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PhD. Ing. Massimo Latour

Dipartimento di Ingegneria Civile – Università degli Studi di Salerno

Salerno, 08 Novembre 2013

Tipologia Costruttiva e Fattore di Struttura. Progetto in zona sismica.

PhD.Ing. Massimo Latour, 08.11.2013

Tipologia Costruttiva e fattore di Struttura.

Progetto in zona sismica.


Metodi di Analisi Strutturale



Analisi Lineare Analisi Non-Lineare

Statica Dinamica

(Modale)

Statica

(Pushover)

Dinamica

(Time-History) Sa

Sd

Sa

Sd d*

Tempo di Analisi

Difficoltà Modellazione

Sa

Sd


Metodi di Analisi Strutturale



Metodi di Analisi Lineare

Statica Lineare

Dinamica Modale

Si assume che la struttura si comporti in maniera elastica e non si assegna alcun

comportamento inelastico.

Limitata alle strutture regolari in pianta e in elevazione. Ha un limitato range di

applicabilità

E’ il metodo di calcolo normalmente adottato per le strutture nuove, applicabile

anche alle strutture irregolari, basato sulla determinazione dei modi di vibrare.

Spettro Elastico

(q = 1)

Reference Spectrum: Code Defined Spectrum

Period (sec)

21,91,81,71,61,51,41,31,21,110,90,80,70,60,50,40,30,20,1

Actu

al S

pectr

a

0,6

0,4

0,2

Spettro Inelastico

(q > 1)


Fattore di Struttura - Definizione



Il fattore di struttura è pari al rapporto fra lo spettro elastico e lo spettro inelastico.

Questo può essere rivisto come rapporto tra il valore dell’intensità sismica che porta

a collasso la struttura e quello che la porta al limite elastico

Spa

T

Spettro Elastico

Spettro Inelastico

Spa

Spa/q

Determinare con analisi

non-lineari


Fattore di Struttura - Definizione



Il fattore di struttura è il coefficiente che utilizziamo nella progettazione per ridurre le

forze ottenute da un’analisi lineare al fine di tener conto della risposta non-lineare

associata a:

• Tipologia di Sistema strutturale (A telaio, a pannelli, controventata);

• Procedure di progetto impiegate (Regole di dettaglio);

CD ‘’B’’ CD ‘’A’’ Non dissipativa


Fattore di Struttura – NTC08



Scarsamente-Dissipativo

Sovra-resistenza q0 < 1,5

q0<1,5 q0<1,5





Dissipativo – Bassa Duttilità

q0=2,5

q0=2 q0=2 Regole di dettaglio CD B

Cross Lam





Dissipativo – Alta Duttilità

q0=4

Regole di dettaglio CD A q0=5

Platform Frame





Dissipativo – Alta Duttilità

CARENTE!!! Non sono considerate

tipologie costruttive molto diffuse.

e.g. Strutture intelaiate, fattori per

XLAM sottostimati, Blockhaus, etc.

q0=4

Regole di dettaglio CD A q0=5


Il Legno - Dissipazione



Vantaggi del legno in zona sismica:

• Leggerezza;

• Elevato rapporto resistenza/peso;

Difetti:

• Fragilità a trazione, flessione e taglio;

Legno netto Legno Strutturale





Allora nel legno dove avviene la dissipazione energetica?

Per sopperire a questo comportamento fragile il mondo della ricerca ha seguito due strade.

Incremento della duttilità

modificando il materiale

Incremento della duttilità

strutturale integrando elementi

dissipativi nei collegamenti

Esempio

Legno Armato (Cattich, Gottardi, Piazza, 2003)

Rotture a taglio limitano comunque la

duttilità flessionale. Processo produttivo

complicato.





F

d





F

d

Fase 1. Carico fino

a d=d1

d1





F

d

Fase 2. Rilascio e ricarico fino a d=0

d1





F

d

Fase 3. Ricaricofino

a d=-d1

d1

-d1





F

d

Fase 4. Ricarico fino a d=0

d1

-d1





F

d

Fase 4. Rilascio e ricarico fino a d=0

L’aerea indica l’energia dissipata per

isteresi

(n.b.: ridotta rispetto ad una situazione

ideale di completa plasticizzazione)

Pinching

Pinching

d1

-d1

Le risorse dissipative risultano molto più

limitate rispetto ad altri sistemi costruttivi

www.holzbau.rubner.com Tipologia Costruttiva e Fattore di Struttura. Progetto in zona sismica.


(Popovski, PhD Thesis, 2000)


Scarsa capacità di dissipare energia. Bassa duttilità

Capacità dissipative limitate dal Pinching, buona duttilità.

