CERTIFICATION. of the seismic behavior factor q of timber buildings made with load bearing walls soligno Vollholz Elemente.

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1 CERTIFICATION oftheseismicbehaviorfactorqof timberbuildings madewithloadbearingwalls soligno Vollholz Elemente. Thisexpertstatementistocertifythat buildingsuptofivefloorsmadeby soligno Vollholz Elemente load bearingwalls complyingtodibt AllgemeinerbauaufsichtlicherZulassungZ , withdove tailsprucelintels, usedasstabilizationsupporttowithstandlateralloads andtestedaccordingtoen12512cyclictestingprotocol, evaluatedaccordingtoivalsa CNRprocedure: domeettherequirementsofmedium(dcm)tohighly(dch)dissipative structuresaccordingtoeurocode8 2005and ofclassbtoclassaofitalianntc 2008, witharelatedseismicbehaviorfactorqrangingfrom 2.5to3.0 where2.5isthecharacteristicvalueand3.0theaveragevalue. SanMicheleall Adige(TN),Italy.. September13,2013Univ.Prof.Dr.Ing.ArioCeccotti

2 Valutazione del fattore di comportamento sismico q ai sensi dell Eurocodice 8 europeo e delle NTC italiane per edifici a struttura lignea realizzati con pareti soligno Vollholz Elemente 1. Premessa. Laproceduradivalutazionedelfattoredicomportamentosismicoqperedificidilegnoadottatanella presenteindaginetecnica,seguelaprocedurastandardpropostadaceccottiesandhaas[1]. Sitrattadiunaproceduraibrida,basatadaunlatosuirisultatidiprovesperimentalicondottesuparetiinscalarealecaricatenelpianodaazioniciclichequasi statichee,dall altrolato,sull utilizzodi modellimatematicicomprovatiingradodieffettuareunaanalisidinamicanonlineareneldominio deltempoincuileparetiprecedentementetestaterappresentanolastrutturaresistentealleazioni sismichediprogettoindottedaunaseriediterremotisceltierappresentatividelsito. 2. Attendibilitàdellaprocedura Tale procedura è stata utilizzata e presentata in Commissione CIB W18 Timber structures [2], in rivisteinternazionaliiabse[3],nonchéutilizzatadaaltriautoriinitalia[4]edall esteroinarticolie perizie[5,6]. Laproceduraèstatasottopostaacriticaindipendentedaricercatoridialtreuniversità[7],econfermatavalida.AlivellomondialelaproceduraèadottatadairicercatoriCanadesiperlavalutazionedel fattoredistrutturarperedificiatelaioirrigiditidapannelliabasedilegno[8]edincross lam[9]. 3. Passidellaprocedura. 3.1Progetto Si considera un edificio del massimo numero di piani che si pensa di poter andare a costruire. Nel casopresente,finoacinquepiani.lepareticostituentil impiantoportantedell edificiosonorealizzatesecondolatecnologia soligno Vollholz Elemente prodottesecondoledisposizioniriportatenel BenestareTecnico AllgemeinerbauaufsichtlicherZulassungZ soligno Vollholz Elemente rilasciatodaldibt(deutshesinstitutfϋrbautechnik)il [10].

