costruzioni in acciaio e legno - università degli studi...
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03/06/2013
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Costruzioni in acciaio e legnoModulo di costruzioni in legno
a.a. 2012-2013
IL MATERIALE DA COSTRUZIONE
Prof. Ing. Felice Carlo Ponzo
Univ. Degli studi della Basilicata
• Le caratteristiche fisiche e meccaniche del legno quale
materiale da costruzione.
• Costruzioni di legno in zona sismica, aspetti normativi ed
esecutivi.
• Il comportamento delle strutture di legno al fuoco.
• Il legno lamellare
Progettazione delle strutture in legno
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Caratteristiche generaliCaratteristiche generali
Il materiale legno si differenzia fondamentalmente da altri materiali
quali acciaio, calcestruzzo, pietre naturali, laterizi in quanto questi
sono normalmente COERENTI, OMOGENEI ed ISOTROPI.
Il legno possiede una struttura differenziata secondo un modello
costituito da CELLULE cave, con forme ed orientamenti peculiari,
organizzate in TESSUTI, che determina una sostanziale anisotropia
delle caratteristiche meccaniche
Progettazione delle strutture in legno
Specie legnoseSpecie legnose
GIMNOSPERME ANGIOSPERME
Monocotiledoni DicotiledoniConifere
Abete
Larice
Pino
Douglasia
ecc..
Res
ino
se
ag
hif
og
lie Palme Quercia
Faggio
Pioppo
Castagno
ecc…
lati
fog
lie
UNI 2853 (specie legnose italiane)
UNI 2854 (specie legnose esotiche coltivate in Italia)
UNI 3917 (specie legnose esotiche di importazione)
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Caratteristiche Istologiche del LegnoCaratteristiche Istologiche del Legno
DiSGG -Università della Basilicata - Potenza
1. Tessuti Meccanici
fondamentali o di Sostegno
Costituiscono il 60-80% del fusto degli alberi e
servono per conferire resistenza
2. Tessuti Conduttori
Sono formati da vasi ed hanno forma tubolare.
Si sviluppano nella direzione del fusto e servono alla conduzione dei succhi
3. Tessuti Parenchimatici
Servono per i fenomeni biologici connessi con
la vita e lo sviluppo dell’albero (Tessuto secretore)
L’attività biologica del legno è regolata dai
cicli stagionali grazie all’attività del CAMBIO
(strato generatore di cellule)
Cellula
fusiforme
Cellula vasale
Caratteristiche Istologiche del LegnoCaratteristiche Istologiche del Legno
11
1
22
4
34
3
5
6
1- zona primaverile
2- zona autunnale
3- fibrotracheidi del
tessuto meccanico
4- raggi midollari
5- canale resinifero
assiale
6- canale resinifero
orizzontale
cellulosa lignina emicellulose Altre
(estrattivi)
Conifere 50% 18% 26% 6%
Latifoglie 47% 27% 22% 4%
Composizione
chimica
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Caratteristiche Istologiche del LegnoCaratteristiche Istologiche del Legno
Caratteristiche Fisiche del LegnoCaratteristiche Fisiche del Legno
1. Colore
Dipende dalla specie legnosa e dall’umidità posseduta. Può variare anche all’interno dello
stesso fusto. Attacchi di funghi possono provocare colorazioni anomale, mentre unaprolungata esposizione alle intemperie porta ad una uniforme colorazione grigiastra.
2. Rapporto Massa/Volume
Viene assunto come indice approssimativo di resistenza del legno. Varia nel tempo in
relazione al contenuto di acqua.
Peso del legno fresco
Peso del legno ad umidità normale (dal 12 al 15%)
Peso del legno allo stato anidro (circa 1,53g/cm3) per tutte le specie legnose
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Pu: peso all’atto della consegna
Pa: peso dopo essiccatura in forno
IGROMETRI
3. Relazione Legno-Acqua (Umidità)
Varia con le stagioni e all’interno del fusto
- in forma liquida
- forma gassosa
- collegata alle pareti cellulari
Umidità normale del legno 12%
100u a
a
P Pu
P
100u a
a
P Pu
P
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Caratteristiche Fisiche del LegnoCaratteristiche Fisiche del Legno
Caratteristiche Fisiche del LegnoCaratteristiche Fisiche del Legno
Perché è necessario procedere all’essiccazione del legno?
Evitare forti variazioni dimensionali per effetto di possibili
modificazioni dello stato igrometrico dell’aria
Porre il legno nelle migliori condizioni di resistenza allesollecitazioni meccaniche
Aumentare per quanto possibile la durabilità naturale dellegno nei confronti degli attacchi di funghi e insetti
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Le variazioni del contenuto di acqua generano dei movimenti nei tessuti
Corretto Sconsigliabile
RITIRO
Direzione assiale <1%
Direzione radiale dal 3 al 6%
Direzione tangenziale dal 5 al 12%
Caratteristiche generaliCaratteristiche generali
Le caratteristiche complessive dei tessuti sono influenzate, durante la
crescita, da fattori quali il CLIMA, L’INTERAZIONE CON ALTRE
PIANTE, la NATURA DEL SUOLO, azione della FAUNA e dell’UOMO.
