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Progettazione Sostenibile di Progettazione Sostenibile di Progettazione Sostenibile di Progettazione Sostenibile di StruttureStruttureStruttureStrutture

di i Ernesto Grandea cura di: ing. Ernesto [email protected]

http //www docente unicas it/ernesto grandehttp://www.docente.unicas.it/ernesto_grande

ProgettazioneProgettazione SostenibileSostenibile didi StruttureStrutture –– strutturestrutture inin legnolegnoProgettazioneProgettazione SostenibileSostenibile didi StruttureStrutture –– strutturestrutture inin legnolegno

Prima parte: Le costruzioni in Legno

Premessa – Progettazione SostenibileAspetti generali Costruzioni in legnoDimensionamento membrature e strutture inDimensionamento membrature e strutture in legno (NTC08 – CNR‐DT206)

S l l f iSLE – calcolo frecciaSLU – resistenza e stabilitàProgetto solai in legno

Di i t ll tiDimensionamento collegamentiProgetto degli elementi e dei collegamenti di una capriata in legno


Prima parte: Le costruzioni in LegnoBibliografia:Bibliografia:Nuove Norme Tecniche per le Costruzioni (D.M.08)CNR DT 206 I i i l P i l’E iCNR‐DT 206: Istruzioni per la Progettazione, l’Esecuzione ed il Controllo delle Strutture di LegnoPiazza Maurizio; Tomasi Roberto; Modena Roberto Strutture in legno: materiale, calcolo e progetto secondo g , p gle nuove normative europee. HOEPLIAppunti e dispense scaricabili dal sito docenteAppunti e dispense scaricabili dal sito docente



Premessa: Progettazione Sostenibile delle costruzionid ll’ ldell’Ingegneria Civile




svilupposviluppo sostenibilesostenibile:unouno svilupposviluppo cheche èè inin gradogrado didi soddisfaresoddisfare ii bisognibisogni delledelleunouno svilupposviluppo cheche èè inin gradogrado didi soddisfaresoddisfare ii bisognibisogni delledellegenerazionigenerazioni attualiattuali senzasenza comprometterecompromettere lala possibilitàpossibilità cheche lelegenerazionigenerazioni futurefuture riescanoriescano aa soddisfaresoddisfare ii propriproprigenerazionigenerazioni futurefuture riescanoriescano aa soddisfaresoddisfare ii propripropri(Commissione Mondiale per l’Ambiente e lo Sviluppo)

DimensioniDimensioni delladella sostenibilitàsostenibilità::

S ibili à bi l ( l d ll’ bi )Sostenibilità ambientale (tutela dell’ambiente);

Sostenibilità economica (sviluppo economico); Soste b tà eco o ca (s uppo eco o co);

Sostenibilità sociale (responsabilità sociale).


SostenibilitàSostenibilità ambientaleambientale:la capacità di mantenere nel tempo qualità ela capacità di mantenere nel tempo qualità eriproducibilità delle risorse naturalimantenimento della integrità dell’ecosistema per evitaremantenimento della integrità dell ecosistema per evitareche l’insieme degli elementi da cui dipende la vita sia

f l l à fmodificato oltre le capacità rigenerative o degrado fino adeterminare una riduzione permanente della sua capacitàproduttivapreservare la diversità biologicap ese a e a d e s tà b o og ca


SostenibilitàSostenibilità economicaeconomica:la capacità di generare in modo duraturo reddito ela capacità di generare, in modo duraturo, reddito elavoro per il sostentamento della popolazioneeco efficienza dell’economia intesa in particolare comeeco‐efficienza dell economia intesa, in particolare, comeuso razionale ed efficiente delle risorse, con la riduzione

ll’ ll b ldell’impiego di quelle non rinnovabiliprodurre e distribuire beni e servizi, e diffondere ilbenessere economico come garanzia per la sicurezzasociale di tutto il mondo, sia nei paesi industrializzati sia insoc a e d tutto o do, s a e paes dust a at s aquelli più poveri.


