Progettazione antisismica di strutture in legno. Dott. Ing. Simon Keller

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1 Progettazione antisismica di strutture in legno Dott. Ing. Simon Keller

2 Soluzioni a lungo termine SEDI CENTRALI SCHARNSTEIN AUSTRIA OSTERHOFEN GERMANIA

3 Soluzioni a lungo termine Il legno come materia prima da costruzione WOLF GRUPPE INTERNATIONAL 25 SEDI DIPENDENTI

4 Soluzioni a lungo termine WOLF CAMPI ITALIA DI ATTIVITÁ - VIPITENO 27 STRUTTURE ANNI DI ESPERIENZA IN CEMENTO ARMATO 360 DIPENDENTI

5 CAMPI DI ATTIVITÁ CAPANNONI INDUSTRIALI

6 CAMPI CAMPI DI DI ATTIVITÁ ATTIVITÁ CAPANNONI CASE PREFABBRICATE INDUSTRIALI

7 Proprietà meccaniche

8 Proprietà meccaniche Proprietà meccaniche dovute all utilizzo in natura.

9 Proprietà meccaniche L organizzazione cellulare è alla base di una marcata anisotropia. Anisotropia = differenza di valori di resistenza e rigidezza in tutte le direzioni.

10 Proprietà meccaniche In natura si ha: - Maggiore resistenza in direzione parallela alla fibratura - Minore resistenza in direzione ortogonale alla fibratura

11 Proprietà meccaniche Legno netto = legno senza difetti (nodi; fessurazioni; deviazioni di fibratura etc.) Resistenza a compressione < Resistenza a trazione

12 Proprietà meccaniche I difetti alterano soprattutto il comportamento a trazione.

13 Proprietà meccaniche - Umidità funzione della specie e della resistenza che si sta indagando. - Durata di carico dovuta al comportamento reologico del materiale (resistenza, deformazione)

14 Modellazione meccanica Anisotropo = risposta meccanica diversa in tutte le direzioni. Ortotropo = risposta meccanica diversa in tre direzioni. Isotropo = risposta uguale in tutte le direzioni.

15 Modellazione meccanica

16 Modellazione meccanica

17 Modellazione meccanica Semplificazione in un unica direzione trasversale: R i,0 = parallela alla fibratura R i,90 = ortogonale alla fibratura

18 Meccanismi di resistenza I meccanismi di resistenza sono funzione dell angolo formato dalla forza agente con la fibratura. Sforzi assiali di compressione,0

19 Meccanismi di resistenza I meccanismi di resistenza sono funzione dell angolo formato dalla forza agente con la fibratura. Sforzi assiali di compressione,0

20 Sforzi assiali di compressione,90 Le problematiche dovute alla compressione ortogonale sono piuttosto legate a deformazioni post-elastiche piuttosto che a un vero collasso

21 Sforzi assiali di compressione,90 Le problematiche dovute alla compressione ortogonale sono piuttosto legate a deformazioni post-elastiche piuttosto che a un vero collasso

22 Sforzi assiali di compressione,90

23 Sforzi assiali di trazione,0 Legge di tipo elasto-fragile

24 Sforzi assiali di trazione,90

25 Taglio - Taglio ortogonale (solitamente non avviene) - Taglio parallelo - Rolling Shear

26 Taglio - Taglio ortogonale (solitamente non avviene) - Taglio parallelo - Rolling Shear

27 Flessione Può presentarsi ciascuna delle situazioni descritte in precedenza.

28 Normative e metodi di calcolo

29 Metodi di calcolo e verifica Verifiche - D.M. 14/01/2008 (NTC) 4.4 Costruzioni di legno (verifica delle singole travi SLU) 7.7 Costruzioni di legno (metodi di analisi e fattori SLV e SLD) 11.7 Materiali e prodotti a base di legno - UNI EN (EC5) 7.1 Stati limite d esercizio (verifica travi SLE) Appendice B e C (verifica pareti SLU) Pareti a diaframma (verifica pareti SLV)