Ulteriore differenza del legno rispetto ad altri materiali consiste nel
fatto che le CONDIZIONI AMBIENTALI di POSA IN OPERA possono
favorire alterazioni degradative o distruttive di origini biologica. Il legno
per certi gradi è insensibile invece ad azione della temperatura o
all’azione di gas o di alcuni prodotti chimici.
Progettazione delle strutture in legno
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Alterazione del LegnoAlterazione del Legno
1. Difetti
Deviazioni dalla normalità della struttura e delle caratteristiche fisiche: provocano
problemi di fruibilità e riducono le prestazioni meccaniche del materiale.
Difetti di Forma
Cipollature
Ferite e Fratture
Deviazioni delle fibre
Ovalizzazione degli anelli
Nodi
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Cause di alterazione del LegnoCause di alterazione del Legno
1. Alterazioni Degradative
Modifiche indotte da agenti biologici, batteri, funghi etc.
Alterazioni provocate da insetti parassiti (Perdilegno rosso,
Cerambice delle querce, Formiche del legno, Tèrmiti…)
Alterazioni provocate da insetti sapròfiti (Capricorno delle case,
Lictidi, Tarlo dei mobili (anobium punctatum)…)
Alterazioni provocate da funghi (Spore…)
Alterazioni provocate da batteri (fenomeni di ossidazione,
fermentazione)
Alterazioni provocate da organismi marini (Teredini, Limnoria,
chelura…)
Categorie di rischioDURABILITA’ NATURALE DEL LEGNO
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Cause di alterazione del LegnoCause di alterazione del Legno
1. Alterazioni Degradative
Funghi
Cause di alterazione del LegnoCause di alterazione del Legno
1. Alterazioni Degradative
Insetti
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Meccanica del LegnoMeccanica del Legno
1. Anisotropia del Materiale
2. Presenza di difetti
3. Influenza delle variazioni di umidità e di temperatura sul
modulo di elasticità
Occorre definire la matrice elastica per materiali anisotropi. Il comportamento
elastico non è caratterizzato dai soli parametri E,n
Sono state definite le relazioni tra resistenza e difetti standardizzati. Alcuni
difetti possono coesistere
Si fa riferimento agli Studi dell’ASTM (American Society for Testing Materials)
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Caratteristiche fisiche: deviazioni della fibraturaCaratteristiche fisiche: deviazioni della fibratura
||
|| cos
r fibre r fibre
i n n
r fibre r fibre
rsen
Hankinson
||
2 2 2
||( ) ( cos ) s
r fibre r fibre
i
r fibre r fibre r fibre
rsen en
Osgood
ri: coefficiente riduttivo della resistenza
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Umidità - temperaturaUmidità - temperatura
All’aumentare dell’umidità si riduce la resistenza del legno. Stesso
comportamento si riscontra in presenza di variazioni Termiche.
1212
12
12u
stato fresco i
C uC C
C u
. . . .100 0.5 ( 50)rel stag rel frR R
C è una qualsiasi caratteristica
Rrel è il rapporto tra la resistenza
reale e quella del legno netto della
stessa specie
Maggiorazione
da attribuire alle
caratteristiche
del legno in stato
fresco a seguito
della
stagionatura
Caratteristica 19% (mediamente 15%) 15% (mediamente 12%)
Resistenza a flessione 25% 35%
Modulo di elasticità 14% 20%
Compressione assiale 50% 75%
Compressione trasversale 50% 50%
Trazione longitudinale 25% 35%
Taglio o scorrimento lungo
la fibratura
8% 13%
DiSGG -Università della Basilicata - Potenza
Resistenza a CompressioneResistenza a Compressione
Poiché il legno è spiccatamente anisotropo occorre distinguere tra
compressione longitudinale e compressione trasversale.
