Università degli Studi di Napoli “FEDERICO II”

1. Università degli Studi di Napoli “FEDERICO II” DAPS – Dipartimento di Analisi e Progettazione Strutturale Risposta sismica di pareti a taglio in profili formati a freddo e pannelli di rivestimento: sperimentazione e modelli analitici RELATORI Ch.mo Prof. Ing. Federico M. Mazzolani Ch.mo Prof. Ing. Raffaele Landolfo ALLIEVA Assunta Tesoro CORRELATORI Dr. Ing. Luigi Fiorino

2. MOTIVAZIONI • Crescente utilizzo dei profili formati a freddo nell’edilizia residenziale di medie e piccole dimensioni, soprattutto nei paesi del nord America, in Australia, in nord Europa e in Spagna • Possibilità di applicazione in Italia per realizzare unità abitative di primo soccorso per la gestione delle emergenze • Limitate applicazioni in zone sismiche • Limitati studi sul comportamento sismico

3. HOUSING IN COLD-FORMED Edifici residenziali di medie e piccole dimensioni realizzati con profili di acciaio formati a freddo SISTEMI COSTRUTTIVI • Costruzioni ad aste • Costruzioni a pannelli • Costruzioni a moduli

4. I SISTEMI COSTRUTTIVI AD ASTE Tipologia costruttiva più utilizzata per l’edilizia residenziale Sistema base per lo sviluppo dei sistemi costruttivi con un livello di prefabbricazione più spinto (sistemi a pannelli e sistemi a moduli) Diaframmi orizzontaliDiaframmi verticali (pareti) SISTEMI STRUTTURALI CHE RESISTONO ALLE AZIONI ORIZZONTALI • Orditura di arcarecci (joists) formati a freddo • Guide di chiusura (tracks) • Pannelli a base di legno o lamiere metalliche grecate • Orditura di montanti (studs) • Correnti superiori ed inferiori • Pannelli di rivestimento a base di legno o di gesso

5. RESISTENZA ALLE AZIONI ORIZZONTALI MECCANISMI DI COLLASSO Collasso connessioni rivestimento-intelaiatura Collasso intelaiatura Instabilità dei montanti compressi Collasso collegamento intelaiatura-fondazione Resistenza della parete v = min (vs-f, vf, vf-f) Ancoraggio a trazione Criterio di gerarchia delle resistenze vf >vs-f; vf-f>vs,f v = vs,f Ancoraggi a taglio

6. d V d F F Experimental response Analytical response F Analytical response V Experimental response d d COMPORTAMENTO SOTTO AZIONI ORIZZONTALI Modello analitico che consenta di valutare la risposta delle pareti soggette ad azioni orizzontali nel proprio piano sulla base di prove sperimentali sui collegamenti Risposta locale delle connessioni Risposta globale della parete

7. OBIETTIVI • Indagare il comportamento delle connessioni quando si utilizzano pannelli a base di cemento (CP) che possono rappresentare una alternativa ai pannelli a base di legno per la realizzazione del rivestimento esterno consentendo di realizzare finiture esterne più comuni alla pratica edilizia italiana. • Fornire un modello analitico che consenta di valutare la risposta delle pareti sottoposte ad azioni orizzontali • Valutare la risposta sismica dei sistemi ad aste

8. PIANIFICAZIONE DELLA RICERCA ESAME DELLO STATO DELL’ARTE -Analisi critica dei risultati delle attività sperimentali -Studio dei principali modelli analitici per il calcolo delle pareti con struttura in legno soggette a carichi orizzontali FASE SPERIMENTALE -Studio dei principali risultati sperimentali condotti in Italia: Prove al vero su sottostrutture in Cold-Formed Prove sui collegamenti tra membrature in acciaio e pannelli a base di legno (GWB) e base di gesso (GWB) PRIN 2001 PRIN 2003 -Prove sui collegamenti tra membrature in acciaio e pannelli a base di cemento (CP) FASE TEORICA -Definizione e calibrazione del modello analitico per il calcolo delle pareti sulla base delle osservazioni sperimentali -Analisi dinamica non lineare parametrica

9. FASE SPERIMENTALE

10. LE INDAGINI SPERIMENTALI • PRIN 2001 (anni 2002-2003) • STUDIO TEORICO-SPERIMENTALE SULLE POSSIBILITA’ DI IMPIEGO DEI • PROFILI DI ACCIAIO FORMATI A FREDDO IN ZONA SISMICA Prove sperimentali monotona e ciclica su due sottostrutture ad aste controventate da pannelli a base di legno (OSB) e pannelli a base di gesso (GWB) • PRIN 2003 (anni 2004-2005) • METODOLOGIE E CRITERI DI PROGETTO PER L’HOUSING IN COLD-FORMED • IN ZONA SISMICA Prove sui collegamenti tra profili e pannelli di OSB e GWB • PROGRAMMA SPERIMENTALE SUCCESSIVO Prove sui collegamenti tra profili e pannelli a base di cemento (CP)

