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2.Convegno Relatore Ing Pietrafesa 14.11.2014

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IL CALCOLO DI UN
EDIFICIO X-LAM
CON PARTICOLARE
RIFERIMENTO ALLA
SISMICA ED AL
FUOCO
INDICE
1.
Vantaggi di un edificio in legno
2.
Tipologia tipica di edifici in legno
3.
Esigenza statica di un edificio in X-Lam
4.
Tipologia di giunzioni
5.
Principi di progettazione sismica per un edificio in X-Lam
6.
Principi di progettazione al fuoco del legno
VANTAGGI
STRUTTURALI
Buon comportamento con azioni di tipo sismico e sicuro al fuoco
Utilizzabile anche per edifici con più piani
ENERGETICI - BIOEDILIZIA
Bassi costi energetici in fase di produzione
Si possono raggiungere facilmente ottime performance energetiche
Comfort abitativo dato dall’igroscopicità del materiale
TUTELA DEL CLIMA
E DELL’AMBIENTE
- BIOEDILIZIA
Materiale naturale e completamente rinnovabile
Smaltimento rifiuti in caso di demolizioni praticamente inesistente
Durabilità uguale o superiore ai materiali tradizionali
ESECUTIVI
Possibilità di avere un elevato grado di prefabbricazione
Rapidità di esecuzione anche grazie alle tecnologie a secco
Velocizzazione delle tempistiche di cantiere
DURABILITA’
Pagoda a Nara
(Giappone)
5 PIANI - h=31,5 m
14 secoli di vita
AVETE ANCORA
DUBBI??????
QUALI SONO LE CARATTERISTICHE CHE
RENDONO UNA STRUTTURA ADATTA A
RESISTERE ALLE AZIONI SISMICHE?
 LEGGEREZZA
 RESISTENZA
 RIGIDEZZA
Carichi di
breve durata
 DUTTILITA’ E CAPACITA’ DISSIPATIVA
DIFETTI
 FRAGILITA’
LEGGEREZZA
- Pesi per unità di volume variano tra i 380 Kg/mc e i 700 Kg/mc.
- Il rapporto resistenza/peso è circa uguale a quello dell’acciaio e 5
volte maggiore di quello del calcestruzzo.
RESITENZA
- La resistenza del legno è dello stesso ordine di grandezza di quella
del calcestruzzo ed è presente sia a trazione che a compressione.
Poiché il legno ha un comportamento viscoso le sue caratteristiche di
resistenza variano al variare della durata di applicazione dei carichi.
In particolare, per carichi istantanei (sisma), le resistenze sono
mediamente del 50% superiori; più del 100% superiori per
trazione ortogonale alla fibratura.
DEFORMABILITA’
Ciò comporta bassi valori di rigidezza e quindi un’elevata
flessibilità, che si può tradurre in un aumento del periodo
fondamentale di vibrazione e quindi, in condizioni favorevoli, in
una diminuzione dell’intensità dell’azione sismica sulla
struttura.
DUTTILITA’
Gli edifici sismoresistenti in legno devono essere
progettati con una concezione strutturale in accordo ad
uno dei seguenti comportamenti:
a) comportamento strutturale dissipativo (CDA o CDB);
b) comportamento strutturale scarsamente dissipativo.
(7.7.1 Aspetti concettuali della progettazione)
-
Le zone dissipative debbono
essere
localizzate
nei
collegamenti.
-
Le membrature lignee debbono
essere
considerate
a
comportamento elastico.
- Per le strutture progettate secondo il comportamento b), gli effetti
devono essere calcolati mediante un’analisi elastica globale,
assumendo un fattore di struttura q non superiore ad 1,5.
DUTTILITA’
Qualora si faccia affidamento a comportamenti strutturali dissipativi
(CD “A” o “B”), in mancanza di più precise valutazioni teoriche e
sperimentali, si devono applicare le regole seguenti:
 nelle zone considerate dissipative possono essere utilizzati
solamente materiali e mezzi di unione che garantiscano un
adeguato
comportamento
ISTERETICO,
in
particolare
OLIGOCICLICO;
 un collegamento giudicato dissipativo deve essere in grado di
deformarsi plasticamente per almeno tre cicli di carico e scarico,
con una resistenza residua maggiore dell’80% della resistenza
iniziale;
 le unioni incollate
dissipative;
devono
essere
considerate
come
non
DUTTILITA’
Il comportamento di un materiale soggetto a sollecitazioni cicliche
è diverso da quello rilevato in una prova con andamento monotono: si
rileva infatti l’isteresi del materiale che può portare ad un incremento
di fragilità o di duttilità; tale isteresi genera una dissipazione di
energia, la cui intensità corrisponde all’area sottesa alla curva ciclica.
