Task 1.4 Strutture in legno

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1 RETE DEI LABORATORI UNIVERSITARI DI INGEGNERIA SISMICA Workshop finale Progetto ReLUIS - DPC Napoli, 8-9 Ottobre 2013 Nuovo Progetto Esecutivo Reluis-DPC AT Aspetti nella progettazione sismica delle nuove costruzioni Task 1.4 Strutture in legno Coordinatori: M. Piazza, P. Zanon 1

2 STRUTTURE IN LEGNO AT 2 Aree Tematiche - AT 2.1 Aspetti nella progettazione sismica delle nuove costruzioni Strutture in cemento armato Tasks Strutture in acciaio e composte acciaio-c.a Strutture in muratura Strutture in legno M. Piazza, P. Zanon C. Loss Task Strutture in legno 2

3 UNITÀ DI RICERCA E RESPONSABILI ID UNITÀ DI RICERCA RESPONSABILE UNINA Napoli B. Calderoni UNIBS Brescia E. Giuriani UNIUD Udine A. Gubana UNITS Trieste N. Gattesco UNISS Sassari M. Fragiacomo COORDINAMENTO UNITN Trento M. Piazza M. Piazza, P. Zanon C. Loss Task Strutture in legno 3

4 OBIETTIVI DELLA RICERCA Progettazione, Calcolo, Esecuzione di Strutture di Legno in Condizioni Sismiche - Proposta di particolari costruttivi di provata efficacia, sperimentazione, modellazione - Possibilità/proposte per la effettiva implementazione numerica - Guida per redazione dei progetti redatti secondo le prescrizioni di NTC/Eurocodici per il calcolo degli edifici lignei Progettazione, Calcolo, Esecuzione di Strutture di Legno in Condizioni Sismiche - Esempi di progettazione e verifica di edifici caso studio M. Piazza, P. Zanon C. Loss Task Strutture in legno 4

5 EDIFICI IN LEGNO EDIFICI IN LEGNO IN ITALIA I. Sistemi costruttivi a pannelli massicci XLAM II. Sistemi costruttivi a pannelli intelaiati (Platform Frame) Previsione sui sistemi costruttivi che potranno maggiormente crescere nei prossimi anni (2015). Fonte: P. Gardino M. Piazza, P. Zanon C. Loss Task Strutture in legno 5

6 RISULTATI DALLE UNITÀ DI RICERCA: UNITA DI TRIESTE 1: Valutazione analitica della rigidezza delle pareti δ c δ s δ ns δ b δ sf Rotazione alla base della parete Deformabilità a taglio del pannello Deformabilità connessioni pannello Deformabilità flessionale parete Deformabilità collegamenti a taglio base Confronto analitico-sperimentale Nel caso di parete composta da più segmenti si esegue la somma delle singole rigidezze ad eccezione del contributo di rotazione alla base e flessionale N. Gattesco R. Franceschinis Task Strutture in legno 6

7 RISULTATI DALLE UNITÀ DI RICERCA: UNITA DI TRIESTE 2: Analisi pushover e stima del fattore q Forza orizzontale F [kn] Curve di capacità Spostamento s [mm] Forza orizzontale F [kn] Curve di capacità Spostamento s [mm] Spostamento s [mm] STIMA FATTORI DI STRUTTURA DI TRE TIPOLOGIE STRUTTURALI EDIFICIO X-MODO X-MASSE Y-MODO Y-MASSE 2 Piani regolare Piani irregolare Piani regolare Forza orizzontale F [kn] Curve di capacità N. Gattesco R. Franceschinis Task Strutture in legno 7

8 RISULTATI DALLE UNITÀ DI RICERCA: UNITA DI TRIESTE 3: Attività sperimentali Attuatore Cella di carico 2 UPN 180 accoppiati PLS7: truciolare 20 mm PLS8: truciolare 15 mm 150 Contrasto di acciaio T1 T4-T7 Basamento in acciaio Taglio [kn] Tirafondi M50 Solettone cls Spostamento [mm] 150 Sulle curve di risposta (tagliospostamento totale) è evidenziato il contributo dovuto alla sola rotazione di base. I risultati delle prove hanno permesso di calibrare e validare i modelli analitici e numerici. Rottura chiodi di unione pannello Taglio [kn] T1 T4-T Spostamento [mm] N. Gattesco R. Franceschinis Task Strutture in legno 8

