Edificio con nucleo in legno, Sistema IPC

Jhon Chapman propone un nuovo tipo di sistema strutturale in X-Lam per edifici di venti piani. I tre aspetti principali di questo sistema costruttivo che si differenzia da quello classico sono:

 Integrare diversi pannelli in X-Lam per formarne uno più grande, quindi più resistente e più rigido;

 Pannelli verticali posti uno sopra l’altro in modo tale da garantire un percorso di carico uniforme parallelo alla fibratura dei diversi strati;

 I carichi tra pannelli sono trasferiti in rapporto diretto e non si basano su elementi di fissaggio come chiodi, viti e bulloni.

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Questo sistema strutturale si basa su un nucleo centrale realizzato con pannelli in XLAM integrati per sopportare i carichi orizzontali. I pannelli sono alti 16 metri e larghi 3 metri e integrati tra loro formano un nucleo cavo rettangolare che si estende per tutta l’altezza dell’edificio, travi circolari in legno sono disposte attorno al nucleo per tutti i venti piani, in fine lungo il perimetro troviamo le colonne a sezione rettangolare anch’esse in legno lamellare vedi fig.2.17. Bisogna sottolineare il fatto che questo edificio è stato studiato solamente per il vento e non per il sisma.

Figura 2.17: Vista assonometria dell’edificio. Immagine tratta da “Integrating cross-laminated timber panels to construct buildings to twenty levels” John Chapman.

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Figura 2.18: Pianta dell’edificio-studio. Mmagine tratta da “Integrating cross-laminated timber panels to construct buildings to twenty levels” John Chapman.

 Integrated Panel Core (IPC)

Integrated panel core, ovvero nucleo di pannelli integrati ha dimensioni alla base di 10,8 x 10,8 m, costituito da 63 pannelli in X-Lam alti 16 m e 14 pannelli in X-Lam alti 8 m. La larghezza e lo spessore dei pannelli sono 3 m e 320 mm rispettivamente. Le fig 2.18 e fig.2.19 mostrano rispettivamente la pianta dell’edificio e lo sviluppo del nucleo in legno.

 Giunti tra pannelli del IPC

Per garantire che i pannelli del nucleo centrale agiscano assieme come un unico elemento strutturale, le forze di taglio devono essere trasmesse tramite i giunti verticali tra pannelli adiacenti. La soluzione studiata è quella di sagomare i pannelli lungo il lato più lungo con una serie di chiavi che si ingranano con le chiavi del pannello adiacente. Per i pannelli d’angolo, invece, la connessione utilizzata per collegarli con i pannelli d’angolo, del lato adiacente del nucleo, si basa su intagli o vani quadrati, dove vanno ad inserirsi i denti del pannello opposto. In fig.2.20 troviamo un dettaglio della connessione a “zig-zag” mentre in fig.2.21 la connessione d’angolo.

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Figura 2.19: Prospetto del nucleo centrale. Immagine tratta da “Integrating cross-laminated timber panels to construct buildings to twenty levels” John Chapman.

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Figura 2.20: Particolari costruttivi del giunto di collegamento pannello-pannello. Immagine tratta da “Integrating cross-laminated timber panels to construct buildings to twenty levels” John Chapman.

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Figura 2.21: Particolare costruttivo del giunto d’angolo tra panello-pannello. Immagine tratta da “Integrating cross-laminated timber panels to construct buildings to twenty levels” John Chapman.

Per garantire il minimo spostamento dei giunti, i giunti a zig-zag forniscono una distanza minima tra un pannello e l’altro di 15 millimetri, i quali sono riempiti con malta antiritiro, mentre per i giunti d’angolo abbiamo un fissaggio con malta sopra e sotto il dente di 10 millimetri.

 Ancoraggio del sistema IPC alla fondazione

Il sistema di fondazione per il prototipo di studio è stato pensato in modo tale che per un evento sismico il IPC possa ruotare nel proprio piano e ritornare nella sua posizione originaria. Quando il nucleo ruota gli hold-down verticali tra la fondazione e il nucleo assorbono l’energia sismica e riducono le tensioni che provocherebbero danni alla struttura. Inizialmente le tensioni che nascono nel nucleo vengono trasferite mediante delle viti inclinate a staffe verticali in LVL. Le forze nelle staffe vengono trasferite alla fondazione da una barra verticale in acciaio che si trova all’interno della staffa. L’asta in acciaio nella parte superiore è bloccata tramite una rondella e un dado, mentre nella parte inferiore viene avvitato un dado di accoppiamento, il quale è collegato ad una barra di fondazione. Tutti gli hold-down verticali hanno un fusibile che controlla le estensioni e l’assorbimento di energia da parte della barra in acciaio. In fig. 2.22 notiamo l’andamento delle tensioni fino ai giunti di base, mentre nella fig.2.23 notiamo i particolari costruttivi degli hold-down.

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Figura 2.22: Immagine tratta da “Integrating cross-laminated timber panels to construct buildings to twenty levels” John Chapman.

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Figura 2.23: Immagine tratta da “Integrating cross-laminated timber panels to construct buildings to twenty levels” John Chapman.

 Travi e colonne

Le colonne sono costituite da due elementi accoppiati di dimensioni 1,8 m per 240 mm, quindi la sezione dell’intera colonna è di 1,80 m per 480 mm. Per quanto riguarda le travi che sorreggono il solaio formato dalle travi circolari disposte attorno al nucleo, hanno un estremità inserita all’interno del nucleo mentre l’altra è fissata alla colonna. Queste travi accoppiate hanno un’altezza di 800 mm e uno spessore di 360 mm e sono di legno lamellare. Inoltre in prossimità dell’ancoraggio al nucleo sono provviste di un alloggiamento che permette la rotazione tra travi e i pannelli principali, tutto questo per ridurre i danni quando

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il nucleo centrale ruota attorno al proprio asse, vedi fig.2.24. In fig.2.25 abbiamo un dettaglio del solaio con le travi circolari.

Figura 2.24: A) IPC; B) Travi a sezione circolare; C) Travi a sezione rettangolare accoppiate; D) Colonna in legno lamellare; E) Pavimentazione; F) Travi del pavimento; G) Soffitto; H) Cordoli per trasmettere il

momento proveniente dalle travi alle colonne in legno lamellare. Immagine tratta da “Integrating cross-laminated timber panels to construct buildings to twenty levels” John Chapman.

Figura 2.25: Immagine tratta da “Integrating cross-laminated timber panels to construct buildings to twenty levels” John Chapman.

Le travi a sezione circolare disposte attorno al nucleo per ogni piano e disposte ortogonalmente alle travi in legno lamellare descritte qui sopra, sono tenute insieme da barre in acciaio che vengono inserite all’interno delle travi stesse. Le travi a sezione circolare hanno molteplici funzioni:

o Tenere i pannelli principali e mantenerli allineati tra loro; o Trasferire le forze orizzontali al nucleo;

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o Ridurre l’intensità delle pressioni orizzontali sui pannelli esterni del nucleo

 Risultati

L’analisi elastica indica che per questa tipologia di edificio, sotto l’azione del vento, ha uno spostamento massimo orizzontale di 105 mm. Mentre il massimo spostamento interpiano è di 7.6 mm. Valori al di sotto dei limiti della normativa australiana.