11. PROVE AL VERO SU SOTTOSTRUTTURE (PRIN 2001) IL PROVINO L’APPARATO DI PROVA Il carico orizzontale viene applicato all’altezza del solaio mediante due attuatori 2 pareti 2500x2400mm (H x L) rivestimento pannelli GWB e OSB montanti con sezione a C con interasse 600 mm RISULTATI PROVA MONOTONA E PROVA CICLICA

12. PROVE SULLE CONNESSIONI PROVE SU PANNELLI GWB E OSB 47 prove monotone Il programma prevede la realizzazione di 29 serie di provini per un totale di 64 prove 17 prove cicliche PROVE SU PANNELLI CP 24 prove monotone Il programma prevede la realizzazione di 9 serie di provini 12 prove cicliche (ad oggi non ancora realizzate) Materiale del pannello di rivestimento Orientamento dei pannelli (OSB) Variabili investigate Distanza dal bordo Velocità di prova (OSB e GWB) Protocollo di carico ciclico

13. Penetrazione della vite nel pannello e rottura di bordo Rottura di bordo del pannello Penetrazione della vite nel pannello PROVE SULLE CONNESSIONI IL PROVINO Pannelli di CP da 200X600mm (H x L) aventi spessore di 12,5mm Profili formati a freddo in acciaio con sezioni a C 100x50x10x1.00mm Viti autoperforanti 4,2x25 (diametro x lunghezza) STRUMENTAZIONE 4 trasduttori di spostamento per la misura degli spostamenti relativi tra pannelli e profili RISULTATI DELLE PROVE MONOTONE

14. PROVE SULLE CONNESSIONI INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI Fpeak Parametri considerati 0,8Fpeak • resistenza massima (Fpeak) e spostamento corrispondente (dpeak) • rigidezza elastica Ke; • spostamento ultimo (du) definito come lo spostamento letto sulla parte decrescente della curva sperimentale in corrispondenza dei un carico pari a 0.80Fu; • energia assorbita (E) valutata per d=du • duttilità (m=du/de). Ke Fpeak GWB OSB 2.9 Fpeak(GWB) OSB CP Fpeak(OSB)= 2.3 Fpeak(CP) GWB 4.3 E (GWB) E(OSB)= 5.0 E (CP) m E 1.3 ke(GWB) Ke(OSB)= 1.5 ke(CP) GWB CP OSB CP OSB GWB 2.3 m(GWB) m(OSB)= 1.7 m(CP)

15. FASE TEORICA F V d d MODELLO ANALITICO

16. Y d1 h jf jp X upo b IL MODELLO PROPOSTO IPOTESI CINEMATICHE • Montanti e guide siano rigide e connesse ad ogni lato. • Il pannello sia rigido e libero di ruotare • Deformata della struttura con rotazione rigida del pannello e deformata a parallelogramma dell’intelaiatura DERIVAZIONE pannello Equazioni cinematiche Equazioni equilibrio intelaiatura Equazioni F-d delle connessioi

17. IL MODELLO PROPOSTO SCHEMATIZZAZIONE ANALITICA DELLA RISPOSTA LOCALE • Ramo crescente sino al valore massimo Funzione Richard & Abbot • Ramo instabile Connessioni OSB // 20 Lineare decrescente RISULTATO SIMULAZIONE ANALITICA

18. Parete H=2,40m con pannello OSB Parete H=2,40m con pannello GWB s=50mm s=75mm Parete H=2,40m con pannello CP s=50mm s=100mm s=150mm s=75mm s=100mm s=50mm s=150mm s=75mm s=100mm s=150mm ANASLISI PARAMETRICA • PARAMETRI • altezza della parete:H=2.40 m, H=2.70m, H=3.00m; • spaziatura delle connessioni lungo il perimetro :s=50mm, s=75mm, s=100mm, s=150mm; • materiale di rivestimento: OSB, GWB, CP. Totale 36 configurazioni RISULTATI

19. ANALISI PARAMETRICA INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI Verifica qualitativa dell’attendibilità del modello analitico proposto attraverso il confronto dei risultati dell’analisi parametrica e i risultati di prove sperimentali esistenti RESISTENZA RIGIDEZZA RISULTATI ANALITICI RISULTATI SPERIMENTALI

20. ANALISI PARAMETRICA INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI DUTTILITA’ ENERGIA DISSIPATA RISULTATI ANALITICI RISULTATI SPERIMENTALI