30 Valutazione della resistenza 1. Durata del carico NTC08

31 Valutazione della resistenza 1. Durata del carico NTC08

32 Valutazione della resistenza 2. Classi di servizio 4.4.5

33 Valutazione della resistenza Il calcolo di una proprietà del materiala a partire dai valori caratteristici viene fatto secondo: Xk = valore caratteristico Kmod = parametro che tiene conto della durata del carico e dell umidità m = coefficiente parziale di sicurezza

34 Valutazione della resistenza Coefficiente parziale di sicurezza del materiale

35 Valutazione della resistenza Coefficiente parziale di sicurezza del materiale

36 Valutazione della resistenza Scelta del kmod

37 Effetto volume Aumento della resistenza a fm,k e ft,0,k Legno massiccio (11.7.1) Legno lamellare (11.7.2)

38 Formule di verifica da 4.4 NTC08 Trazione parallela alla fibratura Compressione parallela alla fibratura

39 Formule di verifica da 4.4 NTC08 Compressione perpendicolare alla fibratura Flessione km = 0,7 sez. rett. km = 1 altre sezioni Ridistribuzione delle tensioni e disomogeneità

40 Formule di verifica da 4.4 NTC08 Tensoflessione Pressoflessione

41 Formule di verifica da 4.4 NTC08 Taglio Instabilità di trave (flessione)

42 Formule di verifica da 4.4 NTC08 Instabilità di colonna

43 Esempio di calcolo Trave semplicemente appoggiata Dati: Materiale = GL24h b= 16 cm Perm.= 2,4 kn/m2 h= 24 cm Acc.= 2 kn/m2 Cat. A Classe di servizio 1

44 Esempio di calcolo Resistenza di progetto

45 Esempio di calcolo Resistenza a flessione kmod fm, k fm, d kh m k h min( 1.09;1.1) 1.09

46 Esempio di calcolo Resistenza a flessione m,, MPa 1.45 f d fm, d, MPa 1.45 Resistenza a taglio f v, d, MPa f v, d, MPa

47 Esempio di calcolo Calcolo sollecitazioni kn l q V knm l q M ) ( kn l q V knm l q M ) (

48 Esempio di calcolo Calcolo sollecitazioni MPa A V MPa W M d v m d ) ( ,1, 2 6,1, MPa A V MPa W M d v m d ) ( ,2, 2 6,2, ,1,,1,,1,,1, d v d v m d m d f f ,2,,2,,2,,2, d v d v m d m d f f

49 Deformazione

50 Sistemi di collegamento Unioni tradizionali lavorano per superfici di contatto Unioni meccaniche di tipo moderno trasmissione degli sforzi indiretta Unioni metalliche a gambo cilindrico Unioni metalliche di superficie

51 Unioni tradizionali

52 Unioni tradizionali

53 Unioni a gambo cilindrico

54 Unioni a gambo cilindrico

55 Unioni a gambo cilindrico Teoria di Johannsen Si prevede un comportamento rigido plastico per entrambi i materiali ovvero sia per l acciaio che per il legno. I modi di rottura previsti sono sostanzialmente due: Rifollamento di una delle parti lignee connesse (modo I) Rifollamento di una delle parti lignee e contemporaneo snervamento del connettore con formazione di una o più cerniere plastiche (modo II e III).

56 Unioni a gambo cilindrico Rifollamento La resistenza a rifollamento è una caratteristica meccanica del materiale legnoso. Si ha schiacciamento localizzato delle fibre legnose per effetto del carico concentrato del connettore sule pareti del foro. Varia in funzione di alcune caratteristiche come la massa volumica del legno, diametro del connettore, angolo di azione della forza agente. Snervamento connettore È funzione del diametro e della classe dell acciaio.

