Applicazioni e osservazioni sulla nuova Normativa Italiana per le Costruzioni in Legno ( NICoLe)

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1 Il legno lamellare: le nuove prospettive dell innovazione progettuale tuale Brettschichtholz: Ermöglicht neue Perspektiven in der Projektierung 26 Settembre 2003 Forum di Bressanone Applicazioni e osservazioni sulla nuova Normativa Italiana per le Costruzioni in Legno ( NICoLe) Betrachtung und Anwendung der neuen Italienishen Norm (NICoLe) für Holzkonstruktionen Le normative tecniche necessitano di divulgazione, per interessare gli operatori, per coinvolgere le associazioni nel processo - comunque lento - che porta alla definizione ed alla introduzione delle medesime, per preventivare i costi conseguenti alla loro adozione 1

2 Situazione italiana della normativa per le costruzioni In Italia sono stati tradotti ed approvati con Decreto Ministeriale i seguenti EUROCODICI emanati dal Comitato Europeo di Normalizzazione (CEN): - EUROCODICE 2 (UNI EN 1992) C a l c e s t r u z z o - EUROCODICE 3 (UNI EN 1993) Acciaio e sono stati anche rilasciati dal Ministero dei Lavori Pubblici i relativi Documenti Applicativi Nazionali (NAD) - C.a.: D.M. 9/01/96, parte I, sez. III - Acciaio: D.M. 9/01/96, parte II, sez. III 2

3 Per le costruzioni in legno è stato pubblicato in italiano l'eurocodice 5 (ENV 1995), in tre parti: ENV : Regole generali e regole per gli edifici ENV : Regole generali, progettazione strutturale contro l'incendio ENV 1995 Parte 2: Ponti (*) Mai pubblicato il relativo NAD, dal momento che non esiste una norma italiana sul legno,, promulgata dall'autorità competente (Ministero dei Lavori Pubblici). L'EUROCODICE 5 è, oggi, norma sperimentale volontaria (ENV) e potrebbe essere utilizzata al pari di altre norme Europee di comprovata validità e lungamente sperimentate (DIN 1052, Regles CB 71, SIA 164) 3

4 Situazione normativa attuale e futura Nel si è insediata a Roma la commissione incaricata della redazione delle Norme tecniche Italiane per la progettazione, esecuzione e collaudo delle Costruzioni di Legno (N.I.CO.LE.); i lavori si sono conclusi nei primi mesi del (doc. Ott ). - Approvazione Norma Italiana per le C Ostruzioni O in L Egno E - Versione finale di E N Parte Pubblicazione del NAD nazionale 4

5 4. NORME DI CALCOLO 4.1 CRITERI GENERALI Modalità di analisi metodo di verifica della sicurezza: - alle tensioni ammissibili,, secondo quanto indicato al punto 7 della presente norma; - agli stati limite. Nella progettazione si possono adottare metodi di verifica alternativi a quelli contenuti nelle presenti norme tecniche purché fondati su ipotesi teoriche e risultati sperimentali scientificamente comprovati e purché sia assicurata una sicurezza non inferiore a quella qui prescritta 5

6 Tensioni ammissibili Stati limite Il metodo delle tensioni ammissibili non valuta la resistenza a collasso della struttura - non differenzia l'importanza tra "collasso" e "utilizzazione" - non distingue tra incolumità delle persone e economia generale della struttura - non dà certezze sulla sicurezza quando siano presenti più azioni Il metodo semi-probabilistico agli stati limite valuta la resistenza a collasso della struttura - attenzione comunque al deterioramento nel tempo dei coefficienti di sicurezza - in particolare nei confronti di azioni permanenti e di quelle variabili frequenti 6

7 Il metodo T.a. non dà certezze sulla sicurezza quando siano presenti più azioni indipendenti (con effetti contrari) P G MG MP MG MP - MG Ipotizzato 3 Ipotizzato M G =0.5 M P sicurezza T.a. su σ B,u M P -M G =0.5 M P =W σ B,u /3 Qual è la sicurezza su P? M P,u -M G = M P,u M P =W σ B,u = M P M P,u = 2 M P 7

8 M ETODO SEMIPROBABILISTICO AGLI ST A T I L I M I T E Stato Limite: Situazione oltre la quale la struttura non soddisfa requisiti funzionali Ultimi Stati limiti Servizio S(s 1 d, s 2d, ) R(r 1 d, r 2 d, ) Effetto (parametro sollecitazione) Prestazione (Parametro resistente) Coefficienti parziali di sicurezza sulle Azioni Q d i =g Qi Q k i sulle Resistenze dei materiali X d =X k k mod /g 8

