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RESILIENZA E SOSTENIBILITÀ

NELLE COSTRUZIONI IN ZONA SISMICA

Paolo Clemente, PhD Dirigente di Ricerca

PAOLO CLEMENTE RESILIENZA E SOSTENIBILITÀ NELLE COSTRUZIONI IN ZONA SISMICA

Costruire ed adeguare sismicamente con le moderne tecnologie antisismiche. La certezza della soluzione più sicura Mirandola, Auditorium Rita Levi Montalcini – 2 Ottobre 2015

RESILIENZA In Ingegneria Resilienza = capacità di un materiale di resistere agli urti senza rompersi; rappresenta il contrario della fragilità

In Psicologia Resilienza = capacità di far fronte in maniera positiva a eventi traumatici, di riorganizzare positivamente la propria vita dinanzi alle difficoltà, di ricominciare sfruttando le opportunità positive che la vita offre, ossia capacità di adattarsi al cambiamento

Rischi naturali, guerre, atti terroristici Concetto applicato anche a un’intera comunità. Gli eventi catastrofici possono:

  interrompere processi di sviluppo in atto ma anche, al contrario,

  determinarne nuovi impulsi per accelerare la crescita e lo sviluppo.

A seguito di eventi catastrofici:

  in molti casi vere e proprie diaspore

  in altri è stato rispettato e conservato il tessuto economico e artistico, oltre alla coesione sociale e ai valori, caratteristiche essenziali di una comunità resiliente



SOSTENIBILITÀ "Soddisfare le esigenze attuali senza compromettere la capacità delle future generazioni di soddisfare le proprie" (Harem Brundtland, pres. WCED, UN)

Lo sviluppo sostenibile condiziona tutti i momenti della attività dell’ingegnere.

Ingegnere civile: progettazione di infrastrutture civili, pietre angolari della civiltà moderna, consentendo ad essa di funzionare, crescere e sopravvivere:

  impianti per l’acqua, di trasporto, di gestione dei rifiuti, di produzione di energia

Ovunque nel mondo c’è necessità di   costruire nuovi sistemi di infrastrutture civili,

  riparare quelli esistenti, deteriorati dal tempo o da eventi naturali o dovuti all’uomo,

  salvaguardare strutture di interesse storico e artistico.

Va fatto nell’ottica di:

"non accendere sull’ambiente ipoteche che i nostri figli non possano estinguere"



SISTEMI, STRUTTURE E MATERIALI

Resilienza e sostenibilità di sistemi complessi

Resilienza e sostenibilità di una struttura

Resilienza e sostenibilità dei singoli componenti del sistema (struttura)

Resilienza e sostenibilità dei singoli elementi strutturale e dei materiali

Materiali, componenti ed i l iz i e tecnologie costruttive

Produzione industriale di tipo eco-orientato

 Materie prime rinnovabili  Prodotti a limitato consumo energetico

 Nessun rilascio di sostanze nocive  Riciclaggio per dismissione

 Riciclabili, riciclati, di recupero, di provenienza locale e di materie prime rinnovabili e durevoli nel tempo

 Caratterizzati da ridotti valori di energia e di emissioni di gas serra inglobati

 Rispetto del benessere e della salute degli abitanti



SOLAI, REGOLARITÀ E COMP. STRUTTURALE Infinitamente rigidi nel loro piano rispetto agli elementi verticali

Sufficientemente resistenti

edificio regolare in pianta

Funzione di ripartizione delle azioni orizzontali tra le pareti di ed. in muratura (diaframmi orizz.) •  collegati alle pareti •  sufficiente rigidezza e resistenza nel loro piano

comportamento di tipo globale

Orizzontamenti e coperture: non spingenti

Solai deformabili (Edifici in muratura

– Aggregati edilizi)

distribuzione tra pannelli della stessa parete o complanari collegati

singole pareti o sistemi di pareti complanari,

soggetta a carichi verticali e sisma nel proprio piano

Interventi di consolidamento

ridurre le carenze dei collegamenti (tra le pareti e tra pareti e solai)

ridurre l’eccessiva deformabilità dei solai



EDIFICI CON ISOLAMENTO SISMICO

La condizione precedente si considera soddisfatta se un diaframma rigido costituito da un solaio in c.a. …

Comportamento rigido nel piano suddetto, così da limitare gli effetti di spostamenti sismici differenziali



SOLAI INFINITAMENTE RIGIDI NEL LORO PIANO

  Conglomerato cementizio armato

  Latero-cemento

  Struttura mista

  Altre soluzioni costruttive

  Nessuna prescrizione

  con soletta in c.a. ≥ 40 mm

  con soletta in c.a. ≥ 50 mm collegata da connettori a taglio agli elementi strutturali di solaio in   acciaio   legno

  ipotesi di infinita rigidezza valutata

dal progettista

  Aperture presenti → non devono ridurre la rigidezza



A

SOLAIO LATERCOMPOUND LEGNO-CLS

Travetti Compound® in legno lamellare di Abete rosso certificato a norme DIN

Elementi di interposizione in laterizio

Soletta in c.a.

