Proposta di regole per il progetto sismico di pareti di taglio in acciaio formato a freddo con pannelli in legno

Inquadramento normativo e motivazioni della ricerca

La progettazione sismica delle strutture in acciaio formato a freddo (Cold-Formed Steel, CFS) rivestite con pannelli strutturali in legno rappresenta oggi un tema di grande interesse, soprattutto alla luce dell’evoluzione normativa in corso. La seconda generazione degli Eurocodici introduce infatti, per la prima volta in modo sistematico, il riconoscimento di sistemi sismoresistenti basati su telai in acciaio formato a freddo controventati mediante pannelli lignei, configurando un ambito progettuale fino a oggi regolato solo parzialmente da norme nazionali o documenti applicativi.

In questo contesto si inserisce il lavoro di ricerca presentato da Vito D’Addesa dell’Università di Napoli Federico II, finalizzato alla definizione e alla calibrazione di una proposta di regole di progetto sismico per pareti di taglio realizzate con profili sottili in acciaio e pannelli in legno strutturale, quali compensato e OSB. L’obiettivo principale dello studio è la validazione dei parametri sismici fondamentali, diversi dal fattore di comportamento, che nella nuova generazione degli Eurocodici risultano ancora poco supportati da un’adeguata base sperimentale.

Il sistema strutturale oggetto di studio è costituito da un telaio in acciaio formato a freddo, composto da guide e montanti, rivestito su uno o entrambi i lati con pannelli in legno collegati mediante viti. In presenza di una corretta applicazione dei criteri di gerarchia delle resistenze, la risposta sismica della parete è governata dalla resistenza a taglio delle connessioni pannello–telaio. Questo meccanismo dissipativo, basato sulla duttilità delle connessioni meccaniche, è considerato il più efficace e affidabile per questa tipologia strutturale.

La resistenza a taglio delle pareti può essere valutata mediante diversi modelli analitici presenti in letteratura, tra cui quelli proposti da Kallsner–Girhammar, Tuomi–McCutcheon, Easley–Taly, nonché attraverso approcci di tipo upper bound e lower bound. Tuttavia, l’accuratezza di tali modelli dipende in maniera cruciale dalla corretta previsione della resistenza delle connessioni.

Dal punto di vista meccanico, la resistenza della singola connessione è determinata principalmente da tre meccanismi: l’inclinazione della vite sotto carico, il rifollamento del pannello ligneo e l’estrazione o trazione della vite dal pannello. La seconda generazione dell’Eurocodice 5 fornisce modelli di calcolo per tali meccanismi, inquadrando queste pareti come sistemi in acciaio a parete sottile con comportamento governato dall’inclinazione della vite. La resistenza risulta quindi funzione del diametro della vite, dello spessore del pannello e della resistenza caratteristica a rifollamento del materiale ligneo.

Affinché le regole di progetto possano essere applicate, la nuova normativa introduce alcune limitazioni geometriche e meccaniche e classifica le strutture in tre classi di duttilità (C1, C2 e C3), corrispondenti a livelli di dissipazione bassa, media ed elevata. Per le strutture ad alta duttilità (classe C3) viene assunto un fattore di comportamento compreso tra 2 e 5, attribuendo alle connessioni il ruolo di componenti dissipative.

La resistenza globale della parete viene valutata, nel quadro normativo europeo, mediante il modello di Kallsner–Girhammar, che dipende direttamente dalla resistenza delle connessioni, opportunamente ridotta attraverso coefficienti legati al contenuto di umidità del pannello e a un fattore di sicurezza parziale. Gli elementi non dissipativi del sistema vengono invece dimensionati mediante un fattore di sovraresistenza, assunto pari a 2 nella nuova generazione degli Eurocodici. Tuttavia, sia questo valore sia il fattore di sicurezza sulla resistenza non risultano adeguatamente validati su base sperimentale, così come i modelli stessi per la previsione della resistenza della parete.

Per colmare queste lacune, lo studio ha seguito un percorso di calibrazione basato sulla selezione del modello più affidabile per la previsione della resistenza della parete, sulla valutazione della resistenza a taglio delle connessioni, sulla determinazione del fattore di sicurezza parziale e sulla stima del fattore di sovraresistenza. Al fine di ridurre le fonti di aleatorietà, è stato inizialmente assunto un valore unitario del coefficiente di modifica K_mod.

I modelli analitici sono stati confrontati utilizzando un ampio database sperimentale, costituito da 136 prove su pareti di taglio e 158 prove su connessioni, tutte condotte presso la McGill University di Montréal. Le caratteristiche geometriche e meccaniche dei provini sono coerenti tra loro, rendendo il database particolarmente adatto alla calibrazione dei modelli di calcolo.

Il confronto ha mostrato che il metodo di Easley–Taly, se alimentato con le resistenze sperimentali delle connessioni, fornisce una previsione più accurata della resistenza della parete. Al contrario, il modello europeo attualmente adottato per la valutazione della resistenza della connessione tende a sottostimare in modo significativo i valori sperimentali, con scarti anche superiori a un fattore 3. Per questo motivo sono state proposte nuove formulazioni che tengono conto, oltre che dell’inclinazione della vite, anche del rifollamento del pannello, della pressione esercitata dalla vite e della trazione della vite stessa.

Sulla base di queste formulazioni, è stato possibile valutare i fattori di sicurezza secondo l’approccio probabilistico previsto dall’Annex B della normativa EN 1990. I risultati indicano che un fattore parziale γ_M pari a 1,3 garantisce un livello di sicurezza adeguato, risultando più cautelativo rispetto al valore pari a 1,2 proposto nella nuova generazione degli Eurocodici.

È stato inoltre valutato il fattore di sovraresistenza come rapporto tra la resistenza attesa e la resistenza di progetto. Assumendo γ_M = 1,3, il valore raccomandato del fattore di sovraresistenza risulta pari a circa 1,7 diviso K_mod, sia per pannelli in compensato sia per pannelli OSB. Questo valore è significativamente inferiore rispetto a quello pari a 2 previsto dalla normativa europea. Ancora più rilevante è il confronto con le regole di progetto attuali della seconda generazione degli Eurocodici, che porterebbero a fattori di sovraresistenza dell’ordine di 3,9–4,1 diviso K_mod, ovvero circa il doppio rispetto ai valori calibrati su base sperimentale.

In conclusione, lo studio evidenzia che l’utilizzo del metodo di Easley–Taly, combinato con le nuove formulazioni proposte per la valutazione della resistenza delle connessioni, consente una previsione affidabile della resistenza delle pareti di taglio in acciaio formato a freddo con pannelli in legno. Si raccomanda l’adozione di un fattore di sicurezza γ_M pari a 1,3 e di un fattore di sovraresistenza pari a 1,7/K_mod, indipendentemente dalla tipologia di pannello. Le attuali prescrizioni della seconda generazione degli Eurocodici risultano invece eccessivamente conservative e non coerenti con le evidenze sperimentali disponibili.

I risultati di questa ricerca rappresentano quindi un contributo significativo alla definizione di regole di progetto più razionali ed economicamente sostenibili per sistemi sismoresistenti in acciaio formato a freddo, in vista della futura applicazione e diffusione di tali tecnologie nel panorama dell’ingegneria strutturale europea.

Testo redatto tramite la videoregistrazione della relazione, con l'aiuto dell'IA.