DUTTILITA’
La fatica oligociclica (ligo→poco) è il fenomeno che si presenta
quando la sollecitazione di fatica conduce il materiale alla rottura dopo
pochi cicli.
La rottura avviene quindi per carichi elevati, quando sono presenti
deformazioni plastiche.
DUTTILITA’
DUTTILITA’
DUTTILITA’
CONNETTORI METALLICI A
GAMBO CILINDRICO
MECCANISMO
DI ROTTURA
RIFOLLAMENTO DEL
LEGNO
SNERVAMENTO DEL
GAMBO DEL
CONNETTORE
FORMAZIONE DI UNA O
PIU’ CERNIERE
PLASTICHE
CONNETTORI METALLICI A
GAMBO CILINDRICO
TEORIA DI JOHANSEN
CURVA ROSSA
Rottura governata solo dal
rifollamento del legno
COMPORTAMENTO
FRAGILE
CURVA BLU
Rottura determinata anche
dalla plasticizzazione dei
connettori
COMPORTAMENTO
DUTTILE
CONNETTORI METALLICI A
GAMBO CILINDRICO
TEORIA DI JOHANSEN - 1949
La teoria di Johansen è una teoria plastica che assume un
comportamento rigido-plastico per i materiali, trascurando le
deformazioni elastiche.
vincolo rigido:
cerniera plastica
1) UNIONI LEGNO-LEGNO
all’interfaccia
acciaio-legno
2) UNIONI ACCIAIO-LEGNO
PIASTRE
interpolazione
CONNETTORI METALLICI A
GAMBO CILINDRICO
MODI DI ROTTURA NELLE UNIONI LEGNO-LEGNO
ad un piano di taglio
Duttilità conferita per
rifollamento del legno
Duttilità conferita per
snervamento del connettore
e per rifollamento del legno
CONNETTORI METALLICI A
GAMBO CILINDRICO
MODI DI ROTTURA NELLE UNIONI LEGNO-LEGNO
a due piani di taglio
«Duttilità» conferita per
rifollamento del legno
Duttilità conferita per
snervamento del connettore e per
rifollamento del legno
CONNETTORI METALLICI A
GAMBO CILINDRICO
MODI DI ROTTURA NELLE UNIONI LEGNO-ACCIAIO
ad un piano di taglio
Piastre sottili
Piastre spesse
CONNETTORI METALLICI A
GAMBO CILINDRICO
MODI DI ROTTURA NELLE UNIONI LEGNO-ACCIAIO
a due piani di taglio
Piastre interne
Piastre esterne
CONNETTORI METALLICI A
GAMBO CILINDRICO
UNIONI CON CHIODI, VITI, BULLONI
EFFETTO FUNE
Dopo aver raggiunto uno dei meccanismi di
rottura di Johansen, si instaura un
meccanismo di trasmissione degli sforzi.
UNIONI CHIODATE
PREFORATURA LEGNO
necessaria nei casi in cui possano
insorgere problemi di fenditura del legno (splitting)
SVANTAGGI
VANTAGGI
 Aumenta
la
resistenza
rifollamento della connessione
a
 Riduce le distanze dai bordi e gli
interassi tra i chiodi
 Riduce lo scorrimento iniziale della
connessione
OBBLIGO DI PREFORO
PROFONDITA’ MINIMA
DI INFISSIONE
 Aumenta i tempi di esecuzione
 Aumenta i costi
 Potrebbe indebolire la sezione
UNIONI CHIODATE
RESISTENZA A TAGLIO
La resistenza caratteristica al rifollamento viene determinata attraverso
formulazioni empiriche ottenute da indagini sperimentali.
UNIONI CHIODATE
RESISTENZA AD ESTRAZIONE
La resistenza all’estrazione dipende da:
 densità del legno in cui sono infissi
 rugosità della superficie del chiodo
 presenza o meno della preforatura
nel legno
Chiodi infissi parallelamente alla direzione delle fibre
Non in grado di
trasmettere carichi assiali
Chiodi infissi perpendicolarmente alla direzione delle
fibre o in direzione obliqua
La capacità resistente caratteristica ad estrazione si valuta attraverso
formulazioni sperimentali e dipende dal tipo di chiodo, dalla specie legnosa e dalla
massa volumica del legno. È influenzata inoltre dalla stabilità dimensionale del
legno, legata alle variazioni di umidità cui è soggetto il legno strutturale in opera.