Assiale
Trasversale
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2cos
2
,90,
,0,
,0,,,
sen
dcf
dcf
dcf
dtCompressione inclinata rispetto alla fibratura
Istruzioni CNR – DT206 - 2007
4.4.8.1.5 compressione inclinata rispetto alla fibratura4.4.8.1.5 compressione inclinata rispetto alla fibratura
Le Nuove Norme Tecniche per le Costruzioni 2008
4.4.8.1 Verifiche di resistenza4.4.8.1 Verifiche di resistenza
DiSGG -Università della Basilicata - Potenza
Resistenza a TrazioneResistenza a Trazione
Per legnami con massa volumica compresa fra 0.4 e 0.9 g/cmc la resistenza
a trazione varia fra 60 e 180 MPa, Valori 2-3 volte più alti di quelli a
compressione
Rapportando la resistenza a trazione alla massa volumica si ha che il legno
è più produttivo dell’acciaio
Variazione rispetto alle
deviazioni della Fibratura
12% 1%
4%c
u
12% 1%
4%c
u
Variazione rispetto all’umidità
La Resistenza a Trazione per carichi
Trasversali varia fra 1/30 e 1/70 della
resistenza a Trazione assiale
La Resistenza a Trazione per carichi
Trasversali varia fra 1/30 e 1/70 della
resistenza a Trazione assiale
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Resistenza a FlessioneResistenza a Flessione
Attualmente le travi
composte sono
prodotte mediante la
tecnica della
lamellazione
Si possono realizzare profili composti per far fronte a notevoli sollecitazioni
flessionali e ovviando alle limitazioni dimensionali dei tronchi
In passato le sezioni
venivano composte per
sovrapposizione di più
travi
Dentatura
Caviglie o biette
Grappe esterne
Tavole chiodate diagonalmente
Resistenza a Flessione – Lagno LamellareResistenza a Flessione – Lagno Lamellare
Incollaggio per l’assorbimento
degli sforzi di scorrimento
Il Legno massiccio è caratterizzato da accentuate dispersioni meccaniche.
Il riassemblaggio di parti limitate del tronco tende ad ovviare ai principali
difetti del legno massicio:
Limitata disponibilità dimensionale
degli elementi strutturali
Scarsa affidabilità, causa la
disomogeneità del tronco, e quindi
limitati valori dei carichi di
sicurezza che si possono assumere
ai fini dei calcoli
Instabilità morfologico-
dimensionale causata
principalmente da variazioni di
umidità
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Caratteristiche fisiche: CreepCaratteristiche fisiche: Creep
Scorrimento sotto carico “Creep” comportamento reologico del legno
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0.3
,max
0.5
2
t
t
t
0.3
,max
0.5
2
t
t
t
,
,0
( ( ), ( ))t diff
t
t
f t E t
,
,0
( ( ), ( ))t diff
t
t
f t E t
,0
( )t
i
t
E
,0
( )t
i
t
E
Modulo elastico istantaneo
, ,0 , ,0 1 1t tot t t diff t t t
iE
, ,0 , ,0 1 1t tot t t diff t t t
iE
( )1
i
t
EE t
( )
1
i
t
EE t
Ranta - Maunus
Caratteristiche fisiche: CreepCaratteristiche fisiche: Creep
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DiSGG -Università della Basilicata - Potenza
NTC 2008 - 4.4.6 RESISTENZANTC 2008 - 4.4.6 RESISTENZA
M
kXK
dX
modValore di calcolo
Valore caratteristico della propietà del materialekX
Coefficiente parziale di sicurezza relativo al materialeM
Coefficiente correttivo, dipendente dalla durata del carico e dall’umidità
della strutturamodK
DiSGG -Università della Basilicata - Potenza
NTC 2008 - 4.4.6 RESISTENZANTC 2008 - 4.4.6 RESISTENZA
Coefficiente parziale di sicurezza relativo al materialeM
Diversi valori dei coefficienti di sicurezza tra le NTC 2008 e la CNR – DT206/2007
NTC 2008
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NTC 2008 - 4.4.6 RESISTENZANTC 2008 - 4.4.6 RESISTENZA
Coefficiente parziale di sicurezza relativo al materialeM
Diversi valori dei coefficienti di sicurezza tra le NTC 2008 e la CNR – DT206/2007
CNR – DT206/2007
4.4.6 RESISTENZA4.4.6 RESISTENZA
Valori del
coefficiente
Kmod
NTC 2008 - 4.4.6 RESISTENZANTC 2008 - 4.4.6 RESISTENZA
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• Le caratteristiche fisiche e meccaniche del legno quale
materiale da costruzione.
• Costruzioni di legno in zona sismica, aspetti normativi ed
esecutivi.
• Il comportamento delle strutture di legno al fuoco.
Progettazione delle strutture in legno
DiSGG -Università della Basilicata - Potenza
Legno e Sisma: binomio impossibile?Legno e Sisma: binomio impossibile?
Quali sono le caratteristiche che rendono una struttura
adatta a resistere alle azioni sismiche?
LEGGEREZZA
RESISTENZA
DIFETTI:
FRAGILITA’
RIGIDEZZA
(duttilità concentrata nei nodi)
Carichi di breve
durata
DUTTILITÀ E CAPACITÀ DISSIPATIVA
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DiSGG -Università della Basilicata - Potenza
Legno e Sisma: binomio impossibile?Legno e Sisma: binomio impossibile?
- Pesi per unità di volume variano tra i 500 Kg/mc Fino a 700 Kg/mc).
- Il rapporto resistenza/peso è circa uguale a quello dell’acciaio e 5
volte maggiore quello del calcestruzzo.