3 Glielementi soligno Vollholz Elemente sonocompostidatavoledilegnomassicciodiconiferadi classec24(abete,pinoolarice),giuntateadita,disposteparallelamenteadunadirezioneprincipale inpiùstratiadiacentifradiloro,chevengonointerconnessitramitelistellidiabeterossoofrassino,a tuttalunghezza,aformadicodadirondine,senzal ausiliodiadesiviocollegamentimetallici,disposti ortogonalmentealladirezionediordituraprincipale,percostituireelementiportantidisolaiepareti. Nellapresentetrattazionesiconsideranosoloelementiparetedausarecomeelementidicontroventoinzonasismicaperedificipluriplanodilegno,costituitidatavolediconiferaclasseC24elistellidi abeterosso. Si considera che l edificio sia indefinitamente lungo e che le pareti di taglio siano disposte trasversalmenteall asselongitudinaledell edificio.leparetiditagliosiconsideranodistribuiteadintervallo costantepariad i. Siconsideraquindiunastrisciatadisolaiodilarghezza i corrispondenteall areadiinfluenzadella singolapareteditaglio(figura1). L influenzadelcomportamentodell edificioindefinitamentelungorispettoaquellodiunedificiodi dimensionifinite,èritenutatrascurabile,comedimostratoin[8]pergliedificiinlegnointelaiati. Inbaseaivalorideicarichiverticalidiprogettoagentiaipiani,calcolatitenendocontodeipesipropri epermanentiportati,inclusiirivestimentialleparetielaquotapartedeicarichidiservizioprevisti dalcodicedicalcoloadottatoperlaverificasismica,infunzionedell accelerazionealsuolodiprogetto (PGA code ), si calcola il taglio alla base di progetto con il metodo dell analisi statica equivalente, sempresecondoilcodicedicalcoloadottatoperlaverificasismica,i.e.l Eurocodice8elecorrelate normenazionali,e.g.lenormetecnicheperlecostruzioni(ntc)deld.m.14gennaio2008. Inbasealvaloredeltagliodiprogettoallabasecosìottenuto,siprogettanoleparetiditagliosecondolerelativenormedicalcolo statiche corrispondenti,arrivandoadefinireleparetiintuttiiloro dettagli,dallospessoreenumeroditavoledeipannelli,alnumeroedaltipodilistellinonchéalnumeroedaltipodeicollegamentimeccanicidellepareticonlefondazioniedeicollegamentifraparetiesolai.leregoleadottateperildimensionamento statico delleparetisonoquelleriportatenelle NTCe,perlepartinoncopertedalleNTC,nell Eurocodice5eneldocumentocitato[10].Ivaloriperi coefficientidisicurezzaedicomportamentodeimaterialiperlaverificasismica,considerataditipo eccezionale,sonostati m=1ek mod =1,1ovveroquelliriportatinell Eurocodice8,anzichéquelli attualmente,ancora riportatinellentcovvero m=1ek mod =1,0.Latrattazionemantienecosìun caratterepiùgenerale,irisultatiinterminidivalutazionediqsonodallatodellasicurezzaecomunqueladifferenzaè,nellapratica,irrilevante.

4 Nellospecificosonostatistudiatidueedifici,unocon i =2,75medunocon i =5,00m.Nelcasodii= 2,75msisonoottenuteparetida120mmdispessorecompostedaduestratiditavolediabeterosso conlistelli,sempreinabeterosso,dispostisu5livelli),enelcasodii=5,00msisonoottenutepareti da180mmdispessorecompostedatrestratiditavolediabeterossoconlistelli,sempreinabete rosso,dispostisu5livelli. 3.2Testinlaboratorio Tali pareti sono state quindi realizzate al vero per una porzione di lunghezza pari a 3,05 m ed una altezza di 2,95 m e testate sotto carico ciclico orizzontale con un carico verticale costante pari a circa20,0kn/m secondolaproceduraprevistadallanormeen 12512,edicuirisultatisonoriportati neirapportidiprovaivalsa CNRLPM n.22/ / /2013,sanMichelea/A(TN),che vengonoquirichiamaticomeparteintegrantedellasuddettaperizia[11,12,13]. Irisultatidelleprovehannopermessodiindividuareiltipodicomportamento deformabilitàprevalentementepertaglio ediricavareiciclidiisteresidelleparetinonchédiindividuarnelarisposta finoallimiteultimoche nellafattispecie èstatostabilitoinbaseacriteridideformabilità al3%di interstorey drift enondiresistenza. Infattiadunospostamentodellatraversadicaricodi80mm(puntodiinterruzionedelleproveper limitiintrinsecidelsistemadiprovastesso),leparetimostravanoancoraderivatapositivaneldiagrammacarico spostamentoe,nelcontempo,nonpresentavanoalcunapprezzabiledegradodiresistenza, con un impairement of strength ancora intorno al 10%. Il degrado di resistenza pari al 20% previsto dall Eurocodice 8 e dalle NTC si potrà raggiungere verosimilmente solo a spostamenti più ampi,mainquestocaso,risultapiùvincolanteperlaprogettazionerifarsiadunvaloremassimoprevedibilediinterstorey driftcomecriteriodiraggiungimentodellostatolimiteultimo,cosiddettostato near collapse. Assumendoquindicomeragionevolel ipotesicheiltrendmostratofinoagli80mmproseguafinoai 90mm,sièsceltopersemplicitàedinlineaconlaletteraturarecentediassumereilvaloredel3%di interstorey driftcomecriteriodinear collapse. 3.3 Calcolo 3.3.1Costruzionedelmodello Sièquindiprocedutoarealizzareunmodellomatematiconeldominiodeltempo,nonlineare,come rappresentatoinfigura2,dovelemassesonoconcentrateneinodi,eladeformabilitàistereticadelle