PROFONDITA’ MINIMA DI
INFISSIONE DELLA PUNTA
UNIONI CON SPINOTTI E BULLONI
UNIONI CON VITI
DUTTILITA’
Al fine di garantire lo sviluppo del
comportamento ciclico dissipativo in
corrispondenza delle zone assunte
come dissipative, tutti gli altri
elementi strutturali e/o connessioni
devono essere progettati con adeguati
valori di sovraresistenza.
FRAGILITA’
A causa della presenza di nodi e di difetti, il legno strutturale ha un
comportamento tipicamente ELASTO - FRAGILE.
La zona plastica è garantita dalla plasticizzazione delle fibre
compresse, in relazione ai difetti presenti.
Requisiti di ROBUSTEZZA strutturale:
 la protezione della struttura e dei suoi elementi componenti nei
confronti dell’umidità;
 l’utilizzazione di mezzi di collegamento a comportamento
duttile;
 la limitazione delle zone di materiale legnoso sollecitate a
trazione perpendicolarmente alla fibratura
DURABILITA’
In relazione alla classe di servizio della struttura e alle condizioni
di carico, dovrà essere predisposto in sede progettuale un programma
delle operazioni di manutenzione e di controllo da effettuarsi durante
l’esercizio della struttura.
EDIFICI IN LEGNO: edilizia alberghiera
EDIFICI IN LEGNO: aumenti di volumetria
EDIFICI IN LEGNO: edilizia multi-residenziale (mercato immobiliare)
EDIFICI IN LEGNO: sopra-elevazioni
EDIFICI IN LEGNO: edilizia privata (edifici mono e plurifamiliari)
EDIFICI IN LEGNO: edilizia pubblica per associazioni sportive
EDIFICI IN LEGNO: edilizia per il culto religioso
EDIFICI IN LEGNO: edilizia commerciale
EDIFICI IN LEGNO: infrastrutture viarie
EDIFICI IN LEGNO: edilizia ricreativa
Ed il futuro…già presente…
9 storey Timber Building
(Murray
Grove
in
Hackney, London)
Architects
Waugh
Thistleton;
KLH cross laminated panels
SISTEMI DI GIUNZIONE TIPICI PER EDIFICI IN LEGNO
5
parete - fondazione
5
45°
5
parete - fondazione
 Chiodi, graffe o viti per gli edifici a telaio
Ancoranti chimici, meccanici e a vite per il cemento
TIPOLOGIE DI AZIONI SOLLECITANTI
• VERTICALI
 Peso proprio struttura
 Carichi permanenti
 Carichi accidentali
• ORIZZONTALI
 Eccentricità (difetti di montaggio)
 Vento
 Sisma
AZIONI ORIZZONTALI
DISTRIBUZIONE NEL PIANO
FSISMICA/VENTO
Grigidezze
Gmasse
Grigidezze
Gmasse
GIUNZIONI PER LE CASE IN LEGNO
F1
FTRAZIONE
F2
F3
FTAGLIO
GIUNZIONE PER LO SFORZO DI TAGLIO
GIUNZIONE PARETE - PARETE e
SOLAIO IN LEGNO - PARETE
Come potrebbe essere risolto diversamente questo dettaglio
costruttivo?
1) Per forze di taglio superiori (quasi sempre…) nuovo angolare
TITAN240 (in fase di sviluppo)
2) Con cordolo in cemento attraverso delle piastre bidimensionali
20
100
80
42
102
HOLES Ø5 mm
200
GIUNZIONE PARETE – PARETE e
SOLAIO IN LEGNO - PARETE
ATTENZIONE ALLE MODALITÀ DI ROTTURA FRAGILI
ATTENZIONE ALLE MODALITÀ DI ROTTURA FRAGILI
Rottura FRAGILE
dell’hold-down
Rottura FRAGILE
ATTENZIONE ALLA SOVRA-RESISTENZA FORNITA
DAI CHIODI ANKER NELL’X_LAM!!!
 Progettare
la
delle resistenze
gerarchia
I pannelli XLAM
devono essere
accompagnati da una certificazione
ETA in cui sono descritte le
caratteristiche dell’elemento e definite
le modalità di calcolo dello stesso e dei
mezzi di collegamento.
