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Il presente lavoro illustra l’applicazione dei principi della progettazione in capacità (gerarchia delle resistenze) ad un edificio ligneo con struttura in XLAM in classe di duttilità media (CD “B”), presentando anche una applicazione pratica ad un caso studio: una struttura di due piani progettata mediante il software TimberTech Buildings, di cui si riporta integralmente la relazione di calcolo.

Il comportamento strutturale dissipativo

Le Norme Tecniche per le Costruzioni prevedono che le strutture in legno soggette ad azione sismica siano progettate in accordo ad uno dei seguenti comportamenti strutturali:

• comportamento strutturale non dissipativo;
• comportamento strutturale dissipativo.

Nel caso di adozione di un comportamento strutturale non dissipativo, tutti gli elementi strutturali e i collegamenti rimangono in campo elastico.

La domanda derivante dall‘azione sismica e dalle altre azioni è calcolata, in funzione dello stato limite cui ci si riferisce, indipendentemente dalla tipologia strutturale e senza tener conto delle non linearità del materiale, attraverso un modello elastico.

Nel caso di adozione di un comportamento strutturale dissipativo, un numero elevato di elementi duttili evolvono in campo plastico, mentre la restante parte della struttura (elementi fragili) deve rimanere in campo elastico.

Classi di duttilità e fattore di sovraresistenza

Una costruzione a comportamento strutturale dissipativo deve essere progettata per conseguire una delle Classi di Duttilità:

• CD ”A”, ad elevata capacità dissipativa;
• CD ”B”, a media capacità dissipativa.

In entrambi i casi le Norme Tecniche per le Costruzioni prescrivono di utilizzare i procedimenti della progettazione in capacità.

La progettazione in capacità (o capacity design) ha lo scopo di assicurare alla struttura dissipativa un comportamento duttile ed opera come segue:

• distingue gli elementi e i meccanismi, sia a livello locale che globale, in duttili e fragili;
• mira ad evitare le rotture fragili locali e l’attivazione di meccanismi globali fragili o instabili;
• mira a localizzare le dissipazioni di energia per isteresi in zone duttili a tal fine individuate e progettate.

Per garantire ciò si deve progettare la resistenza sismica degli elementi/meccanismi fragili, locali e globali, in modo che sia maggiore di quella degli elementi/meccanismi duttili.

Per assicurare il rispetto di tale diseguaglianza, a livello sia locale sia globale, la resistenza degli elementi/meccanismi duttili è incrementata mediante un opportuno coefficiente γRd, detto “fattore di sovraresistenza”; a partire da tale capacità maggiorata si dimensiona la capacità degli elementi/meccanismi fragili.

Tale coefficiente è definito (Tab 7.2.I) pari ad 1,3 per la classe di duttilità CD “B” e 1,6 per la classe di duttilità CD “A”.

In ogni caso le Norme Tecniche per le Costruzioni consentono di limitare la domanda di resistenza valutata con i criteri della progettazione in capacità, assumendola non superiore alla domanda di resistenza valutata per il caso di comportamento strutturale non dissipativo.

Zone dissipative e zone non dissipative

Con riferimento al caso considerato, edificio ligneo con struttura in XLAM in classe di duttilità media (CD “B”), le zone dissipative sono costituite da:

• collegamento meccanico verticale tra pannelli di parete (pareti giuntate);
• elementi duttili della connessione a trazione (chiodatura);
• elementi duttili della connessione a taglio (chiodatura).

Le zone non dissipative sono invece rappresentate da:

• fogli di rivestimento;
• elementi fragili della connessione a trazione (ad esempio tasselli nel c.a.);
• elementi fragili della connessione a taglio (ad esempio tasselli nel c.a.);
• elementi lignei.

Figura 1 – Edificio ligneo con struttura in XLAM in classe di duttilità media (CD “B”): zone dissipative

… continua la lettura nel PDF contenente anche la relazione di calcolo.