9 RISULTATI DALLE UNITÀ DI RICERCA: UNITA DI BRESCIA 1: Studio parametrico-numerico del comportamento sismico di edifici in legno I. Sistema costruttivo multipiano con pareti realizzate da pannelli XLAM monopiano duttilità locale dei collegamenti fattore di struttura di progetto dettagli costruttivi nei collegamenti II. Sistema costruttivo multipiano con pareti isolate a tutt altezza, composte da pannelli XLAM affiancati Hold-down E. Giuriani G. Metelli, F. Germano Task Strutture in legno 9

10 RISULTATI DALLE UNITÀ DI RICERCA: UNITA DI BRESCIA 2: caratterizzazione sperimentale dei connettori/collegamenti , ,6 2,81 2,98 2,02 3,01 F vm CNR 206:2007 = kn Carico sul singolo chiodo [kn] , ,6 2,75 2,18 2, CHIODO LISCIO Tipologia 1 CHIODO AM Tipologia CHIODO AM Tipologia 3-2 Scorrimento medio [mm] CONNESSIONI CHIODATE Chiodi Lisci Tipologia 1 (prima fase ricerca) Chiodi Aderenza Migliorata Tipologia 2 Chiodi Aderenza Migliorata Tipologia 3 PROVE MONOTONE UNI EN 26891:1991 PROVE CICLICHE UNI EN 12512:2006 E. Giuriani G. Metelli, F. Germano Task Strutture in legno 10

11 RISULTATI DALLE UNITÀ DI RICERCA: UNITA DI BRESCIA 2: caratterizzazione sperimentale dei connettori/collegamenti BARRA CHIODI SCARPA IN ACCIAIO FILETTATA Anker PF rothoblaas WHT340 rothoblaas Acciaio fuk=630 MPa Acciaio S355 (fyk 350MPa) 5.8 L D D = 4 mm L = 60 mm H = 340 mm, L = 63 mm, B = 60 mm, S = 3 mm L1 = 56 mm, B1 = 50 mm, S1 = 10 mm Φ16 Φ5 sulla piastra Φ17 sulla scarpa Carico singola connessione [kn] Carico - Scorrimento relativo montante-fondazione SENZA INTERPOSIZIONE DEL PANNELLO CON INTERPOSIZIONE DEL PANNELLO K 6 kn /mm Scorrimento [mm] Rif. Gattesco et al. E. Giuriani G. Metelli, F. Germano Task Strutture in legno 11

12 RISULTATI DALLE UNITÀ DI RICERCA: UNITA DI BRESCIA 3: caratterizzazione sperimentale delle pareti F CH14 VISTA EST CH2 CH3 CH20 CH22 CH15 CH13 CH1 CH7 CH5 CH16 CH12 CH10 CH11 CH21 CH6 CH4 CH17 E. Giuriani G. Metelli, F. Germano Task Strutture in legno 12

13 RISULTATI DALLE UNITÀ DI RICERCA: UNITA DI BRESCIA 3: caratterizzazione sperimentale delle pareti Carico-Scorrimento montante-pannello verticale IL CARICO VERTICALE NON ALTERA IL COMPORTAMENTO GLOBALE DELLA PARETE SW 0 SW 100 Carico orizzontale [kn] Scorrimento verticale relativo [mm] Montante- pannello SOPRA Montante-pannello SOTTO Energia dissipata sul totale [%] Energia dissipata dai vari contributi - Parete A CHIODI+PANNNELLO+TELAIO 50 HOLD-DOWN+COMPRESSIONE 40 ANGOLARI A TAGLIO DRIFT% della Parete Energia dissipata sul totale [%] Energia dissipata dai vari contributi - Parete B CHIODI+PANNNELLO+TELAIO 50 HOLD-DOWN+COMPRESSIONE 40 ANGOLARI A TAGLIO DRIFT% della Parete E. Giuriani G. Metelli, F. Germano Task Strutture in legno 13

14 RISULTATI DALLE UNITÀ DI RICERCA: UNITA DI UDINE 1: Modelli FEM per gli edifici a telaio in legno Modello a telaio con molle diagonali K = F/u A. Gubana M. Buttazzi, F. Zorzini Task Strutture in legno 14

15 RISULTATI DALLE UNITÀ DI RICERCA: UNITA DI UDINE 1: Modelli FEM per gli edifici a telaio in legno Curve di risposta non lineari delle pareti ANALISI PUSHOVER dell intero edificio (a) (b) (a) Scorrimento interpiano consentito (b) Scorrimento interpiano impedito A. Gubana M. Buttazzi, F. Zorzini Task Strutture in legno 15

