CAPITOLO 3 CONFRONTO CON RISULTATI SPERIMENTALI
3.1 Prova sperimentale
Per dimostrare che il modello analitico sviluppato da UNITN è uno strumento adatto per prevedere la distribuzione della forza in una serie di pareti allineate orizzontalmente, è stata effettuata una prova presso il laboratorio dell’Università di Trento. Questo è il primo test di una campagna di ricerca che è ancora in corso.
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La prova è stata eseguita su due pareti allineate orizzontalmente con le caratteristiche mostrate nella tabella sottostante:
Fig. 50 - Caratteristiche delle pareti
L'impianto utilizzato è stato appositamente sviluppato per testare le pareti di taglio in legno soggette a carico monotono e statico secondo quanto descritto dalla EN 594:2011. Ulteriori dettagli e proprietà dei metodi riguardanti tale test sono riportati nelle pubblicazioni GROSSI et al. (2014-1) e GROSSI et al. (2014-2).
La parete più lunga è ancorata al piede su una base in acciaio. La parete più corta è ancorata a una base in acciaio con la stessa sezione trasversale della prima e posizionata ad una distanza di 0,95 m da essa. Inoltre, per prevenire lo sbandamento laterale sono stati aggiunti degli elementi in acciaio a contrasto.
La funzione di cordolo, cioè di riprodurre l'effetto del solaio superiore, è svolta da una trave speciale, fatta di un tubo d'acciaio, che collega le due pareti.
Capitolo 3 Confronto con risultati sperimentali
Sono stati disposti dieci strumenti posizionati in modo tale da misurare il sollevamento e lo spostamento delle pareti una volta applicato il carico.
Nello specifico sono stati misurati:
- lo spostamento orizzontale relativo tra il suolo e la superficie inferiore delle due pareti;
- la forza applicata, tramite martinetto idraulico;
- lo spostamento nello stesso punto di applicazione della forza;
- le reazioni verticali sotto le pareti tramite strumenti incorporati nei bulloni di fissaggio;
- lo spostamento assoluto orizzontale della parte superiore delle pareti.
Fig. 52 - Disposizione degli strumenti di misura
Nella figura sottostante (vedi Fig.53) si riportano i risultati della prova sperimentale, in termini di carico. La linea continua rappresenta la forza globale che agisce sulle due pareti, mentre le linee tratteggiate rappresentano le forze rilevate sulla parete A e B. Le regole pratiche utilizzate considerano una distribuzione della forza orizzontale proporzionale alla lunghezza delle pareti. Secondo questa supposizione la parete A (lunga 250 cm) dovrebbe essere caricata di 2/3 della forza (66,6%) mentre la parete B (lunga 125 cm) dovrebbe essere caricata di 1/3 della forza (33,3%). A causa dell'azione della forza verticale, come considerato dal modello UNITN, i risultati del test mostrano la reale distribuzione della forza, che è diversa dalla pratica comune.
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Fig. 53 - Curva sperimentale su diagramma F-d
Un paragone tra i risultati del test e la previsione del modello UNITN è riportato nella tabella di seguito:
Fig. 54 - Confronto risultati test e previsione modello UNITN
I confronti sono generalmente buoni, tranne per la parete A a 10 mm dove il modello UNITN è del 20% fuori dal test. La differenza tra la curva della parete A e la previsione del modello UNITN è prescindibilmente dovuta all'attrito tra corrente inferiore e base in acciaio che aumenta la rigidezza orizzontale delle pareti, mentre per la parete B l'attrito è quasi assente poiché solo la parete A è stata caricata da un carico verticale di 20 kN / m. Questo attrito, secondo l'Eurocodice, non deve essere incluso nel modello ovvero non deve essere considerato come meccanismo di resistenza, specialmente con riferimento all'azione sismica.
