprigiunto Tavola interna GIUNTO UTILIZZATO PER LE MODELLAZIONI Viti incrociate Giunto a mezzo legno Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design 8

9 2. Sistema costruttivo Collegamento in testa: solaio-pannello VITI Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design 9

10 Comportamento strutturale F q 2. Sistema costruttivo SCORRIMENTO ROTAZIONE DEFORMAZIONE PANNELLO Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design 10

11 Deformazione del pannello X-LAM F 2. Sistema costruttivo I pannelli X-LAM sono più resistenti e rigidi delle connessioni meccaniche, di conseguenza il taglio e la flessione diventano trascurabili per il pannello. Verrà raggiunta la rottura prima nelle connessioni: negli hold-down, nelle staffe angolari e nelle connessioni verticali fra i pannelli. Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design 11

12 Comportamento strutturale 2. Sistema costruttivo Il più semplice metodo di calcolo è quello di assumere il pannello come infinitamente rigido e che tutte le deformazioni derivino dalla traslazione e dalla rotazione dei pannelli F F Le forze dovute al ribaltamento sono solitamente affidate agli hold-down mentre il taglio è affidato alle staffe angolari Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design 12

13 ELEMENTO BIDIMENSIONALE Pannello X-LAM 3. Modellazione del sistema Data la disposizione degli strati incrociati, si ha una differente resistenza e rigidezza nelle due direzioni del pannello MATERIALE ORTOTROPO Si definisce un materiale ideale equivalente, in cui l ortotropia è computata mediante una riduzione dei moduli elastici. A livello geometrico si conserva lo spessore reale del pannello al fine di garantire le stesse proprietà inerziali del pannello reale Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design 13

14 3. Modellazione del sistema ELEMENTO BIDIMENSIONALE E 90 E 0 G 90 G 0 x y Si trascurano le tavole disposte in direzione ortogonale a quella considerata Nel caso di un pannello con 5 strati e spessori uniformi: E y = 3 5 E 0 E x = 2 5 E 0 E = E 90 G yz = 3 5 G 0 G xz = 2 5 G 0 G xy = G 0 Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design 14

15 3. Modellazione del sistema ELEMENTO BIDIMENSIONALE x y xy, xy, xy Fessure da ritiro Tavole non incollate lateralmente È buona approssimazione assumere un valore nullo Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design 15

16 Connessioni meccaniche 3. Modellazione del sistema L Eurocodice (EC5) fornisce i valori del modulo di scorrimento K ser per vari mezzi di unione: Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design 16

17 Connessioni meccaniche 3. Modellazione del sistema HOLD DOWN Gli hold-down vengono modellati con elementi monolateri aventi resistenza a compressione nulla, con un comportamento elastico perfettamente plastico a trazione La pendenza del tratto elastico del legame costitutivo corrisponde alla rigidezza allo scorrimento della connessione con il pannello (K ser chiodi Anker) Nella progettazione tradizionale solitamente gli hold-down non vengono modellati. Si esegue solo il dimensionamento, che è progettato con il carico di trazione che si ottiene per integrazione delle tensioni alla base della parete. Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design 17

18 Connessioni meccaniche 3. Modellazione del sistema UNIONI A TAGLIO Angolari, chiodi e viti Nella modellazione le giunzioni solitamente vengono uniformemente distribuite sugli elementi che le descrivono (link, frame, elemento bidimensionale) Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design 18

19 UNIONI A TAGLIO 3. Modellazione del sistema Cerniera cilindrica con svincolamento bilatero allo scorrimento Il comportamento è elastico perfettamente plastico, la pendenza del tratto elastico del legame costitutivo corrisponde alla rigidezza allo scorrimento della connessione (K ser ). Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design 19

20 Pannello sollecitato da azioni principalmente di compressione La rigidezza in direzione ortogonale alla fibratura dell X-LAM è bassa (E 90 ) Solaio interpiano 3. Modellazione del sistema Trascurare questo contributo alla deformazione globale della struttura non sarebbe una buona approssimazione y ELEMENTO BIDIMENSIONALE CON PROPRIETÀ DEL X-LAM x E y = E 90 E x = 3 5 E 0 G xy = 3 5 G 0 Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design 20

