Progettazione antisismica di strutture in legno
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Progettazione antisismica di strutture in legno
Progettazione antisismica di strutture in legno Dott. Ing. Simon Keller Soluzioni a lungo termine SEDI CENTRALI SCHARNSTEIN – AUSTRIA OSTERHOFEN – GERMANIA Soluzioni a lungo termine materia Il legno come prima da costruzione WOLF GRUPPE INTERNATIONAL 25 SEDI 3.000 DIPENDENTI Soluzioni a lungo termine WOLF - VIPITENO CAMPIITALIA DI ATTIVITÁ 27 ANNI DI ESPERIENZA STRUTTURE IN CEMENTO ARMATO 360 DIPENDENTI CAMPI DI ATTIVITÁ CAPANNONI INDUSTRIALI CAMPI CAMPIDI DIATTIVITÁ ATTIVITÁ CAPANNONI INDUSTRIALI CASE PREFABBRICATE 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 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 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 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 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 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 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 k mod f m ,k f m,d k h m k h min(1.09;1.1) 1.09 Esempio di calcolo Resistenza a flessione 0.6 24 f m ,d ,1 1.09 10.82 MPa 1.45 0.8 24 14.43MPa 1.45 Resistenza a taglio f m ,d , 2 1.09 0.6 2.7 f v ,d ,1 1.11MPa 1.45 f v ,d , 2 0.8 2.7 1.49 MPa 1.45 Esempio di calcolo Calcolo sollecitazioni q l 2 1.3 2.4 4 2 M1 6.24kNm 8 8 q l (1.3 2.4) 4 V1 6.24kN 2 2 q l 2 1.3 2.4 1.5 2 4 2 M2 12.24kNm 8 8 q l (1.3 2.4 1.5 2) 4 V2 12.24kN 2 2 Esempio di calcolo Calcolo sollecitazioni 12.24 106 M 6.24 106 M m,d , 2 7.97 MPa m ,d ,1 4.06 MPa 2 2 W 160 240 W 160 240 6 6 V 12.24 103 V 6.24 103 0.48MPa v ,d ,1 1.5 1.5 0.24 MPa v ,d , 2 1.5 1.5 A (160 240) A (160 240) m ,d ,1 f m ,d ,1 v ,d ,1 f v ,d ,1 4.06 0.38 1 10.82 0.24 0.22 1 1.11 m,d , 2 f m,d , 2 v ,d , 2 f v ,d , 2 7.97 0.55 1 14.43 0.48 0.32 1 1.49 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 tradizionali Unioni a gambo cilindrico 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 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 verticali 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 Verificaaataglio instabilità di colonna • • Verifica • Verifica a compressione ortogonale alla fibratura Ing. Simon Keller Verifiche carichi verticali Montanti: • • Verifica Verificaaainstabilità instabilitàdidicolonna 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 qmax = Elementi di parete altezza parete = 2900 mm Composizione parete: Masonite (P4) b= h= E0,g,mean = 1250 mm 16 mm 2300 N/mm2 Iy = Iz = A= 426667 mm4 2604166667 mm4 20000 mm2 Iy = Iz = A= 20480000 mm4 2880000 mm4 9600 mm2 Aste interne b= h= numero aste interne = 60 mm 160 mm 1 30,00 kN/ml Esempio di calcolo parete Platform Frame Aste esterne b= h= 80 mm 160 mm Iy = Iz = A= Asta superiore b= h= A= 27306667 mm4 6826667 mm4 12800 mm2 Asta inferiore 160 mm 80 mm 12800 mm2 Struttura portante parete b= h= A= qmax = 30,00 kN/ml 160 mm 60 mm 9600 mm2 Esempio di calcolo parete Platform Frame Elementi di collegamento masonite - aste Cambrette d= s= rm1 = rm2 = rm = k ser 1,2 100 680 420 534 1, 5 0 ,8 ser d ku = interasse