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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