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Il presente lavoro illustra l’applicazione dei principi della progettazione in capacità (gerarchia delle resistenze) ad un edificio ligneo con struttura a telaio leggero in classe di duttilità media (CD “B”), presentando anche una applicazione pratica ad un caso studio: una struttura di due piani progettata mediante il software TimberTech Buildings, di cui si riporta integralmente la relazione di calcolo.

Il comportamento strutturale dissipativo

Le Norme Tecniche per le Costruzioni prevedono che le strutture in legno soggette ad azione sismica siano progettate in accordo ad uno dei seguenti comportamenti strutturali:

• comportamento strutturale non dissipativo;
• comportamento strutturale dissipativo.

Nel caso di adozione di un comportamento strutturale non dissipativo, tutti gli elementi strutturali e i collegamenti rimangono in campo elastico.

La domanda derivante dall‘azione sismica e dalle altre azioni è calcolata, in funzione dello stato limite cui ci si riferisce, indipendentemente dalla tipologia strutturale e senza tener conto delle non linearità del materiale, attraverso un modello elastico.

Nel caso di adozione di un comportamento strutturale dissipativo, un numero elevato di elementi duttili evolvono in campo plastico, mentre la restante parte della struttura (elementi fragili) deve rimanere in campo elastico.

Classi di duttilità e fattore di sovraresistenza

Una costruzione a comportamento strutturale dissipativo deve essere progettata per conseguire una delle Classi di Duttilità:

• CD ”A”, ad elevata capacità dissipativa;
• CD ”B”, a media capacità dissipativa.

In entrambi i casi le Norme Tecniche per le Costruzioni prescrivono di utilizzare i procedimenti della progettazione in capacità.

La progettazione in capacità (o capacity design) ha lo scopo di assicurare alla struttura dissipativa un comportamento duttile ed opera come segue:

• distingue gli elementi e i meccanismi, sia a livello locale che globale, in duttili e fragili;
• mira ad evitare le rotture fragili locali e l’attivazione di meccanismi globali fragili o instabili;
• mira a localizzare le dissipazioni di energia per isteresi in zone duttili a tal fine individuate e progettate.

Per garantire ciò si deve progettare la resistenza sismica degli elementi/meccanismi fragili, locali e globali, in modo che sia maggiore di quella degli elementi/meccanismi duttili.

Per assicurare il rispetto di tale diseguaglianza, a livello sia locale sia globale, la resistenza degli elementi/meccanismi duttili è incrementata mediante un opportuno coefficiente γRd, detto “fattore di sovraresistenza”; a partire da tale capacità maggiorata si dimensiona la capacità degli elementi/meccanismi fragili.

Tale coefficiente è definito (Tab 7.2.I) pari ad 1,3 per la classe di duttilità CD “B” e 1,6 per la classe di duttilità CD “A”.

In ogni caso le Norme Tecniche per le Costruzioni consentono di limitare la domanda di resistenza valutata con i criteri della progettazione in capacità, assumendola non superiore alla domanda di resistenza valutata per il caso di comportamento strutturale non dissipativo.

Zone dissipative e zone non dissipative

Con riferimento al caso considerato, edificio ligneo con struttura a telaio leggero in classe di duttilità media (CD “B”), le zone dissipative sono costituite da:

• collegamento meccanico tra telaio e fogli di rivestimento;
• elementi duttili della connessione a trazione (chiodatura);
• elementi duttili della connessione a taglio (chiodatura).

Le zone non dissipative sono invece rappresentate da:

• fogli di rivestimento;
• elementi fragili della connessione a trazione (ad esempio tasselli nel c.a.);
• elementi fragili della connessione a taglio (ad esempio tasselli nel c.a.);
• elementi lignei.

Figura 1 – Edificio ligneo con struttura a telaio leggero in classe di duttilità media (CD “B”): zone dissipative

… continua la lettura nel PDF contenente anche la relazione di calcolo.

