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Pareti di taglio a telaio leggero in legno dotate di dispositivo ricentrante

Confronto tra il comportamento meccanico di due diverse pareti di taglio a telaio leggero in legno: una dotata di sistema ricentrante ed una priva dello stesso.

In questo lavoro si analizza, tramite modelli analitici e numerici, il comportamento meccanico di due diverse pareti di taglio a telaio leggero in legno; una dotata di sistema ricentrante ed una priva dello stesso.

Il sistema ricentrante è costituito da due cavi diagonali in acciaio con e senza pre-tensione applicata. Il comportamento meccanico della parete ricentrante è stato studiato al variare di alcuni parametri, tra cui il diametro dei cavi di acciaio e il sistema di ancoraggio al suolo. I risultati mostrano come la presenza dei cavi, oltre a fornire un livello di ricentraggio soddisfacente, permette alle pareti di raggiungere un valore di resistenza significativamente più elevato.


Nuova soluzione per il miglioramento del comportamento antisismico di strutture a parete portante intelaiate in legno

È noto come l’attuale normativa italiana [1], preveda che le costruzioni soggette ad una significativa azione sismica e non dotate di appositi dispositivi d’isolamento e/o dissipativi, debbano essere progettate in accordo con uno dei seguenti approcci: 

  • a) comportamento strutturale non dissipativo;
  • b) comportamento strutturale dissipativo.

Nel caso di comportamento strutturale dissipativo di strutture in legno, un elevato numero di collegamenti evolvono in campo plastico, dissipando energia, mentre la restante parte della struttura rimane in campo elastico.

Gli elementi strutturali in legno sono caratterizzati da un comportamento elasto-fragile e vengono quindi considerati non dissipativi. Gli unici elementi in grado di dissipare energia sismica sono le connessioni metalliche, che quando ben progettate, devono per questo motivo essere caratterizzate da elevata duttilità. 

Le ragioni per cui risulta importante realizzare strutture dotate di elevata duttilità sono quelle di [2] :

  • assicurare che la rottura non avvenga in modo improvviso;
  • permettere la ridistribuzione delle forze tra i diversi elementi che compongono la struttura;
  • permettere la dissipazione energetica durante un evento sismico.

Anche la progettazione di strutture in legno è, come noto, basata in genere nel soddisfare i requisiti sopra esposti di elevata capacità dissipativa. 

Considerando l’elevata importanza che il problema sismico ha in Italia e nel mondo, lo sviluppo di tecnologie e metodi strutturali atti a ridurre l’impatto spesso catastrofico di un sisma violento, ha un ruolo sempre più importante nel mondo delle costruzioni. Considerata la vasta scala su cui questo problema si presenta, è oltremodo rilevante cercare soluzioni che uniscano assieme praticità ed economicità.

Attraverso il lavoro di ricerca presentato nel seguito, si vuole esplorare la possibilità di realizzare un controvento ricentrante per strutture a pareti portanti intelaiate in legno basato sull’uso di cavi in acciaio ad alta resistenza che operino in campo elastico. L’intrinseca semplicità del sistema potrebbe rappresentare un motivo di diffusione della metodologia proposta, anche come soluzione di retro-fitting.

 

Sistemi strutturali in legno a pareti portanti intelaiate

Tradizionalmente, uno dei sistemi strutturali più utilizzati e diffusi nell’ambito delle costruzioni in legno è quello costituto da pareti portanti intelaiate. In questa concezione strutturale il contributo dissipativo è dato dalla deformazione plastica di connettori a piccolo diametro (chiodi o cambrette) che collegano il pannello di rivestimento al telaio, mentre i dispositivi di ancoraggio atti ad evitare il ribaltamento della parete (elementi hold-down) e lo scorrimento alla base (squadrette) sono progettati per esibire un comportamento pressoché elastico.

In genere, questo sistema, pur presentando significativi riscontri applicativi, può presentare anche alcune limitazioni, come: 

  • Poca flessibilità: contando su un tipo di dissipazione integrato nell’elemento strutturale, non si può raggiungere la desiderata capacità dissipativa nel caso di elementi di parete con aperture [2];
  • Deformazione residua significativa e mancanza di ricentraggio: i vari elementi preposti alla dissipazione, una volta deformati, non presentano, in genere, capacità di ricentraggio e la loro sostituzione può presentare un costo aggiuntivo non indifferente, considerando la moltitudine di  elementi dissipativi in genere utilizzati;
  • Pinching elevato: la capacità dissipativa delle connessioni pannello-legno dipende dall’interazione tra i due materiali ed è caratterizzata da significativi fenomeni di contatto e rifollamento locale del legno. 

Per quanto riguarda il problema di ricentraggio, in questo lavoro viene analizzato l’uso di tiranti in acciaio pre-tesi o non pre-tesi, posti sulle diagonali dei singoli pannelli.

Il sistema di cavi viene quindi utilizzato in parallelo a quello degli elementi dissipativi delle classiche pareti di taglio in legno.

