Proposta di un sistema costruttivo ibrido acciaio-legno per l edilizia: analisi del comportamento strutturale e delle soluzioni tecnologiche

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI FIRENZE Scuola di ingegneria Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Edile A.A Tesi di laurea Proposta di un sistema costruttivo ibrido acciaio-legno per l edilizia: analisi del comportamento strutturale e delle soluzioni tecnologiche Relatori: Prof. Ing. Maurizio Orlando Prof. Ing. Marco Pio Lauriola Prof. Ing. Vincenzo Di Naso Candidato: Lorenzo Niccolai

2 INTRODUZIONE I sistemi ibridi in edilizia nascono per ottimizzare l utilizzo dei materiali Acciaio e legno stanno vivendo un notevole rilancio Edificio ibrido acciaio-legno realizzato da «LAM Ambiente» Il presente lavoro vuole valutare le potenzialità di un sistema ibrido acciaio-legno Fasi del lavoro: Indagini preliminari su modalità di ibridazione, casi studio e stato dell arte Definizione del sistema ibrido acciaio-legno Analisi del comportamento strutturale del sistema ibrido Elaborazione dei principali dettagli strutturali e tecnologici 2

3 Resistenza Prefabbricabilità e qualità ACCIAIO Riciclabilità Modifica in opera Prestazioni termoacustiche LEGNO Montaggio a secco Duttilità Versatilità Sostenibilità Comfort Rapidità costruttiva Rapidità costruttiva Protezione dal fuoco Maggiore rigidezza IBRIDAZIONE ACCAIO-LEGNO Prevenzione instabilità Maggiore flessibilità ASTE IBRIDE SISTEMI IBRIDI 3

4 Scotia Place, Auckland, 2000 Curtain Place, Londra, 2005 Farnborough College, 2005 CASI STUDIO Banyan Wharf, Londra, 2015 Kanazawa M Building, 2005 Reef Sansone, Isola d Elba,

5 S. Tesfamariam et al STATO DELL ARTE CLT-steel hybrid system: ductility and overstrength values based on static pushover analysis C. Loss, M. Piazza et al Z. Li, M. He, et al Z. Li, M. He, et al Z. Li, M. He, et al M. He, Z. Li 2016 Z. Li, M. He, et al Experimental tests of crosslaminated timber floors to be used in timber-steel hybrid structures Experimental investigation on lateral performance of timber-steel hybrid shear wall systems Finite element modeling and parametric analysis of timber steel hybrid structures Damage assessment and performance-based seismic design of timber-steel hybrid shear wall system In-plane behavior of timber-steel hybrid floor diaphragms: experimental testing and numerical simulation Seismic performance assessement of steel frame infilled with prefabricated wood shear walls 5

6 Sistema ibrido acciaio-legno OBIETTIVI: Costruzione a secco, leggerezza, velocità di realizzazione, sostenibilità Telaio a nodi rigidi in acciaio Solaio in legno a vista Pareti platform frame strutturali Flessibilità architettonica Resistenza e duttilità Leggerezza strutturale Comfort abitativo Elevate prestazioni termoacustiche Prefabbricazione Rapidità costruttiva Riduzione sollecitazioni su telaio 6

7 Fasi costruttive del sistema ibrido Fase 1: Realizzazione telaio a nodi rigidi in acciaio Fase 2: Realizzazione solai in legno Fase 3: Inserimento pareti platform frame 7

8 Valutazioni preliminari Modellazione di una parete platform frame in legno Modellazione parete ibrida acciaio-legno Modellazione di telai ibridi 2D Analisi di telai 3D Telai in acciaio a nodi rigidi Telaio ibrido acciaio-legno 8

9 Parete platform frame in legno Geometria e modellazione Telaio in legno bielle Pannelli OSB superficie ortotropa Chiodatura telaio-pannelli svincolo lineare elastico Hold-down molle unidirezionali efficaci a solo trazione Parete OSB H parete 3300 mm L parete 5000 mm l OSB 1250 mm s OSB 15 mm m placcaggi OSB 2 Attacco a terra svicolo lineare elastico a taglio, infintamente rigido a compressione e nullo in trazione Telaio b montante 40 mm h montante 140 mm 9

10 Parete platform frame in legno Spostamenti e valutazione risultati Rotazione rigida Scorrimento tra pannelli Traslazione rigida a taglio Deformabilità pannello F dx dx,software = 7,79 mm dx,analitico = 7,76 mm Δdx = 0,4 % Deformata globale 10

11 Parete ibrida acciaio-legno Geometria e modellazione Parete OSB H parete 3300 mm L parete 5230 mm l OSB 1250 mm s OSB 15 mm m placcaggi OSB 2 Telaio in b montante 40 mm legno h montante 140 mm Telaio in acciaio Profili HEA 200 Telaio a nodi rigidi in acciaio Parete in legno platform frame Connessioni meccaniche tra parete e telaio metallico Tensioni di contato tra parete e telaio metallico 11

