Progettazione antisismica di strutture in legno. Dott. Ing. Simon Keller

Progettazione antisismica di strutture in legno Dott. Ing. Simon Keller

Soluzioni a lungo termine SEDI CENTRALI SCHARNSTEIN AUSTRIA OSTERHOFEN GERMANIA

Soluzioni a lungo termine Il legno come materia prima da costruzione WOLF GRUPPE INTERNATIONAL 25 SEDI 3.000 DIPENDENTI

Soluzioni a lungo termine WOLF CAMPI ITALIA DI ATTIVITÁ - VIPITENO 27 STRUTTURE ANNI DI ESPERIENZA IN CEMENTO ARMATO 360 DIPENDENTI

CAMPI DI ATTIVITÁ CAPANNONI INDUSTRIALI

CAMPI CAMPI DI DI ATTIVITÁ ATTIVITÁ CAPANNONI CASE PREFABBRICATE INDUSTRIALI

Proprietà meccaniche

Proprietà meccaniche Proprietà meccaniche dovute all utilizzo in natura.

Proprietà meccaniche L organizzazione cellulare è alla base di una marcata anisotropia. Anisotropia = differenza di valori di resistenza e rigidezza in tutte le direzioni.

Proprietà meccaniche In natura si ha: - Maggiore resistenza in direzione parallela alla fibratura - Minore resistenza in direzione ortogonale alla fibratura

Proprietà meccaniche Legno netto = legno senza difetti (nodi; fessurazioni; deviazioni di fibratura etc.) Resistenza a compressione < Resistenza a trazione

Proprietà meccaniche I difetti alterano soprattutto il comportamento a trazione.

Proprietà meccaniche - Umidità funzione della specie e della resistenza che si sta indagando. - Durata di carico dovuta al comportamento reologico del materiale (resistenza, deformazione)

Modellazione meccanica Anisotropo = risposta meccanica diversa in tutte le direzioni. Ortotropo = risposta meccanica diversa in tre direzioni. Isotropo = risposta uguale in tutte le direzioni.

Modellazione meccanica

Modellazione meccanica Semplificazione in un unica direzione trasversale: R i,0 = parallela alla fibratura R i,90 = ortogonale alla fibratura

Meccanismi di resistenza I meccanismi di resistenza sono funzione dell angolo formato dalla forza agente con la fibratura. Sforzi assiali di compressione,0

Sforzi assiali di compressione,90 Le problematiche dovute alla compressione ortogonale sono piuttosto legate a deformazioni post-elastiche piuttosto che a un vero collasso

Sforzi assiali di compressione,90

Sforzi assiali di trazione,0 Legge di tipo elasto-fragile

Sforzi assiali di trazione,90

Taglio - Taglio ortogonale (solitamente non avviene) - Taglio parallelo - Rolling Shear

Flessione Può presentarsi ciascuna delle situazioni descritte in precedenza.

Normative e metodi di calcolo

Metodi di calcolo e verifica Verifiche - D.M. 14/01/2008 (NTC) 4.4 Costruzioni di legno (verifica delle singole travi SLU) 7.7 Costruzioni di legno (metodi di analisi e fattori SLV e SLD) 11.7 Materiali e prodotti a base di legno - UNI EN 1995-1-1 (EC5) 7.1 Stati limite d esercizio (verifica travi SLE) Appendice B e C (verifica pareti SLU) 9.2.4 Pareti a diaframma (verifica pareti SLV)

Valutazione della resistenza 1. Durata del carico 4.4.4 NTC08

Valutazione della resistenza 2. Classi di servizio 4.4.5

Valutazione della resistenza Il calcolo di una proprietà del materiala a partire dai valori caratteristici viene fatto secondo: Xk = valore caratteristico Kmod = parametro che tiene conto della durata del carico e dell umidità m = coefficiente parziale di sicurezza

