ARCA, marchio di qualità per gli edifici in legno 7 ottobre 2011 MADE Rho (MI)

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1 ARCA, marchio di qualità per gli edifici in legno 7 ottobre 2011 MADE Rho (MI) La sicurezza antisismica degli edifici in legno Ing. Andrea Polastri CNR-IVALSA

2 INDICE Edifici in legno Tipologie costruttive Principi costruttivi Il progetto SOFIE Il sistema a setti portanti in XLAM Prove cicliche su singole pareti Prove su tavola vibrante Sistemi costruttivi per edifici in legno Principi costruttivi Sistemi di controvento Strutture lignee in zona sismica Relatore: Principi costruttivi Progettare in zona sismica: duttilità, fattore di struttura e gerarchia delle resistenze Analisi sperimentale del comportamento delle connessioni (prove monotone e cicliche) Caratterizzazione meccanica delle connessioni Determinazione del fattore di struttura q mediante prove sperimentali sulle connessioni

3 SISTEMI COSTRUTTIVI PER EDIFICI IN LEGNO Blockbau PARETI MASSICCE Compensato di tavole Telai leggeri Platform frame Balloon frame Telai pesanti Controventati Non controventati

4 SISTEMI COSTRUTTIVI PER EDIFICI IN LEGNO Pareti massicce Blockbau Compensato di tavole TELAI LEGGERI Platform frame Balloon frame Telai pesanti Controventati Non controventati

5 SISTEMI COSTRUTTIVI PER EDIFICI IN LEGNO Pareti massicce Blockbau Compensato di tavole Telai leggeri Platform frame Balloon frame TELAI PESANTI Controventati Non controventati

6 SISTEMI COSTRUTTIVI PER EDIFICI IN LEGNO Civili abitazioni setti portanti: sistemi intelaiati Grandi strutture: - destinazione produttiva - palestre, centri polifunazionali Sistemi strutturali in legno - Copertura o orizzontamenti travi - Copertura archi - Intera struttura portali a due o tre cerniere sistemi a telaio con controventi ing. Andrea Polastri La sicurezza antisismica degli edifici in legno

7 PRINCIPI COSTRUTTIVI PER EDIFICI IN LEGNO SISTEMI A TELAIO (struttura pendolare: tutte le aste sono incernierate) - F verticali colonne - F orizzontali sistemi di controvento Sistema pendolare con controventi a croce di S. Andrea Sistema pendolare con pareti di taglio

8 PRINCIPI COSTRUTTIVI PER EDIFICI IN LEGNO SISTEMI A SETTI PORTANTI Tipologia: parete a telaio leggero - F verticali parete (montanti compressi) - F orizzontali parete (elementi 2D a taglio) F verticale F orizzontale Pannello OSB taglio Montanti compressi Prove condotte presso l Università di Trento dall ing. Sartori Squadrette a taglio Zona compressa Hold down

9 PRINCIPI COSTRUTTIVI PER EDIFICI IN LEGNO SISTEMI A SETTI PORTANTI Tipologia: parete massiccia - F verticali parete (sollecitata a compressione) - F orizzontali parete (sollecitata a taglio) F verticale F orizzontale Elementi 2D di tavole incrociate che possono essere: - incollate; - chiodate; - graffettate. Prove condotte presso l istituto IVLASA Zona compressa Squadrette a taglio Hold down

10 SOFIE Sistema Costruttivo Fiemme Progetto di ricerca sull'edilizia sostenibile condotto dall'istituto IVALSA CNR con il sostegno della Provincia Autonoma di Trento basso consumo energetico elevate prestazioni meccaniche Progetto SOFIE definire le prestazioni e le potenzialità del sistema X-LAM comfort acustico durabilità nel tempo elevata resistenza al sisma ed al fuoco

11 Il sistema X-Lam (Cross-laminated solid timber boards tavole lamellari di legno massiccio incollate a strati incrociati) è diventato uno standard in Europa tra i sistemi costruttivi a base di legno.