Malta a stabilità volumetrica

Traliccio in acciaio elettrosaldato di tipo “Bausta” inserito meccanicamente tramite una particolare fresatura ad incastro



TRASPORTO



POSA IN OPERA



INTRADOSSO

Curvo

Piano



PUNTI DI FORZA DEL SOLAIO COMPOUND

Tecnologia altamente industrializzata

  utilizzo di travi lamellari e di tralicci metallici standard

  getto di malta a stabilità volumetrica

  confezionamento e assemblaggio

Volumi e pesi contenuti

  azioni sismiche ridotte

  gestione logistica, trasporti e movimentazioni agevolati

  posa in opera veloce e sicura (autoportanza)

Economicità del prodotto finito

  rispetto ad altri solai misti legno-cls e latero-cemento

Legno + laterizio (p.p. = 2.00 kN/m2)

 massa idonea per un buon isolamento termico

  collaborazione del laterizio con soletta

A



DIFFERENZE CON ALTRI SOLAI

Connessione   malta a stabilità volumetrica,

  pioli/denti di legno e cls

  traliccio metallico

non mediante resine speciali e connettori metallici

Soletta in c.a. Diaframma rigido che garantisce il collegamento con le strutture verticali e la

rigidezza infinita del solaio nel proprio piano



CONNESSIONI TRAVE – SOLETTA IN C.A.   Realizzata con sistemi dei quali sia stata dimostrata la validità per mezzo di

adeguate campagne sperimentali condotte secondo le pertinenti norme

  Rigidezza e capacità portante: determinate tramite prove sperimentali e

sulla base di teorie di comprovata validità che tengano conto delle

specifiche caratteristiche della connessione così come sarà utilizzata in opera

  Denti di cls   resistenza a scorrimento longitudinale e a flessione locale del legno

indebolito dalle fresature

  resistenza a taglio e flessione del dente di cls

  resistenza a rifollamento del legno

  Spinotti

  Altri sistemi È ammesso purché la resistenza e la rigidezza vengano chiaramente

individuate su base sperimentale e teorica

Connessione con



PROVE STATICHE - ISTEDIL

Prove preliminari a flessione fino a rottura



COLLAUDO



PROVE DI PUSH-OUT - ISTEDIL

300

660 100

408

60

300

50 200 54 5054

A

A

104

175

125

200

1500




10 tipologie di campioni, 2 provini per ogni tipologia

Limitatori laterali

Cella di carico

Appoggio

Trave in

lamellare

Pannello

Trasduttore

ancorato alla

trave lignea

Contrasto

ancorato alla

soletta in cls

F

Soletta in cls

  Passo (lunghezza) tra i denti di legno: •  300 (125), 400 (150), 500 (170) mm

  2 tipologie di traliccio •  normale •  con tralicci orizzontali saldati nel piano della

connessione, in corrispondenza dei denti di cls;   2 tipi di getto di riempimento

•  diretto •  con malta a ritiro compensato (E=Ec)

  2 tipologie di interfaccia legno-malta •  diretta •  con prodotto a base epossidica (umidità e aderenza)

  2 tipologie di scanalatura •  rettangolare •  a coda di rondine

L=1500 mm – Trave legno lam. 100x200 mm R

ck = 25 MPa – B=660 mm

Denti di legno = 18x18 mm




Resistenze: •  valori di resistenza doppi dovuti soprattutto alla malta •  resistenze specifiche provini con i denti di legno e malta = 50 e 60 N/mm •  strato di resina aumenta tale resistenza del 15% circa •  traliccio orizzontale non comporta alcun incremento della resistenza,

avvenendo la rottura per schiacciamento dei denti di legno.