Valutazione della resistenza Coefficiente parziale di sicurezza del materiale

Valutazione della resistenza Scelta del kmod

Effetto volume Aumento della resistenza a fm,k e ft,0,k Legno massiccio (11.7.1) Legno lamellare (11.7.2)

Formule di verifica da 4.4 NTC08 Trazione parallela alla fibratura Compressione parallela alla fibratura

Formule di verifica da 4.4 NTC08 Compressione perpendicolare alla fibratura Flessione km = 0,7 sez. rett. km = 1 altre sezioni Ridistribuzione delle tensioni e disomogeneità

Formule di verifica da 4.4 NTC08 Tensoflessione Pressoflessione

Formule di verifica da 4.4 NTC08 Taglio Instabilità di trave (flessione)

Formule di verifica da 4.4 NTC08 Instabilità di colonna

Esempio di calcolo Trave semplicemente appoggiata Dati: Materiale = GL24h b= 16 cm Perm.= 2,4 kn/m2 h= 24 cm Acc.= 2 kn/m2 Cat. A Classe di servizio 1

Esempio di calcolo Resistenza di progetto

Esempio di calcolo Resistenza a flessione kmod fm, k fm, d kh m k h min( 1.09;1.1) 1.09

Esempio di calcolo Resistenza a flessione 0.624 m,,1 1.09 10. 82MPa 1.45 f d 0.8 24 fm, d,2 1.09 14. 43MPa 1.45 Resistenza a taglio 0.6 2.7 0.8 2.7 f v, d,1 1. 11MPa f v, d,2 1. 49MPa 1.45 1.45

Esempio di calcolo Calcolo sollecitazioni kn l q V knm l q M 6.24 2 4 2.4) (1.3 2 6.24 8 4 2.4 1.3 8 1 2 2 1 kn l q V knm l q M 12.24 2 4 2) 1.5 2.4 (1.3 2 12.24 8 4 2 1.5 2.4 1.3 8 2 2 2 2

Esempio di calcolo Calcolo sollecitazioni MPa A V MPa W M d v m d 0.24 240) (160 10 6.24 1.5 1.5 4.06 6 240 160 10 6.24 3,1, 2 6,1, MPa A V MPa W M d v m d 0.48 240) (160 10 12.24 1.5 1.5 7.97 6 240 160 10 12.24 3,2, 2 6,2, 1 0.22 1.11 0.24 1 0.38 10.82 4.06,1,,1,,1,,1, d v d v m d m d f f 1 0.32 1.49 0.48 1 0.55 14.43 7.97,2,,2,,2,,2, d v d v m d m d f f

Deformazione

Sistemi di collegamento Unioni tradizionali lavorano per superfici di contatto Unioni meccaniche di tipo moderno trasmissione degli sforzi indiretta Unioni metalliche a gambo cilindrico Unioni metalliche di superficie

Unioni tradizionali

Unioni a gambo cilindrico

Unioni a gambo cilindrico Teoria di Johannsen Si prevede un comportamento rigido plastico per entrambi i materiali ovvero sia per l acciaio che per il legno. I modi di rottura previsti sono sostanzialmente due: Rifollamento di una delle parti lignee connesse (modo I) Rifollamento di una delle parti lignee e contemporaneo snervamento del connettore con formazione di una o più cerniere plastiche (modo II e III).

Unioni a gambo cilindrico Rifollamento La resistenza a rifollamento è una caratteristica meccanica del materiale legnoso. Si ha schiacciamento localizzato delle fibre legnose per effetto del carico concentrato del connettore sule pareti del foro. Varia in funzione di alcune caratteristiche come la massa volumica del legno, diametro del connettore, angolo di azione della forza agente. Snervamento connettore È funzione del diametro e della classe dell acciaio.