57 Unioni a gambo cilindrico Modo I

58 Unioni a gambo cilindrico Modo II

59 Unioni a gambo cilindrico Modo III

60 Unioni a gambo cilindrico A due piani di taglio

61 Unioni a gambo cilindrico Effetto fune (modi II e III) Esempio modo f

62 Unioni a gambo cilindrico Rotture fragili non previste da Johansen

63 Unioni a gambo cilindrico

64 Unioni a gambo cilindrico

65 Sistemi di collegamento La definizione del grado di duttilità del collegamento risulta fondamentale per caratterizzare la capacità di una struttura di assorbire energia quando essa sia soggetta ad azioni sismiche.

66 Il sistema costruttivo Platform Frame

67 Ing. Simon Keller Pareti portanti Telaio in legno Corrente superiore (C24) Corrente inferiore (C24) Montanti (C24) Pannelli di chiusura Pannello in Masonite

68 Ing. Simon Keller Carichi verticali

69 Ing. Simon Keller Carichi verticali

70 Ing. Simon Keller Carichi verticali

71 Ing. Simon Keller Carichi orizzontali

72 Ing. Simon Keller Normativa Verifiche - D.M. 14/01/2008 (NTC) 4.4 Costruzioni di legno (verifica delle singole travi SLU) 7.7 Costruzioni di legno (metodi di analisi e fattori SLV e SLD) 11.7 Materiali e prodotti a base di legno - UNI EN (EC5) 7.1 Stati limite d esercizio (verifica travi SLE) Appendice B e C (verifica pareti SLU) Pareti a diaframma (verifica pareti SLV)

73 Ing. Simon Keller Verifiche carichi verticali Corrente superiore: Verifica a flessione Verifica Verifica a a taglio instabilità di colonna Verifica a compressione ortogonale alla fibratura

74 Ing. Simon Keller Verifiche carichi verticali Montanti: Verifica a instabilità di di colonna

75 Ing. Simon Keller Verifiche carichi verticali Corrente inferiore: Verifica a instabilità di colonna Verifica a pressione ortogonale alla fibratura

76 Esempio di calcolo parete Platform Frame

77 Esempio di calcolo parete Platform Frame Elementi di parete qmax = 30,00 kn/ml altezza parete = 2900 mm Composizione parete: Masonite (P4) b = 1250 mm I y = mm 4 h = 16 mm I z = mm 4 E 0,g,mean = 2300 N/mm 2 A = mm 2 Aste interne b = 60 mm I y = mm 4 h = 160 mm I z = mm 4 numero aste interne = 1 A = 9600 mm 2

78 Esempio di calcolo parete Platform Frame Aste esterne b = 80 mm I y = mm 4 h = 160 mm I z = mm 4 A = mm 2 Asta superiore Asta inferiore b = 160 mm b = 160 mm h = 80mm h = 60mm A = mm 2 A = 9600 mm 2 Struttura portante parete q max = 30,00 kn/ml

79 Esempio di calcolo parete Platform Frame Elementi di collegamento masonite - aste Cambrette d = 1,2 mm s = 100 mm interasse elementi di collegmento r m1 = 680 kg/m3 massa volumica media masonite r m2 = 420 kg/m3 massa volumica media C24 r m = 534 kg/m3 massa volumica media [(7.1) EC5] k ser kser = ku = 1,5 0,8 serd 80 2 k u k ser N/mm 119 N/mm [prospetto 7.1 EC5] [(2.1) EC5]

80 Esempio di calcolo parete Platform Frame

81 Esempio di calcolo parete Platform Frame EA E A tot i i (EA) tot = Aeff = N mm2 l 0 EI EA e ff tot Snellezza colonna composita l y = 72,40 l z = 15,35 [(C.3) EC5] Valori di progetto q d = 30,00 kn/m carico lineare applicato Fd = 37,50 kn k mod = 0,8 carico di media durata [Tab. 4.4.IV D.M.14/01/2008] g M = 1,5 legno massiccio [Tab. 4.4.III D.M. 14/01/2008] d k mod M k valore di calcolo proprietá materiale [(4.4.1) D.M. 14/01/2008]