21 Modellazione semplificata 3. Modellazione del sistema Modellazione computazionale onerosa delle connessioni meccaniche Ricerca di modelli funzionali alla progettazione e pratici per la ricerca delle sollecitazoni Approcci semplificati alla modellazione del X-LAM Modello formato da soli elementi bidimensionali Metodo del G eq Le connessioni non vengono modellate Modulo di elasticità tangenziale equivalente in cui è considerata la deformabilità delle connessioni meccaniche Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design 21

22 Metodo del G eq 3. Modellazione del sistema Il modulo di taglio nel piano (G xy = G eq ) è calcolato in modo da considerare tutte le rigidezze che concorrono alla deformabilità di interpiano: Deformabilità della parete Deformabilità delle connessioni meccaniche Viti K ser,testa Chiodi K ser,laterale Angolari metallici K ser,base Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design 22

23 3. Modellazione del sistema Metodo del G eq F K testa Spostamento orizzontale della parete dovuto alle sole unioni: h K laterale K laterale δ U = F K base + n c,vert h2 L 2 F K laterale + Spostamento orizzontale della parete: F K testa K base δ P = 1.2 F h G 0 s L L Spostamento orizzontale complessivo: δ tot = δ U + δ P δ tot = δ eq = 1. 2 F h G eq s L INCOGNITA DA DETERMINARE Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design 23

24 4. Tecniche di modellazione e programmi FEM RFEM 5 - Dlubal Software Programma di analisi agli elementi finiti Funzionale per la modellazione di stutture X-LAM Controllo dei risultati ottenuti tramite confronto con il software di calcolo agli elementi finiti SAP2000 Confronto tra tecniche di modellazione: Modellazione delle connesioni Metodo del G eq Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design 24

25 4. Tecniche di modellazione e programmi FEM F MODULO PANNELLO X-LAM BASE: Altezza 3.2 metri Base 2.5 metri Spessore 0.1 metri 5 strati da 2 cm DEFORMATA PER CARICO ORIZZONTALE Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design 25

26 4. Tecniche di modellazione e programmi FEM Modello con un collegamento verticale Differenza sullo spostamento orizzontale: 39% Collegamento modellato Metodo del G eq Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design 26

27 4. Tecniche di modellazione e programmi FEM Modello con un collegamento orizzontale Collegamento modellato Metodo del G eq Differenza sullo spostamento orizzontale: 27% Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design 27

28 4. Tecniche di modellazione e programmi FEM Modello parete 3x3 moduli base q F3 q Solai interpiano Unioni verticali chiodate F2 Unioni orizzontali (viti e squadrette) q Sottoposto a carichi verticali e orizzontali F1 4 TIPI DI MODELLI Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design 28

29 4. Tecniche di modellazione e programmi FEM MODELLO 1 - RIGIDO MODELLO 2 - G eq Solo elementi bidimensionali No connessioni No solaio interpiano Solo elementi bidimensionali (G eq ) No connessioni Con solaio interpiano MODELLO 3 - INTERMEDIO MODELLO 4 - COMPLETO Elementi bidimensionali (G eq ) No connessioni verticali Sì connessioni orizzontali Con solaio interpiano Elementi bidimensionali Sì connessioni (tutte) Con solaio interpiano Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design 29

30 MODELLO 1 - RIGIDO 4. Tecniche di modellazione e programmi FEM Deformata: u x = 2.16 mm u z = 0.90 mm Differenza spost. orizz. Con MODELLO 4: 73% Tecnica da non utilizzare MODELLO 2 - G eq Deformata: u x = 9.73 mm u z = 2.28 mm Modello più Deformabile Differenza u x 17% MODELLO 3 - INTERMEDIO Deformata: u x = 9.50 mm u z = 2.11 mm Comportamento intermedio Differenza u x 14% MODELLO 4 COMPLETO Deformata: u x = 8.06 mm u z = 2.09 mm Modello di confronto Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design 30

31 4. Tecniche di modellazione e programmi FEM SINTESI Riguardo al software RFEM 5, è consigliabile utilizzare il MODELLO 4 per la progettazione: La modellazione delle connessioni risulta semplice e funzionale Il modello si avvicina di più al comportamento reale della struttura Risultando più rigido del modello semplificato, siamo a favore di sicurezza nei confronti degli SLV Il metodo semplificato (G eq ) risulta una buona approssimazione per strutture che presentano un elevato numero di connessioni. Ai fini della progettazione, a seconda del programma FEM utilizzato, può diventare la scelta più funzionale Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design 31