Unioni a gambo cilindrico Modo I

Unioni a gambo cilindrico Modo II

Unioni a gambo cilindrico Modo III

Unioni a gambo cilindrico A due piani di taglio

Unioni a gambo cilindrico Effetto fune (modi II e III) Esempio modo f

Unioni a gambo cilindrico Rotture fragili non previste da Johansen

Unioni a gambo cilindrico

Sistemi di collegamento La definizione del grado di duttilità del collegamento risulta fondamentale per caratterizzare la capacità di una struttura di assorbire energia quando essa sia soggetta ad azioni sismiche.

Il sistema costruttivo Platform Frame

Ing. Simon Keller Pareti portanti Telaio in legno Corrente superiore (C24) Corrente inferiore (C24) Montanti (C24) Pannelli di chiusura Pannello in Masonite

Ing. Simon Keller Carichi verticali

Ing. Simon Keller Carichi orizzontali

Ing. Simon Keller Normativa Verifiche - D.M. 14/01/2008 (NTC) 4.4 Costruzioni di legno (verifica delle singole travi SLU) 7.7 Costruzioni di legno (metodi di analisi e fattori SLV e SLD) 11.7 Materiali e prodotti a base di legno - UNI EN 1995-1-1 (EC5) 7.1 Stati limite d esercizio (verifica travi SLE) Appendice B e C (verifica pareti SLU) 9.2.4 Pareti a diaframma (verifica pareti SLV)

Ing. Simon Keller Verifiche carichi verticali Corrente superiore: Verifica a flessione Verifica Verifica a a taglio instabilità di colonna Verifica a compressione ortogonale alla fibratura

Ing. Simon Keller Verifiche carichi verticali Montanti: Verifica a instabilità di di colonna

Ing. Simon Keller Verifiche carichi verticali Corrente inferiore: Verifica a instabilità di colonna Verifica a pressione ortogonale alla fibratura

Esempio di calcolo parete Platform Frame

Esempio di calcolo parete Platform Frame Elementi di parete qmax = 30,00 kn/ml altezza parete = 2900 mm Composizione parete: Masonite (P4) b = 1250 mm I y = 426667 mm 4 h = 16 mm I z = 2604166667 mm 4 E 0,g,mean = 2300 N/mm 2 A = 20000 mm 2 Aste interne b = 60 mm I y = 20480000 mm 4 h = 160 mm I z = 2880000 mm 4 numero aste interne = 1 A = 9600 mm 2

Esempio di calcolo parete Platform Frame Aste esterne b = 80 mm I y = 27306667 mm 4 h = 160 mm I z = 6826667 mm 4 A = 12800 mm 2 Asta superiore Asta inferiore b = 160 mm b = 160 mm h = 80mm h = 60mm A = 12800 mm 2 A = 9600 mm 2 Struttura portante parete q max = 30,00 kn/ml

Esempio di calcolo parete Platform Frame Elementi di collegamento masonite - aste Cambrette d = 1,2 mm s = 100 mm interasse elementi di collegmento r m1 = 680 kg/m3 massa volumica media masonite r m2 = 420 kg/m3 massa volumica media C24 r m = 534 kg/m3 massa volumica media [(7.1) EC5] k ser kser = ku = 1,5 0,8 serd 80 2 k u k ser 3 179 N/mm 119 N/mm [prospetto 7.1 EC5] [(2.1) EC5]

Esempio di calcolo parete Platform Frame EA E A tot i i (EA) tot = Aeff = 338400000 N 23264 mm2 l 0 EI EA e ff tot Snellezza colonna composita l y = 72,40 l z = 15,35 [(C.3) EC5] Valori di progetto q d = 30,00 kn/m carico lineare applicato Fd = 37,50 kn k mod = 0,8 carico di media durata [Tab. 4.4.IV D.M.14/01/2008] g M = 1,5 legno massiccio [Tab. 4.4.III D.M. 14/01/2008] d k mod M k valore di calcolo proprietá materiale [(4.4.1) D.M. 14/01/2008]

