Analisi del comportamento meccanico di pareti in X-Lam con aperture

Le aperture negli edifici in X-Lam possono realizzate assemblando differenti elementi strutturali oppure intagliando i pannelli di parete. Nel primo caso la stabilità delle pareti nei confronti delle azioni orizzontali è affidata ai soli segmenti verticali di parete mentre nel secondo caso è possibile considerare la parete come un unico elemento resistente in relazione alla continuità strutturale fra gli elementi architrave/parapetti e i segmenti di parete adiacenti.

Nonostante le evidenti differenze fra i due sistemi costruttivi, è prassi comune effettuare l’analisi di tali pareti adottando un modello di calcolo che trascuri la continuità degli elementi strutturali (modello a mensola).

Tale modello di analisi risulta evidentemente corretto nel caso di pareti assemblate ma può risultare non adatto allo studio del comportamento di pareti intagliate. Le notevoli differenze tra tali modelli sono state evidenziate in questo lavoro mediante l’analisi agli elementi finiti di due casi studio. I modelli numerici utilizzati a tale scopo sono stati validati mediante test sperimentali su pareti in scala reale in X-Lam con aperture intagliate.


Le aperture negli edifici X-LAM

Negli edifici in X-Lam le aperture (porte e finestre) nelle pareti possono essere realizzate assemblando differenti elementi strutturali (architravi, parapetti e segmenti di parete) - Figura 1a - oppure intagliando i pannelli parete - Figura 1b.

 

Analisi del comportamento meccanico di pareti in X-Lam con aperture

Figura 1. a) parete assemblata, b) parete intagliata

 

La stabilità per carichi orizzontali (sisma/vento) della parete assemblata è affidata ai segmenti di parete continui dalla sommità alla base dell'edificio; architravi e parapetti sono considerati elementi secondari che possono essere realizzati anche in materiale diverso (ad esempio in legno lamellare). I segmenti di parete sono schematizzati come fasce continue (mensole) mentre architravi e parapetti sono modellati come bielle, come riportato in Figura 2, definendo il modello di calcolo come un “modello a mensola” (MM).

Alle estremità di ogni segmento di parete devono essere posizionati opportuni sistemi di connessione (hold-down) in grado di prevenirne il ribaltamento, in aggiunta agli elementi metallici utilizzati per trasferire il taglio (angolari o piastre), solitamente posizionati nella zona centrale del segmento di parete.

 

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Figura 2. a) parete reale con aperture intagliate, b) modello a mensola (MM), c) modello completo (MC) 

 

Nel caso di intaglio delle aperture nel pannello, la parete viene considerata come un unico elemento resistente, compresi architravi e parapetti, per i quali è garantita la continuità strutturale con i segmenti di parete. Il modello di calcolo, definito in questo studio come “modello completo” (MC), risulta dunque più complesso in quanto è necessario valutare attentamente concentrazioni di tensioni locali nelle zone di continuità (Figura 2). 

Le connessioni per evitare il ribaltamento (hold-down) vengono solitamente posizionate alle estremità dell’intera parete e delle aperture di tipo porta. È comunque possibile posizionare tali connessioni anche alle estremità di aperture tipo finestra soprattutto qualora queste abbiamo dimensioni non trascurabili.

 

Vantaggi e svantaggi nel realizzare le aperture mediante intaglio della parete

I vantaggi che si ottengono nel realizzare le aperture intagliando singoli pannelli rispetto ad aperture realizzate mediante assemblaggio di elementi possono essere: 

  • maggior rapidità nella costruzione (non è necessario assemblare le pareti in cantiere);
  • architravi e parapetti contribuiscono alla resistenza per carichi orizzontali;
  • maggiore libertà di disposizione delle connessioni da parte del progettista.

I principali svantaggi sono: 

  • possibile rottura di architravi e parapetti per significative concentrazioni delle tensioni;
  • produzione di un maggior numero di elementi di scarto (sfridi) dovuti all'intaglio dei pannelli;
  • maggiore complessità del modello di calcolo.

Il modello a mensola: una semplificazione che non rappresenta sempre il reale comportamento della parete

Data la mancanza di modelli di calcolo consolidati che tengano in considerazione la continuità di architravi e parapetti con il segmento verticale di parete, l’analisi degli edifici in X-Lam per carichi orizzontali viene solitamente effettuata utilizzando un modello a mensola delle pareti, indipendentemente dal fatto che la parete risulti assemblata o intagliata. Tale semplificazione può ritenersi corretta nel caso di pareti assemblate ma, nel caso di pareti intagliate, le difformità tra il comportamento reale della parete da quello ipotizzato nel modello di calcolo sono sostanziali sia in termini di rigidezza che di resistenza

L'obiettivo di questo lavoro è confrontare i risultati ottenuti dall’analisi di pareti in X-Lam con aperture intagliate utilizzando il modello completo in alternativa al modello a mensola, e quindi considerando la continuità strutturale fra architravi (o parapetti) e i segmenti di parete.  A tale scopo, sono stati implementati dei modelli numerici agli elementi finiti per entrambi gli approcci di modellazione, opportunamente validati dai test derivanti da una campagna sperimentale su pareti in scala reale.

