DAPS – Dipartimento di Analisi e Progettazione Strutturale Università degli Studi di Napoli “FEDERICO II” DAPS – Dipartimento di Analisi e Progettazione Strutturale Indagine Sperimentale sul Comportamento a Taglio di Connessioni per “Housing in Cold-Formed” RELATORI Ch.mo Prof. Ing. Federico M. Mazzolani Ch.mo Prof. Ing. Raffaele Landolfo CANDIDATO Giuseppe Visone Matricola 37/2066 CORRELATORI Dr. Ing. Gaetano Della Corte Dr. Ing. Luigi Fiorino

Sistema costruttivo e problematiche progettuali SISTEMI COSTRUTTIVI Sistema costruttivo si differenzia per livello di prefabbricazione in: Strutture ad aste Strutture a pannelli Strutture modulari Vantaggi delle strutture ad aste Ampie tolleranze di lavorazione Scarso lavoro in officina Non necessita di particolari strumenti di lavorazione Materiali per la realizzazione della struttura poco ingombranti Vantaggi delle strutture a pannelli Velocità d’esecuzione Controlli di qualità più efficienti durante la lavorazione in officina Riduzione dei costi di lavorazione in sito Ottimizzazione della automazione in officina. Vantaggi delle strutture modulari Maggiore velocità d’esecuzione SISTEMA RESISTENTE A CARICHI ORIZZONTALI

MOTIVAZIONI OBBIETTIVO METODOLOGIA Applicazione di profili in acciaio sagomati a freddo per la realizzazione di edifici residenziali di piccole e medie dimensioni in zona sismica Necessità di fornire uno strumento di calcolo non basato sulla sperimentazione al vero OBBIETTIVO Sviluppare metodologie di calcolo in grado di prevedere la risposta sismica di queste strutture mediante approcci di tipo analitico o numerico METODOLOGIA Fase sperimentale: sperimentazione dei collegamenti a taglio tra pannelli di rivestimento e profili sagomati a freddo Fase teorica: simulazione della risposta laterale globale con approcci di tipo numerico e analitico sulla base della risposta a taglio dei collegamenti ottenuti nella fase sperimentale

INDICE DELLA PRESENTAZIONE Principali attività sperimentali esistenti Prove sperimentali al vero su sottostrutture Prove sperimentali sulle connessioni Modelli analitici e numerici Conclusioni

Principali attività sperimentali esistenti Effetti studiati Materiali del rivestimento Geometria del sistema (connessioni, controventi, aste ecc) Tipologia di carico

Prove sperimentali al vero su sottostrutture Il provino

Prove sperimentali al vero su sottostrutture Risposta prova monotona Deformazioni aggiuntive Dt=spostamento della parete Dtop=spostamento orizzontale della parete Dbase=spostamento della base Dsollevamento=spostamento dovuto alla rotazione della parete Risposta prova ciclica Confronto ciclica monotona

Prove sperimentali sulle connessioni 54 prove monotone Sono state realizzate complessivamente 72 prove sulle connessioni 18 prove cicliche Materiale del pannello di rivestimento Orientamento dei pannelli di OSB Variabili investigate Distanza dal bordo Velocità di prova Protocollo di carico ciclico Inoltre Sono state condotte 4 prove monotone preliminari di trazione e compressione su pannelli in OSB e GWB

La simbologia usata è: OSB// pannelli in OSB con scaglie orientate parallelamente alla direzione della prova (Oriented strand board panel) OSBT pannelli in OSB con scaglie orientate perpendicolarmente alla direzione della prova (Oriented strand board panel) GWB pannelli in cartongesso 10 distanza dal bordo 10mm 15 distanza dal bordo 15mm 20 distanza dal bordo 20mm MC prova monotona di compressione MT prova monotona di trazione CF prova ciclica con protocollo di carico Fiorino 2003 CS prova ciclica con protocollo di carico SEAOSC 1997 CK prova ciclica con protocollo di carico Krawinkler et al. 2000 L’ultima lettera del codice individua la velocità di prova

