RICHIESTA DI ASSEGNO DI RICERCA PROGETTO DI RICERCA: SISTEMI COSTRUTTIVI IN LEGNO: DETERMINAZIONE DELLE PROPRIETÀ MECCANICHE DEGLI ELEMENTI DI CONNESSIONE E SVILUPPO DI MODELLI ANALITICI PER L ANALISI DI EDIFICI CON STRUTTURA IN LEGNO RESPONSABILE: PROF. MARCO SAVOIA 1 Introduzione L utilizzo del legno in edilizia in Italia ha vissuto negli ultimi anni uno sviluppo mai visto nell epoca moderna. L incremento delle prestazioni richieste alle costruzioni in termini di risparmio energetico, rispetto per l ambiente, sicurezza strutturale e resistenza sismica ne è il principale motivo. In particolare l uso del legno per la costruzione di edifici civili alti costituisce un campo di applicazione completamente nuovo i cui primi esempi sono recentissimi. Numerosi sono gli esempi di edifici multipiano realizzati interamente in legno negli ultimi anni in Italia e in Europa (edificio a 6 piani, Steinhausen, Svizzera -2006; edificio a 8 piani, Växjö, Svezia - 2009) e quelli di cui si prevede la realizzazione (edifico a 6 piani, Wagramer Strasse, Donaustadt-Vienna, Austria; torre di 9 piani, Milano, Italia). Trattasi di costruzioni pionieristiche, realizzate o da realizzarsi in assenza di una adeguata conoscenza teorica e tecnica, con il supporto di un corpo normativo di riferimento carente, senza l adeguata esperienza dei progettisti e delle imprese costruttrici. In Italia la liberalizzazione di tali costruzioni è arrivata solamente con la recente modifica apportata al comma 2 art. 52 legge n 380 6 giugno 2001, sostituito dall art. 45 Decreto Salva Italia 2 dicembre 2011, che autorizza la costruzione di edifici in legno superiori ai quattro piani, senza l obbligo del nullaosta del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici. Ad oggi la progettazione e la realizzazione di edifici in legno si basa sull esperienza e l uso di sistemi e dettagli costruttivi sviluppati nel nord Europa (paesi tedeschi e nordici) e nord America, concepiti per resistere a sollecitazioni ambientali diverse da quelle dei paesi sviluppati a maggiore sismicità quali l Italia e senza alcuna particolare richiesta di prestazione nei confronti del sisma. Tali sistemi costruttivi storicamente hanno trovato la loro applicazione su edifici residenziali di piccole dimensioni, leggeri e di altezza limitata, al massimo due o tre piani. Per effetto delle nuove esigenze costruttive e della disponibilità di materiali di nuova concezione (prodotti di legno incollati in particolare) a partire dagli anni novanta si è assistito ad un incremento del numero di edifici realizzati con struttura lignea. Soltanto però nell ultimo decennio si è vista la realizzazione di edifici alti in legno e di molti si prevede la realizzazione nei prossimi anni. La pratica costruttiva degli edifici multipiano è quindi recente e ancora oggetto di sviluppo e ottimizzazione anche in quei paesi storicamente capaci di costruire in legno. Nemmeno le normative nazionali di tali paesi in tema di progetto di edifici alti in legno sono abbastanza evolute e aggiornate alle nuove tecniche costruttive. Non sono sufficienti a guidare gli operatori 1
del settore nella realizzazione dei moderni edifici con specifiche prestazioni antisismiche. Le normative tecniche attualmente applicabili riprendono quelle dei paesi del nord Europa e Canadesi che sono basate sulle esperienze pregresse e modalità costruttive proprie di quelle nazioni, ove la necessità di garantire una corretta prestazione in caso di eventi sismici non è pressante. Gli aspetti di progettazione antisismica degli edifici in legno e la scelta di particolari costruttivi adeguati non sono mai stati al centro dell interesse della ricerca scientifica in quanto la leggerezza del materiale e le dimensioni ridotte degli edifici in legno finora realizzati non lo richiedevano. L aumento dell altezza e del peso degli edifici (requisito fondamentale per il rispetto delle moderne richieste di prestazioni acustiche e fisico-tecniche) ha reso insufficienti le tecnologie, le conoscenze e le esperienze accumulate nel passato in tema di progettazione antisismica di edifici in legno. E