elementi di collegmento massa volumica media masonite massa volumica media C24 massa volumica media [(7.1) EC5] [prospetto 7.1 EC5] 80 kser = ku mm mm kg/m3 kg/m3 kg/m3 179 N/mm 2 k ser 3 [(2.1) EC5] 119 N/mm Esempio di calcolo parete Platform Frame Esempio di calcolo parete Platform Frame EAtot Ei Ai (EA)tot = Aeff = 338400000 N 23264 mm2 Snellezza colonna composita l0 [(C.3) EC5] EI e ff EAtot ly = lz = 72,40 15,35 Valori di progetto qd = Fd = 30,00 kN/m 37,50 kN k mod = gM = d 0,8 1,5 carico lineare applicato carico di media durata legno massiccio [Tab. 4.4.IV D.M.14/01/2008] [Tab. 4.4.III D.M. 14/01/2008] k mod k M valore di calcolo proprietá materiale [(4.4.1) D.M. 14/01/2008] Esempio di calcolo parete Platform Frame Verifica parete Instabilitá di colonna rel ,c f c , 0,k E 0, 05 k 0,5 1 c rel ,c 0,3 2rel ,c 1 k crit,c k k 2 2rel ,c sc,0,d = fc,0,d = k crit,c fc,0,d = c , 0,d k crit,c f c ,0,d 1 lrel,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] 1,61 N/mm2 11,20 N/mm2 5,90 N/mm2 0,27 ≤ sollecitazione di compressione resistenza di progetto 1 verificato [(4.4.13) D.M. 14/01/2008] Esempio di calcolo parete Platform Frame Esempio di calcolo parete Platform Frame Esempio di calcolo parete Platform Frame Snellezza colonna composita lrel,c = k= kc = sc,0,d = fc,0,d = k crit,c fc,0,d = c ,0,d k crit,c f c , 0,d 1 1,27 1,40 0,50 [(4.4.14) D.M. 14/01/2008] [(4.4.16) D.M. 14/01/2008] [(4.4.15) D.M. 14/01/2008] 2,24 N/mm2 11,20 N/mm2 5,62 N/mm2 0,40 ≤ sollecitazione di compressione 1 verificato [(4.4.13) D.M. 14/01/2008] Esempio di calcolo parete Platform Frame Esempio di calcolo parete Platform Frame m, y ,d f m , y ,d 0,67 1 ≤ 1 verificato [(4.4.5a) D.M. 14/01/2008] ≤ 1 verificato [(4.4.8) D.M. 14/01/2008] Taglio Vd = d = fv ,d = d f v ,d 1 5/8 qd L = 9,92 kN 1,16 N/mm2 1,33 N/mm2 0,87 Esempio di calcolo parete Platform Frame Pressione ortogonale alla fibratura asta superiore lef = k c,90 = c,90,d = k c,90 fc,90,d = c , 90 , d 1 k c , 90 f c , 90 , d 113 mm 2,62 2,44 N/mm2 3,49 N/mm2 0,70 asta inferiore [(6.8) EC5] lef = [(6.5) EC5] k c,90 = c,90,d = k c,90 fc,90,d = ≤ 1 100 mm 2,76 2,44 N/mm2 3,68 N/mm2 verificato [(6.8) EC5] [(6.6) EC5] [(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= l= My,rk = fh1,k = fh2,k = k = 1,53 70 725 64 25,3 350 mm mm Nmm N/mm2 N/mm2 kg/m3 t= t1 = t2 = = Fv,rk = m = k mod = Fv,rd,graf = Ff,Rd = 16 16 54 0,40 375 1,3 1 mm mm mm spessore masonite N resistenza a taglio di progetto della singola cambretta 288,22 N 0,58 kN per gambo capacitá laterale di progetto di un singolo mezzo d'unione Esempio di calcolo parete Platform Frame 2900 mm 350 kg/m3 1450 mm h= k = b0 = Fi , v , Rd F f , Rd bi ci F v , Rd s 1, 2 F i , v , Rd Sisma direzione X Id. parete L m Piano terra P001 3,88 1 ci bi b0 altezza del pannello massa volumica caratteristica del telaio in legno per bi b0 per bi b0 resistenza di progetto singolo pannello resistenza di progetto parete sollecitazioni da analisi statica lineare Hi,d kN S mm bi m Fi,v,Rd kN Fv,Rd kN Verifica kN 36,39 100,00 1,25 14,91 77,14 verificata Esempio di calcolo parete Platform Frame