SostenibilitàSostenibilità socialesociale:la capacità di garantire condizioni di benessere umano ela capacità di garantire condizioni di benessere umano eaccesso alle opportunità (sicurezza, salute, istruzione, maanche divertimento serenità socialità) distribuite inanche divertimento, serenità, socialità) distribuite inmodo equo tra strati sociali

b l à l è l llLa sostenibilità sociale è strettamente legata a quellaeconomica: i fabbisogni delle generazioni presenti efuture non consistono solo in un ambiente intatto e inun’economia per tutti, ma comprendono anche lau eco o a pe tutt , a co p e do o a c e aprecipitazione degli utenti al processo di sviluppo


come si colloca in questo contesto laProgettazione Sostenibile delle Opere Progettazione Sostenibile delle Opere

dell’Ingegneria Civile?


ProgettazioneProgettazione SostenibileSostenibile delledelle OpereOpere dell’Ingegneriadell’Ingegneria CivileCivile

Edilizia sostenibile che guarda non alla scelta dei materialiEdilizia sostenibile che guarda non alla scelta dei materialiutilizzati e agli scarti di produzione, ma anche all’interoall’intero ciclociclodd d lld lldidi vitavita delladella strutturastruttura:: gestione,gestione, manutenzionemanutenzione ee termineterminedelladella vitavita utileutile dell’dell’ operaopera..

Processo “complesso” volto a perseguire i seguenti obiettivi

minimizzare certificare

M M O S C

minimizzare certificare

M.M.O.S.C.

massimizzare ottimizzare sperimentare



l ll l d

M.M.O.S.C.

Minimizzare gli impatti sulle risorse naturali, tenendosotto controllo il ciclo produttivo e lo smaltimento deimateriali al fine di ridurre i costi ambientali, conparticolare attenzione alla salute pubblica.p p



l l à b l f d l

M.M.O.S.C.

Massimizzare la qualità ambientale, sfruttando le risorselocali (climatiche, materiali, economiche, fisiche, ambientali.

Le case in “paglia”



l l à b l f d l

M.M.O.S.C.

Massimizzare la qualità ambientale, sfruttando le risorselocali (climatiche, materiali, economiche, fisiche, ambientali.

Le costruzioni in “bambù”



l’ ff d ll’

M.M.O.S.C.

Ottimizzare l’efficienza energetica a partire dall’integrazioneedificio/impianti/altri edifici/spazi aperti al fine di unagestione ecologica dell’area.



l b b l

M.M.O.S.C.

Sperimentare nuove soluzioni a basso impatto ambientale,ciò significa provare a percorrere nuove percorsi progettualiatti alla riduzione degli sprechi.

Utilizzo di aggregati riciclati



f l l à b l d l f l

M.M.O.S.C.

Certificare la qualità ambientale del manufatto in tutte lefasi che lo caratterizzano.

Qualità come sinonimo di competitività



Le costruzioni in legno: aspetti generali




COSTRUZIONI IN LEGNOCOSTRUZIONI IN LEGNO



Sostenibilità ambientale : OKSostenibilità ambientale : OK

Prestazioni strutturali: ?Prestazioni strutturali: ?


IL LEGNO NELLE COSTRUZIONI DEL PASSATO E NELLE IL LEGNO NELLE COSTRUZIONI DEL PASSATO E NELLE MODERNE COSTRUZIONI ANTISISMICHEMODERNE COSTRUZIONI ANTISISMICHEO COS U O S S CO COS U O S S C



Utilizzo del legno nelle prime costruzioni dell’uomo



tutt’ora utilizzato


Testimonianze dai terremoti del passatoTestimonianze dai terremoti del passatoTerremoto di Lisbona - 1755

Dopo il terremoto del 1755, a Lisbona l’interocentro cittadino è stato ricostruito sul modellocentro cittadino è stato ricostruito sul modellodelle strutture che avevano resistito meglio:quelle a base di legno, leggere e dissipative.