12 Parete ibrida acciaio-legno Valutazione contributo pannelli platform 25 kn 25 kn 25 kn 25 kn Diagramma M [knm] Parete ibrida Diagramma M [knm] Telaio in acciaio dx 25 kn 25 kn Sforzo su colonne acciaio Telaio in acciaio Parete ibrida Δ N [kn] 12,37 27, % T [kn] 25,00 17,13-31 % M [knm] 50,16 15,03-70 % dx [mm] 16,7 3,9-77 % 12

13 Rigidezza intera parete [kn/mm] STATO DELL ARTE Parete ibrida acciaio-legno Soluzioni alternative di vincolo della parete Rimozione dei vincoli laterali tra parete e telaio metallico Sforzo su col. acciaio Parete con vincoli laterali Parete senza vincoli laterali Δ N [kn] 27,21 23,08-15,2 % T [kn] 17,13 8,24-51,9 % M [knm] 15,03 15,35 +2,1 % dx [mm] 3,9 4,7 +23,8 % Influenza della rigidezza della singola unione acciaio-legno sulla rigidezza della parete ibrida Mezzo di unione utilizzato Rigidezza singola unione [kn/mm] Spostamento in testa alla parete [mm] Singola vite φ8 5,988 3,90 / Singolo M14 10,479 3,82 + 2,1 % Doppio M14 20,958 3,72 + 4,6 % Doppio M18 26,946 3,69 + 5,4 % Δ 13,9 13,7 13,5 13,3 13,1 12,9 12,7 12, Rigidezza della singola unione [kn/mm] 13

14 Parete ibrida acciaio-legno Confronto con dati sperimentali di riferimento Prove sperimentali svolte da Z. Li et al. (2013) Prova ciclica su telai ibridi acciaio-legno analoghi a quelli studiati Progressiva riduzione della rigidezza all aumentare degli spostamenti imposti Si valuta la rigidezza media iniziale Ktest= 5,8 kn/mm F Parete modellata su Dlubal Modellazione dei materiali e delle unioni Applicazione forza statica Ksoft.= 5,13 kn/mm ΔK = 11,5 % 14

15 SEMPLIFICAZIONI STATO DELL ARTE Parete ibrida acciaio-legno Modellazione semplificata della parete ibrida Parete ibrida iniziale K = 10,63 kn/mm Parete ibrida semplificata K = 10,35 kn/mm Rimozione montanti intermedi Rimozioni bielle rappresentative delle tensioni di contatto Sostituzione del vincolo continuo alla base con vincoli discreti Rimozione hold-down Spostamento unioni meccaniche in corrispondenza dei montanti ΔK = -2,6 % 15

16 Telai ibridi 2D acciaio-legno Geometria del telaio e dati inziali 10 kn/m 10 kn/m 10 kn/m 5 kn/m 5 kn/m 5 kn/m 3,30 m 3,30 m 5,23 m 5,23 m 5,23 m l OSB 1250 mm Telaio in acciaio a nodi rigidi costituito OSB s OSB 15 mm da profili HEA 200 Telaio in legno m placcaggi OSB 2 b montante 40 mm h montante 140 mm I pannelli platform vengono modellati con riferimento alla parete semplificata 16

17 Telai ibridi 2D acciaio-legno Schemi analizzati 1 Telaio isolato costituito dalla sola ossatura metallica % = 0 Si definisce una % di parete controventata come: 2 3 Telaio controventato da un unico pannello per campata Telaio controventato da due pannelli per ogni campata % = 25 % = 50 % = N pannelli per campata 4 Aumento progressivo del numero di pannelli platform per ogni campata Telaio controventato da 4 tre pannelli per ogni % = 75 Per i vari schemi sono campata calcolate le sollecitazioni sul 5 Telaio controventato da quattro pannelli in ogni campata. % = 100 telaio metallico e la rigidezza globale della struttura 17

18 Sforzi di taglio e normali [kn] Momenti flettenti [knm] STATO DELL ARTE Telai ibridi 2D acciaio-legno Variazione sollecitazioni sulle colonne Ncmax, colonna Tmax,colonna Mmax, colonna 70,0 140 Gli forzi normali sulle colonne 60,0 120 rimangono pressoché costanti 50,0 100 al variare della % di parete controventata 40, ,0 60 Gli forzi di taglio e i momenti 20,0 40 flettenti si riducono fortemente 10,0 20 all aumentare della % di parete 0,0 0 controventata % Percentuale di parete controventata 18

