Cross Laminated Timber (CLT) Beams Loaded in Plane: Testing Stiffness and Shear Strength

Nuovo articolo di Francesco Boggian, Mauro Andreolli e Roberto Tomasi sulla resistenza e sulla rigidezza di travi in XLAM caricate nel loro piano.

Set up

Abstract: Cross Laminated Timber (CLT) is a relatively new timber product used in construction that has gained popularity over the last decade. The product itself is constituted by multiple glued layers of juxtaposed boards, usually arranged in an orthogonal direction between one layer and the adjacent ones. This particular structure brings several benefits, such as the possibility to use the same product both for walls and slabs, since it can bear in-plane and out-of-plane loads. However, the mechanical behavior differs from usual timber products, and research is still ongoing to achieve common agreement on standard procedures for testing products and theories for evaluating stresses for safety verifications. This paper focuses on the in-plane shear behavior of CLT and analyzes the existing methods to evaluate shear stresses. An experimental part then presents a four-point bending test of CLT beams with a specific geometry to induce shear failure. Results are reported both for the elastic range test, measuring the Modulus of Elasticity, and for the failure test to investigate shear behavior with regard to different mechanisms. Previously exposed methods are used for the calculation of shear stresses and to analyze the correspondence between them, and the results are then compared with other existing tests and values in literature. A new test setup for future research is eventually proposed.

Failure modes

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Sisma Bonus – Classificazione del rischio sismico di un edificio progettato con TimberTech Buildings

Nella sempre più attuale e fondamentale ricerca della mitigazione del rischio sismico si assiste sempre più spesso al rifacimento di strutture preesistenti, spesso in muratura, mediante le tecnologie in legno. Questa tendenza viene ulteriormente incrementata e incentivata a seguito della Legge di Stabilità 2017 che ha inteso fare del Sisma Bonus l’occasione per un piano volontario dei cittadini, con forti incentivi statali, di valutazione e prevenzione nazionale del rischio sismico degli edifici.
Diventa quindi necessario procedere alla classificazione del rischio sismico delle costruzioni in accordo con le disposizioni del Decreto ministeriale n. 58 del 28/02/2017 e successivamente modificato dal n. 65 del 07/03/2017 al fine di redigere le pratiche per l’attestazione dell’efficacia degli interventi effettuati.

In quest’ottica abbiamo sviluppato un semplice foglio di calcolo che supporta il progettista nella attribuzione della Classe di Rischio alla nuova struttura in legno progettata con TimberTech Buildings.

Sisma Bonus - Classificazione rischio sismico

La valutazione della Classe di Rischio secondo il Metodo convenzionale fa riferimento ai parametri PAM e IS-V.
Il parametro Perdita Annuale Media (PAM) tiene in considerazione il costo di riparazione dei danni prodotti dagli eventi sismici che si manifesteranno nel corso della vita della costruzione, ripartito annualmente ed espresso come percentuale del costo di ricostruzione. Esso può essere valutato come l’area sottesa alla curva rappresentante le perdite economiche dirette in funzione della frequenza media annua di superamento degli eventi che provocano il raggiungimento di uno stato limite della struttura.
L’Indice di Sicurezza (IS-V) della struttura è definito come il rapporto tra l’accelerazione di picco al suolo che determina il raggiungimento dello Stato Limite della salvaguardia della Vita e quella che la norma indica come riferimento per la progettazione di un nuovo edificio.
La Classe di Rischio è definita come la peggiore tra la Classe PAM e la Classe IS-V e può assumere valori che vanno dalla classe G (maggior rischio) alla classe A+ (minor rischio).

Chiarimenti sulle verifiche di vibrazione dei solai fornite dalla Circolare alle NTC 2018

Le norme Tecniche trattano gli stati limite di esercizio al paragrafo 4.4.7, specificando che “nel caso di impalcati, si raccomanda la verifica della compatibilità della deformazione con la destinazione d’uso”, senza fornire ulteriori indicazioni.

Il paragrafo C4.4.7 della Circolare chiarisce che:

“Si dovrà verificare che le azioni previste sulla struttura non producano vibrazioni che ne possano compromettere la normale utilizzazione o comunque ridurre il comfort degli utenti.

Si raccomanda che gli effetti provocati sui solai da vibrazioni e urti indotti dal calpestio siano limitati, in modo da garantire un accettabile livello di comfort per gli utilizzatori. Per solai aventi una frequenza fondamentale maggiore o uguale a 8 Hz, le verifiche devono essere effettuate limitando il valore massimo di freccia verticale indotto da un carico concentrato F agente su qualsiasi punto del solaio, nonché limitando il valore di velocità iniziale derivante da un carico impulsivo agente nel punto del solaio che fornisce la massima risposta. A tal proposito è possibile fare riferimento a quanto proposto all’interno della UNI EN 1995-1-1. Nel caso in cui la frequenza fondamentale del solaio risulti inferiore a 8 Hz, si raccomanda, al fine di scongiurare possibili fenomeni di amplificazione, di limitare opportunamente la massima accelerazione verticale indotta da un carico dinamico rappresentativo del fenomeno di calpestio lungo il solaio, anche facendo utile riferimento a documenti di comprovata validità.