9 Combinazioni di azioni S TATI LIMITE - AZIONI DI CALCOLO - situazioni persistenti e transitorie: Σ γ G,j G k,j + γ Q1 Q k,1 + Σ γ Q,i ψ 0,i Q k,i - situazioni eccezionali: Σ γ GA,j G k,j + A d + ψ 1,1 Q k,1 + Σ ψ 2,i Q k,i Coefficienti parziali normali Azioni Permanenti (γ G ) Azione variabile Fondamentale (γ Q,1 ) Altre azioni Variabili (γ Q,i ) - Effetto favorevole (γ F,inf ) 1.00* - ** - ** - Effetto sfavorevole (γ F,sup ) 1.35*

10 Limit state at 40: new beginning A. N. Beal, The Structural Engineer, vol. 72, 1970: entusiamo e coefficienti di sicurezza 1.1 (!) dichiarati vantaggi anche economici Mancanza di dati sperimentali Difficoltà di formulazioni teoriche, o formulazioni difficilmente applicabili Le cosiddette "basi scientifiche" sono state spesso "basi tecniche" di comparison with existing practice (si parte dal principio che i nuovi codici devono dare risultati simili a quelli prodotti da predecessori alle "tensioni ammissibili") or, vol. 72, Jan viewpoint: Eurocodes midlife Factors of ignorance? A. N. Beal, The Structural crisis? Structural Engineer,, vol. 79, Oct

11 L i m i t s t a t e a t 4 0 : n e w b e g i n n i n g or midlife crisis? A. N. Beal,, The Structural Engineer,, vol. 72, Jan Azioni caratteristiche in realtà G k sono valori medi, Q k accidentali (ad esempio su solai) sono caratteristici noti Molti carichi permanenti (cosiddetti "secondary" dead loads", non p.p.) sono calcolati "esattamente" all'inizio, ma destinati a cambiare nel corso della vita della costruzione e la sicurezza? Esempio: carichi stradali,, sono stati permessi aumenti notevoli sui valori per il traffico pesante (in anni) su quali valori statistici si può contare quando si assume una "design life" di anni? Quindi nel lato azioni bisognerebbe distinguere la natura del carico e non solo semplicisticamente tra "p.p, permanenti e accidentali" "! Esempio: pressione H 2 O è conosciuta molto meglio di qualsiasi altro carico, pressione del terreno può essere permanente ma calcolabile con molte maggiori incertezze! 11

12 L i m i t s t a t e a t 4 0 : n e w b e g i n n i n g or midlife crisis? A. N. Beal,, The Structural Engineer,, vol. 72, Jan Ci sono alcune discrepanze all'interno delle stesse normative! Esempio: tra ENV 1991 ed ENV il problema della definizione del contributo al carico di incendio della struttura lignea. Se c'è una lezione da imparare negli ultimi 20 anni di S.L.,, è la necessità di essere molto cauti nel proclamare i vantaggi conseguenti alla applicazione di un nuovo approccio, in particolare quando esso è dato solo in principle form, without all the numbers worked out. As experience with existing limit state Codes has shown, the devil is in the detail William PRAGER così concludeva (a proposito dell'analisi limite): dobbiamo riflettere attentamente prima di abbandonare le vecchie, forse ancora incomplete teorie che possono ancora svolgere un ruolo fondamentale Varsavia,

13 N i C o L e V a l o r i d i g m Stati limite ultimi Combinazioni fondamentali Legno Legno lamellare Unioni Acciaio Combinazioni eccezionali 1,3 1,25 (*) 1,3 1,1 1,0 Stati limite di esercizio 1,0 13

14 NiCoLe - Coefficiente sicurezza materiale g m serve anche per passare da resistenza al frattile 5% a quella d i p r o g e t t o ( a l 5 ) Calcestruzzo: g m per il calcestruzzo =1,6 (D.M P a r t e I, S e z i o n e I I I ) è i l p r o d o t t o d i : 1,1 incertezza sul modello di calcolo; 1,1 incertezza sulla corrispondenza tra provini cubici e cls i n opera; 1,32 per il passaggio dal f r a t t i l e 5 % a l f r a t t i l e 5 ( d i s t r i b u z i o n e n o r m a l e ). Legno: g m p e r i l l e g n o è i l p r o d o t t o d i : 1, 1 i n c e r t e z z a s u l m o d e l l o d i c a l c o l o ; 1,0 ogni elemento è classificato e marchiato; 1,18 legno massiccio e 1,14 legno lamellare (con distribuzione di resistenze n o n n o r m a l e e n o n s i m m e t r i c a ). 14