12 Il sistema X-Lam (Cross-laminated solid timber boards tavole lamellari di legno massiccio incollate a strati incrociati) Elementi massicci di parete, solaio e copertura prodotti in base alle indicazioni di progetto Produzione in stabilimento: assenza di assestamenti, di rigonfiamenti o ritiro stabilità dimensionale Isolamento, rivestimenti ed elementi di facciata facilmente fissati (montaggio rapido)

13 2006, Tsukuba, Giappone... Il via alle prove sismiche Prove su pareti - IVALSA Edificio di 3 piani di m 7x7 in pianta e 10 m d altezza Per la prima volta al mondo, prove di resistenza al sisma sono state condotte su edifici XLam 2007, Tsukuba, Giappone prove di comportamento al fuoco Prove su edificio ad un piano UNI TRENTO 23.5m - piattaforma sismica più grande al mondo - simulata onda sismica che dodici anni or sono sconvolse la città di Kobe, provocando la morte di quasi 6000 persone 13.5m 7.5m 23 Ottobre 2007, TEST SISMICO a MIKI L edificio ha resistito con successo al test antisismico considerato dai giapponesi il più distruttivo per le opere civili

14 Dopo 2 giorni di lavoro Dopo 4 giorni di lavoro Dopo 6 giorni di lavoro Dopo 10 giorni di lavoro

15 SISTEMA XLAM: DETTAGLI COSTRUTTIVI Connessioni parete solaio hold down e squadrette a taglio Unioni verticali tra pannelli LVL e viti Unioni d angolo viti Unioni fra pareti viti

16 SISTEMA XLAM: DETTAGLI COSTRUTTIVI

21 SISTEMA XLAM: VANTAGGI La disposizione incrociata fornisce un materiale con elevata stabilità dimensionale ed eccellenti prestazioni meccaniche e buon isolamento termico Il sistema XLAM permette la costruzione sia di case unifamiliari che di edifici pluripiano e di edifici non residenziali (scuole, uffici ) I pannelli XLAM sono estremamente resistenti e rigidi, e consentono l utilizzo anche di categorie di qualità di legno medio-basse di provenienza locale Ma, soprattutto, il sistema XLAM è più attraente per la maggior parte degli utenti europei, che non vede bene i sistemi leggeri di costruzione che sono spesso percepiti adatti solo per costruzioni temporanee o cottages

22 Prove su pareti - IVALSA 2006, Tsukuba, Giappone... il via alle prove sismiche Prove su edificio ad un piano - UNITN Edificio di 3 piani di m 7x7 in pianta e 10 m d altezza Per la prima volta al mondo, prove di resistenza al sisma sono state condotte su edifici XLam ing. Andrea Polastri La sicurezza antisismica degli edifici in legno

23 PARETE - PROVA CICLICA 2 x force [N] cyclic test drain model displacement [mm] Prove cicliche su pareti (CNR-IVALSA San Michele all Adige)

24 EDIFICIO AD 1 PIANO - PROVA PSEUDODINAMICA Eseguita presso la Facoltà di Ingegneria di Trento

25 EDIFICIO A 3 PIANI - PROVA SU TAVOLA VIBRANTE Le prove su un edificio di 3 piani di m7x7 in pianta e 10m di altezza sono state effettuate presso la tavola vibrante di 14,5x15m del NIED a Tsukuba, Giappone nel Luglio 2006 ing. Andrea Polastri La sicurezza antisismica degli edifici in legno

26 EDIFICIO A 3 PIANI - PROVA SU TAVOLA VIBRANTE Durante il Test la casa è stata sottoposta a simulazioni sismiche che hanno riprodotto i terremoti di: - Kobe, in Giappone, nel 1995 (magnitudo 7,2 scala Richter) - El Centro, verificatosi nel 1940 nella parte meridionale della California (6,7) - Nocera Umbra del 1998 (magnitudo 5,8)