I risultati riportati in questo paragrafo sono relativi allo sviluppo del modello UNITN, che ha presentato un'equazione adatta per descrivere il comportamento elastico di una parete di taglio in legno. Lo spostamento totale è stato ottenuto considerando quattro diversi contributi di deformazione: la deformazione dei connettori che fissano i pannelli ai montanti, la rotazione del corpo rigido, la
Capitolo 3 Confronto con risultati sperimentali
traslazione del corpo rigido e la deformazione dei pannelli di rivestimento. L'analisi della rigidezza delle pareti in legno ha evidenziato che possono verificarsi due regimi diversi. Il primo è quando l’hold-down è non in tensione, poiché il momento stabilizzante del carico verticale è maggiore del ribaltante dovuto alla forza orizzontale esterna. La rigidezza della parete in questo regime è definita Ktot,nt. Il
secondo regime si verifica quando invece l’ancoraggio a trazione è in tensione e la relativa rigidezza della parete è definita come Ktot. Se la parete non è caricata
verticalmente (q = 0) si verifica solo il secondo regime.
Nel documento, da cui sono stati rilevati i dati relativi alla prova sperimentale, è specificato che l'uso del modello UNITN per la rappresentazione/modellazione di edifici a più di un piano è sotto inchiesta da parte degli autori e sarà fornito in un futuro documento.
3.2
Modello analitico
Seguendo la procedura del modello UNITN si sono riprodotte le condizioni geometriche e di carico della prova sperimentale al fine di giustificare i valori di forze assorbite dalle pareti A e B (riportati in Tab.48). Le letture degli sforzi sulle pareti sono state effettuate a tre successivi livelli di spostamento da 10 mm. Di seguito si riportano in forma tabellare i calcoli svolti per il raggiungimento dei tre spostamenti, in ordine pari a 10, 20 e 30 mm.
Si precisa che la differenza tra i valori calcolati in questa tesi e quelli dichiarati nel documento, dai cui si sono rilevati i dati relativi al test, è comunque accettabile visto il materiale reperibile.
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• Lettura sforzi a spostamento 10 mm
Proprietà della parete
Parete A Parete B
Lunghezza parete [mm] l 2500 1250
Altezza parete [mm] h 2500 2500
Carico verticale [kN/m] q 20 0
Lati rinforzati [-] nbs 2 2
Modulo di taglio del pannello di rivestimento [N/mm2] G
p 1080 1080 Spessore pannello di rivestimento [mm] tp 15 15 Lunghezza del pannello di rivestimento [mm] b 1250 1250 Rigidezza connessione pannello-telaio [N/mm] kc 500 500
Spaziatura di fissaggio [mm] sc 100 100
Rigidezza ancoraggio a trazione [N/mm] kh 5200 5200 Rigidezza ancoraggio a taglio [N/mm] ka 3800 3800
Numero ancoraggi a taglio na 3 2
rapporto altezza-larghezza [-] α 2 2
coefficiente di forma del pannello [-] λ 4,52 4,52
Forza ammissibile [kN] F 37,68
Carico verticale equivalente [kN] N 25 0
Rigidezza dei 4 contributi
Rigidezza a taglio dei pannelli di rivestimento [N/mm] KP 32400 16200 Rigidezza della connessione pannello-telaio[N/mm] KSH 5531 2765 Rigidezza ancoraggio a taglio [N/mm] KA 11400 7600 Rigidezza ancoraggio a trazione [N/mm] KH 5200 1300
Risultati sforzi
Rigidezza globale singola parete [N/mm] KTOT,i 2034 755 Spostamento dovuto al carico verticale [mm] ΔN,i 4,8 0,0 Forza che agisce su ciascuna parete [kN] Fi 30,12 7,56
Spostamento totale [mm] Δ 10,00
Forze assiali sugli ancoraggi di trazione Ti 5,12 15,11 Spostamento dei 4 contributi