15 NICoLe σ d STATI LIMITE ULTIMI tensione agente di progetto f k resistenza caratteristica al frattile 5% k mod γ m coefficiente che tiene conto delle condizioni di servizio e della durata del carico coefficiente parziale di sicurezza del materiale σ d f k k mod γ m 15

16 RESISTENZE DEL M ATERIALE Le tensioni f k vengono fornite al progettista in apposite norme UNI-CEN, che forniscono profili prestazionali per legni di conifera e pioppo (C)( ) o latifoglia escluso pioppo (D) classi di resistenza. Per legno italiano UNI :2003 1:2003 Legno strutturale - Classificazione a vista di legnami italiani secondo la resistenza meccanica: terminologia e misurazione delle caratteristiche 2:2003 Legno strutturale - Regole per la e UNI :2003 classificazione a vista secondo la resistenza e i valori caratteristici ristici per tipi di legname strutturale italiani 16

17 Legno massiccio EN 338 (feb.1995/2000) Caratteristiche dei materiali: legno conifera (e pioppo) Valori caratteristici di tensione (Mpa) e modulo (GPa) Flessione Trazione parallela perpendicolare Compressione parallela perpendicolare Taglio Modulo di elasticità medio parallelo parallelo medio perpendicolare Modulo di taglio medio f m,0,k f t,0,k f t,90,k f c, 0,k f c, 90,k f v,k E 0,mean E 0,0,05 E 90,mea G mean C14 C16 C18 C22 C24 C27 C30 C35 C Massa volumica Massa volumica media ρ k ρ mean

18 L e g n o l a m e l l a r e i n c o l l a t o p r E N ( v e c c h i a p r o p o s t a ) Caratteristiche dei materiali: legno lamellare di conifera Valori caratteristici di tensione (Mpa) e modulo (GPa) GL20 GL24 GL28 GL32 GL36 Flessione Trazione parallela perpendicolare Compressione parallela perpendicolare Taglio Modulo di elasticità medio parallelo f m,0,k f t,0,k f t,90,k f c, 0,k f c, 90,k f v,k E 0,mean ,35 0,35 0,45 0,45 0, ,0 5,5 6,0 6,0 6,3 2,8 2,8 3,0 3,5 3, ,5 14,5 18

19 Legno massiccio p r E N 338 (ottobre 2000) Caratteristiche dei materiali: legno massiccio Variazioni proposte (ottobre 2000) Sono state aggiunte le classi C45 e C50 La resistenza f t, 9 0, k è aumentata e varia tra 0.4 (C14) e 0.6 (C40) La resistenza f c, 9 0, k è d i m i n u i t a e varia tra 2.0 (C14) e 2.9 (C40) Proposta una resistenza f v,k unica 3.5 MPa 19

20 Legno massiccio EN 1912 (giugno 1998, errata corrige dic. 1998) Caratteristiche dei materiali: classi di resistenza e classificazione a vista 20

21 2.8 P ROCEDURE DI QUALIFICAZIONE E CONTROLLO DEL LEGNO Le caratteristiche dei materiali, indicate nel capitolato secondo o le prescrizioni dei punti da 2.1 a 2.7 e di eventuali altre prescrizioni in funzione della specifica opera, devono essere garantite dai fornitori e/o produttori,, per ciascuna fornitura, secondo le disposizioni che seguono. 21

22 2.8.1 Legno massiccio - Elenco aggiornato dei fornitori qualificati di elementi in legno massiccio per uso strutturale istituito presso la Presidenza deld C.S.LL.P.-Servizio Servizio Tecnico Centrale Viene notificato: - stabilimento di produzione - tipo di elementi strutturali che l azienda fornisce - tenuta del registro forniture legname (specie legnosa, provenienza, quantità) - organizzazione del controllo interno di qualità: - Responsabile della produzione (classificatore di legname) - Responsabile commerciale (se i prodotti sono già classificati) - registrazione del marchio del fornitore 22

23 L e g n o m a s s i c c i o Ogni anno i fornitori inviano al Servizio Tecnico Centrale: a) una dichiarazione attestante la permanenza delle condizioni iniziali iali di idoneità della organizzazione del controllo interno di qualità; b) i risultati dei controlli interni eseguiti nell ultimo anno, per ciascun tipo di prodotto, da cui risulti anche il quantitativo di produzione. Tutte le forniture di elementi in legno massiccio per uso strutturale debbono essere accompagnate da una Dichiarazione di conformità (EN 45014): - regolarità della posizione nell elenco fornitori qualificati ; - descrizione degli elementi strutturali forniti; - specie legnosa e zona di provenienza del legno impiegato; - la Classe di resistenza o la Categoria; - la norma tecnica in base alla quale è stata eseguita la classificazione. cazione. 23