COMPORTAMENTO A TAGLIO DI
UNA PARETE X-LAM
 Ipotesi: comportamento rigido della parete
 Modello di calcolo per la giunzione parete – solaio in legno
1) Con viti incrociate bi-dimensionalmente
1 Angolare WB100 con rinforzo fissato
con chiodi Anker Ø4x60
2
3
Viti VGZ 9x450 incrociate
3 Parete X-LAM
3
4 Solaio X-LAM
1
1
1
1
2
2
2
4
4
2) Con angolari a taglio posti all’intradosso del solaio
(scomodi da applicare…)
1 Angolare WB100 con rinforzo fissato
con chiodi Anker Ø4x60
2
2
2 Parete X-LAM
3 Solaio X-LAM
1
1
1
1
3
3
ALTRE CONNESSIONI REALIZZABILI CON VITI
AUTO FORANTI (A FILETTO PARZIALE O TOTALE)
 Connessione tra pannelli longitudinalmente (sia pannelli di solaio che di parete)
 Connessione tra pannelli parete ad angolo retto
per forze di taglio o di depressione del vento
CONNESSIONE INTER-PIANO PER FORZE DI TRAZIONE
 Trasmissione delle forze di taglio dalla parete del secondo solaio alle pareti del
primo solaio
 Trasmissione delle forze di taglio dalla parete del primo solaio alle pareti del piano
terra
CONNESSIONE A TERRA PER FORZA DI TRAZIONE
 Calcolo resistenza del WHT lato legno in maniera tabellare secondo schede tecniche Rotho Blaas
 Calcolo della resistenza della connessione al cemento armato
Resistenza di progetto a trazione del WHT 440 con chiodatura totale e rondella = R1,d = 57,4 / 1,5 = 38,2 kN > 24,85 kN
Resistenza di progetto a trazione dell’ancorante chimico d 16 mm = R1,d = 78 / 1,5 = 52 kN > 24,85 kN
RICERCHE SVOLTE PRESSO
L’UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI TRENTO
TRASMISSIONE DELLE FORZE TRA PARETI E SOLAI
Fv
A TAGLIO
A MOMENTO
Fv
h
h
M
M
HOLDOWN
Fv
Fv
b
T
b
C
SQUADRETTE
SET – UP DI PROVA
Piastra di connessione tra
martinetto ed elemento (nastro
di fondazione)
HOLD - DOWN
PANNELLO
Pannello Xlam Mayr Melnhof
n.strati = 3
spessore = 32+34+32 (98)
dimensioni = 50x50 cm
50x70 cm
CONNETTORI
ANGOLARI A TAGLIO
• chiodi Anker 4.0x40
• chiodi Anker 4.0x60
ANCORANTI
• bulloni con rondella
Pannello Xlam con intagli laterali necessari per l’ancoraggio
con la testa del martinetto MTS
Ricerca presso l’Università di Trento
Prove preliminari
(sulla staffa con eccentricità pari a 82 mm, 32 mm e 0)
Ricerca presso l’Università di Trento
Prove a flessione a quattro punti su travetti 140 x 200
con luce 1 m, 3 m e 5 m.
ELEMENTI TESTATI
ANGOLARI A TAGLIO
(diffusi a livello commerciale)
ANGOLARI A TAGLIO
(di nuova generazione)
90CR
100
100CR
KR135
9050
HOLD - DOWN
HTT16
HTT22
(18 chiodi)
(32 chiodi)
KR285
(17 chiodi)
WHT340
WHT620
(20 chiodi)
(52 chiodi)
Casi analizzati:
Condizioni al contorno:
1.
2.
3.
4.
1.
2.
3.
4.
Parete piena
Parete con porta/finestra
Parete con “vertical joint”
Parete dei piani superiori
Esempio di output:
PROVE SOFIE
Parete carica/scarica
Attrito presente/assente
N° e posizione elementi
N° strati del pannello Xlam
COMPORTAMENTO
DEL LEGNO IN FASE DI
INCENDIO
Il fatto che il legno sia combustibile giustifica il timore diffuso
nell’impiegarlo come materiale da costruzione?
Le
sostanze
volatili
prodotte
dalla
combustione si muovono verso l’esterno
raffreddando il carbone, inoltre c’è anche un
fenomeno di riflessione.
Si raggiunge un equilibrio tra perdita di
materia in superficie e arretramento del legno
integro tale per cui si può considerare
approssimativamente costante pari a 0,6 – 0,8
mm/minuto.