16 RISULTATI DALLE UNITÀ DI RICERCA: UNITA DI UDINE 2: Attività sperimentali per la caratterizzazione di elementi composti in XLAM A. Gubana M. Buttazzi, F. Zorzini Task Strutture in legno 16

17 RISULTATI DALLE UNITÀ DI RICERCA: UNITA DI SASSARI 1: Modelli numerici per lo studio del comportamento dinamico di edifici in legno Implementazione per singole componenti: Le parti strutturali in legno sono modellate con elementi a comportamento elastico lineare. Ciascun connettore è modellato con una molla non lineare isteretica. M. Fragiacomo G. Rinaldin Task Strutture in legno 17

18 RISULTATI DALLE UNITÀ DI RICERCA: UNITA DI SASSARI 1: Modelli numerici per lo studio del comportamento dinamico di edifici in legno Poichè non esistono legami predefiniti con queste caratteristiche disponibili in codici di calcolo commerciali, questi sono stati implementati in Abaqus come subroutine esterne. 2 2 F N F V + 1 RN RV M. Fragiacomo G. Rinaldin Task Strutture in legno 18

19 RISULTATI DALLE UNITÀ DI RICERCA: UNITA DI SASSARI 2: Comportamento dinamico di un edificio in XLAM M. Fragiacomo G. Rinaldin Task Strutture in legno 19

20 RISULTATI DALLE UNITÀ DI RICERCA: UNITA DI SASSARI 2: Comportamento dinamico di un edificio in XLAM Corrispondenza tra le previsioni numeriche e le curve sperimentali M. Fragiacomo G. Rinaldin Task Strutture in legno 20

21 RISULTATI DALLE UNITÀ DI RICERCA: UNITA DI SASSARI 2: Comportamento dinamico di un edificio in XLAM Simulazione del test M. Fragiacomo G. Rinaldin AT Aspetti nella progettazione sismica delle nuove costruzioni Task Strutture in legno 21

22 RISULTATI DALLE UNITÀ DI RICERCA: UNITA DI SASSARI 3: Comportamento dinamico di un edificio a telaio Singolo elemento parete implementato con una coppia di molle diagonali a comportamento simmetrico calibrate sui risultati di prove cicliche sperimentali. M. Fragiacomo G. Rinaldin Task Strutture in legno 22

23 RISULTATI DALLE UNITÀ DI RICERCA: UNITA DI SASSARI 3: Comportamento dinamico di un edificio a telaio Modellazione con modelli isteretici semplificati Condotta utilizzando il legame Multilinear Plastic Pivot disponibile in SAP2000. M. Fragiacomo G. Rinaldin Task Strutture in legno 24

24 RISULTATI DALLE UNITÀ DI RICERCA: UNITA DI NAPOLI 1: Modelli semplificati per lo studio degli edifici in XLAM Modello FEM di un edificio (I) (II) B. Calderoni, P. Lenza, C. Giubileo, G. Pacella (I) (II) Modellazione con pareti isolate. Modellazione con pareti e aperture. Task Strutture in legno 25

25 UNITÀ DI RICERCA di NAPOLI 1: Modelli semplificati per lo studio degli edifici in XLAM Analogia Parete monolitica Connessioni meccaniche Dettaglio dei collegamenti nel modello FEM Con fasce di piano Senza fasce di piano Q [kn] Curve di capacità δ [cm] TELAIO SHELL MENSOLE SHELL I primi risultati ottenuti suggeriscono, con questo approccio semplificato, l adozione di un fattore di struttura q=2: il modello più opportuno da adottare nelle analisi è quello a mensole collegate da pendoli. B. Calderoni, P. Lenza, C. Giubileo, G. Pacella Task Strutture in legno 26

26 RISULTATI DALLE UNITÀ DI RICERCA: UNITA DI NAPOLI 2: Attività sperimentale (A) (B) (C) Prove a compressone su pannelli XLAM (D) (E) Prove su alcune tipologie di pannelli a base di legno combinati ad altri materiali (p.es. EPS). Pannelli a strati incollati. B. Calderoni, P. Lenza, C. Giubileo, G. Pacella Task Strutture in legno 27

27 RISULTATI DALLE UNITÀ DI RICERCA: UNITA DI NAPOLI 2: Attività sperimentale Resistenza a compressione media f c0, m = MPa Resistenza a compressione caratteristica f c0, k = MPa Resistenza a compressione media (tangenziale) f c90, m = 4.32 MPa Resistenza a compressione caratteristica (tangenziale) f c90, k = 2.29 MPa Resistenza a compressione media f c90, m = 3.71 MPa Resistenza a compressione caratteristica f c90, k = 1.69 MPa B. Calderoni, P. Lenza, C. Giubileo, G. Pacella Task Strutture in legno 28