Prove sperimentali sulle connessioni IL PROTOTIPO MATERIALI USATI Sezione a C rinforzata 100x50x10x1mm in FeE350G (S350GD+Z/ZF) PROFILI Pannelli in OSB tipo 3 spessore 9mm PANNELLI DI RIVESTIMENTO Vite autoperforante testa svasata piana 4.2x25mm (diametro x lunghezza) per i pannelli di OSB Pannelli in GWB spessore 12.5 mm VITI Vite autoperforante, testa a trombetta, fosfatata nera misura 3,5x25mm (diametro x lunghezza) per i pannelli in cartongesso ASSEMBLAGGIO DEL PROVINO

Prove sperimentali sulle connessioni PROTOCOLLI DI CARICO Della Corte et al. (2005) (con velocità 5.00mm/sec “M” e 0.50mm/sec “C”) Low (L) con velocità 0.05mm/sec PROTOCOLLI DI CARICO MONOTONI “C” con velocità 0.50mm/sec PROTOCOLLI DI CARICO CICLICI SEAOSC 1997 Middle (M) con velocità 5.00mm/sec High (H) con velocità 50.0mm/sec Krawinkler et al. 2000 PROTOCOLLO CF PROTOCOLLO CK Della Corte et al. 2005 SEAOSC 1997 CF C=0.50mm/sec CF M=5.00mm/sec f=0.20Hz PROTOCOLLO CS Krawinkler et al. 2000 f=0.20Hz

Prove sperimentali sulle connessioni RISULTATI DELLE PROVE MONOTONE COMPORTAMENTO Comportamento non lineare anche per bassi livelli di spostamento OSB// 15 MC C 02 OSB// 15 MT C 01 Compressione Trazione MECCANISMI DI COLLASSO Rottura di bordo Rifollamento del pannello Rotazione della vite Penetrazione della vite nel pannello

Prove sperimentali sulle connessioni RISULTATI DELLE PROVE MONOTONE VARIABILI INVESTIGATE PARAMETRI UTILIZZATI PER L’ANALISI DEI RISULTATI SPERIMENTALI Tipologia del pannello di rivestimento Orientamento del pannello di rivestimento (per pannelli in OSB) Distanza dal bordo delle connessioni Velocità di prova. Fu = Carico ultimo connessione du = spostamento a carico ultimo Fe = 0.4Fu de = spostamento corrispondente ad una forza pari a 0.4Fu dr = spostamento corrispondente ad una forza pari a 0.8Fu E=energia assorbita dalla connessione EFFETTO DELLA DISTANZA DAL BORDO Nei pannelli di OSB all’aumentare della distanza dal bordo la resistenza aumenta, l’energia assorbita aumenta, la duttilità aumenta, la rigidezza assume un massimo per la distanza 15mm Nei pannelli di GWB la resistenza è massima per a=15mm, la duttilità e l’energia assorbita aumenta, la rigidezza è poco variabile v=0.05mm/sec v=0.05mm/sec EFFETTO DELLA VELOCITÀ Sia per i pannelli di OSB che per i pannelli di GWB si hanno variazioni dei parametri utilizzati per l’analisi anche se non si riesce ad individuare un trend di variabilità a=10mm a=10mm

Prove sperimentali sulle connessioni RISULTATI DELLE PROVE MONOTONE EFFETTO DELLA TIPOLOGIA DEL PANNELLO DI RIVESTIMENTO Pannelli di OSB sono più resistenti (circa 3 volte), assorbono più energia (circa 5 volte), hanno spostamenti a rottura più grandi,. Pannelli di GWB più rigidi (in media 1.5 volte) e più duttili (in media 2 volte) EFFETTO DELL’ORIENTAMENTO DEI PANNELLI Effetto meno influente ad eccezione della rigidezza che per pannelli con scaglie orientate parallelamente è più alta (30%)