Esempio di calcolo parete Platform Frame Verifica parete Instabilitá di colonna k rel, c k crit, c k f E c,0, k 0,05 c 1 k 2 2 0,5 1 rel, c 0, 3 rel, c 2 rel, c l rel,c = 1,23 [(4.4.14) D.M. 14/01/2008] k = 1,35 [(4.4.16) D.M. 14/01/2008] k crit,c = 0,53 [(4.4.15) D.M. 14/01/2008] s c,0,d = 1,61 N/mm 2 sollecitazione di compressione f c,0,d = 11,20 N/mm 2 resistenza di progetto k crit,c f c,0,d = 5,90 N/mm 2 k crit, c c,0, d f c,0, d 1 0,27 1 verificato [(4.4.13) D.M. 14/01/2008]

Esempio di calcolo parete Platform Frame Snellezza colonna composita l rel,c = 1,27 [(4.4.14) D.M. 14/01/2008] k = 1,40 [(4.4.16) D.M. 14/01/2008] k c = 0,50 [(4.4.15) D.M. 14/01/2008] s c,0,d = 2,24 N/mm 2 sollecitazione di compressione f c,0,d = 11,20 N/mm 2 k crit,c f c,0,d = 5,62 N/mm 2 k crit, c c,0, d f c,0, d 1 0,40 1 verificato [(4.4.13) D.M. 14/01/2008]

Esempio di calcolo parete Platform Frame f m, y, d m, y, d 1 0,67 1 verificato [(4.4.5a) D.M. 14/01/2008] Taglio Vd = 5/8 qd L = 9,92 kn d = 1,16 N/mm 2 f v,d = 1,33 N/mm 2 f d v, d 1 0,87 1 verificato [(4.4.8) D.M. 14/01/2008]

Esempio di calcolo parete Platform Frame Pressione ortogonale alla fibratura asta superiore asta inferiore l ef = 113 mm [(6.8) EC5] l ef = 100 mm [(6.8) EC5] k c,90 = 2,62 [(6.5) EC5] k c,90 = 2,76 [(6.6) EC5] c,90,d = 2,44 N/mm 2 c,90,d = 2,44 N/mm 2 k c,90 f c,90,d = 3,49 N/mm 2 k c,90 f c,90,d = 3,68 N/mm 2 k c,90 c,90, d f c,90, d 1 0,70 1 verificato [(4.4.4) D.M. 14/01/2008]

Ing. Simon Keller Verifiche carichi orizzontali Verifica a taglio collegamento telaio pannello Metodo A e metodo B ( 9.2.4 EC5)

Ing. Simon Keller Verifiche carichi orizzontali Verifica a instabilità dei montanti Verifica dell ancoraggio Verifica a compressione ortogonale alla fibratura Verifica a taglio collegamenti

Ing. Simon Keller Verifiche carichi orizzontali

Esempio di calcolo parete Platform Frame Resistenza di progetto graffe [8.4 EC5] d = 1,53 mm l = 70 mm M y,rk = 725 Nmm f h1,k = 64 N/mm 2 f h2,k = 25,3 N/mm 2 k = 350 kg/m 3 t = 16 mm spessore masonite t1 = 16 mm t2 = 54 mm = 0,40 F v,rk = 375 N resistenza a taglio di progetto della singola cambretta m = 1,3 k mod = 1 F v,rd,graf = 288,22 N per gambo F f,rd = 0,58 kn capacitá laterale di progetto di un singolo mezzo d'unione

Esempio di calcolo parete Platform Frame h = 2900 mm altezza del pannello k = 350 kg/m 3 massa volumica caratteristica del telaio in legno b 0 = 1450 mm F F f, Rd i i i, v, Rd s b c F v, Rd Fi, v, Rd 1,2 c i 1 bi b0 per per b b i i b b 0 0 resistenza di progetto singolo pannello resistenza di progetto parete Sisma direzione X sollecitazioni da analisi statica lineare Id. parete L H i,d S b i F i,v,rd F v,rd Verifica - m kn mm m kn kn kn Piano terra P001 3,88 36,39 100,00 1,25 14,91 77,14 verificata