Oggi nella conversione in uffici ed alberghi di questiOggi, nella conversione in uffici ed alberghi di questiimmobili a 4 e 5 piani, le strutture di legno vengonomantenute senza particolari necessità diconsolidamento.


T ti i d i t ti d l tTestimonianze dai terremoti del passatoTerremoto di Reggio e Messina - 1783gg

Il G B b i f d t d ll’ i t hIl Governo Borbonico, facendo tesoro dell’esperienza portoghese,definì nel nuovo regolamento edilizio, il tipo della “casacasa baraccatabaraccata” astruttura lignea unico sistema costruttivo ammessostruttura lignea, unico sistema costruttivo ammesso.


Testimonianze dai terremoti del passatopCasa baraccata

Rispecchia le prime semplici normeche regolano il buon costruire in zonache regolano il buon costruire in zonasismica (Vivenzio 1783).

legare insieme l'edificio comelegare insieme l edificio come un'unica struttural'orditura di diagonali di gcontroventatura per fornire resistenza alle azioni lateralil f t t l d llla forma estremamente regolare dellastruttura.


Testimonianze dai terremoti del passatoTestimonianze dai terremoti del passatoCasa baraccata

Prevede l’impiego di intelaiature ligneeposte all’interno dei setti murari confunzione di rinforzo. Tale sistema, notocome “baraccato”, fu ideato prendendo

t d ll’ l ti di Li bspunto dall’analoga normativa di Lisbonaper le case “a gajola”, proposte dopo ildisastroso terremoto del 1755disastroso terremoto del 1755.


Testimonianze dai terremoti del passatopCasa baraccata

Intelaiatura ligneag


Testimonianze dai terremoti del passatoTestimonianze dai terremoti del passatoTerremoto di Norcia - 1859

Alle Istruzioni borboniche seguì il Regolamento pontificio del 1860per la costruzione nel Comune di Norcia, in cui ancora una volta sii di i i t t tti ti i i l “Cindica come unico sistema costruttivo antisismico le “Case abaracche sull’esempio di quelle che già esistono”.

Terremoto di Casamicciola - 1883

Tecnica ripresa ancora nei provvedimenti legislativi del 1883, aseguito del terremoto di Casamicciola, e nelle Norme redatte per lag , pricostruzione dei Comuni liguri colpiti da un forte movimento telluriconel 1887.


L’introduzione dell’acciaio e del cemento armato, più resistentidel legno, spostò l’attenzione verso nuovi materiali da

t i i t i t tti icostruzione e sistemi costruttivi.

concepiti come strutture antisismiche!?


MA I TERREMOTI RECENTIMA I TERREMOTI RECENTI….

Danneggiamenti, collassi e vittime in edifici “antisismici” construttura in c.a. ed in acciaio


MA I TERREMOTI RECENTI….

Vulnerabilità:Vulnerabilità:punti critici di riflessione



Vulnerabilità:p nti critici di riflessionepunti critici di riflessione



n. di persone decedute

terremoto magnitudo totale nelle strutture in legno

n. di edifici in legno in legno

Alaska, 1964 8.4 130 <10San Fernando (California), 1971 6.7 63 4 100.000 Loma Prieta (california) 1989 7 1 66 0 50 000Loma Prieta (california), 1989 7.1 66 0 50.000 Northridge (California), 1994 6.7 60 16 200.000 Hyogo‐Ken Nambu (Kobe), 1995 6.8 6300 0 8.000

riflessioniriflessioni sull’impiegosull’impiego didi costruzionicostruzioni concon strutturastrutturariflessioniriflessioni sull impiegosull impiego didi costruzionicostruzioni concon strutturastrutturainin legnolegno inin zonazona sismicasismica


Il materiale assieme alla concezione strutturale


N i t i i fl ti l i tNumerosi parametri influenzanti la rispostasismica delle strutture in legnos s ca de e s u u e eg o

Caratteristiche della strutturaConfigurazioneCaratteristiche dinamicheCaratteristiche dinamicheCapacità dissipativeRidondanza (iperstaticità)Ridondanza (iperstaticità)Dettagli