28 RISULTATI DELLA RICERCA: MANUALE PER IL CALCOLO DEGLI EDIFICI IL DOCUMENTO SI APPOGGIA SU STRUMENTI NORMATIVI IN VIGORE (NTC 2008, EUROCODICI) Progettazione, Calcolo, Esecuzione di Strutture di Legno in Condizioni Sismiche I Parte Introduzione al problema sismico con particolare riferimento alle strutture di legno II Parte Progettazione sismica dei sistemi costruttivi moderni III Parte Esempi di calcolo dei casi studio proposti. Verifica numerica e confronto dei dati ottenuti da sperimentazione M. Piazza, P. Zanon C. Loss Task Strutture in legno 29

29 Sistemi costruttivi RISULTATI DELLA RICERCA: MANUALE PER IL CALCOLO DEGLI EDIFICI UNITA DI TRENTO Pannelli intelaiati leggeri M. Piazza, P. Zanon C. Loss Pannelli di compensato di tavole Task Strutture in legno 30

30 RISULTATI DELLA RICERCA: MANUALE PER IL CALCOLO DEGLI EDIFICI Collegamenti negli edifici in legno UNITA DI TRENTO Pannelli intelaiati leggeri in legno (a) Connettori e (b) dispositivi meccanici in acciaio M. Piazza, P. Zanon C. Loss Pannelli di compensato di tavole in legno Task Strutture in legno 31

31 RISULTATI DELLA RICERCA: MANUALE PER IL CALCOLO DEGLI EDIFICI Collegamenti negli edifici in legno Comportamento a diaframma dell orizzontamento: giunti di continuità pannello-pannello. UNITA DI TRENTO M. Piazza, P. Zanon C. Loss Dettagli costruttivi dei collegamenti Task Strutture in legno 32

32 RISULTATI DELLA RICERCA: MANUALE PER IL CALCOLO DEGLI EDIFICI Il supporto della sperimentazione UNITA DI TRENTO Test su pareti in XLAM Test su pareti intelaiate Meccanismi di deformazione Meccanismi di deformazione M. Piazza, P. Zanon C. Loss Task Strutture in legno 33

33 RISULTATI DELLA RICERCA: MANUALE PER IL CALCOLO DEGLI EDIFICI PROGETTAZIONE SISMICA DI EDIFICI IN LEGNO Deformazione a taglio dell elemento parete intelaiata: UNITA DI TRENTO Deformazione a blocco semirigido dell elemento parete in XLAM: Meccanismo di rottura dell intero pannello parete Comportamento tipicamente duttile Questo modo di rottura si può sviluppare se i collegamenti sono sovra-resistenti rispetto alla capacità dell elemento parete Meccanismo di rottura concentrato nei collegamenti Comportamento più o meno fragile, almeno se non si utilizzano collegamenti specifici Deformazione per rotazioni rigide dell elemento parete M. Piazza, P. Zanon C. Loss Task Strutture in legno 34

34 RISULTATI DELLA RICERCA: MANUALE PER IL CALCOLO DEGLI EDIFICI PROGETTAZIONE SISMICA DI EDIFICI IN LEGNO Sistemi costruttivi e fattore di struttura q UNITA DI TRENTO Dettagli costruttivi e Capacity Design Spesso valori di q usati incondizionatamente da Fournely E. (COST, 2006) M. Piazza, P. Zanon C. Loss AT Aspetti nella progettazione sismica delle nuove costruzioni Task Strutture in legno 35

35 RISULTATI DELLA RICERCA: MANUALE PER IL CALCOLO DEGLI EDIFICI PROGETTAZIONE SISMICA DI EDIFICI IN LEGNO UNITA DI TRENTO Progettare la struttura in campo anelastico assumendo un elevato fattore di struttura q può richiedere dettagli costruttivi complessi e più costosi ( le strutture in legno sono leggere!) Edificio con numero limitato di piani ( 4) Legame perfettamente elastico F Force Curve isteretiche F R = = µ F max elastico max anelastico Displacement da Loss C., PhD thesis M. Piazza, P. Zanon C. Loss Legame elasto-plastico q=1 q=2 q=5 All aumentare di q cresce la domanda di duttilità nei collegamenti, la complessità del dettaglio strutturale richiesto e quindi il costo finale dell opera. Task Strutture in legno 36