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Capacity design per le strutture in legno? Le NTC2018 parlano chiaro: “Sia per la CD”A” sia per la CD”B”, s’impiegano i procedimenti tipici della progettazione in capacità […] Tali fini possono ritenersi conseguiti progettando la capacità in resistenza allo SLV degli elementi/meccanismi fragili, locali e globali, in modo che sia maggiore di quella degli elementi/meccanismi duttili ad essi alternativi. Per assicurare il rispetto di tale diseguaglianza, a livello sia locale sia globale, l‘effettiva capacità in resistenza degli elementi/meccanismi duttili è incrementata mediante un opportuno coefficiente, detto “fattore di sovraresistenza”; a partire da tale capacità maggiorata si dimensiona la capacità degli elementi/meccanismi fragili indesiderati, alternativi ai duttili” (par. 7.2.2).

E per il legno? Purtroppo per le strutture in legno le Norme Tecniche non forniscono indicazioni specifiche ed inoltre una larga fetta delle connessioni ad oggi in commercio non sono ottimizzate per tale procedimento di calcolo sismico.

In questi anni però la ricerca ha fatto enormi passi avanti e dal prossimo aggiornamento, il nostro software implementerà il capacity design, completo di verifiche locali a livello delle connessioni e di verifiche globali a livello di struttura, sia per la CD”A” che per la CD”B”.

Nel frattempo è disponibile il Tool gratuito per la verifica degli hold down in accordo con la gerarchia delle resistenze. E’ vero, la progettazione in capacità non si esaurisce con la verifica locale delle connessioni a trazione, ma intanto è un primo passo!

Le Norme Tecniche per le Costruzioni 2018 definiscono al par. 11.7.10.1 “Fabbricanti e Centri di Lavorazione” quanto segue: “Il Direttore Tecnico della Produzione, di comprovata esperienza e dotato di attestato conseguito tramite appositi corsi di formazione, assume le responsabilità relative alla conformità alle presenti norme delle attività svolte nel centro di lavorazione. Il Direttore tecnico di produzione deve altresì frequentare un corso di aggiornamento con cadenza almeno triennale.”

Al seguente link è possibile consultare l’elenco dei corsi organizzati da Conlegno su autorizzazione del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici e scaricare la scheda di iscrizione.

La normativa fornisce un coefficiente parziale di sicurezza sui materiali per le situazioni eccezionali pari a 1 ma osservo che nella pratica professionale vengono quasi sempre utilizzati i coefficienti usualmente adottati per le situazioni di progetto fondamentali. Quindi, quale coefficiente parziale di sicurezza sui materiali deve essere utilizzato per la progettazione sismica?

Al paragrafo 7.3.6.1 delle NTC 2018 si afferma che “per le strutture a comportamento dissipativo, la capacità delle membrature è calcolata con riferimento al loro comportamento ultimo […]. Per le strutture a comportamento non dissipativo, la capacità delle membrature è calcolata con riferimento al loro comportamento elastico o sostanzialmente elastico” e che “la resistenza dei materiali può essere ridotta per tener conto del degrado per deformazioni cicliche, giustificandolo sulla base di apposite prove sperimentali. In tal caso, ai coefficienti parziali di sicurezza sui materiali si attribuiscono i valori precisati nel Cap. 4 per le situazioni eccezionali”.

La comprensione di tale punto può non essere immediata. Da un lato la condizione di progetto sismica prevede azioni eccezionali agenti sulle strutture a seguito di eventi sismici; d’altro canto, qualora non siano disponibili informazioni precise in merito al possibile degrado della resistenza dei materiali dovuto a deformazioni oligocicliche, si raccomanda di applicare i valori dei coefficienti parziali di sicurezza sui materiali adottati per le situazioni di progetto fondamentali, ipotizzando che il rapporto fra la resistenza residua dopo il degrado e quella iniziale sia approssimativamente uguale al rapporto tra i valori di ?M relativi alle combinazioni di carico eccezionali e fondamentali. Qualora invece, come ribadito dalle NTC 2018, il degrado di resistenza sia tenuto in conto in maniera appropriata nella valutazione delle proprietà meccaniche dei materiali, allora è possibile utilizzare i coefficienti di sicurezza corrispondenti alle situazioni eccezionali. Si tratta di un criterio di carattere generale, valido per i diversi materiali costruttivi e senza distinzione tra le strutture dissipative e quelle non dissipative.