27 SOFIE SEISMIC TEST EDIFICIO A 7 PIANI 23.5m 13.5m 7.5m Input: JMA Kobe 3D x;y;z: 0.60 g; 0.82 g; 0.34 g

28 BUILDING WORKING (AT E-DEFENSE IN MIKI)

29 BUILDING WORKING (AT E-DEFENSE IN MIKI)

30 SOFIE SEISMIC TEST - MIKI 23/10/2007

31 PRINCIPI COSTRUTTIVI PER EDIFICI IN LEGNO ELEMENTI 2D IN COMPENSATO DI TAVOLE FUNZIONAMENTO A LASTRA (EDGEWISE) - Solitamente elementi parete - I carichi agiscono nel piano del pannello - Sollecitati a compressione e taglio

32 PRINCIPI COSTRUTTIVI PER EDIFICI IN LEGNO ELEMENTI 2D IN IN COMPENSATO DI TAVOLE FUNZIONAMENTO A PIASTRA (FLATWISE) - Solitamente elementi di solaio - I carichi agiscono ortogonalmete al piano del pannello - Elemento sollecitato prevalentemente a flessione

33 PRINCIPI COSTRUTTIVI PER EDIFICI IN LEGNO ELEMENTI 2D IN COMPENSATO DI TAVOLE FUNZIONAMENTO A TRAVE-PARETE - Elementi parete (sbalzi pareti appoggiate solo puntualmente) - I carichi agiscono nel piano del pannello - Sollecitato a flessione e taglio

34 SISTEMI COSTRUTTIVI PER EDIFICI IN LEGNO Civili abitazioni setti portanti: - pareti intelaiate - compensato di tavole Sistema a pareti portanti intelaiate test su tavola vibrante Progetto Chi Quadrato sistemi a telaio Sistema a telaio con setti irrigidenti interposti test su tavola vibrante Dolomiti Pro

35 FUNZIONE DEI SISTEMI DI CONTROVENTO CONTROVENTAMENTO Trasmettere le forze orizzontali in fondazione - Azione del vento - Azione sismica - Azioni mezzi di sollevamento - Impatti laterali STABILIZZAZIONE Resistere ad azioni fittizie che simulano le forze interne date dagli effetti del secondo ordine - Elementi compressi (instabilità x carico di punta) - Travi snelle (instabilità flesso-torsionale)

36 TIPOLOGIE DI SISTEMI DI CONTROVENTO CONTROVENTI DI PARETE Disposti su piani verticali o sub-verticali Stabilizzano gli elementi verticali e l intera struttura Trasmettono le forze orizzontali in fondazione - PILASTRI INCASTRATI ALLA BASE - TELAI CON NODI RIGIDI - RETICOLARI - PARETI DI TAGLIO CONTROVENTI DI PIANO Disposti su piani orizzontali o in falda Stabilizzano gli elementi orizzontali Trasmettono le forze ai controventi verticali - STRUTTURA RETICOLARE - DIAFRAMMI

37 CONTROVENTI DI PARETE PILASTRI INCASTRATI ALLA BASE Le dimensioni dei pilastri verticali sono date dal dimensionamento del giunto incastrato di base e da una verifica ad instabilità per carico di punta

38 STRUTTURA RETICOLARE DI CONTROVENTO CONTROVENTI DI PARETE Reticolari di acciaio Reticolari di legno

39 CONTROVENTI DI PARETE TELAIO CON NODO RIGIDO Il nodo d angolo del telaio: - deve essere rigido o semirigido; - è a parziale ripristino di momento; - è di difficile realizzazione.