24 L e g n o m a s s i c c i o Sugli elementi strutturali con sezione trasversale maggiore di cm 2 deve essere apposta una marchiatura dalla quale risultino: - il nominativo della ditta fornitrice oppure marchio depositato; - la specie legnosa; - la Classe di resistenza o la Categoria. Per elementi strutturali con sezione trasversale minore di 30 cm 2, marchiatura globale sulla confezione di elementi raggruppati. Il marchio deve potere essere identificabile almeno fino al collaudo strutturale (fatti salvi elementi a vista ) 24

25 2.8.2 Legno lamellare Vale tutto quanto detto, inoltre: 1) La produzione deve subire un controllo continuo (UNI-EN 386), effettuato dal Responsabile della produzione, che assume, nell ambito delle proprie competenze, le responsabilità stabilite dalla legge per i direttori dei lavori. I registri di produzione devono essere disponibili per i competenti organi del Servizio Tecnico Centrale e, per la fornitura di competenza, per la D.L. ed il direttore dei lavori e il collaudatore della costruzione. 2) Produzione e ciclo produttivo devono subire un controllo semestrale da parte di laboratori abilitati 3) Nella marchiatura dell elemento si riporta anche l anno di produzione. 25

26 Legno / umidità: classi di servizio ω>18% ω 18% ω 12% ω G G u 0 % = G0 100 T=(20±2) C; U rel >65% per poche settimane all'anno (ω 12%); T=(20±2) C; U rel >80% per poche settimane all'anno (ω 18%); condizioni con valori di umidità più elevati; 26

27 Classi di durata Classe di durata del carico Permanente Lunga durata Media durata Breve durata Istantaneo Durata accumulata del carico caratteristico più di 10 anni 6 mesi -10 anni 1 settimana - 6 mesi meno di 1 settimana -- Esempi di carico peso proprio carico di esercizio nei locali adibiti a deposito carichi di esercizio in generale neve (*) vento e carichi eccezionali (*) Il sovraccarico q sk è composto da: un valore fino a 2,0 kn/m 2 (=breve durata) + un eventuale restante parte (=istantanea) 27

28 Valori delle Azioni Variabili kn/m 2 C a r i c h i d a n e v e ( z o n a I ) D.M (?) D.M BZ 2002 D.M Altitudine (m) 28

29 Influenza dell umidità sulle prestazioni Resistenza k mod kmod X k X d = γ M Deformabilità k def U fin = U inst ( 1+ kdef ) Classe di d u r a t a d e l l ' a z i o n e Permanente Lunga Media Breve Istantanea C lasse di servizio C l a s s e d i d u r a t a d e l l ' a z i o n e Massiccio, GL, LVL Plywood Carichi permanenti C l a s s e d i s e r v i z i o se montato saturo I coefficienti k mod e k def dipendono anche dal materiale; quelli indicati sono per legno Massiccio, lamellare incollato, compensato, LVL 29

30 Formato generale delle formule di verifica (DIN 1052:1988, Parte 1): σ σ t t,amm + σ σ f f,amm 1 La formula è così scritta per le differenti caratteristiche di resistenza del legno (e quindi delle relative tensioni ammissibili) nei riguardi del tipo di sollecitazione ed in funzione della direzione della sollecitazione rispetto a quella della fibratura. 30

31 STATI LIMITE ULTIMI (elemento tozzo) Stati di sollecitazione composti σ f t,0,d t,0,d σ + f m,y,d m,y,d + k m σ f m,z,d m,z,d 1 σ f t,0,d t,0,d + k m σ f m,y,d m,y,d σ + f m,z,d m,z,d 1 nel caso di compressione + flessione sostituire: σ f t,0,d t,0,d σ f c,0,d c,0,d 2 k m = 0.7 per sezioni rettangolari; 1 altre sezioni. 31

32 STATI LIMITE ULTIMI (colonna pressoinflessa) Stato di sollecitazione composto k σ c,y c,0,d f c,0,d + k σ crit m,y,d f m,y,d + k m σ f m,z,d m,z,d 1 k σ c,z c,0,d f c,0,d + k m k σ crit m,y,d f m,y,d + σ f m,z,d m,z,d 1 Imperfezioni iniziali (sinusoidali): max l /300 (legno massiccio) l /500 (legno lamellare) 32