Δ dovuto alla deformazione del pannello [mm] Δp 0,93 0,47 Δ dovuto alla deformazione della connessione[mm] Δsh 5,45 2,73 Δ dovuto alla traslazione rigida della parete [mm] Δa 2,64 0,99 Δ dovuta alla rotazione rigida della parete [mm] Δh 0,99 5,81
Spostamento totale [mm] Δ 10,00 10,00
Spostamento dei 4 contributi in termini di %
Δ dovuto alla deformazione del pannello [%] Δp 9 5 Δ dovuto alla deformazione della connessione [%] Δsh 54 27 Δ dovuto alla traslazione rigida della parete [%] Δa 26 10 Δ dovuta alla rotazione rigida della parete [%] Δh 10 58
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• Lettura sforzi a spostamento 20 mm
Proprietà della parete
Parete A Parete B
Lunghezza parete [mm] l 2500 1250
Altezza parete [mm] h 2500 2500
Carico verticale [kN/m] q 20 0
Lati rinforzati [-] nbs 2 2
Modulo di taglio del pannello di rivestimento [N/mm2] G
p 1080 1080 Spessore pannello di rivestimento [mm] tp 15 15 Lunghezza del pannello di rivestimento [mm] b 1250 1250 Rigidezza connessione pannello-telaio [N/mm] kc 500 500
Spaziatura di fissaggio [mm] sc 100 100
Rigidezza ancoraggio a trazione [N/mm] kh 5200 5200 Rigidezza ancoraggio a taglio [N/mm] ka 3800 3800
Numero ancoraggi a taglio na 3 2
rapporto altezza-larghezza [-] α 2 2
coefficiente di forma del pannello [-] λ 4,52 4,52
Forza ammissibile [kN] F 65,55
Carico verticale equivalente [kN] N 25 0
Rigidezza dei 4 contributi
Rigidezza a taglio dei pannelli di rivestimento [N/mm] KP 32400 16200 Rigidezza della connessione pannello-telaio[N/mm] KSH 5531 2765 Rigidezza ancoraggio a taglio [N/mm] KA 11400 7600 Rigidezza ancoraggio a trazione [N/mm] KH 5200 1300
Risultati sforzi
Rigidezza globale singola parete [N/mm] KTOT,i 2034 755 Spostamento dovuto al carico verticale [mm] ΔN,i 4,8 0,0 Forza che agisce su ciascuna parete [kN] Fi 50,45 15,10
Spostamento totale [mm] Δ 20,00
Forze assiali sugli ancoraggi di trazione Ti 25,45 30,20 Spostamento dei 4 contributi
Δ dovuto alla deformazione del pannello [mm] Δp 1,56 0,93 Δ dovuto alla deformazione della connessione[mm] Δsh 9,12 5,46 Δ dovuto alla traslazione rigida della parete [mm] Δa 4,43 1,99 Δ dovuta alla rotazione rigida della parete [mm] Δh 4,89 11,62
Spostamento totale [mm] Δ 20,00 20,00
Spostamento dei 4 contributi in termini di %
Δ dovuto alla deformazione del pannello [%] Δp 8 5 Δ dovuto alla deformazione della connessione [%] Δsh 46 27 Δ dovuto alla traslazione rigida della parete [%] Δa 22 10 Δ dovuta alla rotazione rigida della parete [%] Δh 24 58
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• Lettura sforzi a spostamento 30 mm
Proprietà della parete
Parete A Parete B
Lunghezza parete [mm] l 2500 1250
Altezza parete [mm] h 2500 2500
Carico verticale [kN/m] q 20 0
Lati rinforzati [-] nbs 2 2
Modulo di taglio del pannello di rivestimento [N/mm2] G
p 1080 1080 Spessore pannello di rivestimento [mm] tp 15 15 Lunghezza del pannello di rivestimento [mm] b 1250 1250 Rigidezza connessione pannello-telaio [N/mm] kc 500 500
Spaziatura di fissaggio [mm] sc 100 100
Rigidezza ancoraggio a trazione [N/mm] kh 5200 5200 Rigidezza ancoraggio a taglio [N/mm] ka 3800 3800
Numero ancoraggi a taglio na 3 2
rapporto altezza-larghezza [-] α 2 2
coefficiente di forma del pannello [-] λ 4,52 4,52
Forza ammissibile [kN] F 93,45
Carico verticale equivalente [kN] N 25 0
Rigidezza dei 4 contributi
Rigidezza a taglio dei pannelli di rivestimento [N/mm] KP 32400 16200 Rigidezza della connessione pannello-telaio[N/mm] KSH 5531 2765 Rigidezza ancoraggio a taglio [N/mm] KA 11400 7600 Rigidezza ancoraggio a trazione [N/mm] KH 5200 1300