82 Esempio di calcolo parete Platform Frame Verifica parete Instabilitá di colonna k rel, c k crit, c k f E c,0, k 0,05 c 1 k 2 2 0,5 1 rel, c 0, 3 rel, c 2 rel, c l rel,c = 1,23 [(4.4.14) D.M. 14/01/2008] k = 1,35 [(4.4.16) D.M. 14/01/2008] k crit,c = 0,53 [(4.4.15) D.M. 14/01/2008] s c,0,d = 1,61 N/mm 2 sollecitazione di compressione f c,0,d = 11,20 N/mm 2 resistenza di progetto k crit,c f c,0,d = 5,90 N/mm 2 k crit, c c,0, d f c,0, d 1 0,27 1 verificato [(4.4.13) D.M. 14/01/2008]

83 Esempio di calcolo parete Platform Frame

84 Esempio di calcolo parete Platform Frame

85 Esempio di calcolo parete Platform Frame Snellezza colonna composita l rel,c = 1,27 [(4.4.14) D.M. 14/01/2008] k = 1,40 [(4.4.16) D.M. 14/01/2008] k c = 0,50 [(4.4.15) D.M. 14/01/2008] s c,0,d = 2,24 N/mm 2 sollecitazione di compressione f c,0,d = 11,20 N/mm 2 k crit,c f c,0,d = 5,62 N/mm 2 k crit, c c,0, d f c,0, d 1 0,40 1 verificato [(4.4.13) D.M. 14/01/2008]

86 Esempio di calcolo parete Platform Frame

87 Esempio di calcolo parete Platform Frame f m, y, d m, y, d 1 0,67 1 verificato [(4.4.5a) D.M. 14/01/2008] Taglio Vd = 5/8 qd L = 9,92 kn d = 1,16 N/mm 2 f v,d = 1,33 N/mm 2 f d v, d 1 0,87 1 verificato [(4.4.8) D.M. 14/01/2008]

88 Esempio di calcolo parete Platform Frame Pressione ortogonale alla fibratura asta superiore asta inferiore l ef = 113 mm [(6.8) EC5] l ef = 100 mm [(6.8) EC5] k c,90 = 2,62 [(6.5) EC5] k c,90 = 2,76 [(6.6) EC5] c,90,d = 2,44 N/mm 2 c,90,d = 2,44 N/mm 2 k c,90 f c,90,d = 3,49 N/mm 2 k c,90 f c,90,d = 3,68 N/mm 2 k c,90 c,90, d f c,90, d 1 0,70 1 verificato [(4.4.4) D.M. 14/01/2008]

89 Ing. Simon Keller Verifiche carichi orizzontali Verifica a taglio collegamento telaio pannello Metodo A e metodo B ( EC5)

90 Ing. Simon Keller Verifiche carichi orizzontali Verifica a instabilità dei montanti Verifica dell ancoraggio Verifica a compressione ortogonale alla fibratura Verifica a taglio collegamenti

91 Ing. Simon Keller Verifiche carichi orizzontali

92 Esempio di calcolo parete Platform Frame Resistenza di progetto graffe [8.4 EC5] d = 1,53 mm l = 70 mm M y,rk = 725 Nmm f h1,k = 64 N/mm 2 f h2,k = 25,3 N/mm 2 k = 350 kg/m 3 t = 16 mm spessore masonite t1 = 16 mm t2 = 54 mm = 0,40 F v,rk = 375 N resistenza a taglio di progetto della singola cambretta m = 1,3 k mod = 1 F v,rd,graf = 288,22 N per gambo F f,rd = 0,58 kn capacitá laterale di progetto di un singolo mezzo d'unione