LEGGEREZZA
RESISITENZA
- La resistenza del legno è dello stesso ordine di grandezza di quella del
calcestruzzo ed è presente sia a trazione che a compressione. Per
sollecitazione di flessione la resistenza varia da un minimo di 10.8 MPa
a 22.8 MPa.
- Poiché il legno ha un comportamento viscoso le sue caratteristiche di
resistenza variano al variare della durata di applicazione dei carichi. In
particolare per carichi istantanei le resistenze sono mediamente del
50% superiori e più del 100% superiori per trazione ortogonale alla
fibratura.
DiSGG -Università della Basilicata - Potenza
Legno e Sisma: binomio impossibile?Legno e Sisma: binomio impossibile?
DEFORMABILITA’
- Le strutture in legno sono generalmente più deformabili. Per le
conifere europee il modulo di elasticità varia da un minimo di 8000
MPa a un massimo di 12000 MPa, con incrementi del 20% per carichi
istantanei. - Tipicamente il modulo elastico è 1/3 del modulo elastico
delle strutture in calcestruzzo.
- Ciò comporta bassi valori di rigidezza e quindi un’elevata flessibilità,
che si può tradurre in un aumento del periodo fondamentale di
vibrazione e quindi, in condizioni favorevoli, in una diminuzione
dell’intensità dell’azione sismica sulla struttura.
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DiSGG -Università della Basilicata - Potenza
Legno e Sisma: binomio impossibile?Legno e Sisma: binomio impossibile?
A causa della presenza di nodi e di difetti, il legno strutturale ha un
comportamento tipicamente fragile. Per piccoli difetti, comunque, il
legno esibisce una certa duttilità nei confronti della flessione (non
maggiore di 2) a causa della plasticizzazione delle fibre compresse.
Inoltre, quando non occorre la plasticizzazione le sezioni si comportano
in maniera elastica, con cicli di isteresi “schiacciati” e bassa dissipazione
di energia.
Nel caso di compressione ortogonale alla fibratura il legno si presenta
duttile, con duttilità di 5-10.
FRAGILITA’
Nei confronti delle strutture di legno c'è stata in Italia, in passato, una lacuna
normativa penalizzante per i progettisti, le imprese e, soprattutto, i
committenti e gli utenti finali.
In meno di 30 anni (1935-1962) il ruolo delle costruzioni in legno è stato
ribaltato da “tipologia tradizionale ed efficace" a “scarsamente
affidabile”.
Di fatto, la mancanza di una specifica normativa cogente ha contribuito a
frenare la diffusione delle strutture di legno in Italia, mentre nel resto
d’Europa si assisteva ad una generalizzata crescita nell’impiego di questo
materiale.
La mancanza di una norma è stata la causa (e non l'effetto) della diffidenza
da parte delle Pubbliche Amministrazioni verso questo materiale di
consolidata efficienza strutturale, ed ha contribuito a giustificare la scarsa
attenzione riservata al legno nella formazione di un paio di generazioni di
professionisti.
Costruire con il legno – Normative
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Tabella 1 - Cronologia Sintetica delle norme sulle strutture di legno
Anno
1909
Provvedimento
Il RD n. 193 promulgato a seguito del terremoto di Messina cita la
“muratura animata”, costituita da intelaiature in legno riempite da
muratura, come il più tipico ed efficace sistema antisismico, ed il solo
ammesso per edifici multipiano (la muratura ordinaria è ammessa solo
per edifici ad un piano).
Costruire con il legno – Aspetti generali
1916
1935
Vari decreti forniscono
istruzioni relative ai
“nuovi sistemi
costruttivi” (cemento
armato e strutture
metalliche),
considerati come
alternativa a quelli
tradizionali.
1962 La Legge n. 1684 prescrive
che le “costruzioni in
legname” sono ammissibili
solo previo “motivato nulla
osta” del Genio Civile.
1974 La Legge n. 64, ancora
vigente, richiede
l’emanazione di specifiche
regole tecniche per i vari
materiali.
Tabella 1 - Cronologia Sintetica
delle norme sulle strutture di legno
Costruire con il legno – Aspetti generali
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Tabella 1 - Cronologia Sintetica delle norme sulle strutture di legno
Anno
1996
Provvedimento
Vengono adottati con DM LLPP gli Eurocodici 2 e 3 nonostante siano
ancora norme sperimentali (ENV), e vengono rilasciati dal Ministero i
relativi Documenti di Applicazione Nazionale.
L’Eurocodice 5, anch'esso pronto come ENV, non riceve analogo
trattamento. Ma inizia presso il Ministero LLPP il lavoro di una specifica
commissione incaricata della redazione delle “Norme tecniche Italiane
per la progettazione, esecuzione e collaudo delle costruzioni di legno”(in acronimo “N.I.CO.LE”), che avrebbero dovuto essere una versione
semplificata ed italianizzata dell'EC5.