Con riferimento al caso specifico delle strutture in legno, al paragrafo 7.7.6 si afferma che “per la verifica di strutture progettate in conformità al concetto di comportamento strutturale dissipativo (classe di duttilità CD ”A” o CD ”B”), può considerarsi valido quanto riportato nelle verifiche di resistenza (RES) del § 7.3.6.1. quando siano soddisfatti i requisiti di cui al § 7.7.3 per le zone dissipative (anche sulla base di apposite prove sperimentali) e la resistenza del materiale sia opportunamente ridotta del 20% per tener conto del degrado per deformazioni cicliche”.

E’ possibile quindi assumere i coefficienti parziali di sicurezza per le combinazioni eccezionali, tenendo conto in modo esplicito del degrado oligociclico attraverso prove sperimentali o, in mancanza di valutazioni più precise, mediante una riduzione del 20% della resistenza. Questo è possibile poiché, come indicato al paragrafo 7.7.3.1 “le zone considerate dissipative devono essere in grado di deformarsi plasticamente per almeno tre cicli a inversione completa, con un rapporto di duttilità statica pari a 4, per le strutture in CD “B”, e pari a 6, per le strutture in CD “A”, senza che si verifichi una riduzione della loro resistenza maggiore del 20%.” La norma prosegue poi indicando le prescrizioni da rispettarsi per garantire che tali disposizioni siano soddisfatte.

Come proposto in Follesa M. et al., 2018 il valore di progetto della resistenza delle zone dissipative si può valutare, tenendo conto del degrado oligociclico, mediante la relazione:

mentre il valore di progetto della resistenza delle zone non dissipative, progettate in campo elastico, si può valutare mediante la relazione:

dove:

• il fattore di riduzione della resistenza per degrado oligociclico è assunto pari a 0,8
• il coefficientè parziale di sicurezza sui materiali è quello per le combinazioni eccezionali

Riferimenti bibliografici: Follesa M., Fragiacomo M., Casagrande D., Tomasi R., Piazza M., Vassallo D., Canetti D., Rossi S., The new provisions for the seismic design of timber buildings in Europe, Engineering Structures 168 (2018) 736–747

Risposta gentilmente concessa da Assolegno Risponde

TimberTech collabora con Assolegno alla gestione della piattaforma online assolegnorisponde.it.

Il servizio fornisce gratuitamente un’ampia panoramica su questioni progettuali, normative, nonché su aspetti di fisica tecnica e di caratterizzazione dei pacchetti costruttivi in legno.

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Nella progettazione di una struttura in XLAM può essere determinante la verifica degli elementi strutturali in condizioni di incendio. Le caratteristiche intrinseche dei pannelli in XLAM possono rendere questa verifica di non banale trattazione come si vedrà negli esempi di seguito riportati.

Innanzitutto, bisogna notare che ad oggi il materiale XLAM non è preso esplicitamente in considerazione nella normativa europea di riferimento per la verifica degli elementi strutturali in legno in condizioni di incendio (EN 1995-1-2). In ogni caso, a meno di indicazioni più specifiche certificate dai produttori, è ragionevole considerare una velocità monodimensionale di carbonizzazione del materiale pari a quella fornita dalla norma per il legno di conifera beta₀ = 0.65 mm/min.

Il calcolo della profondità di carbonizzazione del pannello in XLAM è influenzato fortemente dal tipo di colla utilizzato in fase di produzione. I pannelli in XLAM vengono spesso realizzati utilizzando colle poliuretaniche (PUR) che, a differenza delle colle MUF (melamina urea formaldeide), non sono resistenti ad alte temperature.
Per tenere conto di quanto sopra, il nuovo modulo aggiuntivo di TimberTech Buildings per le verifiche in condizioni di incendio implementa due modelli di calcolo in funzione di quanto certificato dal produttore nei rispettivi ETA:

• Colla resistente al fuoco: la velocità di carbonizzazione viene assunta come costante su tutta la sezione del pannello in XLAM. Tale metodo può anche essere utilizzato nel caso in cui i produttori indichino nei loro certificati una velocità di carbonizzazione costante ma maggiore di quella del materiale legno in modo da tenere conto in modo semplificato della performance della colla.
• Colla non resistente al fuoco: la velocità di carbonizzazione non è costante e dipende dalla stratigrafia del pannello scelto. La sezione in XLAM può essere infatti considerata come una successione di strati in legno dove ciascuno funge da protezione per quello sottostante. Si applica quindi il modello di calcolo per elementi protetti suggerito dalla EN 1995-1-2 fino ad ottenere un andamento della velocità di carbonizzazione come quello riportato nell’immagine sottostante dove il fattore k₃ assume usualmente il valore di 2.

Nota Bene: nel caso di utilizzo di soluzioni certificate con le rispettive tabelle di dimensionamento, è necessario prestare particolare attenzione alla coerenza fra le condizioni di validità di tale certificazione e le proprietà dei pannelli effettivamente utilizzati. Se ad esempio la soluzione certificata prevede che la colla dell’XLAM sia resistente al calore, sarà applicabile ai soli pannelli nel cui ETA è specificata questa caratteristica (di non facile reperimento)!

Esempio di calcolo di un solaio in XLAM R60 con colla non resistente al calore

• Sezione: 120 mm (20-30-20-30-20)
• Colla: NON resistente al calore
• Esposizione all’incendio normalizzato: 60 minuti su un solo lato
• Velocità unidimensionale di carbonizzazione: beta₀ = 0.65 mm/min
• Profondità di carbonizzazione: d_char,0 = 53 mm. Strato 1 (carbonizzazione costante), strato 2 (carbonizzazione a velocità doppia per i primi 25 mm, poi velocità costante), strato 3 (carbonizzazione a velocità doppia fino ai 60′ richiesti)
• Profondità di carbonizzazione efficace: d_ef = d_char,0 + k₀d₀ = 60 mm
• Sezione efficace: 60 mm (20-30-10)

Verifica a flessione non soddisfatta 101% (M_Ed = 11.36 kNm)
Verifica a taglio soddisfatta 14% (V_Ed = 7.81 kNm)

Scarica la relazione di calcolo prodotta da TimberTech Buildings per questo esempio

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Esempio di calcolo di un solaio in XLAM R60 con colla resistente al calore

• Sezione: 120 mm (20-30-20-30-20)
• Colla: resistente al calore
• Esposizione all’incendio normalizzato: 60 minuti su un solo lato
• Velocità unidimensionale di carbonizzazione: beta₀ = 0.65 mm/min
• Profondità di carbonizzazione: d_char,0 = 39 mm. Carbonizzazione costante su tutti gli strati
• Profondità di carbonizzazione efficace: d_ef = d_char,0 + k₀d₀ = 46 mm
• Sezione efficace: 74 mm (20-30-20-4)

Verifica a flessione soddisfatta 55% (M_Ed = 11.36 kNm)
Verifica a taglio soddisfatta 12% (V_Ed = 7.81 kNm)

Scarica la relazione di calcolo prodotta da TimberTech Buildings per questo esempio

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Le Norme Tecniche per le Costruzioni 2018 definiscono al par. 11.7.10.1 “Fabbricanti e Centri di Lavorazione” quanto segue: “Il Direttore Tecnico della Produzione, di comprovata esperienza e dotato di attestato conseguito tramite appositi corsi di formazione, assume le responsabilità relative alla conformità alle presenti norme delle attività svolte nel centro di lavorazione. Il Direttore tecnico di produzione deve altresì frequentare un corso di aggiornamento con cadenza almeno triennale.”

Sempre sullo stesso argomento la Circolare Esplicativa precisa quanto segue: “sono ora previsti anche i Corsi di aggiornamento, a cadenza triennale, aventi carattere obbligatorio: ne consegue che i Direttori che abbiano già seguito un Corso di formazione, in caso di mancato aggiornamento, vedranno decadere la loro qualificazione di Direttore. Gli attestati di partecipazione rilasciati ai sensi delle precedenti NTC 2008, cessano di avere validità al termine di tre anni dalla data di entrata in vigore dell’attuale Aggiornamento delle Norme Tecniche per le Costruzioni“.