Esempio di calcolo parete Platform Frame Parete Lunghezza Hi,d h Ft,d hold-down tipo R,d HD η - m kn m kn - kn - P001 3,88 36,39 2,90 27,20 WHT340 29,69 0,92

Ing. Simon Keller Verifiche carichi orizzontali

Perchè il legno? Comportamento sismico

Ing. Simon Keller Leggerezza La forza agente durante un evento sismico è funzione della massa della struttura. f(t) u (t)

Simon Keller LEGGEREZZA

La duttilità è la capacità di dissipare energia attraverso lo sviluppo di deformazioni plastiche. DUTTILITA

Ing. Simon Keller Duttilità

Ing. Simon Keller Duttilità 1

Ing. Simon Keller Duttilità Prescrizioni costruttive 7.7.3: Per poter considerare la struttura ad alta duttilità: a) I collegamenti legno-legno o legno acciaio d 12mm; s 10d b) Il materiale di rivestimento strutturale è di legno o di materiale derivato d 3,1mm; s 4d

Ricerca Prove sismiche

Ing. Simon Keller MULTIPIANO

Nome Cognome Short Headline Example Text Didiscalia: Sitat und dore ipsum Didiscalia: Sitat und dore isum Cidunt adignis am venibh etue alit erostio dipisisi er aliquissi. Unt lortio digna cor sum vel il utem ad et nosto od magna feugait od magna feugait. digna cor sum vel il utem ad et nosto od magna feugait od magna feugait. magna feugait. digna cor sum vel il utem ad et nosto od magna feugait od magna feugait

Ing. Simon Keller

Ing. Simon Keller Pannello 3 PORTA N = 50 kn/m 150 0.05% = 1,45mm 100 0.10% = 2,9mm 0.20% = 5,8mm 50 0.40% = 11,6mm 0.60% = 17,4mm Forza (kn) 0-100 -80-60 -40-20 0 20 40 60 80 100-50 1.00% = 29,0mm 1.50% = 43,5mm 2.00% = 58,0mm 3,00% = 87,0mm -100-150 Spostamento (mm)

Ing. Simon Keller Step Drift (%) Disp (mm) Vel (mm/sec) T (min) Ttotale (h) Fmax (kn) Fmin (kn) 1 0,05 1,45 0,05 6 0,3 16-18 2 0,1 2,90 0,075 8 0,7 26-29 3 0,2 5,80 0,1 12 1,2 38-42 4 0,4 11,60 0,2 12 1,6 57-59 5 0,6 17,40 0,3 12 2,1 71-73 6 1 29,00 0,4 15 2,5 86-86 7 1,5 43,50 0,5 17 3,1 89-95 8 2 58,00 0,6 19 3,7 89-91 9 3 87,00 0,7 25 4,3 79 79 100 80 0 0 0 60 0 1,45 16-1,45-18 2,90 26-2,9 40-29 5,80 38-5,8-42 20 11,60 57-11,6-59 17,40 71-17,4 0-73 -100 29,00 86-50 -29 0-86 50 100 43,50 89-43,5-20 -95 58,00 89-58 -40-91 87,00 79-87 -79-60 Rottura H SLU = 23,73 kn/m 1. Danni H SLE = 18,93 kn/m -80-100

Ing. Simon Keller

Ing. Simon Keller *,, i i i inst G A G h l q u 2,,,, 1 1 2 l K a l q h m l n u i ser i v i inst k 2 3,, 3 2 l h A E l q u i i i inst E, sin h u DF K DF K i inst K i inst G inst E inst u u u u u,,,,,, 1 1 1 1 12 3 3, 3 Ersatz inst E Eq b l u h F E l b u u h F G Ersatz i inst K i G inst eq 6 5 1 1 1 1,,,,

Ing. Simon Keller

Ing. Simon Keller Scelte progettuali Suddivisione realistica degli spazi Presenza di numerose aperture Presenza del vano scala Solaio in legno lamellare Edificio più alto testato in Europa

Ing. Simon Keller Scelte progettuali Tie-down Hold-down + angolare

Ing. Simon Keller In media in Italia ogni cento anni si verificano più di cento terremoti di magnitudo compresa tra 5.0 e 6.0 e dai 5 ai 10 terremoti di magnitudo superiore a 6.