2002 La bozza di “N.I.CO.LE” è pronta e, acquisito il parere favorevole del
CNR, è in votazione al Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici in attesa
di essere pubblicata come Decreto Ministeriale.
Costruire con il legno – Aspetti generali
Tabella 1 - Cronologia Sintetica delle norme sulle strutture di legno
Anno
2003
2005
Provvedimento
L’OPCM n. 3274 cita gli edifici a struttura di legno tra i sistemi
costruttivi ammessi in zona sismica, elimina le limitazioni in altezza
per le strutture “interamente realizzate in legno lamellare” (le
limitazioni restano per il legno massiccio, largamente usato in Europa,
Nordamerica e Giappone), inizia a fare riferimento ai principi
dell’Eurocodice 8, ma non fissa regole di calcolo specifiche per le
strutture di legno. Nel Capitolo 9 “Edifici con struttura di legno” le regole
vengono subordinate alla “emanazione delle “N.I.CO.LE”.
L’OPCM n. 3431 colma finalmente il vuoto normativo introducendo nel
Capitolo 9 un breve testo che riprende i principi degli Eurocodici 8 e 5.
L’aspetto più importante è presente nel “campo di applicazione”: le
prescrizioni sono da intendere quali integrazioni delle regole di
“pertinenti prescrizioni tecnico - normative italiane, quando disponibili”.
Poiché nel frattempo l’Eurocodice 5 è stato pubblicato come norma UNI
EN definitiva e, il cerchio finalmente sembra chiuso.
Costruire con il legno – Aspetti generali
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Tabella 1 - Cronologia Sintetica delle norme sulle strutture di legno
Anno
2005
2007
2008
Provvedimento
Le nuove Norme Tecniche per le Costruzioni, emanate sempre nel
2005, sconvolgono nuovamente le regole: ci sono sostanziali differenze
con L'Eurocodice 5, che penalizzano questo materiale.
Vengono emanate a cura del Consiglio Nazionale delle Ricerche, previa
istruttoria della Commissione di studio per la predisposizione e l’analisi
di Norme Tecniche relative alle Costruzioni le Istruzioni CNR-DT
206/2007 per la Progettazione, l’Esecuzione ed il Controllo di Strutture
in Legno. Il documento risulta in accordo con quanto contenuto negli
eurocodici 5 e 8 ed ha l’ambizione di porsi come punto di riferimento
nel processo di trasferimento dell'innovazione nell'importante segmento
tecnologico delle applicazioni strutturali dei moderni materiali lignei.
Viene Emanato il nuovo testo per le Norme Tecniche per le Costruzioni
(D.M. 14 gennaio 2008)
Costruire con il legno – Aspetti generali
NTC 2008 - 4.4.9 CollegamentiNTC 2008 - 4.4.9 Collegamenti
I collegamenti giocano un ruolo fondamentale nelle strutture in legno, dato che in
essi si devono sviluppare i meccanismi dissipativi, mentre gli elementi devono
restare in campo elastico.
7.1 (CNR-DT206/2007) Collegamenti7.1 (CNR-DT206/2007) Collegamenti
I collegamenti si distinguono nei due seguenti tipi:
- collegamenti di carpenteria lignea, realizzati per lavorazione delle superfici di
contatto (carpentry joint) – sollecitazioni trasmesse direttamente tramite sforzi di
compressione;
- collegamenti meccanici, la trasmissione degli sforzi avviene prevalentemente
attraverso appositi elementi metallici e, eventualmente, con la presenza di adesivi
(mechanical joint).
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NTC 2008 - 4.4.9 CollegamentiNTC 2008 - 4.4.9 Collegamenti
ASSEMBLAGGI MODERNI
Deformabilità
Resistenza
NTC 2008 - 7.1 (CNR-DT206/2007) CollegamentiNTC 2008 - 7.1 (CNR-DT206/2007) Collegamenti
Le unioni meccaniche- unioni con mezzi di unione metallici a gambo cilindrico (bullone, chiodo, spinotto o
elemento simile, con superfici lisce o zigrinate);
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NTC 2008 - 7.1 (CNR-DT206/2007) CollegamentiNTC 2008 - 7.1 (CNR-DT206/2007) Collegamenti
Le unioni meccaniche
- unioni con connettori metallici di superficie (caviglie, anelli, piastre dentate)
DiSGG -Università della Basilicata - Potenza
Legno e Sisma: binomio impossibile?Legno e Sisma: binomio impossibile?
UNIONI
Comportamento meccanico dei collegamenti
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DiSGG -Università della Basilicata - Potenza
Legno e Sisma: binomio impossibile?Legno e Sisma: binomio impossibile?
UNIONI
Duttilità delle Unioni Meccaniche
Le unioni meccaniche in generale esibiscono uno spiccato comportamento
plastico, a patto che vengano rispettati i requisiti usuali inerenti le distanze
dai bordi e dalle estremità. Questo è dovuto al rifollamento del legno
stesso, accoppiato con la plasticizzazione e la capacità di dissipare
energia degli elementi di acciaio.