Rottura

essenzialmente

del legno. FRAGILE

Rottura del

connettore. DUTTILE


Regole di dettaglio



Queste regole si possono ritenere rispettate se, nelle zone dissipative si prevede che:

• Collegamenti:

Mezzi di unione - d<12 mm

spessore minimo pannello 4d

diametro massimo dei connettori di 3,1 mm

Membrature lignee collegate sp>10d.

• Pareti con telaio in legno:


Le tipologie Strutturali



Con riferimento agli edifici, le tipologie strutturali più diffuse sono:

Sistemi massicci Sistemi ‘’leggeri’’

Blockhaus

(Elementi lineari) CrossLam

(Elementi piani)

Diffuso in Europa del nord

Platform Frame A telaio MRF/ controventato

Sistema più recente Prevalentemente in

Nord-America e Canada

Giappone Post & Beam


Sistema Platform Frame



Vantaggi del Platform Frame

• Alto rapporto resistenza/peso;

• Assemblaggio semplice in

cantiere;

• Elevatissima ridondanza

strutturale;

• Alta resistenza alle azioni

sismiche;

• Alta duttilità;

• Versatilità;





Gesso o OSB

Angles

Hold down

SERIES Project

Tie-down





ZONA RIGIDA

Hold-Down a

Trazione

Angolari a taglio

Graffette,

chiodi o viti

per la

connessione

di pannelli in

gessofibra o

OSB









Prove

Università di

Trento









La gerarchia delle resistenze, nella progettazione di questi edifici deve prevedere

che:

• Le zone dissipative sono localizzate nelle giunzioni chiodate pannello-telaio;

• Tutti gli altri elementi devono essere dimensionati per essere sovra-resistenti in

ottemperanza ai principi di capacity design;

• Il piede del pannello è rigidamente vincolato dagli angolari metallici e la

dissipazione avviene grazie alla distorsione angolare del pannello stesso;

• Bisogna evitare i meccanismi fragili quali lo schiacciamento del legno nella zona

compressa o la rottura prematura del panello in gesso o OSB;

NORMATIVA CARENTE!!!

Le uniche indicazioni fornite riguardano

i massimi diametri dei chiodi e i minimi

spessori dei pannelli

INDIETRO


Sistema Cross Lam



Vantaggi del Cross Lam

• Alto rapporto resistenza/peso;

• Rapidi da assemblare;

• Basso Impatto;

• Ottime caratteristiche

acustiche e termiche;

• Elevata resistenza al fuoco;

• Durabilità;


Sistema Cross Lam



Gli edifici in Cross-Lam sono realizzati assemblando pannelli a strati incrociati che vengono utilizzati sia

per realizzare le pareti che gli impalcati. Tutti gli elementi sono collegati con chiodi, viti ed piastre metalliche.


Sistema Cross Lam



Gli edifici in Cross-Lam sono realizzati assemblando pannelli a strati incrociati che vengono utilizzati sia

per realizzare le pareti che gli impalcati. Tutti gli elementi sono collegati con chiodi, viti ed piastre metalliche.


Sistema Cross Lam



EDIFICIO SOTTOPOSTO A PROVA SOPRA LA TAVOLA VIBRANTE DEL NIED.

X-Lam Panels

LVL joints between panels

Angles

Hold down

SOFIE Project (IVALSA)


Sistema Cross Lam



Hold-Down a

Trazione Angolari a

taglio

Pannello a strati

incrociati incollati

Allungamento

chiodi Hold-down


Sistema CrossLam



SOFIE Project (IVALSA): Prove su pannelli

(Gravic et al., 2011)


Sistema CrossLam



SOFIE Project (IVALSA): Prove su pannelli


Sistema CrossLam



PROVA SPERIMENTALE DI HOLD-DOWN

CARICATO IN TAGLIO CICLI DI ISTERESI DI UN HOLD-DOWN CARICATO A TAGLIO

Rottura dell’angolare

HO

LD

-DO

WN

A T

RA

ZIO

NE

H

OL

D-D

OW

N A

TA

GL

IO

Rottura per rifollamento dei chiodi

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

0 5 10 15 20 25 30

F [k

N]

d [mm]

Hold-Down in Tension

sperimentale

-15

-10

-5

0

5

10

15

-60 -40 -20 0 20 40 60

F [k

N]

d [mm]

Hold-down in shear

sperimentale



SOFIE Project (IVALSA): Prove su collegamenti


Sistemi Innovativi



La tendenza nei sistemi più innovativi è quella di spostare la dissipazione

energetica in elementi sostituibili che non dissipino nei connettori, come nelle

strutture tradizionali.