Nel calcolo dei parametri necessari alle verifiche sopra riportate, si raccomanda di tenere in conto la collaborazione laterale dipendente dalla rigidezza trasversale del solaio. Si suggerisce inoltre di adottare un valore di massa del solaio corrispondente alla combinazione di carico quasi-permanente.

Nel caso si ritenga opportuno svolgere analisi più dettagliate si può far riferimento ai metodi di verifica proposti all’interno di normative di comprovata validità.”

La Circolare fornisce quindi indicazioni sui criteri di verifica da adottare, rimandando alle verifiche dell’Eurocodice 5 e di altri documenti di comprovata validità.

L’essere umano, durante la sua normale attività, provoca carichi dinamici: la frequenza media dei passi nel caso di andatura normale è attorno ai 2 Hz (due passi al secondo). Per questo motivo un primo criterio di dimensionamento è quello di garantire che la frequenza fondamentale del solaio sia sufficientemente alta così da evitare possibili fenomeni di risonanza.

L’Eurocodice 5 richiede che i solai in legno abbiano una frequenza fondamentale maggiore di 8 Hz e il rispetto di due criteri: una verifica di rigidezza minima del solaio, che si ottiene limitando la freccia massima verticale dovuta ad una forza statica concentrata di 1 kN, da applicarsi in un qualsiasi punto del solaio, ed una verifica relativa alla massima velocità di vibrazione del solaio causata da un impulso unitario. Si tratta di formulazioni basate sugli studi di Ohlsson, che si possono applicare a solai caratterizzati da massa particolarmente ridotta, mentre mal si prestano alla valutazione di solai pesanti, molto diffusi nel nostro paese. Ricordiamo che nel caso di solai con una frequenza propria al di sotto di 8 Hz l’Eurocodice 5 richiede analisi particolari, senza tuttavia specificare quali siano i criteri da rispettare.

Successivamente, basandosi su studi teorici e sperimentali, diversi studiosi (citiamo Kreuzinger e Mohr) si sono occupati del problema proponendo metodologie di verifica valide anche nel caso di frequenze inferiori a 8 Hz e basate, oltre che su un criterio di rigidezza minima (freccia sotto l’azione di una forza unitaria) su una limitazione dell’accelerazione del solaio ad un valore di 0,1 m/s2.

Il software TimberTech Buildings risulta essere uno strumento efficace e veloce per valutare il comportamento dei solai nei confronti delle vibrazioni poiché implementa le indicazioni e le verifiche citate in precedenza e richieste o suggerite dalla normativa.

In particolare, elemento per elemento e considerando di volta in volta l’effettivo schema statico, il software valuta la frequenza fondamentale di vibrazione f1 sulla cui base vengono poi eseguite le seguenti verifiche:

  • criterio di rigidezza (deformazione sotto un carico statico concentrato con intensità pari ad 1 kN)
  • criterio di accelerazione (per frequenze f1 inferiori od uguali a 8 Hz)
  • criterio di velocità (per frequenze f1 maggiori di 8 Hz, punto 7.3 norma UNI EN 1995-1-1)

Il software tiene inoltre in considerazione la collaborazione laterale degli elementi costituenti il solaio in funzione dalla rigidezza trasversale degli strati strutturali e degli eventuali strati non strutturali.

La modellazione di edifici in legno intelaiati leggeri

Il settore delle costruzioni in legno ha recentemente avuto una rapida espansione anche per quanto riguarda gli edifici multipiano, realizzati principalmente con elementi prefabbricati a pannello, del tipo intelaiato leggero o in XLAM. La prefabbricazione permette di ridurre in modo importante i tempi di costruzione anche perché, essendo il legno un materiale leggero, ogni elemento può essere facilmente trasportato e maneggiato in cantiere. Il montaggio risulta poi estremamente veloce in quanto viene effettuato a secco, senza la necessità di attendere i tempi tipici delle soluzioni in calcestruzzo armato o in muratura. L’assemblaggio avviene mediante l’utilizzo di collegamenti meccanici di facile installazione (principalmente piastre di acciaio, angolari, viti, chiodi). Proprio per la presenza di tali collegamenti strutturali, i quali giocano un ruolo fondamentale nella risposta sismica degli edifici, la modellazione delle strutture lignee a pareti portanti mediante software ad elementi finiti risulta piuttosto complessa. Nello specifico la modellazione comporta per il progettista strutturale un notevole dispendio di tempo, dovendo procedere al calcolo delle rigidezze dei diversi componenti della parete e al successivo assemblaggio mediante gli strumenti messi a disposizione dal software in uso.

Una parete intelaiata (platform frame) consiste di una serie di montanti e traversi di legno opportunatamente controventati da pannellature (a base di legno o in altri materiali) necessarie per trasmettere i carichi orizzontali in fondazione.