 

Analisi numerica di pareti in X-Lam con aperture

Un adeguato modello numerico di pareti in X-Lam con aperture soggette a carichi orizzontali deve opportunamente considerare i fattori che possono influenzarne il comportamento meccanico [2], ed in particolare:

  • presenza dei sistemi di connessione (hold-down e angolari a taglio);
  • stratigrafia del pannello in X-Lam;
  • tipologia di apertura (porta o finestra).

Nei modelli utilizzati in questo lavoro, le pareti sono modellate utilizzando elementi shell caratterizzati da moduli elastici equivalenti in direzione verticale Eeq,v e orizzontale Eeq,o calcolati in accordo con [3] e modulo di taglio equivalente Geq calcolato in accordo con [4]. Le formule vengono riportate di seguito:

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dove E è il modulo elastico delle tavole in direzione parallela alla fibra, tv e to sono la somma degli spessori delle tavole in direzione verticale e orizzontale, ttot lo spessore totale del pannello, G0 è il modulo di taglio delle tavole, a la larghezza della tavola ed i restanti parametri tmed e αT sono calcolati come:

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dove N è pari al numero di strati del pannello ed i parametri p e q sono definiti in [4] in funzione della stratigrafia.

Il contatto tra parete e fondazione e tra parete e parete viene modellato utilizzando elementi gap caratterizzati da un'elevata rigidezza a compressione, mentre i sistemi di connessione sono modellati utilizzando elementi link a comportamento non lineare. 

ATTENZIONE

È importante sottolineare come, anche nel caso di analisi lineari, è fondamentale tenere in considerazione la reale flessibilità delle connessioni nel modello di calcolo delle pareti, non soltanto per il contributo fornito alla flessibilità globale della parete stessa ma anche per la loro significativa influenza nella distribuzione delle sollecitazioni interne al pannello, come riportato in [2].
Vincolare rigidamente a terra i segmenti di parete anziché considerare la reale flessibilità dei sistemi di connessione, può provocare significative differenze nello stato tensionale negli elementi strutturali componenti la parete, come dimostrato in Figura 3.

 

Azioni di taglio della parete in XLAM

Figura 3. Azione di taglio per unità di lunghezza: a) connessioni flessibili, b) parete vincolata rigidamente a terra

 

Le sollecitazioni derivanti dall’applicazione di carichi orizzontali alle pareti con aperture intagliate possono risultare significative. Per tale ragione è fondamentale procedere alla verifica di resistenza anche del pannello in X-Lam oltre a quella dei sistemi di connessione. Nel caso di pareti assemblate, la verifica dello stato di sollecitazione dei segmenti di parete viene solitamente omessa in quanto i sistemi di connessioni rappresentano l’elemento debole del sistema resistente alle azioni orizzontali. 

Le verifiche del pannello vanno eseguite nelle zone più sollecitate della parete, sia nei confronti dell'azione assiale per unità di lunghezza, sia verticale che orizzontale (n_(Ed,v) e n_(Ed,o)), che per l'azione di taglio per unità di lunghezza (v_Ed). Le formule di verifica proposte in [5] vengono di seguito riportate:

 

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I valori  nRd,v,  nRd,o e vRd possono essere calcolati noti i valori di resistenza in termini tensionali caratteristici del pannello utilizzato. Inoltre, è bene precisare come la resistenza a taglio per unità di lunghezza vRd deve essere valutata come la resistenza minima tra i meccanismi definiti taglio-tranciamento e taglio-torsione.

La verifica dei sistemi di connessione viene effettuata confrontando l'azione di trazione negli hold-down e quella di taglio negli angolari Ed con la rispettiva resistenza Rd, che può essere dovuta alla rottura: della connessione acciaio-legno Rd,acciaio-legno, della piastra in acciaio Rd,acciaio o dell'ancorante Rd,ancorante (nel caso di piastra vincolata alla fondazione), in funzione della connessione metallica scelta, come riportato di seguito.

 

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Con riferimento ai due casi studio di pareti con aperture riportati in figura, si è effettuato un confronto delle curve di push-over ottenute mediante un modello a mensola (MM) ed un modello completo (MC). 

I medesimi sistemi di connessioni sono stati adottati in entrambi i modelli. Le proprietà meccaniche delle connessioni utilizzate per implementare i modelli numerici sono riportate in [5] per gli hold-down e in [6] per gli angolari a taglio mentre le proprietà meccaniche del pannello 3 strati spessore 90mm sono riportate in [5].

Il sistema di forze applicate a livello dei solai è il medesimo, come riportato in Figura 4.

 

Comportamento di pareti in xlam con diversi modelli di calcolo

Figura 4. a) Caso studio A, b) caso studio B

 

In Figura 5 si può osservare il confronto in termini di curva di push-over taglio alla base V -spostamento in sommità d tra i due modelli numerici per entrambi i casi studio analizzati. Le curve vanno interrotte in corrispondenza della rottura di una connessione metallica o della rottura del pannello in X-Lam.

 Confronto del comportamento di pareti in xlam con diversi modelli di calcolo

Figura 5. Confronto curve taglio alla base-spostamento in sommità MC e MM

 

....CONTINUA.

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