Proprietà del materialep


Costruzioni in legno “moderne”Costruzioni in legno moderne

C i lC i lConcezione strutturaleConcezione strutturale


Sistema strutturale: meccanismomeccanismo resistenteresistente globaleglobaleSistema strutturale: meccanismomeccanismo resistenteresistente globaleglobale

RigidezzaRigidezzaResistenzaDuttilitàDuttilità

MaterialeSezioneElementoStrutturaStruttura


C t tC t t didi titi t lt l ii f tif ti d lld llComportamentoComportamento didi tipotipo scatolarescatolare neinei confronticonfronti delledelleforzeforze orizzontaliorizzontali (vento(vento ee sisma)sisma)

Ruolo dei solaiRuolo dei solaiRuolo delle pareti odei controventidei controventi


SISTEMI COSTRUTTIVI “in commercio”11--costruzionicostruzioni massiccemassicce didi legnolegno

Strutturat tportante

Isolamento eIsolamento e rivestimento esterno

by Bernasconi et al. -promolegno


SISTEMI COSTRUTTIVI “in commercio”SISTEMI COSTRUTTIVI in commercio22--costruzionicostruzioni leggereleggere didi legnolegno

St ttStrutturaportante



SISTEMI COSTRUTTIVI



SISTEMI COSTRUTTIVI

by Bernasconi et al. -promolegnopromolegno


SISTEMI COSTRUTTIVI



ilil LegnoLegno nellenelle CostruzioniCostruzioni

quali sono le proprietà del quali sono le proprietà del quali sono le proprietà del quali sono le proprietà del materiale?materiale?mm



Specie legnose per uso strutturale

abete rosso abete bianco pino silvestre larice Douglasia strutturale

faggio quercia frassino robinia castagno



Specie legnose per uso strutturale

25

30

[MPa]

15

20

25

trazione parallela alla fibratura

abete rosso abete bianco pino silvestre larice Douglasia strutturale5

10

15compressione parallela alla fibratura

0

5

ord

ntro …

rice

asia

fere

gno

erce

ano

glie

abete/n

abete/cen la

dougl a

altre conif

casta

que

piop

po/ont

altre latifo

faggio quercia frassino robinia castagno

p



proprietàmassamassa volumicavolumica: è un parametro di estrema importanza in

quanto, essendo il legno è un materiale poroso-capillare, aq g p pseconda della massa volumica la percentuale dei pori èmediamente pari a 50-60%. Ciò condiziona l’assorbimentoassorbimento didivaporevapore acqueoacqueo dall’ariadall’aria circostantecircostante.

L’L’umiditàumidità deldel legnolegno (detta(detta ancheanche tenoretenore didi umiditàumidità oo contenutocontenutodidi umidità)umidità) nene influenzainfluenza praticamentepraticamente tuttetutte lele caratteristichecaratteristichefisiche,fisiche, meccanichemeccaniche ee tecnologichetecnologiche..



ProprietàProprietà MECCANICHEMECCANICHELe caratteristiche meccaniche del legno sono influenzate da numerosi sono influenzate da numerosi parametriparametri:‐ difetti;‐direzione e tipo di sollecitazione;‐ specie legnosa;‐massa volumica;‐ umidità del legno;‐ dimensioni del campione;

l à d l d h‐ velocità di applicazione dei carichi‐ durata di azione dei

fi i di‐ configurazione di prova.


ilil LegnoLegno nellenelle CostruzioniCostruzioni AntisismicheAntisismiche

Proprietà MECCANICHEAnisotropia del materialeAnisotropia del materialeil legno possiede caratteristiche meccaniche che assumono il legno possiede caratteristiche meccaniche che assumono ordini di grandezza differenti nelle tre direzioni anatomiche ordini di grandezza differenti nelle tre direzioni anatomiche fondamentali:fondamentali:-- longitudinale (L);longitudinale (L);-- radiale (R);radiale (R);-- tangenziale (T).tangenziale (T).