93 Esempio di calcolo parete Platform Frame h = 2900 mm altezza del pannello k = 350 kg/m 3 massa volumica caratteristica del telaio in legno b 0 = 1450 mm F F f, Rd i i i, v, Rd s b c F v, Rd Fi, v, Rd 1,2 c i 1 bi b0 per per b b i i b b 0 0 resistenza di progetto singolo pannello resistenza di progetto parete Sisma direzione X sollecitazioni da analisi statica lineare Id. parete L H i,d S b i F i,v,rd F v,rd Verifica - m kn mm m kn kn kn Piano terra P001 3,88 36,39 100,00 1,25 14,91 77,14 verificata

94 Esempio di calcolo parete Platform Frame Parete Lunghezza Hi,d h Ft,d hold-down tipo R,d HD η - m kn m kn - kn - P001 3,88 36,39 2,90 27,20 WHT340 29,69 0,92

95 Ing. Simon Keller Verifiche carichi orizzontali

96 Ing. Simon Keller Verifiche carichi orizzontali

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100 Perchè il legno? Comportamento sismico

101 Ing. Simon Keller Leggerezza La forza agente durante un evento sismico è funzione della massa della struttura. f(t) u (t)

102 Simon Keller LEGGEREZZA

103 La duttilità è la capacità di dissipare energia attraverso lo sviluppo di deformazioni plastiche. DUTTILITA

104 Ing. Simon Keller Duttilità

105 Ing. Simon Keller Duttilità 1

106 Ing. Simon Keller Duttilità Prescrizioni costruttive 7.7.3: Per poter considerare la struttura ad alta duttilità: a) I collegamenti legno-legno o legno acciaio d 12mm; s 10d b) Il materiale di rivestimento strutturale è di legno o di materiale derivato d 3,1mm; s 4d

107 Ricerca Prove sismiche

108 Ing. Simon Keller MULTIPIANO

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110 Nome Cognome Short Headline Example Text Didiscalia: Sitat und dore ipsum Didiscalia: Sitat und dore isum Cidunt adignis am venibh etue alit erostio dipisisi er aliquissi. Unt lortio digna cor sum vel il utem ad et nosto od magna feugait od magna feugait. digna cor sum vel il utem ad et nosto od magna feugait od magna feugait. magna feugait. digna cor sum vel il utem ad et nosto od magna feugait od magna feugait

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116 Ing. Simon Keller Pannello 3 PORTA N = 50 kn/m % = 1,45mm % = 2,9mm 0.20% = 5,8mm % = 11,6mm 0.60% = 17,4mm Forza (kn) % = 29,0mm 1.50% = 43,5mm 2.00% = 58,0mm 3,00% = 87,0mm Spostamento (mm)

117 Ing. Simon Keller Step Drift (%) Disp (mm) Vel (mm/sec) T (min) Ttotale (h) Fmax (kn) Fmin (kn) 1 0,05 1,45 0,05 6 0, ,1 2,90 0, , ,2 5,80 0,1 12 1, ,4 11,60 0,2 12 1, ,6 17,40 0,3 12 2, ,00 0,4 15 2, ,5 43,50 0,5 17 3, ,00 0,6 19 3, ,00 0,7 25 4, , , , , , , , , , , , , , , , Rottura H SLU = 23,73 kn/m 1. Danni H SLE = 18,93 kn/m

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122 Ing. Simon Keller *,, i i i inst G A G h l q u 2,,,, l K a l q h m l n u i ser i v i inst k 2 3,, 3 2 l h A E l q u i i i inst E, sin h u DF K DF K i inst K i inst G inst E inst u u u u u,,,,,, , 3 Ersatz inst E Eq b l u h F E l b u u h F G Ersatz i inst K i G inst eq ,,,,

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126 Ing. Simon Keller Scelte progettuali Suddivisione realistica degli spazi Presenza di numerose aperture Presenza del vano scala Solaio in legno lamellare Edificio più alto testato in Europa

127 Ing. Simon Keller Scelte progettuali Tie-down Hold-down + angolare

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130 Ing. Simon Keller In media in Italia ogni cento anni si verificano più di cento terremoti di magnitudo compresa tra 5.0 e 6.0 e dai 5 ai 10 terremoti di magnitudo superiore a 6.