5 paretièconcentratainastefittizieacomportamentononlineareistereticosecondoilmodello PIN CHING4 UNIAXIAL MATERIAL[14]econiparametricaratteristicidelmodellopredettoidentificatidai risultatidelleprovecicliche(allegato1),iltuttoimplementatonelprogrammadicalcoloopensees (Open System for EarthquakeEngineeringSimulation). Figura 1: schema per il calcolo del taglio di progetto alla base Figura 2: il modello OpenSees 3.3.2Simulazioninumeriche Sièprocedutoquindiafornirealmodellomatematico,perogniterremotoprevistosullabasedelle previste caratteristiche di sismicità dei siti (terremoti storici e generati artificialmente, Allegato 2), una accelerazione di picco al suolo via via crescente fino ad arrivare ad individuare l accelerazione PGA u chepermetteilraggiungimentodellostatodilimiteultimo(near collapse) di90mm Valutazionedelvalorediq PerogniterremotoapplicatoèstatoquindipossibilecalcolareilrapportotralaPGA u elapga code,che individuailvalorediqraggiuntopertaleterremoto:

6 Siriportanoinseguitoivaloridelfattoredistrutturaottenutiperleparetioggettodivalutazione. Pareti a due strati con listelli in abete rosso (CNR IVALSA, tests: LPM 22/ e LPM 28/ ) Tabella 1: valori del fattore di struttura calcolati al raggiungimento del limite di drift previsto per la parete 9cm DRIFT L'AQUILA TOLMEZZO BRIENZA UMBRIA EARTHQ. 1 EARTHQ. 2 EARTHQ. 3 EARTHQ. 4 EARTHQ. 5 EARTHQ. 6 EARTHQ. 7 EARTHQ. 8 EARTHQ. 9 EARTHQ. 10 EARTHQ. 11 MIN MAX AVERAGE 5%CHARACT. Fig. 3a: fattore di struttura drift limite 9cm Pareti a tre strati con tasselli in abete rosso (CNR IVALSA, tests: LPM 28/ e LPM 29/ ) Tabella 2: valori del fattore di struttura calcolati al raggiungimento del limite di drift previsto per la parete 9cm DRIFT L'AQUILA TOLMEZZO BRIENZA UMBRIA EARTHQ. 1 EARTHQ. 2 EARTHQ. 3 EARTHQ. 4 EARTHQ. 5 EARTHQ. 6 EARTHQ. 7 EARTHQ. 8 EARTHQ. 9 EARTHQ. 10 EARTHQ. 11 MIN MAX AVERAGE 5% CHARACT.