È la direzione lungo la quale sig qraggiungono i valori massimi



Proprietà MECCANICHEMeccanismi di collassoMeccanismi di collasso

TRAZIONETRAZIONETRAZIONETRAZIONE

parallela alla parallela alla fibraturafibratura perpendicolare alla perpendicolare alla fibraturafibratura

Rottura di tipo fragileRottura di tipo fragileRottura di tipo fragileRottura di tipo fragileInfluenza dei nodiInfluenza dei nodi



Proprietà MECCANICHEMeccanismi di collassoMeccanismi di collasso

COMPRESSIONECOMPRESSIONECOMPRESSIONECOMPRESSIONE

parallela alla parallela alla fibraturafibratura perpendicolare alla perpendicolare alla fibraturafibratura

Rottura Rottura nonnon di tipo fragiledi tipo fragileB i fl d i diB i fl d i di

Rottura Rottura nonnon di tipo fragiledi tipo fragileS hi i tS hi i tBassa influenza dei nodi Bassa influenza dei nodi

sulla resistenzasulla resistenzaSchiacciamento e Schiacciamento e tranciamentotranciamento fibrefibre



Proprietà MECCANICHE-norme

17 MPa vs. 0.4 MPa !23 MP 2 9 MP !23 MPa vs. 2.9 MPa !

TrazioneTrazione // compressionecompressione

17 MPa vs. 23 MPa !



Proprietà MECCANICHE-norme



comportamento antisismico del legnop gPREGISono legati ad alcune caratteristiche intrinseche delmateriale che lo rendono adatto per applicazioni inmateriale che lo rendono adatto per applicazioni inzona sismica

Leggerezza

Deformabilità

Resistenza



comportamento antisismico del legnop gPREGI: leggerezzaleggerezzaLe strutture in legno presentano un peso ridottorispetto a strutture analoghe ma realizzate con altririspetto a strutture analoghe ma realizzate con altrimateriali come ad esempio l’acciaio o il cemento

tarmato.peso specifico/resistenzap p

Simile a quello dell’acciaio e circa 5 volte inferiore aSimile a quello dell acciaio e circa 5 volte inferiore aquello del calcestruzzo



comportamento antisismico del legnop gPREGI: leggerezzaleggerezzaLe sollecitazioni indotte dall’azione sismica,proporzionali alla massa della struttura risultanoproporzionali alla massa della struttura, risultanodunque inferiori nel caso delle strutture in legno.

F=F= mm aaF=F= mm aa



comportamento antisismico del legnop gPREGI: resistenzaresistenzaLa resistenza del legno è dello stesso ordine digrandezza di quella del cls, ma in più è presentegrandezza di quella del cls, ma in più è presenteanche in trazione.



Pagoda del tempio di Horyu-ji a Nara (Giappone, 607 d.C.)

Struttura totalmente il legno,31 5 metri di altezza e 14 secoli31.5 metri di altezza e 14 secolidi vita.

EsempioEsempio cheche riassumeriassume tuttitutti iiEsempioEsempio cheche riassumeriassume tuttitutti iipregipregi delledelle strutturestrutture inin legnolegno..



comportamento antisismico del legnop gDIFETTIAnch’essi legati ad alcune caratteristiche intrinsechedel materiale che sembrerebbero sconsigliarnedel materiale che sembrerebbero sconsigliarnel’utilizzo in zona sismica

Fragilità



comportamento antisismico del legnop g

Fragilità!È possibile attribuire duttilità ad una struttura in legno?