F
Fy
Fu
vy vu
Diagramma Forza-
Spostamento per carico
monotono
DiSGG -Università della Basilicata - Potenza
Legno e Sisma: binomio impossibile?Legno e Sisma: binomio impossibile?
UNIONI
Duttilità delle Unioni Meccaniche: comportamento ciclico
e dissipazione di energia
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DiSGG -Università della Basilicata - Potenza
Legno e Sisma: Aspetti NormativiLegno e Sisma: Aspetti Normativi
Gli edifici sismoresistenti in legno devono essere progettati con una
concezione strutturale in accordo ad uno dei seguenti comportamenti:
a) comportamento strutturale dissipativo (CDA o CDB);
b) comportamento strutturale scarsamente dissipativo.
- Le zone dissipative debbono essere localizzate nei collegamenti;
- le membrature lignee debbono essere considerate a comportamento
elastico.
- Per le strutture progettate secondo il comportamento b), gli effetti
devono essere calcolati mediante un ’ analisi elastica globale,
assumendo un fattore di struttura q non superiore ad 1,5.
Nuova normativa NTC 2008
(7.7.1 Aspetti concettuali della progettazione)
NTC 2008 – (7.7.2 Aspetti della progettazione)NTC 2008 – (7.7.2 Aspetti della progettazione)
Qualora si faccia affidamento a comportamenti strutturali dissipativi (CD “A” o
“B”), in mancanza di più precise valutazioni teoriche e sperimentali, si devono
applicare le regole seguenti:
a) nelle zone considerate dissipative possono essere utilizzati solamente
materiali e mezzi di unione che garantiscono un adeguato comportamento
di tipo oligociclico;
b) le unioni incollate devono essere considerate in generale come non
dissipative;
c) i nodi di carpenteria possono essere utilizzati solamente quando questi
possono garantire una sufficiente dissipazione energetica
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NTC 2008 - 7.7.1 aspetti della progettazioneNTC 2008 - 7.7.1 aspetti della progettazione
Adeguato comportamento oligociclico
NTC 2008 -7.7.3 – Tipologie strutturali e fattori di strutturaNTC 2008 -7.7.3 – Tipologie strutturali e fattori di struttura
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Legno e Sisma: Aspetti NormativiLegno e Sisma: Aspetti Normativi
7.7.3 – Tipologie strutturali e fattori di struttura
Strutture leggere con sistemi a pannelli chiodati o bullonati (alta capacità
dissipativa)
Progetto e verifica delle sezioni in legno secondo le NTC2008Progetto e verifica delle sezioni in legno secondo le NTC2008
DiSGG -Università della Basilicata - Potenza
Legno e Sisma: Aspetti NormativiLegno e Sisma: Aspetti Normativi
7.7.3 – Tipologie strutturali e fattori di struttura
Strutture leggere, sistema nord-americano Platform-frame (alta capacità
dissipativa)
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Legno e Sisma: SperimentazioneLegno e Sisma: Sperimentazione
Fattore di struttura q
Legno e Sisma: SperimentazioneLegno e Sisma: Sperimentazione
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Legno e Sisma: Aspetti NormativiLegno e Sisma: Aspetti Normativi
Strutture in legno lamellare, portali di capannoni, palestre ecc.
(bassa capacità dissipativa)
7.7.3 – Tipologie strutturali e fattori di struttura
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Legno e Sisma: Aspetti NormativiLegno e Sisma: Aspetti Normativi
- Tutte le strutture che non rispettano le condizioni richieste per le CD “A” o “B”si debbono considerare come strutture aventi una scarsa capacità di dissipazione
energetica, alle quali si assegna un fattore di struttura q ≤ 1,5.
- Strutture isostatiche in genere, archi a due cerniere, travi reticolari con
connettori, in mancanza di specifiche valutazioni, sono da considerare come
strutture aventi una scarsa capacità di dissipazione energetica, alle quali si deve
dunque assegnare un fattore di struttura q0 non superiore a 1,5.
- Al fine di garantire valori del fattore di struttura q superiori ad 1,5, le zone
considerate dissipative devono essere in grado di deformarsi plasticamente per
almeno tre cicli a inversione completa, con un rapporto di duttilità statica pari a
4 per le strutture in CD “B” e pari a 6 per le strutture in CD “A”, senza che si
verifichi una riduzione della loro resistenza maggiore del 20%.
7.7.3 – Tipologie strutturali e fattori di struttura
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Legno e Sisma: Aspetti NormativiLegno e Sisma: Aspetti Normativi
Le zone dissipative, possono considerarsi tali, se sono soddisfatte le seguenti
condizioni:
a) i collegamenti legno-legno o legno-acciaio sono realizzati con perni o con chiodi
aventi diametro d non maggiore di 12 mm ed uno spessore delle membrature lignee
collegate non minore di 10d;
b) nelle pareti e nei diaframmi con telaio in legno, il materiale di rivestimento
strutturale è di legno o di materiale da esso derivato, con uno spessore minimo
pari a 4d e con diametro d dei chiodi non superiore a 3,1 mm.