Rigidezza media normalizzata ≈ 500 N/mm2

Comportamento   Campioni senza denti: elasto-plastico (tratto

orizzontale per superamento aderenza )

  Campioni con denti: •  primo tratto di rigidezza finita, •  breve tratto orizzontale a carico costante

(superamento soglia di aderenza), •  tratto crescente di rigidezza minore, •  tratto orizzontale (superamento resistenza

allo schiacciamento dei denti di legno) •  tratto discendente

0.0

20.0

40.0

60.0

80.0

100.0

120.0

140.0

160.0

180.0

-5.00-4.00-3.00-2.00-1.000.001.00

kN



ANALISI NUMERICHE Tensione di compressione parallela

Tensione tangenziale

Ansys, elementi SOLID45 a 8 nodi, con funzioni di forma lineari Elemento in cls omogeneo e isotropo con perfetta aderenza tra malta Legno lamellare: classe resistente GL24h, con rigidezza e resistenza da EN 1194 •  Fase elastica: materiale ortotropo •  Fase post-elastica: valori tensioni snervamento a trazione, compressione e a taglio nelle

direzioni principali, superficie di rottura criterio di Norris. Superfici legno-malta e legno-cls: elementi a 4 nodi CONTA173 e TARGE170



PUSH-OUT: UNITN



PUSH-OUT: UNITN

L=450 mm – Trave legno lam. 100×120 mm Elemento centrale cls armato 160×100 mm

  Lunghezza denti •  50 mm •  100 mm

  Malta •  M1 •  M2

100

120 160 120

400

100

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

scorrimento [mm]

LVDT 2LVDT 4

LVDT 1LVDT 3



SOLAIO: PROVINO



SOLAIO: APPARATO PROVA – UNITN

P/4 P/4

662,5 1325 1325 1325 662,5

( cerniera ) ( carrello )

2120 530 2120

T2

T4

G1

G2

T1

T3

G3

G5

Trasduttori per il rilievo dello

scorrimento relativo alle testate


spostamento verticale

T2 T1

G2

G1 G3Trasduttori per il rilievo dello








P/4P/4

G4

G4

G6

G5G6

T4 T3

530



SOLAIO: PROVA DI CARICO – UNITN



RISULTATI

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

-0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3

scorrimento [mm]

cari

co

[kN

/m]

AK 150 1

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 20 40 60 80 100 120 140 160

freccia [mm]

cari

co

[kN

/m]

Forza – Scorrimento

Carico – Freccia



PROGETTO CAMPEC

Prove sismiche su tavola vibrante di una struttura in muratura

con copertura a solaio in legno tipo

“Compound”



CASE CICALA

Esempio di edilizia di fine ‘800 a Messina Hanno resistito al terremoto del 1908

Copertura in legno Solai intermedi: volte a botte Muratura: “ a sacco” al piano 1 a 2-3 teste ai piani superiori



MODELLO IN SCALA

Solaio Compound

Tiranti in acciaio



MODELLO SPERIMENTALE   Analisi numerica (modello FEM)

  Analisi sperimentale

  Confronto tra risultati sperimentali e numerici



CARATTERIZZAZIONE DINAMICA

Punti di sollecitazione

ACC 01

0,E+00

1,E-02

2,E-02

3,E-02

4,E-02

5,E-02

6,E-02

7,E-02

8,E-02

0 20 40 60 80 100

Freq. (Hz)

PS

D (

mg

^2

/Hz)

acc1 (02)

acc1 (03)

acc1 (05)

acc1 (06)

acc1 (09)

acc1 (11)

acc1 (12)

acc1 (15)

acc1 (16)

acc1 (19)

acc1 (20)

  Test a intensità crescente: le frequenze non cambiano

  I valori dello scorrimento trave in

legno – soletta in c.a. sono risultati

trascurabili (inferiori alla sensibilità

della strumentazione)



PROVE SU TAVOLA VIBRANTE

0 4 8 12 16 20t (sec)

-8

-4

0

4

8

Acce

lera

zio

ne

(m

/se

c2)

A31 latrealtà

Sap

0 4 8 12 16 20t (sec)

-6

-4

-2

0

2

4

6

Acce

lera

zio

ne

(m

/se

c2)

A32 lonrealtà

Sap

  Il modello è sottoposto a diverse serie di prove sismiche

  Sostanziale coincidenza tra i risultati sperimentali e quelli del modello matematico

  Il modello inizia a fessurarsi con PGA = 0.5g



COLLASSO



Muratura semplice non armata Muratura portante ordinaria in mattoni

semipieni tipo UNI 55 x 120 x 250 mm Giunti di malta con concatenamento di

tipo “Gotico”: alternanza tra ortostati e diatoni (lato minore – testa, lato maggiore - fascia).