SI! ci affidiamo ai collegamenti



comportamento antisismico del legnop gCriterio di gerarchia delle resistenze: “i

ll l ll d b l ” collegamenti sono gli anelli deboli”




Le unioni meccaniche in generale esibiscono unoLe unioni meccaniche in generale esibiscono uno spiccato comportamento plastico consentendo di avere buoni livelli di duttilità globale della struttura




Entrano in gioco due fenomeni:Entrano in gioco due fenomeni:Rifollamento del legnoRifollamento del legnoPlasticizzazionePlasticizzazione degli elementi di acciaiodegli elementi di acciaio



comportamento antisismico del legnop gProva di carico monotona

FFInnesco dei fenomeni (rifollamento

Crisi dell’unione2

o snervamento)1

v

vvuvy

duttilità statica: us

y

vD =

vuvy



comportamento antisismico del legnop gProva di carico dinamico ciclico

FFF

vvv

vv v

t t t

Q d i li t i i li i i d ll

t t t

Quando viene applicato un carico ciclico con inversione della forza si verificano fenomeni più complessi




1 - schiacciamento delle fibre del legno attorno al chiodo con creazione di una cavità: l’elemento di collegamento si comportal’elemento di collegamento si comportacreazione di una cavità: l elemento di collegamento si comporta l elemento di collegamento si comporta come una mensola per tutta la lunghezza della cavitàcome una mensola per tutta la lunghezza della cavità




2 – incrementando il livello di spostamento, il chiodo riprende a premere contro le fibre del legno ed il carico procede

i ti t l l i i i bbapprossimativamente lungo la curva originaria come sarebbe avvenuto durante l’applicazione monotona del carico



comportamento antisismico del legnop gProva di carico dinamico ciclicoOsservazioni:

FF

Diagrammi forza-scorrimento più“stretti” rispetto a quelli tipici

v

dell’acciaio

vFormazione delle cavità all’internodel legno

MINORE DISSIPAZIONEMINORE DISSIPAZIONE




L’unione tramite spinotto è in questo caso è ben progettata: la dissipazione avviene la dissipazione avviene p g pptramite rifollamento del legno e tramite rifollamento del legno e comportamento plastico dell’acciaiocomportamento plastico dell’acciaiop pp p




Se lo spinotto è invece molto rigido e resistente da non piegarsi: la duttilità e la la duttilità e la p gdissipazione avviene solamente per dissipazione avviene solamente per rifollamento del legnorifollamento del legnogg



comportamento antisismico del legnop gProva di carico dinamico ciclicoO i iOsservazioni:

A t d l ll d l tt t l d ttilitàA t d l ll d l tt t l d ttilità

by Piazza andTomassi

Aumentando la snellezza del connettore aumenta la duttilitàAumentando la snellezza del connettore aumenta la duttilità: cerniere plastiche nei connettori metallici + rifollamento nel legno



comportamento antisismico del legnop gProva di carico dinamico ciclicoOsservazioni:Osservazioni:

AttenzioneAttenzione dunquedunque alal progettoprogetto deidei collegamenticollegamenti ancheanche allaalla lucelucedeldel tipotipo didi collegamento!collegamento!

Molte tipologie di collegamento sono propense a collassi fragili(o a bassa duttilità) caratterizzati dallo sfilamento dei denti( )chiodati o alla rottura fragile dell’acciaio.



Quadro normativoD M 14/01/2008 “N T i h l C t i i”D.M. 14/01/2008 - “Norme Tecniche per le Costruzioni”Circolare 2/02/2009 - “Istruzioni per l’applicazione delle

t i h l t i i di i l DM08”nuove norme tecniche per le costruzioni di cui al DM08”

Eurocodice 5 - “Progettazione delle strutture in legno”Eurocodice 5 Progettazione delle strutture in legnoEurocodice 8 – “Progettazione delle strutture per la resistenza sismica”CNR-DT206/2007 “Istruzione per la progettazione, l’esecuzione ed il controllo delle strutture in legno”g


ilil LegnoLegno nellenelle CostruzioniCostruzioni AntisismicheAntisismiche

comportamento antisismico del legnop gQuadro normativo

D M 14/01/2008 “N T i h l C t i i”D.M. 14/01/2008 - “Norme Tecniche per le Costruzioni”

C 4 4 ( tti li)Cap. 4.4 (aspetti generali)Cap. 7.7 (aspetti legati alla progettazione in zona sismica)Cap 11 7 (materiali e prodotti a base di legno)Cap. 11.7 (materiali e prodotti a base di legno)

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