7 Fig. 3b: fattore di struttura drift limite 9cm 3.4 Conclusioni Dairisultatiottenutisievinceche: perparetiaduestratiinlegno(spessore120mm)e5livellidilistelliinabeterosso,sulla basedegliaccelerogrammiadottati,ilqvariada3,0a4,5conunvaloremediodicircaq=3,7 edunvalorecaratteristicodiq=3,0; perparetiatrestratiinlegno(spessore180mm)e5livellidilistelliinabeterosso,sullabase degliaccelerogrammiadottati,ilqvariada2,5a4,5conunvaloremediorisultaca.q=3,2ed unvalorecaratteristicodiq=2,5. Persemplicitàedinpienasicurezzasipuòquindiaffermarecheperedificifinoa5piani,costruiticon pareti soligno Vollholz Elemente,apiùstratieconlistellidiabeterosso,realizzateecalcolate secondolozulassungz DIBt(DeutshesInstitutfϋrBautechnik),usatecomeelementiresistentialleazionilateraliindottedalsisma,ècorrettoadottarecomecoefficientedicomportamento sismicocaratteristico: q=2,5.

8 4. Riferimentibibliografici [1]CeccottiA,SandhaasC.A proposal for a standard procedure to establish the seismic behaviour factor q of timber buildings.proceedingsoftheworldconferenceoftimberengineering(wcte). RivadelGarda,Italy,2010. [2]CeccottiA,YasumuraM,MinowaC,LauriolaMP,FollesaM,SandhaasC.Which seismic behaviour factor for multi storey buildings made of cross laminated wooden panels?proceedingsofthe 39 th CIB W18 Meeting,paper Florence,Italy,2006. [3]CeccottiA.New Technology for construction of medium rise buildings in seismic regions: the X lam case.structural Engineering International2008;18(2): [4]TerziE.:Experimental and theoretical report of the seismic behaviour of a wood framed construction system.proceedingsoftheworldconferenceoftimberengineering(wcte).rivadelgarda, Italy,2010. [5]SchädleP.,BlassH.J.:Earthquake behaviour of modern timber construction systems.proceedings oftheworldconferenceoftimberengineering(wcte).rivadelgarda,italy,2010. [6]FayeC.,LeMagarouL.,GarciaP,DucciniJ C:Experimental investigations on seismic behaviour of conventional timber frame wall with OSB sheathing. Proposal of behaviour factor.proceedingsof the46 th CIB W18 Meeting,paper Vancouver,Canada,2013. [7]PozzaL,ScottaR,VitalianiR.A non linear numerical model for the assessment of the seismic behaviour and ductility factor of X Lam timber structures.proceedingsoftheinternationalsymposiumontimberstructures,istanbul,turkey,2009,pp [8]CeccottiA,KaracabeyliE.Validation of seismic design parameters for wood frame shearwall systems.canadian Journal of Civil Engineering2002;29(3): [9]Autorivari.Cross lam (CLT) construction manual.edizionifpinnovations,vancouver,canada, [10] AllgemeinerbauaufsichtlicherZulassungZ soligno Vollholz Elemente rilasciatodal DIBt(DeutshesInstitutfϋrBautechnik)il ,Berlino,Germania. [11]IVALSA CNR:TestReportLPM n.22/2013,sanmicheleall Adige(TN),Italy [12]IVALSA CNR:TestReportLPM n.28/2013sanmicheleall Adige(TN),Italy

9 [13]IVALSA CNR:TestReportLPM n.29/2013sanmicheleall Adige(TN),Italy [14]ElwoodK.J.,andMoehleJ.P.Idealized backbone model for existing reinforced concrete columns and comparisons with FEMA 356 criteria.thestructuraldesignoftallandspecialbuildings,vol.15, no.5,pp , Allegati [1]Modellomatematicoerisultatidellesimulazioni(accelerazioniPGA u raggiuntedaciascun edificioperciascunterremoto). [2]Terremotiadottatiperlesimulazioninumeriche SanMicheleall Adige(TN),Italy.. September13,2013Univ.Prof.Dr.Ing.ArioCeccotti