40 PARETI DI TAGLIO CONTROVENTI DI PARETE Solitamente le pareti (a struttura intelaiata o massicce) svolgono la duplice funzione di trasferire a terra i carichi verticali ed orizzontali Il trasferimento dei carichi orizzontali avviene grazie ad un meccanismo a taglio della parete stessa (elemento 2D) E necessario connettere la parete a terra mediante appositi sistemi di connessione in grado di trasferire il taglio e di evitarne il ribaltamento

41 CONTROVENTI DI FALDA STRUTTURA RETICOLARE Croci di San Andrea in acciaio Diagonali in legno: - ad una diagonale (puntone) - configurazione a X - configurazione a V - configurazione a K DIAFRAMMA - Sistema a pannellli - Solai legno - cls Nel caso di analisi sismiche è necessario determinare la rigidezza nel piano dei solai per calcolare la distribuzione delle forze orizzontali derivanti dal sisma sulle singole pareti. I due estremi sono rappresentati da: - solaio infinitamente deformabile F orizzontale α all area di influenza della parete; - solaio infinitamente rigido F orizzontale α alla rigidezza della parete stessa.

42 CONTROVENTI DI FALDA STRUTTURA RETICOLARE Croci di San Andrea in acciaio: - calcolo a diagonali tese ; - scarsa resistenza al fuoco.

43 CONTROVENTI DI FALDA STRUTTURA RETICOLARE Controventi a V : - le diagonali lavorano sia a trazione che a compressione; - buona resistenza al fuoco; - necessaria attenta progettazione dei collegamenti.

44 CONTROVENTI DI FALDA STRUTTURA RETICOLARE Controventi a V : - viene ridotta la lunghezza libera di inflessione dei puntoni; - gli elementi non diagonali sono pressoinflessi; - buona resistenza al fuoco.

45 CONTROVENTI DI FALDA DIAFRAMMA Sistema a pannelli: - pannelli costituiti da fogli o tavolati di legno incrociati rigidi nel piano; - il sistema di controvento lavora a taglio, è quindi necessario chiodare i pannelli su tutto il perimetro; - calcolo interasse minimo chiodi; - disposizione sfalsata dei pannelli.

46 STRUTTURE LIGNEE IN ZONA SISMICA Relatore:

47 STRUTTURE LIGNEE IN ZONA SISMICA Legno materiale fragile PERO strutture in legno possono presentare un buon comportamento sismico: - masse sismiche inferiori a strutture in c.a. o acciaio - connessioni in grado di dissipare energia Progettare connessioni duttili: no rapido degrado della capacità residua Utilizzo di connettori in acciaio: deformazioni plastiche La struttura nel suo insieme permette al nodo di sviluppare deformazioni necessarie a: mobilitare F res sviluppare cerniere plastiche nei connettori Studio del comportamento: - del nodo - della struttura

48 PROGETTAZIONE SISMICA DELLE STRUTTURE Sismica sfruttare le risorse plastiche della struttura (dissipazione energia) IPOTESI: T>T C perfettamente elastico elasto-plastico Struttura ad 1 grado di libertà Duttilità garantire deformazioni in campo plastico FATTORE DI STRUTTURA

49 FATTORE DI STRUTTURA Risposta in termini di relazione carico - spostamento per un sistema: - anelastico - elastico fino a rottura Il sistema anelastico è modellato con una bilatera elasto-plastica V eu Fattore di duttilità V y V 1 Fattore di sovraresistenza 1 y Struttura a più gradi di libertà u

50 GERARCHIA DELLE RESISTENZE Progettare strutture duttili scegliere e garantire meccanismi di collasso duttili scongiurare meccanismi di collasso fragili Gerarchia delle resistenze Modalità di collasso DUTTILI FRAGILI Dimensionate per resistere alle reali sollecitazioni sismiche Dimensionate per essere sovraresistenti rispetto alle modalità di collasso duttili Strutture in legno Elementi strutturali Connessioni COMPORTAMENTO FRAGILE COMPORTAMENTO DUTTILE

51 CONNESSIONI NELLE STRUTTURE LIGNEE Unioni tradizionali della carpenteria lignea Unioni meccaniche di tipo moderno Connettori metallici a gambo cilindrico Connettori metallici di superficie

