Modellazione parametrica di pareti a telaio leggero in legno mediante OpenSEES

Il presente lavoro intende illustrare un originale modello parametrico agli elementi finiti per supportare lo studio del comportamento di pareti a telaio leggero in legno soggette ad azioni sismiche, ed in particolare la dissipazione energetica legata al danneggiamento delle connessioni chiodate tra i pannelli di irrigidimento ed il telaio principale.

Sono anche discussi i risultati di un’ampia analisi di sensitività eseguita con l’obiettivo di valutare le prestazioni sismiche di questo elemento strutturale ed il suo comportamento globale al variare dei parametri di input che maggiormente ne influenzano la racking capacity, ovvero le proporzioni geometriche (in termini di rapporto altezza- base del pannello), il passo orizzontale e verticale dei chiodi, il numero di montanti verticali e le dimensioni delle sezioni trasversali degli elementi del telaio.

Il modello proposto consente, inoltre, di tener conto della presenza di aperture e, per pareti con proporzioni ridotte, della presenza di più di un pannello di irrigidimento per lato.


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Le caratteristiche delle pareti in legno a telaio leggero

Le pareti in legno a telaio leggero sono elementi strutturali tipicamente impiegati in edifici noti col nome di platform framing buildings per resistere ad azioni laterali nel piano, legate al vento od al sisma.
Sono particolarmente diffusi in Nord Europa, Nord America e Nuova Zelanda nel 90% degli edifici residenziali ad uno o due piani. Considerando solo la parte strutturale di questi elementi, essi sono realizzati mediante l’assemblaggio di montanti e correnti di sezione ridotta, collegati alle estremità con vincoli generalmente modellati come cerniere.

Il telaio è a sua volta irrigidito da pannelli lignei, ad esso collegati con chiodi o viti, su una od entrambe le facciate. Le dimensioni di realizzazione di queste pareti sono condizionate da quelle dei pannelli lignei disponibili sul mercato. Tali pannelli possono essere realizzati in OSB (Oriented Strand Board), multistrato, in fibre ma anche in gesso e bambù.

Le dimensioni più comuni di una parete in legno a telaio leggero è di circa 1.22 m × 2.44 m o 2.44 m × 2.44 m, mentre le sezioni trasversali generalmente impiegate per montanti e correnti del telaio, interni ed esterni, sono circa 38 mm × 89 mm e 38 mm × 140 mm rispettivamente, come evidenziato in (Wang et al. 2018). La dimensione delle sezioni trasversali degli elementi perimetrali del telaio è spesso scelta per soddisfare i requisiti minimi per l’isolamento termico delle costruzioni (Figura 1).

Per la connessione tra il telaio ed i pannelli di irrigidimento generalmente vengono impiegati chiodi (6D, 8D e 10D) con gambo spesso che conferiscono maggiore resistenza, i quali sono distribuiti sia sugli elementi del telaio perimetrali (con passo pari a 50, 75 o 100 mm) che su quelli intermedi, in quest’ultimo caso con passo doppio o triplo rispetto a quello perimetrale. I chiodi sugli elementi intermedi sono infatti impiegati per evitare fenomeni di instabilità dei pannelli di irrigidimento (Källsner e Girhammar 2009).

onfigurazione strutturale tipica di una parete in legno a telaio leggero irrigidita da pannelli su entrambi i lati

Figura 1. Configurazione strutturale tipica di una parete in legno a telaio leggero irrigidita da pannelli su entrambi i lati

Le capacità dissipative

I test sperimentali finora condotti su questa tipologia strutturale hanno dimostrato che in genere il legno ha una bassa capacità dissipativa mentre le connessioni in acciaio – come quelle di collegamento tra il telaio e i pannelli (Sartori and Tomasi 2013; Humbert et al. 2014; Germano et al. 2015), le connessioni alla base (Gavric et al. 2014) e quelle tra montanti e correnti del telaio (Humbert et al. 2014) – garantiscono una buona dissipazione energetica nonché duttilità ciclica nonostante si verifichino fenomeni di pinching, degrado di resistenza e rigidezza durante il processo deformativo.

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Questo lavoro presenta una nuova proposta per il calcolo della capacità di duttilità dei collegamenti in legno, tenendo conto nella determinazione della condizione ultima di un valore limite fisso della riduzione della resistenza tra il 1° e il 3° ciclo. La proposta sarà sviluppata integrando l'attuale procedura della EN12512.

I modelli ultizzati per rappresentare il comportamento dei vari elementi

Tali evidenze sperimentali sono ben rappresentate dai modelli numerici disponibili nella letteratura corrente, in cui la risposta non lineare delle pareti è direttamente correlata alle relazioni sforzo-deformazione delle connessioni (Tuomi e McCutcheon 1978; Gupta e Kuo 1985).

Generalmente per rappresentare il comportamento dei montanti e dei correnti del telaio sono utilizzati elementi trave elastici mentre i pannelli di irrigidimento sono modellati con elementi bidimensionali soggetti ad uno stato piano di tensione, con comportamento elastico in compressione ed elasto-fragile in trazione (Gattesco e Boem 2016). Infine, le connessioni chiodate sono comunemente modellate con molle a comportamento non-lineare (Yasumura 2010).

L’assenza di analisi parametriche estese e complete per la valutazione del comportamento di pareti in legno a telaio leggero nella letteratura corrente (Salenikovich e Dolan 2000; Dhonju et al. 2017), ha condotto allo sviluppo di un modello parametrico originale ad Elementi Finiti (FE) mediante OpenSEES (Di Gangi 2019), presentato e descritto in questo lavoro nelle sezioni che seguono. Tale modello si è rivelato affidabile per studiare l’influenza che alcune variabili geometriche hanno sulle prestazioni globali di pareti in legno a telaio leggero.

a seguire >>>L'IMPLEMENTAZIONE DEL MODELLO IN OPENSEES

Procedimento per la costruzione del modello FE parametrico di parete senza aperture.

Figura 2. Procedimento per la costruzione del modello FE parametrico di parete senza aperture.

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Articolo tratto dagli atti del XVIII Convegno ANIDIS - Ascoli Piceno 2019 


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