Dissipazione nel piatto metallico

(Andreolli, 2011)

Tradizionale q=2/2,5


Sistemi Innovativi



XL-stub

Al fine di migliorare il comportamento ciclico delle connessioni tradizionali si è

proposto un nuovo tipo di collegamento che sostituisca l’Hold-down

Hold -Down

Patent Pending – Domanda n°MI20130222

Gruppo di Ricerca: Ing. M.Latour, Prof. G.Rizzano, Ing. G.Terrano


Sistemi Innovativi

CICLI DI ISTERESI DI UN HOLD-DOWN CARICATO A TRAZIONE

XL-stub

L’angolare proposto si ispira ai dispositivi ADAS. E’ un angolare dissipativo progettato per plasticizzare la flangia

e per massimizzare le capacità isteretiche grazie alla sua praticolare forma ad X.

M

M \

Patent Pending – Domanda n°MI20130222

Gruppo di Ricerca: Ing. M.Latour, Prof. G.Rizzano, Ing. G.Terrano




Sistemi Innovativi



Al fine di mostrare le capacità del dettaglio proposto è stata pianificata un’indagine

sperimentale. Il dispositivo è stato dimensionato per avere la stessa resistanza dell’angolare

testato nell’ambito del progetto SOFIE.

Prove sotto macchina a trazione universale

Schenck Hydropuls S56

- 1 Prova monotona;

- 3 Prove cicliche ad ampiezza costante;

- 1 Prova ciclica ad ampiezza variabile


Sistemi Innovativi




CARICATO IN TAGLIO

-250

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

F [k

N]

d [mm]

HD-CV vs A04-XS-CV

HOLDOWN

A04-XS-CV


Sistemi Innovativi



Immagini Termografiche

Ciclo 0 Ciclo 3 Ciclo 6


Sistemi Innovativi



Allo scopo di confrontare il comportamento di un edificio ipotizzato

alternativamente realizzato con hold-down e con XL-stub è stato realizzato il

modello numerico in SeismoStruct dell’edificio di 3 piani del progetto SOFIE.

Sistemi Innovativi




CARICATO IN TAGLIO

GAP GAP


Sistemi Innovativi



Application delle masse Accelerogrammi (Ceccotti et al., 2006)

KOBE 16/1/95 - JMA N-S 48.0S

EL CENTRO 19/5/40 - IMPERIAL VALLEY N-S 40.0S

NOCERA UMBRA 27/7/97 - NOCERA E-W 13,7S

NORTHRIDGE 17/1/94 - NEWHALL E-W 19.98S

LOMA PRIETA 18/10/89 - CORRALITOS E-W 39.98S

KOCAELI 17/8/99 - YAPI KREDI N-S 85.80S

Dynamic non linear Analyses

Lumped Mass

x=5% Dt=0.01s


Sistemi Innovativi



SIMULAZIONE SISMA NOCERA UMBRA 1.2g – Progetto SOFIE


Sistemi Innovativi



q= au/a1

Edificio con XL-Stubs

Edificio Tradizionale

Mediante il modello numerico calibrato sulle prove sperimentali è stata

effettuata una valutazione preliminare del fattore di struttura.

E’ stato eseguito un set di analisi IDA valutanto il fattore di struttura come

rapporto tra il moltiplicatore dell’accelazione di picco che porta al limite elastico

la struttura e quella che la porta al collasso.


Sistemi Innovativi



Earthquake building with L-stubs building with hold-downs

y u q y u q

El Centro (19/5/40, Imperial Valley, N-S, 40.0s) 0.50 2.25 4.50 0.35 1.20 3.43

Kobe (16/1/95, JMA, N-S, 48.0s) 0.45 2.10 4.67 0.35 1.15 3.20

Kocaeli (17/8/99, Yapi Kredi, N-S, 85.80s) 0.45 2.20 4.89 0.35 1.43 4.09

Loma Prieta (18/10/89, Corralitos, E-W, 39.98s) 0.55 2.70 4.91 0.35 1.05 3.00

Nocera Umbra (27/7/97, Nocera, E-W, 13.7s) 0.45 3.00 6.67 0.35 1.60 4.57

Northridge (17/1/94, Newhall, E-W, 19.98s) 0.40 2.50 6.25 0.35 0.88 2.51

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 5,50 6,00 6,50 7,00 7,50

Kobe El centro Nocera Umbra

Northridge Loma Prieta Kokaeli

L-STUB

HOLD DOWN

XL-Stub

qmin=4.50

Hold-Down

qmin=2.51

1.8 times greater

Valutazione del fattore di struttura


GRAZIE PER L‘ATTENZIONE!



Ing. Massimo Latour

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