Parete P001 Lunghezza m 3,88 Hi,d kN 36,39 h m 2,90 Ft,d kN 27,20 hold-down tipo WHT340 R,d HD kN 29,69 η 0,92 Ing. Simon Keller Verifiche carichi orizzontali 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 Ing. Simon Keller Ing. Simon Keller Ing. Simon Keller Pannello 3 PORTA N = 50 kN/m 150 0.05% = 1,45mm 0.10% = 2,9mm 100 0.20% = 5,8mm 0.40% = 11,6mm 50 Forza (kN) 0.60% = 17,4mm 1.00% = 29,0mm 0 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 1.50% = 43,5mm 2.00% = 58,0mm -50 3,00% = 87,0mm -100 -150 Spostamento (mm) Ing. Simon Keller Step 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Drift (%) Disp (mm) Vel (mm/sec) T (min) Ttotale (h) Fmax (kN) Fmin (kN) 0,05 1,45 0,05 6 0,3 16 -18 0,1 2,90 0,075 8 0,7 26 -29 0,2 5,80 0,1 12 1,2 38 -42 0,4 11,60 0,2 12 1,6 57 -59 0,6 17,40 0,3 12 2,1 71 -73 1 29,00 0,4 15 2,5 86 -86 1,5 43,50 0,5 17 3,1 89 -95 2 58,00 0,6 19 3,7 89 -91 3 87,00 0,7 25 4,3 79 79 100 80 0 1,45 2,90 5,80 11,60 17,40 29,00 -100 43,50 58,00 87,00 0 16 26 38 57 71 86 89 89 79 0 -1,45 -2,9 -5,8 -11,6 -17,4 -29 -50 -43,5 -58 -87 60 40 20 0 -20 -40 -60 -80 -100 Rottura 23,73 kN/m 1. Danni = 18,93 kN/m HSLU = HSLE 0 -18 -29 -42 -59 -73 0-86 -95 -91 -79 50 100 Ing. Simon Keller Ing. Simon Keller Ing. Simon Keller u G ,inst ,i q l h Gi Ai* u k ,inst ,i 21 n l 1 m h u E ,inst ,i q l a v ,i K ser ,i l 2 2 q l h3 3 Ei Ai l 2 uK , DF h sin uinst u E ,inst Geq E Eq 1 u 1 G ,inst ,i 1 u 1 u K , DF K ,inst ,i F h 1 1 1 1 u K ,inst ,i uG ,inst ,i F h3 l 3 bErsatz 3 u E ,inst 12 5 b l 6 Ersatz Ing. Simon Keller Ing. Simon Keller 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 Spostamenti tavola 0,06 0,04 0,02 0 spostamenti [m] 10 15 20 25 ‐0,02 t [sec] ‐0,04 ‐0,06 ‐0,08 ‐0,1 ‐0,12 ‐0,14 smax = 11,36cm 30 35 40 Ing. Simon Keller 150,00 Piano Terra ‐ Piano copertura spostamento [mm] 100,00 50,00 Piano terra Copertura 0,00 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 t [sec] ‐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) CONFRONTO KOBE ‐ L'AQUILA 0,8 Ing. Simon Keller amax = 0,66g 0,6 Accelerazione [g] 0,4 0,2 0,0 0 ‐0,2 5 10 15 t [sec] ‐0,4 ‐0,6 ‐0,8 ‐1,0 amax = 0,82g 20 25 30 Kobe L'Aquila CONFRONTO KOBE ‐ L'AQUILA CONFRONTO L'AQUILA ‐ TEST FINALE 2 0,8 Ing. Simon Keller 0,6 1,5 Accelerazione [g] 0,4 1 amax = 0,66g 0,2 0,5 0,0 0 0 ‐0,2 0 ‐0,5 ‐0,4 5 10 5 15 10 t [sec] t [sec] ‐1 ‐0,6 ‐1,5 ‐0,8 ‐2 ‐1,0 amax = 1,48g 20 15 25 20 25 L'Aquila 30 Kobe L'Aquila 1,48g L'Aquila 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 pareti dei solai 9. Verifica a scorrimento (angolari) 10. Verifica a ribaltamento (Hold‐down) Ing. Simon Keller 1. Definizione parametri di progetto Ing. Simon Keller 1. Definizione parametri di progetto Ing. Simon Keller 2. Regolarità da §7.7.2 NTC08 Ing. Simon Keller 2. Regolarità da §7.7.2 NTC08 Ing. Simon Keller 3. Scelta del fattore di struttura 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 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 Fi , v , Rd F f , Rd bi ci F v , Rd s 1, 2 F i , v , Rd 1 ci bi b0 per bi b0 per bi b0 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