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Convegno: LA NUOVA CITTÀ DELLA SCIENZA E
LA ZONA FLEGREA
Nuove tecnologie costruttive in legno e soluzioni
sostenibili - Napoli 21 giugno 2013
Principi di calcolo, il
sisma e la Zona Flegrea
Massimo Fragiacomo
Dipartimento di Architettura, Design e Urbanistica, Università
degli Studi di Sassari, Piazza Duomo 6, 07401 Alghero,
Email: [email protected]
1
Contenuti
• Introduzione sul legno: vantaggi del materiale
• Principi di calcolo di edifici in legno in zona sismica
• Sistemi costruttivi per edifici multipiano
• Esempi di edifici multipiano
• Nuove sfide in altezza
• Conclusioni
2
Introduzione
Alcuni vantaggi del legno:
•
•
•
•
Gradevolezza estetica
Sostenibilità
Elevato rapporto resistenza-peso
Velocità di montaggio
Sostenibilità:
• Ridotte emissioni di CO2
• Ridotto consumo di energia necessaria alla produzione del
materiale
• Rigenerazione del materiale in cicli di 25-50 anni
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Introduzione
Elevato rapporto resistenza-peso:
PROPRIETA’
LEGNO ACCIAIO
CALCESTRUZZO
Tensione ammissibile
σadm [MPa]
10
160
10
Peso specifico γm
[daN/m3]
600
7850
2400
Rapporto γm/σ
σadm
60
50
240
• Strutture in legno hanno volume (dimensioni) simili a
quelle di calcestruzzo
• Strutture in legno sono leggere (come l’acciaio) – meno
di ¼ di quelle in cls
• Leggerezza requisito importante per: montaggio e
trasporto più rapidi ed economici, ridotta azione
sismica, fondazioni più semplici ed economiche
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Introduzione
Velocità di montaggio:
• Costruzione ‘a secco’ senza necessità di attese per
rapprendimento ed indurimento del calcestruzzo
• Assenza di casseforme e puntellazione
• Facilità di movimentazione grazie al peso ridotto
• Possibilità di prefabbricazione in stabilimento riducendo
al minimo le lavorazioni in cantiere (connessione tra
componenti)
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Sistemi dissipativi e non diss.
Comportamento fragile (non dissip.): si
usa lo spettro elastico di progetto: Sd=Se/1,5
Progettazione per le azioni sismiche totali
Maggiori sezioni trasverali richieste
Progett.
sismica
(EC8 e NTC
2008)
Comportamento duttile (dissipativo): si usa lo
spettro di progetto ridotto: Sd=Se/q, q=2-5
Progettazione per azioni sismiche ridotte
Ridotte sezioni trasversali ottenute, ma
possibile danneggiamento strutturale alla
fine del terremoto
6
Resistenza sismica di edifici lignei:
• Il legno è leggero, pertanto le azioni sismiche
sono ridotte
• Tuttavia il legno si rompe fragilmente a trazione e
in flessione, perciò dissipa poca energia
• L’unica dissipazione energetica puo’ ottenersi
nelle zone di giunto grazie alla plasticizzazione dei
connettori metallici (viti, chiodi, spinotti e bulloni)
• Le strutture in legno si possono progettare come
dissipative (fattore di struttura q>1,5) solo quando
si usano connessioni in grado di dissipare energia7
Resistenza sismica di edifici lignei:
• Per dissipare energia, bisogna assicurare
che il meccanismo di rottura delle connessioni sia
di tipo duttile
• Si usa quindi la progettazione in capacità (Capacity
based design) per assicurare che tutti i meccanismi
di rottura fragile siano evitati, e la plasticizzazione
dei connettori metallici possa avvenire
• Ciò può essere ottenuto progettando gli
elementi fragili per il fattore di sovraresistenza
degli elemento duttili (zone di connessione), che
8
sperimentalmente è nell’intervallo 1,3-1,6.