10 ALLEGATO1 Modellomatematicoerisultatidellesimulazioni(accelerazioniPGA u raggiuntedaciascunedificioper ciascunterremoto). Descrizionedelmodellomatematicoadottato IlmodelloagliElementiFinitimedianteilqualeèstatoanalizzatoilproblemainesameèunmodello bidimensionale(modellopiano),nelqualeglielementi(paretieconnessioni)sonoschematizzatimedianteelementitrussacomportamentolineareononlineare. L analisi è stata portata a termine mediante l utilizzo del programma agli elementi finiti OpenSees (Open System forearthquakeengineeringsimulation). Inparticolareèstatoelaboratounappositomodellopianorappresentativodellafacciatadell edificio diprogetto,ingradodireplicareilcomportamentodelleparetisottoposteaprovedicaricociclicoin laboratorio(modelloparete Figura1). Sullabaseditalemodelloèstatodefinitounmodellopianoingradodisimulareilcomportamento dellastrutturadiprogetto,compostodaparetisovrapposte,conmassedisposteaipuntinodali(figura3). Verrannodiseguitodescrittiimodellidaunpuntodivistageometricoedeglielementicostituentiil modellostesso. VerrannoquindiriportatiigraficicheillustranocomeilModelloParetesiastatotaratopartendodai datidelleprovedilaboratorio. Modelloparete Figura 1: modello parete definizione geometrica Ilmodelloècostituitodaelementitrussformantiunastrutturareticolare.Talestrutturaècomposta daquattroelementilineari,adaltarigidezza,dispostinelperimetrodellapareteedadueelementi nonlinearidispostidiagonalmente,talidaresisterealleforzeorizzontaliindottedalsismaedaconferireallaparetelostessocomportamentoisteretico,valutatointerminidispostamentoinsommitàe taglioallabase,ottenutodalleprovesperimentali.aiverticisuperioridellaparetesonocollocatele masse.

11 Perdefinirelarispostacarico spostamentodelleastediagonaliecalibrareilmodelloparetesullabasedeirisultatidelleprovesperimentalièstatoutilizzatoilmodelloistereticouniassiale PINCHING4 (K.Elwood),disponibilenellalibreriadelsoftware OpenSees.Lafigura2riportaunoschemadelmodelloistereticoeiparametridiinputnecessariperlasuadefinizione. Lacalibrazioneottimaleèstataottenutamedianteprocessoiterativotaledaportareallasovrapposizionedeicicliottenutidalmodellonumerico(modelloparete)aquelliottenutiinfasesperimentale (Figure4e6),confrontandoadognistepl energiadissipataperisteresi(figure5e7). Figura 2: Definizione del modello Uniaxial PINCHING4material. Modellostrutturacompleto Sullabasedellacalibrazionedelmodellopareteèstatopossibileimplementareilmodellocompleto riportatoinfigura3. Figura 3: Caratteristiche geometriche del modello completo

12 Tale modello completo è stato sottoposto all azione di diversi accelerogrammi (naturali e artificiali). Le elaborazioni numeriche hanno permesso di determinare lo spostamento massimo di interpiano (drift) a sismi con accelerazione di picco (PGA) crescente. Il programma di analisi agli Elementi Finiti OpenSees ha permesso di simulare il reale comportamento non lineare delle pareti testate, mediante l utilizzo del modello isteretico descritto. Tale modello permette di individuare e parametrizzare le proprietà meccaniche del sistema parete in campo ela stico e post elastico e quindi definire la capacità dissipativa della parete stessa (Figure 4 e 6). In parti colare il modello numerico è stato tarato in modo tale che l energia dissipata dalla struttura reale sia paragonabile con l energia dissipata dal modello parete (Figure 5 e 7). Calibrazione delle pareti a due strati con listelli in abete (LPM e LPM ) Figura 4: calibrazione del modello isteretico, confronto tra curva sperimentale e numerica Figura 5: confronto tra le energie dissipate

13 Calibrazione delle pareti a tre strati con listelli in abete (LPM e LPM ) Figura 6: calibrazione del modello isteretico, confronto tra curva sperimentale e numerica Figura 7: confronto tra le energie dissipate Valutazione del Fattore di struttura q Il modello completo rappresentato in Figura 3 è stato sottoposto all azione di diversi accelerogrammi (naturali e artificiali); tali elaborazioni numeriche hanno permesso di determinare lo spostamento massimo di interpiano a sismi con accelerazione di picco variabile e di determinare quindi il fattore di struttura q dalla struttura in esame.