7.7.3 – Tipologie strutturali e fattori di struttura
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Legno e Sisma: Aspetti NormativiLegno e Sisma: Aspetti Normativi
Qualora tutte le precedenti prescrizioni non siano soddisfatte, ma sia almeno assicurato lo
spessore minimo degli elementi collegati pari, rispettivamente, a 8d per il caso a) e a 3d per il
caso b), si devono utilizzare valori ridotti del coefficiente q0 con i valori massimi presentati in
Tab. 7.7.II.
7.7.3 – Tipologie strutturali e fattori di struttura
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Legno e Sisma: Aspetti NormativiLegno e Sisma: Aspetti Normativi
7.7.4 – Analisi Strutturale
- Messa in conto della deformabilità dei collegamenti;
- Utilizzo dei valori di modulo elastico per “azioni istantanee”, ricavati a partire
dai valori medi di modulo elastico degli elementi resistenti.
-Gli impalcati devono essere in generale assunti con la loro deformabilità; possono
essere assunti come rigidi nel modello strutturale, senza necessità di ulteriori
verifiche se:
a)sono state rispettate le disposizioni costruttive date nel successivo § 7.7.5.3 per
gli impalcati o, in alternativa se pertinente,§ 7.7.7.2
b) eventuali aperture presenti non influenzano significativamente la rigidezza
globale di lastra nel proprio piano.
Legno e Sisma: Aspetti NormativiLegno e Sisma: Aspetti Normativi
7.7.4 – Analisi Strutturale
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Legno e Sisma: Aspetti NormativiLegno e Sisma: Aspetti Normativi
7.7.5 – Disposizioni costruttive
Le membrature compresse ed i loro collegamenti (come per esempio i giunti di
carpenteria), per cui possa essere prevedibile il collasso a causa dell’inversione
di segno della sollecitazione, devono essere progettati in modo tale che non si
verifichino separazioni, dislocazioni, disassamenti.
Le strutture con zone dissipative devono essere progettate in modo che tali zone siano
localizzate principalmente in quei punti della struttura dove eventuali plasticizzazioni,
instabilità locali o altri fenomeni dovuti al comportamento isteretico non
compromettano la stabilità globale della struttura.
7.7.5.2 – Collegamenti
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Legno e Sisma: Aspetti NormativiLegno e Sisma: Aspetti Normativi
7.7.6 – Verifiche di sicurezza
I valori di resistenza degli elementi di legno fanno riferimento a carichi di tipo
“istantaneo”, nelle condizioni di servizio assunte per la struttura.
Al fine di garantire lo sviluppo del comportamento ciclico dissipativo in
corrispondenza delle zone assunte come dissipative, tutti gli altri elementi
strutturali e/o connessioni devono essere progettati con adeguati valori di
sovraresistenza. Tale requisito di sovraresistenza si applica, in particolare, a:
a)collegamenti di elementi tesi o qualsiasi collegamento alle strutture di
fondazione;
b) collegamenti tra diaframmi orizzontali ed elementi verticali di controvento.
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Legno e Sisma: Aspetti NormativiLegno e Sisma: Aspetti Normativi
7.7.7 - Regole di dettaglio
7.7.7.1 Disposizioni costruttive per i collegamenti
Perni e bulloni di diametro d superiore a 16 mm non devono essere utilizzati nei
collegamenti legno-legno e legno-acciaio, eccezion fatta quando essi siano utilizzati
come elementi di chiusura dei connettori e tali, quindi, da non influenzare la
resistenza a taglio.
Nel caso di tensioni perpendicolari alla fibratura, si devono osservare disposizioni
aggiuntive al fine di evitare l’innesco di fratture parallele alla fibratura (splitting).
NCT 2008 - 4.4.12 e.13 Robustezza e DurabilitàNCT 2008 - 4.4.12 e.13 Robustezza e Durabilità
In relazione alla classe di servizio della struttura e alle condizioni di carico, dovrà
essere predisposto in sede progettuale un programma delle operazioni di
manutenzione e di controllo da effettuarsi durante l’esercizio della struttura.
Requisiti di robustezza strutturale:- la protezione della struttura e dei suoi elementi componenti nei confronti
dell’umidità;
- l’utilizzazione di mezzi di collegamento intrinsecamente duttili o di sistemi di
collegamento a comportamento duttile;
- l’utilizzazione di elementi composti a comportamento globalmente duttile;
- la limitazione delle zone di materiale legnoso sollecitate a trazione
perpendicolarmente alla fibratura, soprattutto nei casi in cui tali stati di sollecitazione
si accompagnino a tensioni tangenziali (come nel caso degli intagli) e, in genere,
quando siano da prevedere elevati gradienti di umidità nell’elemento durante la sua
vita utile.
