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.

Edificio residenziale di tipo plurifamiliare in XLAM

Edificio residenziale di tipo plurifamiliare, n. 8 alloggi, disposto su tre livelli fuori terra e un livello interrato adibito a garage. La parte di edificio fuori terra è stata realizzata con struttura in pannelli XLAM, solai in XLAM accoppiati a travi di legno lamellare e travi in acciaio tipo HEB e copertura in travi di legno lamellare.
Luogo di costruzione: Ischia di Pergine, Trento (TN)

Progettista strutturale: Dott. Ing. Rossano Stefani
Progettista architettonico: Arch. Aldo Tomaselli
Costruttore: Domus Immobiliare S.r.l.

Palazzine residenziali, cinque piani in platform frame


Trattasi di un complesso di edilizia residenziale commissionato da ATER Trieste costituito da 5 palazzine, disposte a formare 2 gruppi, da 3 e 2 unità, sfalsate e opportunamente giuntate per le parti adiacenti. Ogni palazzina ha 5 piani fuori terra più il piano sottotetto a falde. Le pareti sono realizzate con la tecnica a telaio, mentre i solai sono in XLAM, compresi le rampe e i pianerottoli delle scale, ad eccezione del solaio di copertura che è costituito da pannelli intelaiati. Le terrazze in aggetto sono parzialmente sostenute da strutture in acciaio.

Progettisti delle strutture in legno: Ing. Sandro Rossi – Ing. Raffaele Cruciani, Ascoli Piceno

studioing-cru.ro@libero.it

Complesso scolastico a pareti intelaiate e XLAM

Complesso scolastico costituito da tre corpi strutturali indipendenti separati da due opportuni giunti sismici.
La struttura portante fuori terra dei tre corpi è realizzata mediante due differenti tecnologie costruttive interamente in legno. Per il corpo scuola e il corpo spogliatoio è stato utilizzato un sistema strutturale a pareti portanti intelaiate, mentre per il corpo palestra sono stati utilizzati pannelli in legno a tavole incrociate XLAM. L’unità scala esterna è realizzata mediante profili in acciaio, mentre l’unità scala interna è realizzata in c.a. La struttura di fondazione è realizzata mediante una platea in c.a. comune per tutti i corpi.

Progetto strutturale: ReWis, Comano Terme (Trento)
www.rewis.it

Edificio residenziale multipiano in XLAM

Edificio multipiano per civile abitazione realizzato a Sesto Fiorentino, in provincia di Firenze.
L’edificio è caratterizzato da quattro orizzontamenti per un’altezza massima pari a 13 m mentre la pianta dell’edificio e inscrivibile in un rettangolo di area pari a 24.8 x 15.5 m2.
La struttura portante della parte fuori terra dell’edificio e realizzata in XLAM mentre il piano interrato e le strutture di fondazione sono realizzate in calcestruzzo armato.

Progetto strutturale: ReWis, Comano Terme (Trento)
www.rewis.it

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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