21. VALUTAZIONE RISPOSTA SISMICA ANALISI DINAMICA NON LINEARE PARAMETRICA • PARAMETRI • Altezza H=2,40m e H=3,00m • Spaziatura delle connessioni s=50mm e s=150mm • Materiali di rivestimento GWB e OSB • Massa M=500kg/m e M=1500kg/m 8 configurazioni di parete x 2 valori della massa x 21 registrazioni accelerometriche x 35 moltiplicatori PGA = 11760 analisi Riepilogo delle pareti considerate • Le configurazioni di parete considerate prevedono doppio pannello di rivestimento: • GWB+GWB pareti di partizione interna • OSB+GWB chiusure d’ambito

22. kdegr Ddegr VALUTAZIONE RISPOSTA SISMICA MODELLAZIONE DEL COMPORTAMENTO ISTERETICO RAMO DI CARICO Funzione Richard & Abbot Parametri K0, Kh, n, F0 curva limite superiore K0p, Kh, np, F0curva limite inferiore t1, t2, l parametri di transizione RAMO DI SCARICO Lineare fino alla retta passante per l’origine parallela alla retta di incrudimento Parametri K0 rigidezza iniziale RAMO INSTABILE Lineare Parametri Kdegr inclinazione Ddegr spostamento corrispondente alla sua ativazione

23. VALUTAZIONE RISPOSTA SISMICA CALIBRAZIONE DEL MODELLO Prove disponibili: prova monotona e prova ciclica K0p, Kh, np, F0 parametri curva limite inferiore t1, t2, l parametri di transizione Risultato analitico Risultato sperimentale Vo=14kN Ko=2.5kN Kh=0.11kN no=1.2 Fo,p=0.14kN Ko,p=2.5kN Kh,p=0 no,p=1.2 t1=10 t2=0.5 l=0.9

24. VALUTAZIONE RISPOSTA SISMICA REGISTRAZIONI ACCELEROMETRICHE CONSIDERATE RELUIS (Rete dei Laboratori Universitari di Ingegneria Sismica) Iervolino I., Maddaloni., Cosenza. (2006) “ Accelerogrammi naturali per l’analisi delle struttre secondo l’OPCM 3441” 21 registrazioni, 7 per ciascuna delle categorie di suolo A, B, e C SUOLO A B C Le registrazioni accelerometriche sono relative ad eventi verificatisi in diverse regioni europee e mediterranee e sono caratterizzate da una magnitudo medio-alta variabile tra 5.8 e 7.6

25. VALUTAZIONE RISPOSTA SISMICA ANALISI DINAMICA INCREMENTALE (IDA) PGA 0.10 g PGA 0.95 g PGA 0.60 g Registrazione B-000232XA Sae,0.95g dmax Sae,0.10g Sae,0.10g Risposta V-d parete

26. ACCELARAZIONI SPETTRALI ELASTICHE • Sae,el • Sae,peak • Sae,u VALUTAZIONE RISPOSTA SISMICA RISULTATI V • STATI LIMITE • ELASTICOde Vd=Ve • RAGGIUNGIMENTO dpeak • MAX RESISTENZA • RAGGIUNGIMENTO du • MASSIMO • SPOSTAMENTO dpeak du de d MISURE DELLA RISPOSTA SISMICA • Sae,peak/Sae,el • Sae,u/Sae,peak de=dd • Sae,u/Sae,el

27. RISPOSTA SISMICA DELLE PARETI RISULTATI

28. Sae,peak/Sae,el Sae,r/Sae,peak VALORE MEDIO 3,21 VALORE MEDIO 1,25 Sae,r/Sae,el VALORE MEDIO 4,06 RISPOSTA SISMICA DELLE PARETI INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI Le pareti, se progettate elasticamente sotto eventi sismici di progetto, ovvero aventi il 10% di probabilità di eccedenza in 50 anni (periodo di ritorno di 475 anni), rivelano una buona risposta sismica offrendo adeguati margini di sicurezza nei riguardi di eventi più gravosi.

29. CONCLUSIONI Risposta sperimentale connessioni CP Possibilità di utilizzo dei pannelli CP per la realizzazione del rivestimento esterno delle pareti, rappresentando una alternativa ai pannelli a base di legno che consenta di realizzare finiture esterne più comuni alla pratica edilizia italiana. Modello teorico proposto Possibilità di valutare la risposta laterale delle pareti (“globale”) a partire dalla risposta a taglio delle connessioni (“locale”) con ottime stime della resistenza e della rigidezza (approssimazione del 2%) e buone stime degli spostamenti “di picco” ed “ultimo” (approssimazione massima del 15%) Risposta sismica Se progettate elasticamente sotto eventi sismici di progetto, ovvero aventi il 10% di probabilità di eccedenza in 50 anni (periodo di ritorno di 475 anni), le pareti rivelano una buona risposta sismica offrendo adeguati margini di sicurezza (buona duttilità per sovraresistenza) nei riguardi di eventi più gravosi. FUTURI SVILUPPI Validazione del modello teorico sulla base di un ampio database sperimentale Estensione dell’analisi dinamica non lineare parametrica Redazione di abachi progettuali utilizzando i risultati dell’analisi parametrica