19 Rigidezza del telaio [kn/mm] STATO DELL ARTE Telai ibridi 2D acciaio-legno Variazione di rigidezza del telaio 20,00 18,00 16,00 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 La rigidezza complessiva dei telai incrementa progressivamente all aumentare della % di parete controventata L incremento della rigidezza segue una legge prevalentemente lineare in 0, Percentuale di parete controventata funzione della % di parete controventata 19

20 Telai 3D Definizione della geometria e considerazioni generali Edificio situato a Spoleto ag (SLV) =0,217 g 3,3 m 3,3 m 3,3 m Copertura piana Telaio in acciaio a nodi rigidi Solai in legno Fattore di comportamento q=1,5 Fasi dell analisi 1) Modellazione e dimensionamento di un telaio in acciaio per carichi verticali 2) Verifica del telaio in acciaio per stati limite sismici e nuovo dimensionamento 3) Modellazione e dimensionamento di un telaio ibrido acciaio-legno 4) Modellazione e verifica di un telaio in acciaio con solai tipo predalle 20

21 Telai 3D Dimensionamento di un telaio in acciaio per carichi verticali Verifiche SLU Verifiche SLE Verifica delle snellezze limite Elemento Stato Limite Verifica determinante η PILASTRI SLE Spostamento globale 0,99 TRAVI SLU Instabilità flesso torsionale 0,95 Pilastri HEA 220 Travi IPE

22 Telai 3D Dimensionamento del telaio in acciaio per stati limite sismici Determinazione dei modi di vibrare e analisi dinamica lineare con spettro di progetto (q=1,5) Modo 1 traslazione lungo Y Modo 2 traslazione lungo X Elemento Stato Limite Verifica determinante η PILASTRI SLV Stabilità a flesso-pressione biassiale 0,97 TRAVI SLV Instabilità flesso torsionale 0,88 Pilastri HEA 300 Travi IPE

23 Telai 3D Modellazione e dimensionamento di un telaio ibrido acciaio-legno Lungo il perimetro del telaio vengono inseriti pannelli platform frame strutturali di controvento 1,7 m 2,2 m 1,7 m 3,3 m 3,3 m 3,3 m 6,0 m Elemento Stato Limite Verifica determinante η PILASTRI SLV Stabilità a flesso-pressione biassiale 0,98 TRAVI SLU Instabilità flesso torsionale 0,95 Pilastri HEA 220 Travi IPE

24 Telai 3D Modellazione di un telaio in acciaio con solai predalle Sostituzione dei solai in legno con solai tipo predalle Aumento dei pesi propri strutturali Elemento Stato Limite Verifica determinante η PILASTRI SLV Stabilità a flesso-pressione biassiale 0,95 TRAVI SLV Instabilità flesso torsionale 0,95 Pilastri HEM 280 Travi IPE

25 Telai 3D Analisi dei risultati Telaio acciaio - 1 modo trasl. lungo Y Telaio ibrido - 1 modo trasl. lungo X Telaio M [kg] Primo modo Secondo modo M max, colonna U max T [s] F [kn] T [s] F [kn] [knm] ΔM [mm] Δu Telaio in acciaio con solai predalle , , ,67 / 41,9 / Telaio in acciaio con solaio in legno , , ,01-54 % 41,1-2 % Telaio ibrido acciaio-legno , , ,42-78 % 36,1-14 % 25

26 Telaio ibrido acciaio-legno Telaio acciaio solai in legno Telaio acciaio solai predalle STATO DELL ARTE Telai 3D Valutazione dei risultati e stima dei costi Pilastri HEM 280 Travi IPE kg ,00 Pilastri HEA 300 Travi IPE kg ,00 Pilastri HEA 220 Travi IPE kg ,00 26

27 Dettagli strutturali Particolari esecutivi 27

28 CONCLUSIONI E PROPSETTIVE DI SVILUPPO CONCLUSIONI Sistema realizzato a secco parzialmente prefabbricato Riduzione del peso proprio dell edificio Irrigidimento della struttura Riduzione delle sezioni dei profilati metallici PROSPETTIVE DI SVILUPPO Prove sperimentali su pareti ibride Modellazione in campo non lineare Analisi di eventuali soluzioni alternative di ibridazione Valutazione della tecnologia su edifici con altezze differenti e pianta non regolare 28

29 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI FIRENZE Scuola di ingegneria Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Edile A.A Tesi di laurea Proposta di un sistema costruttivo ibrido acciaio-legno per l edilizia: analisi del comportamento strutturale e delle soluzioni tecnologiche Relatori: Prof. Ing. Maurizio Orlando Prof. Ing. Marco Pio Lauriola Prof. Ing. Vincenzo Di Naso Candidato: Lorenzo Niccolai