131 Ing. Simon Keller 0,06 Spostamenti tavola 0,04 0,02 spostamenti [m] 0 0,02 0,04 0,06 0, t [sec] 0,1 0,12 smax = 11,36cm 0,14

132 Ing. Simon Keller 150,00 Piano Terra Piano copertura 100,00 spostamento [mm] 50,00 0,00 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 t [sec] Piano terra Copertura 50,00 100,00 Prova accelerogramma dell Aquila; ag=1,15g Spostamento massimo s=51,25mm

133 Struttura finita

134 Accelerogramma di Kobe, Giappone (amax=0,82g)

135 0,8 Ing. Simon Keller 0,6 CONFRONTO KOBE L'AQUILA amax = 0,66g 0,4 Accelerazione [g] 0,2 0,0 0,2 0, t [sec] Kobe L'Aquila 0,6 0,8 amax = 0,82g 1,0

136 0,82 Ing. Simon Keller CONFRONTO CONFRONTO L'AQUILA KOBE TEST L'AQUILA FINALE 0,6 1,5 Accelerazione [g] 0,4 1 0,2 0,5 0,0 0 0,2 0,5 0,4 1 0,6 0,8 1,5 amax = 0,66g t [sec] t [sec] amax = 1,48g L'Aquila Kobe L'Aquila L'Aquila 1,48g 1,0 2

137 Ing. Simon Keller Risultati Sulla struttura finita sono state eseguite quattro prove. Durante tutte le prove l accelerazione di picco ha superato 1g. L accelerazione massima di prova è stata di 1,48g. 1,48g = 529% D.M. 14/01/2008 Nessun danno

138 Progettazione sismica

139 Ing. Simon Keller Progettazione 1. Definizione dei parametri di progetto (carichi, coordinate etc.) 2. Struttura regolare? 3. Scelta del fattore di struttura 4. Individuazione delle pareti resistenti 5. Calcolo forza agente alla base e forze ai piani 6. Calcolo baricentro delle masse e baricentro delle rigidezze 7. Suddivisione delle forze sulle pareti 8. Verifica delle paretideisolai 9. Verifica a scorrimento (angolari) 10. Verifica a ribaltamento (Hold down)

140 Ing. Simon Keller 1. Definizione parametri di progetto

141 Ing. Simon Keller 1. Definizione parametri di progetto

142 Ing. Simon Keller 2. Regolarità da NTC08

143 Ing. Simon Keller 2. Regolarità da NTC08

144 Ing. Simon Keller 3. Scelta del fattore di struttura

145 Ing. Simon Keller 3. Scelta del fattore di struttura

146 Ing. Simon Keller 4. Individuazione delle pareti resistenti

147 Ing. Simon Keller 5. Calcolo forza agente alla base e ai piani

148 Ing. Simon Keller 5. Calcolo forza agente alla base e ai piani

149 Ing. Simon Keller 6. Calcolo baricentri

150 Ing. Simon Keller 7. Suddivisione delle forze Le azioni sulla struttura vengono combinate secondo:

151 Ing. Simon Keller 8. Verifica delle pareti F F f, Rd i i i, v, Rd s b c F v, Rd Fi, v, Rd 1,2 c i 1 bi b0 per per b b i i b b 0 0 resistenza di progetto singolo pannello resistenza di progetto parete

152 Ing. Simon Keller 8. Verifica dei solai Trazione e compressione cordolo

153 Ing. Simon Keller 8. Verifica dei solai Taglio

154 Ing. Simon Keller 9. Verifica degli angolari

155 Ing. Simon Keller 10. Verifica degli H-D