richiesto pertanto un notevole sforzo da parte del mondo scientifico e della ricerca per l evoluzione dei sistemi costruttivi in legno, allo scopo di renderli adatti ad essere impiegati per edifici alti nelle zone ad alta sismicità. In questo contesto si inserisce il presente progetto di ricerca che mira alla produzione di innovazione nella pratica costruttiva attuale degli edifici in legno implementando delle metodologie per la più corretta progettazione e realizzazione di tali strutture specialmente in zona sismica. Le metodologie di progettazione sviluppate nel progetto di ricerca porteranno alla formulazione di proposte implementabili nelle sezioni dedicate alla progettazione statica e sismica di strutture in legno delle normative nazionali e internazionali. 2 Obiettivi del progetto di ricerca L obiettivo generale del progetto di ricerca è la produzione di innovazione nella pratica costruttiva attuale degli edifici in legno mediante lo studio analitico, numerico e sperimentale dei sistemi costruttivi comunemente utilizzati e dei relativi elementi di connessione impiegati per l assemblaggio di pareti e solai. Il progetto di ricerca ha pertanto lo scopo di studiare mediante prove sperimentali, simulazioni numeriche e valutazioni analitiche il comportamento in ambito non lineare dei sistemi costruttivi tipicamente utilizzati per la realizzazione degli edifici in legno. L obiettivo primario del presente progetto di ricerca consiste nella completa caratterizzazione dei sistemi di connessione tipicamente utilizzati per assemblare gli elementi lignei (pareti e solai) degli edifici in legno. I parametri di rigidezza, resistenza, duttilità e comportamento isterico verranno definiti mediante prove sperimentali sui singoli elementi di connessione e su sistemi complessi assemblati. Per ogni elementi costruttivo investigato verranno prodotti in via sperimentale i domini di resistenza per stati di sollecitazione combinati. Alla caratterizzazione sperimentale seguirà una fase di interpretazione analitica dei risultati con l obiettivo di definire delle leggi costitutive di natura analitica con cui descrivere pienamente la risposta strutturale delle connessioni soggette anche a stati di sollecitazione combinati. Tali formulazioni analitiche verranno successivamente implementate numericamente con l obiettivo di eseguire delle analisi numeriche complete su interi sistemi strutturali complessi composti da elementi lignei assemblati con connessioni. Infine verranno analizzati interi edifici con modellazioni 2
bidimensionali e tridimensionali con l obiettivo di validare le formulazioni sviluppate e produrre dei metodi di analisi della risposta strutturale degli edifici in legno anche in ambito non lineare. Tutte le attività svolte avranno come obiettivo comune la definizione di una procedura standardizzata per la corretta progettazione in ambito statico e sismico delle strutture in legno. I risultati ottenuti verranno inoltre sintetizzati e organizzati in una formulazione di proposta per l aggiornamento delle attuali normative tecniche, nazionali e internazionali, sulle strutture in legno. In sinestesi gli obiettivi del presente progetto di ricerca sono: 1. produzione di innovazione nella pratica costruttiva attuale degli edifici in legno mediante lo studio analitico, numerico e sperimentale dei sistemi costruttivi comunemente utilizzati; 2. caratterizzazione dei sistemi di connessione tipicamente utilizzati per assemblare gli elementi lignei (pareti e solai) con definizione dei parametri di rigidezza, resistenza, duttilità e comportamento isterico sia per stati di sollecitazioni semplici che composte; 3. individuazione delle criticità strutturali dei sistemi costruttivi in legno e dei relativi sistemi di connessione. Proposte di miglioramento e soluzione delle criticità riscontrate. 4. definizione delle leggi costitutive di natura analitica dei sistemi di connessione tali da descriverne la risposta strutturale anche per stati di sollecitazione combinati e relativa implementazione in modelli numerici. 5. formulazione di metodi standardizzati di analisi della risposta strutturale degli edifici in legno anche in ambito non lineare. 6. formulazione di proposta per l aggiornamento delle attuali normative tecniche, nazionali e internazionali, sulle strutture in legno. Il raggiungimento degli obiettivi della ricerca potrà avere importanti ricadute dal punto di vista socio-economico, portando da un lato all individuazione dei sistemi costruttivi particolarmente critici per la sicurezza e l incolumità delle persone e dall altro alla realizzazione di edifici in legno efficienti, economici, competitivi e sicuri. 3