36 RISULTATI DELLA RICERCA: MANUALE PER IL CALCOLO DEGLI EDIFICI PROGETTAZIONE SISMICA DI EDIFICI IN LEGNO Modelli FEM per lo studio della risposta sismica di edifici in legno Modelli definiti in relazione alla caratterizzazione delle non-linearità: Modelli equivalenti (a) Modelli ibridi Modelli per componenti (b) (a) (b) Livello di complessità Prove sperimentali di supporto Carico orizzontale F [kn] UNITA DI TRENTO Spostamento [mm] Ciclo I -80 Ciclo II Ciclo III -120 Spostamento [mm] Protocollo di carico Tempo [s] Curve cicliche 2400 M. Piazza, P. Zanon C. Loss Task Strutture in legno 37

37 RISULTATI DELLA RICERCA: MANUALE PER IL CALCOLO DEGLI EDIFICI PROGETTAZIONE SISMICA DI EDIFICI IN LEGNO Modelli FEM per lo studio della risposta sismica di edifici in legno UNITA DI TRENTO Chiarimenti sulle modalità di implementazione dei collegamenti nel modello analitico o numerico (FEM), per potere eseguire analisi numeriche sufficientemente affidabili. Complessità del modello in relazione al tipo di analisi da svolgere. (A) Modello a macroelementi equivalenti a plasticità concentrata (B) Modello a parete piena a plasticità concentrata Metodi di Analisi codificati (A) (B) Spesso troppo onerosa M. Piazza, P. Zanon C. Loss Task Strutture in legno 38

38 RISULTATI DELLA RICERCA: MANUALE PER IL CALCOLO DEGLI EDIFICI PROGETTAZIONE SISMICA DI EDIFICI IN LEGNO Indicazioni sul controllo di qualità degli elementi costruttivi in legno utilizzati nella realizzazione degli edifici. Messa in opera e direzione lavori di edifici in legno Sostanzialmente chiarire alcuni punti del Capitolo 11, NTC UNITA DI TRENTO M. Piazza, P. Zanon C. Loss Task Strutture in legno 39

39 RISULTATI DELLA RICERCA: MANUALE PER IL CALCOLO DEGLI EDIFICI Esempi di dimensionamento di edifici in legno moderni Edificio oggetto di studio Edificio a tre piani realizzato utilizzando le tecnologie costruttive a pannelli intelaiati Platform Frame e a pannelli massicci XLAM. Pianta architettonica uguale in entrambi i casi M. Piazza, P. Zanon C. Loss Task Strutture in legno 40

40 RISULTATI DELLA RICERCA: MANUALE PER IL CALCOLO DEGLI EDIFICI Integrazione con i risultati ottenuti da altre ricerche. Comportamento sismico di strutture lignee a più piani (medio-alte) Seismic Behavior of Multistorey Crosslaminated Timber Buildings Performance-Based Seismic Design for Mid-Rise Woodframe Construction M. Piazza, P. Zanon C. Loss Task Strutture in legno 41

41 RISULTATI DELLA RICERCA: MANUALE PER IL CALCOLO DEGLI EDIFICI Integrazione con i risultati ottenuti da altre ricerche. Comportamento sismico di strutture lignee multipiano Seismic performance of multi-storey timber buildings University of Trento (Italy) Platform frame Graz University of Technology (Austria) CLT XLAM University of Minho (Portugal) Log House M. Piazza, P. Zanon C. Loss Task Strutture in legno 42

42 RISULTATI DELLA RICERCA: MANUALE PER IL CALCOLO DEGLI EDIFICI Integrazione con i risultati ottenuti da altre ricerche. Comportamento sismico di strutture lignee multipiano Installazione dei sensori Frequenze iniziali Edificio a pannelli intelaiati Modo di vibrare 1 Modo di vibrare 2 Modo di vibrare 3 Edificio a pannelli XLAM M. Piazza, P. Zanon C. Loss Task Strutture in legno 43

43 Conferenza mondiale sulla diagnostica, consolidamento, durabilità delle strutture in legno Task Strutture in legno 44

44 RETE DEI LABORATORI UNIVERSITARI DI INGEGNERIA SISMICA Workshop finale Progetto ReLUIS - DPC Napoli, 8-9 Ottobre 2013 Nuovo Progetto Esecutivo Reluis-DPC AT Aspetti nella progettazione sismica delle nuove costruzioni Task 1.4 Strutture in legno Coordinatori: M. Piazza, P. Zanon Grazie per l attenzione 45