Ing. Simon Keller 0,06 Spostamenti tavola 0,04 0,02 spostamenti [m] 0 0,02 0,04 0,06 0,08 10 15 20 25 30 35 40 t [sec] 0,1 0,12 smax = 11,36cm 0,14

Ing. Simon Keller 150,00 Piano Terra Piano copertura 100,00 spostamento [mm] 50,00 0,00 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 t [sec] Piano terra Copertura 50,00 100,00 Prova accelerogramma dell Aquila; ag=1,15g Spostamento massimo s=51,25mm

Struttura finita

Accelerogramma di Kobe, Giappone (amax=0,82g)

0,8 Ing. Simon Keller 0,6 CONFRONTO KOBE L'AQUILA amax = 0,66g 0,4 Accelerazione [g] 0,2 0,0 0,2 0,4 0 5 10 15 20 25 30 t [sec] Kobe L'Aquila 0,6 0,8 amax = 0,82g 1,0

0,82 Ing. Simon Keller CONFRONTO CONFRONTO L'AQUILA KOBE TEST L'AQUILA FINALE 0,6 1,5 Accelerazione [g] 0,4 1 0,2 0,5 0,0 0 0,2 0,5 0,4 1 0,6 0,8 1,5 amax = 0,66g 0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 t [sec] t [sec] amax = 1,48g L'Aquila Kobe L'Aquila L'Aquila 1,48g 1,0 2

Ing. Simon Keller Risultati Sulla struttura finita sono state eseguite quattro prove. Durante tutte le prove l accelerazione di picco ha superato 1g. L accelerazione massima di prova è stata di 1,48g. 1,48g = 529% D.M. 14/01/2008 Nessun danno

Progettazione sismica

Ing. Simon Keller Progettazione 1. Definizione dei parametri di progetto (carichi, coordinate etc.) 2. Struttura regolare? 3. Scelta del fattore di struttura 4. Individuazione delle pareti resistenti 5. Calcolo forza agente alla base e forze ai piani 6. Calcolo baricentro delle masse e baricentro delle rigidezze 7. Suddivisione delle forze sulle pareti 8. Verifica delle paretideisolai 9. Verifica a scorrimento (angolari) 10. Verifica a ribaltamento (Hold down)

Ing. Simon Keller 1. Definizione parametri di progetto

Ing. Simon Keller 2. Regolarità da 7.7.2 NTC08

Ing. Simon Keller 3. Scelta del fattore di struttura

Ing. Simon Keller 4. Individuazione delle pareti resistenti

Ing. Simon Keller 5. Calcolo forza agente alla base e ai piani

Ing. Simon Keller 6. Calcolo baricentri

Ing. Simon Keller 7. Suddivisione delle forze Le azioni sulla struttura vengono combinate secondo:

Ing. Simon Keller 8. Verifica delle pareti F F f, Rd i i i, v, Rd s b c F v, Rd Fi, v, Rd 1,2 c i 1 bi b0 per per b b i i b b 0 0 resistenza di progetto singolo pannello resistenza di progetto parete

Ing. Simon Keller 8. Verifica dei solai Trazione e compressione cordolo

Ing. Simon Keller 8. Verifica dei solai Taglio

Ing. Simon Keller 9. Verifica degli angolari

Ing. Simon Keller 10. Verifica degli H-D