Prove sperimentali sulle connessioni RISULTATI DELLE PROVE CICLICHE COMPORTAMENTO Comportamento non lineare anche per bassi livelli di spostamento a conferma dei risultati della prove monotone Effetto pinching MECCANISMI DI COLLASSO Nei pannelli di OSB si ha rottura con meccanismo prevalente di rotazione e penetrazione Nei pannelli di GWB si ha rottura con meccanismo prevalente per rotazione e penetrazione

VELOCITA = x1500

Prove sperimentali sulle connessioni RISULTATI DELLE PROVE CICLICHE VARIABILI INVESTIGATE Tipologia del pannello di rivestimento Protocollo di carico ciclico EFFETTO DELLA TIPOLOGIA DEL PANNELLO DI RIVESTIMENTO I risultati delle prove cicliche confermano quanto dedotto dalle prove monotone CONFRONTO TRA PROVA MONOTONA E CICLICA EFFETTO DEL PROTOCOLLO DI CARICO Nei pannelli di OSB si ha un comportamento migliore nella prova monotona (maggiore resistenza, duttilità, ecc..) Nei pannelli di GWB si nota un comportamento migliore nelle prove cicliche sul ramo di compressione mentre per il ramo di trazione troviamo una curva intermedia agli inviluppi dei vari protocolli. Effetto influente anche se non si riesce a trovare un trend di variabilità

Prove sperimentali sulle connessioni RISULTATI DELLE PROVE CICLICHE OSB Protocollo di carico Della Corte et al. (2005) Protocollo di carico Krawinkler et al. (2000) Protocollo di carico SEAOSC (1997) GWB Protocollo di carico Della Corte et al. (2005) Protocollo di carico Krawinkler et al. (2000) Protocollo di carico SEAOSC (1997)

Modelli analitici e numerici Obbiettivo dei modelli analitici e numerici è: COMPORTAMENTO LOCALE A TAGLIO DELLA CONNESSIONE TRA PROFILO METALLICO E PANNELLO DI RIVESTIMENTO RISPOSTA GLOBALE DELLA PARETE AI CARICHI ORIZZONTALI V d F d Curva sperimentale delle connessioni F d R D Experimental response

SCHEMATIZZAZIONE ANALITICA DELLA CONNESSIONE Modelli analitici e numerici MODELLI ANALITICI ESISTENTI MODELLI ANALITICI PROPOSTI MODELLI NUMERICI Modello di Easley (1982) Modello di McCutcheon et al (1978 e 1985) Modello di Kaellsner & Lam (1995) Modello 1 Modello 2 Simulazione mediante programma agli elementi finiti SCHEMATIZZAZIONE ANALITICA DELLA CONNESSIONE Schematizzazione del ramo prima della massima resistenza con una funzione tipo Richard & Abbot Schematizzazione del ramo post-picco mediante una retta Funzione proposta da Richard & Abbot Richard & Abbot

Modelli analitici e numerici MODELLO DI EASLEY (1982) Ipotesi Connessioni sulle guide dotate di due componenti della forza, lungo x costante e lungo y variabile linearmente Connessioni sui montanti esterni dotate di forze costanti Connessioni sui montanti interni costanti lungo y e variabili linearmente lungo y Connessioni simmetriche Materiale isotropo A deformazione avvenuta non ci sia distacco del pannello Equazione equilibrio alla rotazione Deformazione

Modelli analitici e numerici MODELLO McCUTCHEON ET AL (1978 e 1985) Ipotesi Legame delle connessioni lineare Pannello parallelo ai montanti ed a tutta altezza Connessioni ad interasse simmetrico Carichi applicati lentamente per eliminare l’effetto dinamico Piccole deformazioni e spostamenti Tutto il lavoro esterno deve essere dissipato dalla deformazione delle connessioni Principio dell’Energia Potenziale Totale Deformazione Curva delle connessioni Deformabilità connessioni Deformabilità a taglio