Risultati sforzi
Rigidezza globale singola parete [N/mm] KTOT,i 2034 755 Spostamento dovuto al carico verticale [mm] ΔN,i 4,8 0,0 Forza che agisce su ciascuna parete [kN] Fi 70,79 22,66
Spostamento totale [mm] Δ 30,00
Forze assiali sugli ancoraggi di trazione Ti 45,79 45,31 Spostamento dei 4 contributi
Δ dovuto alla deformazione del pannello [mm] Δp 2,18 1,40 Δ dovuto alla deformazione della connessione[mm] Δsh 12,80 8,19 Δ dovuto alla traslazione rigida della parete [mm] Δa 6,21 2,98 Δ dovuta alla rotazione rigida della parete [mm] Δh 8,81 17,43
Spostamento totale [mm] Δ 30,00 30,00
Spostamento dei 4 contributi in termini di %
Δ dovuto alla deformazione del pannello [%] Δp 7 5 Δ dovuto alla deformazione della connessione [%] Δsh 43 27 Δ dovuto alla traslazione rigida della parete [%] Δa 21 10 Δ dovuta alla rotazione rigida della parete [%] Δh 29 58
Capitolo 3 Confronto con risultati sperimentali
3.3
Modello numerico
Per la riproduzione della prova sperimentale mediante il software SAP2000 Version 20.0.0 è stato necessario modellare le pareti in maniera accurata, ovvero considerando la rigidezza di ogni singolo elemento, rispettando le condizioni geometriche imposte dalla stessa prova.
Le pareti comprendono un telaio ligneo in abete C24 sez. 60x160 mm per quanto riguarda i montanti, mentre i correnti superiori e inferiori hanno sez. 100x160 mm. Le proprietà del materiale abete C24 sono state assegnate secondo la EN 338-2016:
Proprietà di rigidezza [N/mm2]
modulo di elasticità medio parallelo alla fibratura E0,mean 11000 modulo di elasticità caratteristico parallelo alla fibratura E0,05 7400 modulo di elasticità medio ortogonale alla fibratura E90,mean 370
modulo di taglio, medio Gmean 690
Massa volumica [kg/m3]
massa volumica caratteristica ρk 350
densità media ρm 420
Tab. 4 - Proprietà legno massello C24 secondo EN 338-2016
Il sistema di controvento della parete comprende due lati rinforzati mediante pannello di rivestimento strutturale in OSB/2 sp. 15 mm le cui proprietà rispettano la EN 310:
Proprietà di rigidezza [N/mm2]
SOLLECITAZIONI PIASTRA (flessione ortogonale al piano) Modulo di elasticità a flessione medio Em,0,mean 4930
Em,90,mean 1980
Modulo di taglio Gmean 50
SOLLECITAZIONI LASTRA (flessione parallela al piano)
Modulo di elasticità a trazione, compressione medio E0,mean 3800
E90,mean 3000
Modulo di taglio Gmean 1080
Massa volumica [kg/m3]
densità caratteristica ρk 550
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Il sistema di fissaggio pannelli-montanti è stato modellato utilizzando elementi link elastici di rigidezza pari ai chiodi RING 2,8x60 mm (k=500 N/mm) e allo stesso modo si sono modellati gli ancoraggi a taglio (angolari k=3800 N/mm) e gli ancoraggi a trazione (hold-down k=5200 N/mm). Si precisa che è stato considerato come vincolo hold-down l’estremo sinistro di entrambe le pareti, mentre il vincolo destro a terra è stato modellato come biella compressa secondo la rigidezza del corrente inferiore considerando una compressione perpendicolare alla fibratura.
Fig. 55 - Schema vincoli a terra e rilasci a momento
Inoltre è stato necessario imporre dei constraints tra le pareti per rappresentare la trave speciale tubolare che nella prova sperimentale è stata inserita per rappresentare l’effetto cordolo.
Capitolo 3 Confronto con risultati sperimentali