Meccanismi di collasso:
Duttile
Fragile
Prova di rifollamento:
9
Meccanismo di collasso duttile:
Rottura in
compressione
parallela alla
fibratura
all’interfaccia
legno-acciaio
Formazione di
cerniera plastica
nello spinotto in
acciaio
10
Metodi di analisi sismica:
• Analisi statica lineare
• Analisi dinamica lineare (analisi modale)
• Analisi statica non lineare (push-over)
• Analisi dinamica non lineare (time-history)
Elastic
(q=1)
Spettrospectrum
elastico (q=1)
Wi
Fi
Spettro di progetto (q=4)
zi
W=ΣjWj
Sd(T1)
Fh=Sd(T1)Wλ/g
11
T1
Scelta del fattore di struttura:
Il valore max del fattore di struttura q è tabellato a
seconda del sistema strutturale – Sd=Se/q
(tratto dall’
Eurocodice 8 –
Parte 1)
12
Scelta del fattore di struttura:
Necessità di correlare il fattore di struttura q da
utilizzare nei calcoli ai risultati di prove cicliche
sperimentali sulle zone dissipative
13
Sistemi costruttivi
•
A telaio leggero (lightframe, platform)
•
A pannelli in legno lamellare incrociato (Xlam)
•
A telai con nodi rigidi
•
A pareti incastrate alla base
•
A telai e pareti precompresse
•
Ibridi (con diversi sistemi/materiali)
•
Con isolamento alla base
14
Sistema a telaio leggero:
•
Adatto per edifici con molte pareti e con solai di luce piccola
•
Max: 5-8 piani
•
Alta dissipazione energetica (nei
collegamenti chiodati delle pareti) ma
con danno significativo al termine di un
terremoto
q=4-5
•
15
Sistema a telaio leggero:
Un esempio: l’edificio di sei piani di Wellington (Nuova Zelanda)
Linea di faglia
Ubicazione del Martin
Square Apartment Building
16
Sistema a telaio leggero:
17
Sistema a telaio leggero:
Tempi:
• 4 mesi per la realizzazione delle fondazioni in
cemento armato
•
5 mesi per la realizzazione della parte in
elevazione in legno
18
Sistema a pannelli Xlam:
19
Sistema a pannelli Xlam:
Hold-down con 12 chiodi
φ4×60 mm
Angolari con
10 chiodi
φ4×60 mm
Strisce di LVL con viti
autofilettanti φ8×80 mm usate per
collegare i pannelli adiacenti
20
Sistema a pannelli Xlam:
(Progetto SOFIE, IVALSA CNR)
21
Sistema a pannelli Xlam:
•
Adatto per edifici con molte pareti e con solai di luce media
•
Max: 7-9 piani
•
Dissipazione media di energia con danno molto limitato al termine di un
evento sismico (ricentraggio della struttura)
•
q=2-3
23.5m
22
13.5m
13.5m
7.5m
Sistema a pannelli Xlam:
Un esempio: l’edificio Murray Grove di nove piani a Londra (UK)
Alcuni numeri:
realizzazione struttura lignea in
9 settimane
300 t di emissioni di CO2
risparmiate
costo di costruzione: 1.700€/mq
prezzo di vendita: 9580 €/mq
23
Sistema a pannelli Xlam:
24
Sistema a telai a nodi rigidi:
•
Adatto per edifici con open spaces
•
Max: 3-4 piani
•
Elevata dissipazione energetica ma con danno
potenzialmente elevato al termine dell’evento sismico
•
q=2,5-4 a seconda della capacità dissipativa del giunto
25
Sistema a telai a nodi rigidi:
Giunti a barre incollate con elementi di raccordo in acciaio:
(Università di Canterbury, Nuova Zelanda)
26
Sistema a telai a nodi rigidi:
Giunti ad alta duttilità con tubi di acciaio e elementi densificati di legno
(Univ. di Sassari, Trieste, Eindhoven, e Federlegno): q=4
27
27
Sistema a telai a nodi rigidi:
28
Sistema a pareti incastrate:
•
Adatto per edifici con open spaces
•
Max: 4-5 piani
•
Bassa dissipazione energetica (q=1,5)
4
2
1
3
29
Sistema a pareti incastrate:
Ricerca in corso presso la Lulea University of Technology,
Svezia, in cooperazione con l’Università di Sassari
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Telai/pareti precompresse:
•
Adatto per edifici con open spaces
•
Max: 4-5 piani
•
Media dissipazione energetica con danno ridotto al