APPROCCIO NORMATIVO PER IL CALCOLO
DELLA RESISTENZA AL FUOCO DEL LEGNO
Definizioni:
Linea di carbonizzazione: confine tra strato carbonizzato e sezione trasversale
residua
 Sezione trasversale residua: sezione trasversale originaria ridotta dello strato
carbonizzato
 Sezione trasversale efficace: sezione trasversale originaria ridotta dello strato
carbonizzato e di un successivo strato in cui si considerano resistenza e rigidezza nulli

Metodologie di calcolo:

Sezione efficace

Resistenza e rigidezza ridotte

Metodi generali di calcolo
DETERMINAZIONE DELLA SEZIONE
TRASVERSALE EFFICACE
Calcolo analitico:
NORMA
RIFERIMENTO
UNI EN 1995-1-2
Cap. 4.2.2
Recepita dalle NTC2008
DETERMINAZIONE DELLA SEZIONE
TRASVERSALE EFFICACE
ANALISI DI RESISTENZA AL FUOCO
DEI COLLEGAMENTI
NORMA
RIFERIMENTO
CNR DT 206/2007
12.3
La giunzione è un punto delicato in quanto c’è la presenza di due materiali (legno e
acciaio) diversi sia per quanto riguarda la conducibilità termica che il comportamento
deformativo in seguito all’esposizione al fuoco. Le unioni “non protette”, purché
progettate correttamente per le combinazioni a temperatura ambiente ed a
comportamento globalmente simmetrico, sono considerate soddisfacenti alla classe di
resistenza R15 – R20.
Elementi di collegamento
td,fi (min.)
Condizione imposta
Chiodi
15
d  2.8mm
Viti
15
d  3.5mm
Bulloni
15
t1  45mm
Perni
20
t1  45mm
Altri tipi di connettori (secondo EN 912)
15
t1  45mm
E’ possibile raggiungere resistenze più elevate proteggendo adeguatamente i mezzi di
unione scontando comunque al tempo di progetto quello riportato nella precedente
tabella. Per il calcolo fare riferimento alla UNI EN 1995-1-2
DETERMINAZIONE DEGLI SPESSORI DI LEGNO A PROTEZIONE
DI ELEMENTI DI GIUNZIONE A GAMBO CILINDRICO
DETERMINAZIONE DEGLI SPESSORI DI LEGNO A PROTEZIONE DI PIASTRE
METALLICHE ESTERNE
DETERMINAZIONE DEGLI SPESSORI DI LEGNO A PROTEZIONE DI PIASTRE
METALLICHE INTERNE
Con uno spessore ligneo di almeno 30 mm si riesce a garantire (lato piastra) una R 60
COMUNI SISTEMI DI GIUNZIONE
SCARPETTA ESTERNA
Questo sistema di giunzione è il più
semplice ed economico; si riesce a
garantire al massimo una R15.
Per arrivare anche solo ad una
resistenza pari a R30 l’elemento
metallico deve essere protetto.
STAFFA A SCOMPARSA
Questo sistema è molto diffuso;
senza utilizzare dei tappi che
coprano le teste dei bulloni si
riesce a garantire anche una R30;
con l’utilizzo di tappi e spinotti di
piccolo
diametro
si
arriva
tranquillamente ad una R60 ed
oltre.
CON CONNETTORI DOPPIO E TUTTO FILETTO
COMUNI SISTEMI DI GIUNZIONE
Giunti legno – legno tipo coda di
rondine
La resistenza al fuoco può essere garantita:
 Aumentando lo spessore di fresatura
sovradimensionando di molto la sezione
della trave
principale (diventerebbe
sicuramente antieconomico)
 Aggiungendo all’interno degli elementi
metallici che garantiscano una portata
sufficiente
28
Giunti con trasferimento di
momento resistente
Una giunzione effettuata così non va oltre ad una R30.
Per aumentare tale resistenza si possono mettere in
profondità gli spinotti coprendoli con tappi di legno.
Come dispositivo che eviti l’apertura del giunto è
possibile sostituire alla barra filettata una vite doppio
filetto aumentando l’infissione (questo può valere anche
in abbinamento alla caviglia appel)
Anche in questo caso utilizzando
spinotti autoforanti con la testa a
vista non si riesce ad andare oltre
ad una R30. Utilizzando spinotti di
piccolo diametro è possibile inserire
la testa nel legno e coprirla con
tappi
in
legno
garantendo
resistenze al fuoco maggiori.
GRAZIE PER
L’ATTENZIONE
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