52 CONNETTORI A GAMBO CILINDRICO - RESISTENZA Teoria di Johansen, per unioni legno-legno a due piani di taglio: - basata sul teorema statico dell analisi limite; - ipotesi di comportamento rigido plastico dei materiali. t 1 ; t 2 spessore elementi f h,1,k ; f h,2,k resistenze caratteristiche a rifollamento d diametro M y,k F ax,rk /4 valore caratteristico momento a snervamento effetto fune Rottura tipo I Rottura tipo II Rottura tipo III R = f t d k, IA h,1, k 1 R = 0, 5 f t d R k, IB h,2, k 2 ( β ) f t d 4 β 2 + M F = 1,1 2 β ( 1 + β ) + β + h,1, k 1 y, k ax, Rk k, IIA β f h,1, k t1 d 4 2 β F Rk, III = 1,15 2 M y, k f h,1, k d β 4 ax, Rk

53 CONNETTORI A GAMBO CILINDRICO Il modello rigido-plastico di Johansen non contempla meccanismi di rottura fragile Distanze minime Il modello rigido-plastico non permette di calcolare la rigidezza della connessione Formule da normativa semiemepiriche K ser 1,5 d = ρk 20 Spinotti, bulloni calibrati, viti, chiodi senza preforo

54 CONNETTORI A GAMBO CILINDRICO EFFETTO FUNE BULLONI, VITI, CHIODI Modi di rottura II o III, grandi spostamenti mobilitata resistenza a trazione Resistenza aggiuntiva rispetto alla capacità portante valutata secondo Johansen R k = (1,05-1,15) R k,joh + F ax,rk / 4 < 100% viti 50% chiodi ad aderenza migliorata 25% per i bulloni 0% per i perni

55 ANALISI SPERIMENTALE CONNESSIONI LEGNO LEGNO Connessioni chiodate diametro connettori testati: 6 mm, 7 mm 25 Curva sperimentale 0-90 mm 20 Carico [kn] Spostamento [mm] Connessioni con spinotti diametro connettori testati: 12 mm, 16 mm, 20 mm Carico [kn] Spostamento [mm] Analisi numerico sperimentale svolta dagli ing. Crosatti e ing. Malatesta (Tesi di laurea)

56 ANALISI SPERIMENTALE CONNESSIONI LEGNO LEGNO Connessioni con viti autoforanti diametro connettori testati: 8 mm, 10 mm Carico [kn] Spostamento [mm] Connessioni con bulloni diametro connettori testati: 12 mm, 16 mm, 20 mm Carico [kn] Spostamento [mm] Analisi numerico sperimentale svolta dagli ing. Crosatti e ing. Malatesta (Tesi di laurea)

57 ANALISI SPERIMENTALE CONNESSIONI LEGNO LEGNO Connessioni con viti autoforanti futtofiletto diametro connettori testati: 8.2 mm Viti a taglio Viti a taglio-trazione a = 0 a = Carico F [kn] Carico F [kn] Spostamento v [mm] Analisi numerico sperimentale svolta dagli ing. Crosatti e ing. Malatesta (Tesi di laurea) Spostamento v [mm]

58 Connessione legno legno; 2 bulloni Ø 12 SOVRARESISTENZA Sovraresistenza modello di calcolo Fu γ mod = F m Prova F u [kn] F k [kn] F m [kn] γ mod γ mat γ ov BUL 12 46,67 20,43 25,51 1,83 1,25 2,28 BUL 16 62,29 33,50 37,14 1,68 1,11 1,86 BUL 20 85,35 48,86 58,6 1,46 1,20 1,75 Media 1,65 1, Sovraresistenza materiali F γ mat = F m F k Coefficiente di sovraresistenza F F F γ ov = γ mod γ mat = = F F F f f, = 400MPa u k, = 564,30MPa u m u m u m k k