33 STATI LIMITE ULTIMI (colonna pressoinflessa) MoE è il valore caratteristico E 0,05 Tensione critica euleriana e snellezza relativa: σ c, crit = p E λ 2 2 0,05 Asta tozza per λ rel 0.5 lamellare λ ( ), λ lim =50 70 Le tensioni di calcolo flessionali σ m derivano da azioni esterne, imperfezioni iniziali considerate tramite il fattore k c,y e k c,z : λ rel = λ λ lim = f σ c,0,k c,crit c + 1 k = ; k =.5 1+ ( λ 0. ) k k 2 λ rel 2 Legno massiccio: β c =0.2.2;; legno lamellare β c =0.1 ( 2) β + 0 λ c rel 5 rel 33

34 STATI LIMITE ULTIMI Elemento colonna k c = k + k 1 2 λ rel kc 0.6 Massiccio Lamellare λ rel

35 C U R V E D I I N S T A B I L I T À A C O N F R O N T O (solo effetto colonna) - NICoLe ( pren 1995:2002): legno lamellare (E( 0, 0 5 /f c, o, k =370); - DIN 1052:1988 (LL.II^ classe); - curva b acciaio (EN 1993) 1,0 0,8 0,6 N/N pl Eulero DIN Lamellare (λrel,tozza= 0, 5 NICoLe) " (λrel,tozza=0,3 pren1995) 0,4 EN 1993 (curva b ) 0,2 0,0 λ/λlim 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 35

36 Requisiti essenziali per l'applicabilità delle regole di progetto date in questo codice. Problema dell'instabilità lo scostamento dalla rettilineità, a metà della luce di instabilità, non dovrà superare 1/500 l (L.L.).) e 1/300 l (legno massiccio) 36

37 STATI LIMITE ULTIMI: COLLEGAMENTI TRADIZIONALI Verifica generale per le tensioni perpendicolari alla fibra indotte dal collegamento (fi LEFM) Vd,max 2 fv,d hmax t / 3 F con hmax 0,7h e hmin 0,25h h min h max V 1 V 2 h 37

38 STATI LIMITE ULTIMI: COLLEGAMENTI TRADIZIONALI Teoria di Johansen (comportamento rigido- plastico) F max 0 u Si assume come capacità portante la minima tra quelle fornite dai comportamenti a rottura indicati, in funzione di: f h,1,k f h,2,k tensioni di rifollamento; t 1 t 2 spessori degli elementi collegati; d diametro del perno; momento di snervamento del perno. M y,k 38

39 STATI LIMITE ULTIMI Teoria di J o h a n s e n f h,1,k f h,2,k tensioni di rifollamento; β rapporto f h,2,k / f h,1,k ; t 1 t 2 spessori elementi collegati; d diametro perno; M y,k momento snervamento perno. R k f h,1, kt1d 0,5fh,2, kt 2d f h,1, kt1d = min 1,1 2 + β 2β 1,15 1+ β 2β 2M ( 1+ β ) y,k f h,1, k + d 4β ( 2 + β ) f h,1, k dt M 2 1 y,k β 39

40 STATI LIMITE ULTIMI UNIONI Verifica dei collegamenti: S d R k k g mod m S d sforzo agente di progetto R k resistenza caratteristica dell unione al frattile 5% (formule di Johansen) k mod coefficiente che tiene conto delle condizioni di servizio e durata del carico g m coefficiente parziale di sicurezza ( = 1,3) 40

41 PROBLEMATICHE APERTE Comportamento meccanico dei c o l l e g a m e n t i lignei F(kN) (a) (f) (c) (b) (d) a) collegamento incollato (12500 mm 2 ); b) anello (d = 100 mm); c) piastra dentata (d = 62 mm); d) perno (d = 14 mm); e) bullone (d = 14 mm); f) piastra stampata (100x100 mm 2 ); g) chiodo (d = 4.4 mm) 10 (e) (g) u(mm) COMPORTAMENTO OTTIMALE = COLLEGAMENTO FORTE E DUTTILE! [Haller, P. 1998] 41

42 Resistenza e d u t t i l i t a a nei collegamenti a g a m b o cilindrico [Giordano, 1999] [Haller, P. 1998] A U M E N T A N D O L A S N E L L E Z Z A D E L CONNETTORE AUMENTA LA DUTTILITA FASE III: comportamento e l a s t o p l a s t i c o ATTENZIONE CHE NON INSORGA PRIMA UN MECCANISMO DI ROTTURA FRAGILE! 42