Modelli analitici e numerici MODELLO KAELLSNER & LAM (1995) (EC5) Ipotesi Montanti e guide di legno siano rigide e connesse ad ogni lato. Il pannello sia rigido e libero di ruotare La curva della connessione sia elastica lineare prima della rottura Lo spostamento relativo tra il rivestimento e l’intelaiatura sia piccolo in relazione alle dimensioni del pannello di rivestimento Assenza di spostamento relativo tra il centro del pannello ed il centro dell’intelaiatura. Principio dell’Energia Potenziale Totale

Modelli analitici e numerici MODELLO 1 Si parte dal modello Easley rimuovendo l’ipotesi sulla linearità delle forze nei collegamenti Equazioni cinematiche Soluzioni Equazioni F-d delle connessioni Equazioni equilibrio Fissati dj e Ki , si ricavano dh e quindi ddex0

Modelli analitici e numerici MODELLO 2 Ipotesi Montanti e guide di legno 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 Equazioni cinematiche Equazioni F-d delle connessioi Soluzioni Equazioni equilibrio Fissando djt e Ki , si ricavano dh da cui si ottengono ddxp0 e djp Rotazione del telaio Rotazione del pannello Spostamento relativo tra pannello e guida inferiore nel punto di origine degli assi

Modelli analitici e numerici MODELLO NUMERICO VINCOLI Guida inferiore incastrata Guida superiore vincolata con carrelli orizzontali o con vincolo interno corpo rigido Nodi vincolati a spostarsi nel proprio piano Nodo montanti guide con cerniere ad eccezione del nodo inferiore dei montanti esterni schematizzati come incastri MODELLAZIONE Pannelli con elementi shell Aste con elementi frame Connessioni con elementi nlink Hold-down schematizzato come irrigidimento della sezione del montante

Modelli analitici e numerici CONFRONTO MODELLI ANALITICI Deformabilità a taglio Effetto P-D Aggiungendo alla risposte dei modelli proposti la deformabilità tagliante e l’effetto P-D CONFRONTO MODELLI ANALITICI Modelli esistenti non consentono di simulare il tratto instabile. Modelli proposti offrono un ottima previsione della resistenza (errore medio 1%) Il modello 2 offre una buona stima della rigidezza (errore del 3%) CONFRONTO MODELLO NUMERICO Offre una buona simulazione del tratto stabile (errore sulla resistenza del 2%) Non consente di simulare il tratto instabile

Conclusioni FASE SPERIMENTALE FASE TEORICA Il materiale del pannello ha forte influenza sulla risposta della connessione L’orientamento del rivestimento nei pannelli di OSB è meno influente delle altre variabili investigate sui parametri della connessione ad eccezione della rigidezza La distanza dal bordo delle connessioni ha forte influenza sulle connessioni in OSB con chiara tendenza di variazione dei parametri di confronto (Fu ed E tendono ad aumentare linearmente con a), nel GWB non si riesce ad individuare una chiara tendenza La velocità non influenza sensibilmente il comportamento delle connessioni ma senza una chiara tendenza I protocolli di carico non influenzano sensibilmente il comportamento della connessione FASE TEORICA I modelli analitici esistenti Non consentono di simulare il comportamento globale della parete nel tratto instabile Offrono una buona stima della resistenza ma non della deformabilità (per maggiori livelli di spostamento) I modelli analitici proposti Buona stima della resistenza della parete (errore medio del 1%) Buona stima della rigidezza nel modello 2 (errore del 3%) Buona stima dell’energia assorbita nel modello 2 (errore del 4%) Buona stima della duttilità nel modello 2 (errore del 1%) Il modello numerico proposto Buona simulazione del comportamento della parete (con errori di previsione superiori a quelli dei modelli analitici) Difficoltà numeriche nella simulazione del tratto instabile