14 Paretiaduestraticonlistelliinabete(LPM eLPM ) Tabella 1: PGA registrate al raggiungimento del limite di drift previsto 9cm DRIFT L'AQUILA TOLMEZZO BRIENZA UMBRIA EARTHQ. 1 EARTHQ. 2 EARTHQ. 3 EARTHQ. 4 EARTHQ. 5 EARTHQ. 6 EARTHQ. 7 EARTHQ. 8 EARTHQ. 9 EARTHQ. 10 EARTHQ. 11 MIN MAX AVERAGE Siriportanoinseguitoleaccelerazionidipiccodeisingoliaccelerogrammichehannoportatoalraggiungimento delvalorelimitedidriftdiinterpiano,valutatiadognilivellodisolaio,paria9cm(parial3%dell altezzadiinterpiano). LaTabella2eleFigure8e9riportanoilvaloredelfattoredistrutturaricavatodall applicazionedeisingoliaccelerogrammi. Tabella 2: valori del fattore di struttura calcolato al raggiungimento del limite di drift previsto 9cm DRIFT L'AQUILA TOLMEZZO BRIENZA UMBRIA EARTHQ. 1 EARTHQ. 2 EARTHQ. 3 EARTHQ. 4 EARTHQ. 5 EARTHQ. 6 EARTHQ. 7 EARTHQ. 8 EARTHQ. 9 EARTHQ. 10 EARTHQ. 11 MIN MAX AVERAGE 5%CHARACT. Figura 9: fattore di struttura drift limite 9cm

15 Paretiatrestraticonlistelliinabete(LPM eLPM ) Tabella 3: PGA registrate al raggiungimento del limite di drift previsto 9cm DRIFT L'AQUILA TOLMEZZO BRIENZA UMBRIA EARTHQ. 1 EARTHQ. 2 EARTHQ. 3 EARTHQ. 4 EARTHQ. 5 EARTHQ. 6 EARTHQ. 7 EARTHQ. 8 EARTHQ. 9 EARTHQ. 10 EARTHQ. 11 MIN MAX AVERAGE LaTabella4eleFigure10e11riportanoilvaloredelfattoredistrutturaricavatodall applicazionedeisingoli accelerogrammi. Tabella 4: valori del fattore di struttura calcolato al raggiungimento del limite di drift previsto 9cm DRIFT L'AQUILA TOLMEZZO BRIENZA UMBRIA EARTHQ. 1 EARTHQ. 2 EARTHQ. 3 EARTHQ. 4 EARTHQ. 5 EARTHQ. 6 EARTHQ. 7 EARTHQ. 8 EARTHQ. 9 EARTHQ. 10 EARTHQ. 11 MIN MAX AVERAGE 5% CHARACT. Figura 11: fattore di struttura drift limite 9cm

16 ALLEGATO2 Accelerogrammiimpiegatinell analisiaglielementifiniticon OpenSees Figura 1: accelerogramma Tolmezzo 1976 (normalizzato) Figura 2: accelerogramma Brienza 1980 (normalizzato)

17 Figura 3: accelerogramma Umbria 1997 (normalizzato) Figura4: accelerogramma L Aquila 2009 (normalizzato)

18 Figura5: accelerogramma artificiale Earthquake 1 (normalizzato) Figura 6: accelerogramma artificiale Earthquake 2 (normalizzato)

19 Figura7: accelerogramma artificiale Earthquake 3 (normalizzato) Figura 8: accelerogramma artificiale Earthquake 4 (normalizzato)

20 Figura 9:accelerogramma artificiale Earthquake 5 (normalizzato) Figura 10: accelerogramma artificiale Earthquake 6 (normalizzato)

21 Figura 11: accelerogramma artificiale Earthquake 7 (normalizzato) Figura 12: accelerogramma artificiale Earthquake 8 (normalizzato)

22 Figura 13: accelerogramma artificiale Earthquake 9 (normalizzato) Figura 14: accelerogramma artificiale Earthquake 10 (normalizzato)

23 Figura 15: accelerogramma artificiale Earthquake 11 (normalizzato)