32 4. Tecniche di modellazione e programmi FEM ModeSt - Tecnisoft Programma di analisi agli elementi finiti Modulo aggiuntivo VPAL per la progettazione di strutture X-LAM APPROSSIMAZIONI ADOTTATE DAL PROGRAMMA 1. Cosidera il X-LAM un materiale isotropo. Calcola i moduli elastici nelle due direzioni (E x e E y ) e assegna al materiale quello più grande 2. Calcola il valore del modulo di elasticità tangenziale tramite la formula valida per materiali isotropi sovradimensionandolo: E υ G ModeSt = E υ = 2427 N mm 2 G X LAM = 690 N mm 2 Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design 32

33 4. Tecniche di modellazione e programmi FEM VALUTAZIONE DELLE APPROSSIMAZIONI ADOTTATE DAL PROGRAMMA MODEST vs Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design 33

34 4. Tecniche di modellazione e programmi FEM MODULO BASE PANNELLO X-LAM 3.2 m 2.5 m RFEM ModeSt Errore rel. [%] U x [mm] U z [mm] Sollevamento [kn] Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design 34

35 4. Tecniche di modellazione e programmi FEM MODELLO CON UN COLLEGAMENTO VERTICALE MODELLO CON UN COLLEGAMENTO ORIZZONTALE RFEM ModeSt Errore rel. [%] U x [mm] U z [mm] Soll. [kn] RFEM ModeSt Errore rel. [%] Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design 35

36 4. Tecniche di modellazione e programmi FEM MODELLO 4 - COMPLETO RFEM ModeSt Errore rel. [%] U x [mm] U z [mm] Soll. [kn] Schiacc. [kn] Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design 36

37 4. Tecniche di modellazione e programmi FEM SINTESI L X-LAM viene modellato come un materiale molto più rigido della realtà Questa semplificazione computazionale risulta accettabile in strutture dove sono presenti un numero elevato di connessioni fra i pannelli Le sollecitazioni sono di poco maggiori (1% circa) Deformabilità ridotta Ux 10% circa Siamo a favore di sicurezza per quanto riguarda gli SLV Ma non per gli SLD Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design 37

38 5. Progettazione sismica PROGETTAZIONE SISMICA DEL CASO STUDIO TECNICA DI MODELLAZIONE DEL MODELLO 4 - COMPLETO Connessioni modellate Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design 38

39 5. Progettazione sismica PROGETTAZIONE SISMICA DEL CASO STUDIO Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design 39

40 No Damage Design (NDD) Progettare in assenza di danno 5. Progettazione sismica Obiettivo: la struttura deve rimanere in campo elastico L azione sismica corrispondente allo stato limite ultimo di salvaguardia della vita (SLV) viene considerata utilizzando come spettro di progetto, lo spettro di risposta elastico, quindi, non ridotto tramite il fattore di struttura q q = 1 La resistenza di progetto delle connessioni metalliche è stata ridotta. Si considera il valore limite elastico R NDD = 2 3 R d Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design 40

41 Progettazione sismica struttura X-LAM 5. Progettazione sismica Dimensionamento e verifica delle connessioni tra i pannelli Valutazione dei costi: Ferramenta Spese generali ed utili d impresa Manodopera Nolo attrezzature Confronto tra progettazione secondo NTC 18 e progettazione NDD Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design 41

42 NTC Progettazione sismica NDD Ferramenta Manodopera Nolo attrezzature Totale Aumento dei costi Il costo per la realizzazione dell edificio è stato stimato in: , relativo alla sola struttura portante , edificio finito completo di finiture 5.12% Costo struttura portante Ottimo investimento in confronto al costo dei danni dovuti ad un ipotetico sisma 1.79% Costo edificio finito Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design 42

43 6. Conclusioni Per i sistemi costruttivi in X-LAM è imprescindibile pensare di modellare la struttura trascurando la presenza delle connessioni e del solaio interpiano La modellazione semplificata con il G eq, ai fini progettuali, risulta comunque una buona approssimazione se confrontata con quella di modelli più raffinati (MODELLO 4 COMPLETO) Con la progettazione in assenza di danno (NDD) si ottiene un incremento dei costi, che risultano comunque una minima parte rispetto ai costi per realizzare l intero edificio (2% circa) Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design 43

44 Tecniche di modellazione e programmi FEM per strutture X-LAM, progettazione sismica secondo il criterio del No Damage Design Relatori Prof. Ing. Luca Facchini Prof. Ing. Marco Pio Lauriola Correlatore Dott. Ing. Marco Matteucci July 2013