Figura 1 Esempio di una parete intelaiata leggera

Per una parete intelaiata leggera una modellazione raffinata può portare all’utilizzo di elementi del tipo “frame” per i montanti e i traversi, elementi del tipo “shell” per i pannelli di controventamento ed infine elementi “link” per schematizzare i collegamenti sia interni (chiodatura dei pannelli al telaio) 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 una parete intelaiata 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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TimberTech Buildings: venduto in 14 stati

Dopo molto e lungo lavoro siamo orgogliosi di condividere questo nostro importante risultato riguardante il software TimberTech Buildings. Grazie anche alla traduzione in quattro lingue (italiano, inglese, spagnolo e greco) siamo riusciti a venderlo e distribuirlo in 14 stati in tutto il mondo.

Nella cartina sottostante è possibile visualizzare il luogo in cui sono state attivate alcune delle licenze (sia acquistate sia del tipo “educational” date in uso a studenti e professori).

I nostri rivenditori all’estero.

Esempio di progettazione di un edificio in XLAM

Il ricorso alle costruzioni in legno sta assumendo negli ultimi anni un’importanza sempre maggiore, ponendosi come valida alternativa ai sistemi costruttivi tradizionali. Gli edifici a struttura lignea garantiscono infatti ottimi livelli di comfort abitativo e offrono, anche grazie alla ridotta massa volumica del materiale, buone prestazioni nei confronti delle azioni sismiche.

Gli edifici in XLAM sono composti da pannelli multistrato in cui la continuità strutturale tra gli elementi è garantita da sistemi di connessione, la cui modellazione riveste un ruolo fondamentale nella determinazione della rigidezza del sistema e nella corretta valutazione del comportamento sismico della struttura nel suo complesso.

Si presenta il modello generato con TimberTech Buildings di un edificio in XLAM, oggetto di test su tavola vibrante presso il laboratorio LNEC di Lisbona (nell’ambito del progetto europeo SERIES).

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Edificio testato su tavola vibrante presso il laboratorio LNEC di Lisbona

L’edificio testato, 3 piani di superficie pari a circa 30 m²,  è stato realizzato con pannelli di parete a 3 strati e pannelli di solaio a 5 strati.  La trasmissione degli sforzi di trazione è garantita da hold-down, mentre la trasmissione delle forze di taglio è garantita da angolari a taglio.

Una descrizione completa dell’edificio e dei risultati sperimentali è riportata nel report di prova Campos Costa A., Xavier Candeias P., Schickhofer G., Flatscher G. Seismic performance of multi-storey timber buildings –TUGraz building – Final report, SERIES, Timber Building Project, 2013.

In figura si mostra un confronto tra i primi 3 modi di vibrare ottenuti dai test sperimentali e dal modello numerico, che coglie con buona approssimazione i valori misurati.

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Modi di vibrare dell’edificio in XLAM testato su tavola vibrante nel progetto SERIES: a) valori sperimentali b) valori derivanti dalla modellazione con il software TimberTech Buildings

 

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Il significato del coefficiente di fessurazione kcr

Il coefficiente kcr (cracking factor) è stato introdotto per tener conto dell’influenza delle fessurazioni negli elementi lignei. Quindi, nel caso di sezione rettangolare, la tensione va calcolata considerando una larghezza efficace dell’elemento ridotta tramite il coefficiente di fessurazione kcr; si veda a tal proposito il p.to 6.1.7 UNI EN 1995-1-1: 2014.

Nel caso di sezione rettangolare, la tensione va calcolata considerando:

T = 1,5 V / (kcr b h)

A fronte di questa riduzione della base dell’elemento vi è stata la rielaborazione dei profili caratteristici sia per il legno massiccio a sezione rettangolare (UNI EN 338) che per il legno lamellare incollato (UNI EN 14080: 2013).

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Nuova marcatura CE del legno lamellare

Con la fine del periodo di coesistenza, a partire dall’08.08.2015, il legno lamellare deve essere marcato CE in accordo con la norma EN 14080:2013: cambiano sia le prescrizioni riguardanti la produzione del legno lamellare incollato che del legno massiccio incollato. I cambiamenti riguardano non solo le esigenze di produzione ma anche le classi di resistenza e i profili prestazionali: il progettista dovrà quindi scegliere la corretta classe di resistenza degli elementi portanti in legno.

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The seismic behaviour of buildings erected in Solid Timber Construction

E’ ora disponibile per il download nella sezione pubblicazioni il report redatto dall’Università di Graz (Institute of Timber Engineering and Wood Technology) “The seismic behaviour of buildings erected in Solid Timber Construction, G. Schickhofer, A. Ringhofer” relativo alla progettazione sismica di un edificio in XLAM di cinque piani in accordo con la norma EN 1998. Nella sezione Tutorials & Samples è possibile scaricare il file di esempio della struttura rimodellata mediante il software TimberTech Buildings.

CLT Training Course – COST Action FP 1004

L’Università di Trento ha ospitato dal 15 al 17 aprile il Training Course “Structural design of Cross Laminated Timber (CLT)”. 80 tra professori, ricercatori e tecnici del settore legno provenienti da 23 paesi, hanno avuto modo di confrontarsi per 3 giorni sul tema della progettazione e del calcolo dell’XLAM. Un corso da ripetere!