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

STRUTTURALI

ENERGETICI - BIOEDILIZIA

TUTELA DEL CLIMA E DELL’AMBIENTE - BIOEDILIZIA

ESECUTIVI

Buon comportamento con azioni di tipo sismico e sicuro al fuoco

Utilizzabile anche per edifici con più piani

Bassi costi energetici in fase di produzione

Si possono raggiungere facilmente ottime performance energetiche

Comfort abitativo dato dall’igroscopicità del materiale

Materiale naturale e completamente rinnovabile

Smaltimento rifiuti in caso di demolizioni praticamente inesistente

Durabilità uguale o superiore ai materiali tradizionali

Possibilità di avere un elevato grado di prefabbricazione

Rapidità di esecuzione anche grazie alle tecnologie a secco

Velocizzazione delle tempistiche di cantiere

VANTAGGI

DURABILITA’

Pagoda a Nara

(Giappone)

5 PIANI - h=31,5 m

14 secoli di vita

AVETE ANCORA

DUBBI??????

LEGGEREZZA

RESISTENZA

RIGIDEZZA

DUTTILITA’ E CAPACITA’ DISSIPATIVA

QUALI SONO LE CARATTERISTICHE CHE

RENDONO UNA STRUTTURA ADATTA A

RESISTERE ALLE AZIONI SISMICHE?

Carichi di

breve durata

DIFETTI

FRAGILITA’

- 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.

LEGGEREZZA

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.

- 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.

(7.7.1 Aspetti concettuali della progettazione)

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 devono essere considerate come non

dissipative;

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

RIFOLLAMENTO DEL

LEGNO

TEORIA DI JOHANSEN CURVA ROSSA

CURVA BLU

Rottura governata solo dal

rifollamento del legno

COMPORTAMENTO

FRAGILE

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.

CONNETTORI METALLICI A

GAMBO CILINDRICO

1) UNIONI LEGNO-LEGNO

2) UNIONI ACCIAIO-LEGNO PIASTRE

vincolo rigido:

cerniera plastica

all’interfaccia

acciaio-legno

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

«Duttilità» conferita per

rifollamento del legno

Duttilità conferita per

snervamento del connettore e per

rifollamento del legno

MODI DI ROTTURA NELLE UNIONI LEGNO-LEGNO

a due piani di taglio

CONNETTORI METALLICI A

GAMBO CILINDRICO

Piastre sottili Piastre spesse

MODI DI ROTTURA NELLE UNIONI LEGNO-ACCIAIO

ad un piano di taglio

CONNETTORI METALLICI A

GAMBO CILINDRICO

Piastre interne Piastre esterne

MODI DI ROTTURA NELLE UNIONI LEGNO-ACCIAIO

a due piani di taglio

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)

Aumenta la resistenza a

rifollamento della connessione

Riduce le distanze dai bordi e gli

interassi tra i chiodi

Riduce lo scorrimento iniziale della

connessione

Aumenta i tempi di esecuzione

Aumenta i costi

Potrebbe indebolire la sezione

VANTAGGI SVANTAGGI

OBBLIGO DI PREFORO

PROFONDITA’ MINIMA

DI INFISSIONE

UNIONI CHIODATE

La resistenza caratteristica al rifollamento viene determinata attraverso

formulazioni empiriche ottenute da indagini sperimentali.

RESISTENZA A TAGLIO

UNIONI CHIODATE

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

PROFONDITA’ MINIMA DI

INFISSIONE DELLA PUNTA

RESISTENZA AD ESTRAZIONE

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.

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.

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.

FRAGILITA’

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.

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

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

parete - fondazione 5

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

Gmasse

Grigidezze

Gmasse

Grigidezze

FSISMICA/VENTO

F1

F2

F3

FTRAZIONE

FTAGLIO

GIUNZIONI PER LE CASE IN LEGNO

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

H

OL

ES

Ø

5 m

m

HOLES Ø13 mm - TICKNESS 3 MM - STEEL S355

200

10

21

00

80

42

20

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 gerarchia

delle resistenze

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 11

2 2

3

4

1

3

2

4

Angolare WB100 con rinforzo fissato

con chiodi Anker Ø4x60

Viti VGZ 9x450 incrociate

Parete X-LAM

Solaio X-LAM

1

2

3

4

2) Con angolari a taglio posti all’intradosso del solaio

(scomodi da applicare…)

1 11

2

3

1

2

3

Angolare WB100 con rinforzo fissato

con chiodi Anker Ø4x60

Parete X-LAM

Solaio X-LAM

1

2

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

b

h

Fv

Fv

M

T C b

h

Fv

Fv

M

TRASMISSIONE DELLE FORZE TRA PARETI E SOLAI

A TAGLIO A MOMENTO

HOLDOWN

SQUADRETTE

RICERCHE SVOLTE PRESSO

L’UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI TRENTO

PANNELLO

Pannello Xlam Mayr Melnhof

n.strati = 3

spessore = 32+34+32 (98)

dimensioni = 50x50 cm

50x70 cm

CONNETTORI

• chiodi Anker 4.0x40

• chiodi Anker 4.0x60

ANCORANTI

• bulloni con rondella

SET – UP DI PROVA

HOLD - DOWN

ANGOLARI A TAGLIO

Pannello Xlam con intagli laterali necessari per l’ancoraggio

con la testa del martinetto MTS

Piastra di connessione tra

martinetto ed elemento (nastro

di fondazione)

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)

90CR 100 100CR KR135 9050

ANGOLARI A TAGLIO

(di nuova generazione)

HTT16 (18 chiodi)

HTT22 (32 chiodi)

KR285

(17 chiodi)

WHT340 (20 chiodi)

WHT620 (52 chiodi)

HOLD - DOWN

Casi analizzati: 1. Parete piena

2. Parete con porta/finestra

3. Parete con “vertical joint”

4. Parete dei piani superiori

Condizioni al contorno: 1. Parete carica/scarica

2. Attrito presente/assente

3. N° e posizione elementi

4. N° strati del pannello Xlam

Esempio di output:

PROVE SOFIE

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

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.

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

NORMA RIFERIMENTO

CNR DT 206/2007 12.3

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

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

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)

28

Giunti con trasferimento di

momento resistente 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