 

Sistema ricentrante proposto

Nella Figura 1 è riportato lo schema costruttivo del sistema proposto. Esso è costituito da una classica parete portante intelaiata in legno, realizzato mediante un telaio in legno su cui sono chiodati uno o due pannelli in legno, posti ai lati del telaio, mentre nella parte interna sono collocati i cavi per il ricentraggio.

La composizione in parallelo del telaio leggero e del sistema di ricentraggio, trovano immediata rispondenza nella risposta ciclica indicata in Figura 2, dove si osserva come alla risposta ciclica tipica del telaio in legno si sommi la risposta lineare elastica dovuta ai cavi. 

La parete presa in considerazione è quella analizzata in [3], identificata tramite il codice C_ST_L0, ha dimensioni 2.5 m x 2.5 m, con spaziatura tra montanti costante pari a 625mm ed è composta da:

  • montanti esterni in legno massiccio C24 e dimensioni 120x140mm;
  • montanti interni in legno massiccio C24 e dimensioni 80x140mm;
  • pannelli di rivestimento OSB/3 di spessore 15mm su entrambi i lati, collegati tramite chiodi di tipo ring nail 2.8x60 mm con spaziatura costante pari a 100 mm sui bordi dei pannelli.;
  • 4 Angolari tipo New150 (spessore t=3mm; larghezza b=150mm; altezza H=50mm) collegati alla parete con 12 chiodi Anker 4x60 mm [4];
  • 2 Hold-Down tipo RP (spessore t=3mm; larghezza b=60mm; altezza H=340mm) collegati alla parete con 20 chiodi Anker 4x60 mm [4];

Ai fini delle analisi parametriche, oltre alla parete appena citata, è stata anche analizzata la stessa parete ma con una coppia di Hold Down differente, in particolare:

  • 2 Hold-Down tipo RG (spessore t=3mm; larghezza b=80mm; altezza H=620mm)  collegato al pannello con 52 chiodi Anket 4x60 mm [4]

In tabella 1 sono riassunte le caratteristiche geometriche delle due pareti a taglio analizzate (parete 1 e parete 2):

Tabella 1 Caratteristiche delle pareti analizzate

Caratteristiche delle pareti analizzate

 

L’effetto risultante dovuto alla presenza dei cavi è quello riportato nella Figura 2c, dove la risposta è caratterizzata da una più elevata rigidezza e resistenza del sistema, nonché da una deformazione residua molto ridotta. In presenza di cavi non pre-tesi, lavorerà solo la diagonale tesa e la rigidezza laterale del sistema dovuta al cavo teso può dimostrarsi facilmente essere pari a:

parete-legno-formula-1.JPG

dove E e’ il modulo di Young dell’acciaio, Ad ed ld rispettivamente l’area e la lunghezza del cavo, θ l’angolo che esso forma con l’orizzontale. 

Qualora ai cavi sia invece applicata una pre-tensione Po e il sistema si deformi lateralmente, un cavo si allunga e si carica ancora di più, mentre l’altro man mano si scarica senza instabilizzare.

Questo comportamento aumenta la rigidezza del sistema, facendo sì che per un determinato valore di deformazione laterale, possa essere considerata raddoppiata e pari a:

parete-legno-formula-2.JPG

 

Pareti di taglio a telaio leggero in legno dotate di dispositivo ricentrante

Figura 1 telaio leggero (a), sistema di cavi ricentranti (b), sistema proposto (c)

 

Entrambi i sistemi visti, senza e con pre-tensione applicata, qualora si utilizzino cavi ad alta resistenza, possono quindi essere usati come sistema ricentrante ed il compito di dissipare energia rimane ancora a carico dei chiodi del pannello.

 

Composizione degli effetti in seguito all’accoppiamento con i tiranti in acciaio

Figura 2 . Composizione degli effetti in seguito all’accoppiamento con i tiranti in acciaio. a) Risposta della parete in legno. b) Risposta del cavo. c) Risposta complessiva.

 

Quando questi due sistemi si combinano, si ottiene pertanto un sistema ibrido in cui le chiodature poste sui pannelli della parete fungono da elementi dissipativi e le diagonali da elementi ricentranti.

Il diagramma che ne deriva risulta pertanto a “farfalla” (Figura 2).

I parametri che maggiormente influenzano la risposta complessiva sono [5]:

  • α, fattore di riduzione della rigidezza del sistema composto;
  • β, fattore di riduzione dello sforzo limite di scarico elastico. 
  • Fy/Fyo, rapporto tra lo sforzo limite di fase elastica del sistema combinato e quello inziale privo di controvento. 

Da una analisi preliminare, effettuata sulla base del modello analitico sopra indicato, andando a variare il diametro dei cavi, nell’ipotesi di cavi pre-tesi o funi semplici per la parete 1 si sono ottenuti i risultati riportati nelle tabelle 2 e 3, dove con % di ricentraggio = (δult – δres)/δult x 100.

 

 

Parametri del modello isteretico per diversi diametri di cavo ricentrante nel caso di pre-tensione e non

 

 

...CONTINUA.

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