termine dell’evento sismico
(Università di Canterbury, Nuova Zelanda)
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Telai/pareti precompresse:
Solai composti legno-calcestruzzo semiprefabbricati per luci medio-grandi:
TYPICAL SEMI-PREFABRICATED
PANEL OF LVL-CONCRETE
COMPOSITE FLOOR SYSTEM
Cast in-situ concrete
65 mm thick
with reinforcement
D10-200 c/c both ways
Plywood interlayer
17 mm thick
Notched coach screw connection
Ø16 mm diameter
Double LVL 400x63
32
Telai/pareti precompresse:
Edificio NMIT in Nelson, Nuova Zelanda:
33
Telai/pareti precompresse:
Edificio NMIT in Nelson, Nuova Zelanda:
34
Sistemi ibridi:
•
Uso del legno per resistere ai carichi verticali, altri materiali per resistere
ai carichi orizzontali
•
Adatto per edifici con open spaces
•
Max: 10-15 piani
•
Dissipazione energetica e danneggiamento dipendenti dal tipo di
controvento
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Esempi di sistemi ibridi:
2011
Trieste (TS)
6 piani
Caorle (VE)
6 piani
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Sistema costruttivo:
• Travi e colonne incernierate in legno lamellare
incollato per la resistenza ai carichi verticali
• Solai a travi in legno lamellare
incollato posate sdraiate e
accostate, in semplice appoggio
sulle travi principali in lamellare
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Sistema costruttivo:
38
Sistema costruttivo:
39
Sequenza di costruzione:
40
Sequenza di costruzione:
41
Sequenza di costruzione:
42
Sequenza di costruzione:
43
Sequenza di costruzione:
44
Sequenza di costruzione:
45
Sequenza di costruzione:
46
Sequenza di costruzione:
47
Sequenza di costruzione:
48
Sequenza di costruzione:
49
Sequenza di costruzione:
50
Tempi di realizzazione:
Settembre 2011
Novembre 2011
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Isolamento alla base:
•
Edificio sconnesso dalle fondazioni
•
Adatto per ogni tipo di edificio
•
Max: 5-7 piani
•
Assenza di danno al termine del terremoto
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Isolamento alla base:
2009 – L’Aquila – Progetto C.A.S.E. - 70 edifici di 3 piani con circa 1850
appartamenti per 6.000 persone costruiti in 80 gg (50% A STRUTTURA DI
LEGNO, parte a telaio leggero e parte a pannelli in Xlam!)
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Nuove sfide in altezza:
2008 - Edificio di 9
piani a Londra
(Murray Grove)
2002 - Edificio di 7 piani
a Bolzano
2013 – Edificio di 10 piani a
54
Melbourne (Fortè)
2013 - Edifici di 9 piani a Milano (Polaris)
Nuove sfide in altezza:
Barrents House, Kirkenes, Norvegia:
edificio di 17 piani a zero emissioni di
CO2 a struttura in legno (in corso di
progettazione – Reiulf Ramstad
Architects)
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Nuove sfide in altezza:
Edificio di 30 piani in legno (progetto
preliminare di Lewis Bart Rawson Architects)
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Conclusioni:
• Il legno può essere utilizzato efficacemente per edifici
multipiano (fino a 10 piani) residenziali e commerciali
• Svariate possibilità per i sistemi costruttivi
• Molto usati in Italia i sistemi a telaio leggero e a pannelli
massicci per edifici residenziali
• Possibilità di utilizzo di sistemi a trave e colonna in legno
incernierati con controventi in calcestruzzo o acciaio
• Ottima resistenza all’azione sismica
• Nuove sfide in altezza: edifici lignei di 20-30 piani
(Norvegia, Canada)
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Grazie per
l’attenzione!
Massimo Fragiacomo
Email: [email protected]
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