TimberTech è partner di Conlegno e FederLegnoArredo, su autorizzazione del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici, per l’erogazione dei seguenti corsi:

• Corso Nazionale per la qualifica del Direttore Tecnico della Produzione dei Centri di lavorazione / Produttori di elementi in legno strutturale (32 ore)
• Corso Nazionale di aggiornamento del Direttore Tecnico della Produzione dei Centri di lavorazione / Produttori di elementi in legno strutturale (16 ore)

Calendario corsi DTP

Di seguito i corsi (in grassetto quelli organizzati in collaborazione con TimberTech) in programma

• 29-30 GENNAIO 2020 – TORINO – Corso di aggiornamento
• 25-28 FEBBRAIO 2020 – MILANO – Corso di formazione
• 26-27 FEBBRAIO 2020 – MILANO – Corso di aggiornamento
• 18-19 MARZO 2020 – TRENTO – Corso di aggiornamento
• 25-26 MARZO 2020 – BELLARIA – Corso di aggiornamento
• 27- 30 APRILE 2020 – VERONA – Corso di formazione
• 28-29 APRILE 2020 – VERONA – Corso di aggiornamento
• 20-21 MAGGIO 2020 – PESCARA – Corso di aggiornamento
• 17-18 GIUGNO 2020 – LECCO – Corso di aggiornamento
• 23-24 SETTEMBRE 2020 – PORDENONE – Corso di aggiornamento
• 27-30 OTTOBRE 2020 – BELLARIA – Corso di formazione
• 28-29 OTTOBRE 2020 – BELLARIA – Corso di aggiornamento
• 11-12- NOVEMBRE 2020 – AREZZO – Corso di aggiornamento

Gli edifici multipiano in legno con struttura in XLAM sono ormai una realtà nel panorama del settore edile in Europa e nel resto del mondo. Una delle caratteristiche che ne ha favorito la diffusione è sicuramente la prefabbricazione che permette di ridurre di molto i tempi di costruzione. Il montaggio di strutture realizzate mediante elementi prefabbricati a pannello risulta infatti estremamente veloce grazie all’utilizzo di collegamenti meccanici di facile installazione. Tali collegamenti giocano un ruolo fondamentale nella risposta sismica degli edifici e pertanto il loro comportamento deve essere colto quanto più precisamente possibile nelle modellazioni realizzate mediante i software di calcolo ad elementi finiti. Tali modellazioni possono risultare anche molto complesse comportando un notevole dispendio di tempo per il progettista strutturale, dovendo quest’ultimo procedere al calcolo delle rigidezze dei diversi componenti della parete e al successivo assemblaggio mediante gli strumenti messi a disposizione dal software in uso.

Le pareti in XLAM hanno la funzione di assorbire i carichi verticali e allo stesso tempo svolgono anche l’importante funzione di controventare l’edificio nei confronti dei carichi laterali.

Un’accurata modellazione di edifici XLAM realizzati con pareti segmentate, cioè parete composte da più pannelli collegati tra loro da giunti verticali, comporta l’utilizzo di elementi del tipo “shell” per i pannelli ed elementi “link” per schematizzare i collegamenti sia interni (giunti verticali) sia esterni (ancoraggi a vincolo della parete). Al fine di snellire le operazioni legate alla modellazione e alla progettazione degli elementi strutturali può essere interessante adottare modelli analitici sviluppati ad hoc, in grado di garantire risultati adeguati e affidabili con l’ulteriore vantaggio di essere meno dispendiosi in termini di tempo e molto più gestibili.
In questa pubblicazione si mostrerà un confronto tra la modellazione di edifici XLAM con un programma agli elementi finiti e mediante il modello analitico sviluppato all’Università di Trento (implementato nel software TimberTech Buildings).

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Scarica un esempio completo di relazione di calcolo di un edificio XLAM