3 Piano di attività L attività di ricerca verrà articolata nelle seguenti fasi: 1. Analisi bibliografica e successiva caratterizzazione sperimentale della risposta strutturale degli elementi di connessione tipicamente impiegati. In questa prima fase l attività di ricerca si basa sulla ricerca bibliografica e la successiva analisi critica dei sistemi costruttivi in legno sinora utilizzati negli edifici. In particolare si dovranno individuare i sistemi di connessione impiegati valutandone l efficienza, la robustezza e l effettiva capacità dissipativa in caso di sisma. In questa fase preliminare di studio sullo stato dell arte delle connessioni si dovrà porre particolare attenzione alla resistenza degli elementi di connessione sottoposti a stati di sollecitazione combinati. Sulla base di questo studio preliminare verranno individuate e progettate le prove di laboratorio idonee per la verifica delle proprietà meccaniche delle connessioni. Tali test dovranno essere progettati in accordo con le modalità di prova sperimentale indicate dalle vigenti normative e consisteranno in test ciclici condotti sia in ambito statico che dinamico. I risultati delle prove sperimentali dovranno essere analizzati ed elaborati allo scopo di ottenere sia le caratteristiche di resistenza, rigidezza e duttilità della connessione che gli indici idonei a sintetizzarne la robustezza e la capacità di dissipazione energetica. Verranno inoltre definiti i domini di resistenza dei sistemi analizzati per stati di sollecitazione composti. 2. Definizione di strategie di modellazione e implementazione di modelli numerici idonei a riprodurre il comportamento del singolo mezzo di connessione e di interi edifici in legno. Questa seconda fase dell attività di ricerca è incentrata sulla modellazione numerica in ambito non lineare delle connessione e dei sistemi costruttivi in legno. In primis verrà eseguito uno studio sui modelli comunemente utilizzati per riprodurre il comportamento isteretico delle connessioni; a seguire si provvederà all individuazione di quelli più performanti e alla loro implementazione in un programma di calcolo. La validazione dei modelli numerici proposti sarà basata sui risultati delle prove sperimentali. Gli elementi non lineari sviluppati, per riprodurre il comportamento delle connessioni anche sotto azioni di tipo combinato, verranno inseriti in modelli numerici più complessi capaci di fornire la risposta in ambito dinamico di un intero edificio. Verranno sviluppate strategie di modellazione di interi edifici con livelli crescenti di dettaglio e complessità. Infine l applicazione sistematica del modello numerico consentirà la valutazione della reale risposta strutturale degli edifici alti in legno, al variare delle loro caratteristiche. 3. Formulazione di proposte migliorative sulla progettazione e verifica delle strutture in legno per l aggiornamento delle normative nazionali ed internazionali. Sulla base dei risultati ottenuti nelle fasi di ricerca precedenti si formulerà una proposta migliorativa delle attuali normative tecniche sulle strutture in legno. 4
Verranno proposte inoltre delle prescrizioni progettuali volte a ridurre e risolvere le criticità riscontrate nella pratica costruttiva degli edifici multipiano in legno. In questa ultima fase dell attività di ricerca verranno inoltre sintetizzate le criticità riscontrate sui sistemi di connessione e sulla pratica costruttiva comune fornendo delle soluzioni ingegnerizzate volte a migliorare la robustezza ed efficienza strutturale degli edifici in legno. 5