59 Protocollo di prova ANALISI SPERIMENTALE EN 12512:2006 Strutture in legno Metodi di prova Prove cicliche di giunti realizzati con elementi meccanici di collegamento Campagne di prova: connessione con spinotti connessioni con viti tuttofiletto

60 ANALISI SPERIMENTALE CONNESSIONI CON SPINOTTI knm rad -0,08-0,06-0,04-0, ,02 0,04 0,06 0, prova bialtera teoria -160 Analisi numeriche svolte dall ing. Callegari Ernesto (Tesi di laurea)

61 ANALISI SPERIMENTALE CONNESSIONI CON VITI TUTTOFILETTO F Comportamento per carichi monotoni: confronto fra connessioni chiodate e connessione con viti tuttofiletto a X Analisi numeriche sperimentali svolte dall ing. Angeli Albino (Tesi di laurea)

62 CARATTERIZZAZIONE MECCANICA CARICHI CICLICI 30 P: 8-30 P: 4-0_4-30 Caratterizzazione meccanica di connessioni ottenute mediante viti tuttofiletto avvitate secondo diverse inclinazioni

63 CARATTERIZZAZIONE MECCANICA CARICHI CICLICI P: 8-30 P: 4-0_4-30 Caratterizzazione meccanica di connessioni ottenute mediante viti tuttofiletto avvitate secondo diverse inclinazioni

64 CARATTERIZZAZIONE DEL COMPORTAMENTO DELLE CONNESSIONI 1- Analisi comportamento statico 2- Analisi comportamento ciclico

65 CARATTERIZZAZIONE DEL COMPORTAMENTO DELLE CONNESSIONI Rigidezza iniziale Punto di snervamento Momento ultimo M u M y M III / M I Resistenza residua Duttilità statica D Smorzamento equivalente = Φ Φ u y K el Ф y Ф u ν eq Ed = 2π E p (UNI EN ) Energia dissipata Energia potenziale disponibile

66 ANALISI SPERIMENTALE CONNESSIONI CON SPINOTTI knm rad -0,08-0,06-0,04-0, ,02 0,04 0,06 0, prova bialtera teoria -160 Analisi numeriche svolte dall ing. Callegari Ernesto (Tesi di laurea)

67 CLASSIFICAZIONE SECONDO CLASSI DI DUTTILITÀ Criterio prestazionale : basato su prove cicliche Si eseguono 3 cicli a 6Ф y se M III /M I 0,8 Alta duttilità (C.D. A ) Si eseguono 3 cicli a 4Ф y se M III /M I 0,8 Bassa duttilità (C.D. B ) Altrimenti Criterio prescrittivo : basato su particolari costruttivi Collegamenti con perni o chiodi se Ф 12 mm e s 10Ф Comportamento non dissipativo C.D. A Collegamenti con perni o chiodi Altrimenti se Ф qualsiasi e s 8Ф C.D. B Comportamento non dissipativo Portali iperstatici: unioni con spinotti o bulloni FATTORI DI STRUTTURA MASSIMI DA NORMATIVA (N.T.C.) Alta duttilità Bassa duttilità Non dissipativo q=4,0 q=2,5 q=1,5

68 CLASSIFICAZIONE DI UNA CONNESSIONE Connessione T08 - Criterio prestazionale Classe di Duttilità Alta 100 REsistenza residua -T08 M III / M I 95 Resistenza residua % % 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 Rotazione [rad] Resistenza residua 6Ф y GIUNTO DESCRIZIONE CRITERIO PRESTAZIONALE T08 26 spinotti Ф12 C.D. "A" T09 26 spinotti Ф14 C.D. "B"

69 ARCA, marchio di qualità per gli edifici in legno 7 ottobre 2011 MADE Rho (MI) GRAZIE PER L ATTENZIONE La sicurezza antisismica degli edifici in legno Ing. Andrea Polastri CNR-IVALSA