MURATURA PORTANTE

Muratura Armata   attraversamento degli elementi in

laterizio   pilastrini in calcestruzzo armati ad

interasse predefinito   connessione ortogonale con armatura di

collegamento



ARMALATER: LATERIZIO

Mattoni prodotti in qualità Klinker di tipo % foratura: 35 ÷ 40%.

Vantaggi

  Tecnico-funzionali: maggiori dimensioni con sovrapposizioni concatenanti più

apprezzabili e superfici di contatto più generose,

  Estetici: mattoni faccia vista in Klinker

  Economici: maggiore resistenza nel tempo all’aggressione degli agenti

atmosferici con azzeramento dei costi di manutenzione



Armalater

  microarmatura diffusa rappresentata da spinotti: tondini di acciaio nervato Ø 5 mm all’interno dei fori per la formazione dell’ingranaggio

  connessione sfalsata, concatenante i mattoni del corso inferiore con quelli del corso superiore

  Malta tipo M1/M2

MURATURA ARMALATER



ARMALATER: MURATURA TIPO



ARMALATER: PARTICOLARE ANGOLO   Calandri fiduciari angolari con funzione di collegamento delle murature

ortogonali, formati da un doppio traliccio elettrosaldato fissato su una piastra d’acciaio, gettato (una volta ultimato il muro in elevazione) insieme al

  Cordolo di collegamento (larghezza 240 mm, altezza variabile in funzione dei solai, armati con Ø 14 mm e staffe Ø 6 mm) ed al

  Solaio



ARMALATER: PARTICOLARE MARTELLO



ARMALATER: PARTICOLARI VANI



PROVE DI SCORRIMENTO



LATERWALL



MURO ARMALATER   Muro portante in mattoni Klinker a facciavista

  Intonaco interno 15 mm in vermiculite

  Strato isolante in lana di roccia di spessore variabile in funzione della zona climatica 80 ≤ X ≤ 160 mm con interposta moralatura interasse 60/120 cm.

  Barriera al vapore

  Intercapedine d’aria 50 mm per gli impianti

  Parete interna a secco (OSB + cartongesso fissati alla moralatura dell’isolante)

  Resistenza al fuoco (6 ore)

  Inerzia termica (massa)

  Coibenza acustica



ISOLAMENTO SISMICO IN EDIFICI IN MURATURA

45

Edificio ENEA – ANDIL



CASO DI STUDIO 3 + 1 piani

Isolatori in sommità al piano interrato

Muratura:

•  laterizio (B) •  Poroton (P)



CONFRONTO ECONOMICO ag·S ag·S=0.25g ag·S=0.35g ag·S=0.45g

case B P B P B P

Fixed Base FB 0.84 0.69 0.90 0.75 1.00 -

Base Isol. (Se = 0.20g) 0.84 0.68 0.84 0.68 0.84 0.68

Hard Soil Isol. system - - 0.11 0.07 0.10 0.11

BI - - 0.95 0.74 0.94 0.79

BI/FB - - 1.05 0.97 0.94 -

Medium S. Isol. system 0.32 0.34 0.14 0.21 0.12 0.12

BI 1.16 1.01 0.98 0.88 0.96 0.79

BI/FB 1.38 1.53 1.08 1.17 0.96 -

Soft Soil Isol. system 0.30 0.30 0.21 0.21 0.17 0.19

BI 1.14 1.17 1.05 0.88 1.01 0.86

BI/FB 1.36 1.75 1.16 1.17 1.01 -



TAMPOPLAST

Elemento giunto sup. e inf.

Elemento giunto laterale

Elemento montante

Pareti in blocchi connessi con elementi in materiale plastico e relativi elementi costitutivi – (Brevetto ENEA – P. Clemente)

Elemento giunto (cappello)

Elemento Fascia



TAMPOPLAST



TAMPOPLAST: PROVE A TAGLIO



FINE

  Il mondo delle costruzioni gioca un ruolo importante nella definizione delle politiche di sviluppo sostenibile

  l’ingegnere deve fronteggiare nuove problematiche e nuove sfide

“Ridate orgoglio e prestigio agli ingegneri. Il mondo è pieno di avvocati e economisti e ovviamente tutti sono utili, ma alla fine sono gli ingegneri che fanno le cose”

(Akio Morita, pres. fondatore Sony, 1992)

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