Durabilità:
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Materiali derivati da legno usati per scopo costruttivoMateriali derivati da legno usati per scopo costruttivo
COMPENSATI
Riduzione in fogli sottili mediante
sfogliatura o tranciatura. Segue
la taglierinatura, essiccazione,
bonifica, incollaggio e
pressatura e infine la finitura.
PANNELLI DI FIBRE
Frammentazione della materia
prima (chippatura), riduzione dei
frammenti in unità fibrose,
formazione del materasso,
pressatura e finitura.
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Materiali derivati da legno usati per scopo costruttivoMateriali derivati da legno usati per scopo costruttivo
PANNELLI DI PARTICELLE
(TRUCIOLARI)
Frammentazione o truciolatura,
essiccazione delle particelle,
selezionamento delle particelle,
incollaggio, distribuzione,
pressatura, rifinitura.
PANNELLI DI LANA DI LEGNO
Riduzione in lunghi trucioli,
impastaggio con malte di tipo
cementizio o magnesiaco.
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Materiali derivati da legno usati per scopo costruttivoMateriali derivati da legno usati per scopo costruttivo
PANNELLI COMPOSTI (SANDWICH)
Tamburato: si interpone tra due
strati esterni in fibratura incrociata
incollata uno strato interno leggero
(es. reticolato di listelli di legno)
Coibentazione: con strato interno in
polistirene o altro materiale isolante
PANNELLI DI ALTRI TIPI
• Le caratteristiche fisiche e meccaniche del legno quale
materiale da costruzione.
• Costruzioni di legno in zona sismica, aspetti normativi ed
esecutivi.
• Il comportamento delle strutture di legno al fuoco.
Progettazione delle strutture in legno
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Sicurezza contro l’incendio dellestrutture in legno
Strutture in legno
SISMA + INCENDIO
Sisma e successivo incendio, terremoto di Lisbona 1755 e
di San Francisco 1906.
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Resistenza al fuoco
Viene valutata in base al tempo (in minuti) occorrente perché la struttura perda di resistenza.
Contrariamente a quanto si potrebbe pensare, la resistenza al fuoco del legno è buona.
La velocità di penetrazione della carbonizzazione durante un incendio è dell’ordine di
1mm/min: prima che una trave arrivi a perdere la sua capacità portante passa molto tempo!
A seguito di un incendio gli elementi metallici hanno ceduto piegandosi sugli elementi di legno: questi ultimi hanno
ridotto la propria sezione – è evidente dalla sporgenza dei chiodi che presumibilmente prima dell’incendio erano
completamente infissi nel legno – ma hanno resistito all’incendio (da Glulam, W.A. Chugg, Benn, London, 1964).
[da La resistenza al fuoco delle strutture di legno di M. Follesa e M. Lauriola, in “Recupero e Conservazione”n.39]
SVILUPPO DELL’INCENDIO
L’incendio viene di solito distinto in tre fasi schematiche:
1. fase iniziale o di accensione: va dall’apparire delle fiamme
fino al cosiddetto “flashover” o stato irreversibile (simultanea
ignizione di tutti i materiali combustibili) al di là del quale vi è
scarsa probabilità che l’incendio si spenga da solo, in tale
fase la Tmedia è intorno ai 500-600°C;
2. fase di incendio vero e proprio o a Vcomb.costante: dopo il
“flashover” la temperatura cresce in modo esponenziale fino
al valore massimo (1000°C e più);
3. fase di estinzione o di raffreddamento: che va dal punto di
temperatura massima fino all’estinzione totale; tale fase si
ritiene ultimata quando la Tmedia raggiunge circa 300°C.
Strutture in legno
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Strutture in legno
SVILUPPO DELL’INCENDIO:
Curva di “incendio reale”
Strutture in legno
Caratteristiche all’incendio:
- Materiale combustibile: durante l ’ incendio gli elementi strutturali
esposti subiscono una riduzione di massa;
- Bassa conducibilità termica: (circa 0.15 W/mK), perciò esso si comporta
come un buon isolante termico.
Meccanismo della combustione del legno
1°stadio: riscaldamento con conseguente perdita d’acqua;
2°stadio: il riscaldamento provoca la decomposizione del legno con
liberazione di sostanze volatili, che mescolandosi con l’aria, danno luogo a
miscele combustibili. La temperatura d’ ignizione può assumere valori di 200-
300°C;
3°stadio: combustione della parte solida, per lo più frazione carboniosa, la
combustione procede verso l’interno con velocità finita, chiamata “velocità di
penetrazione della carbonizzazione”.
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Durante la combustione si possono distinguere tre zone
all’interno della sezione:
Zona Carbonizzata: situata all’esterno della sezione, in essa non si
considera più alcuna caratteristica di resistenza;
Zona Alterata: strato intermedio dello spessore di alcuni millimetri, in
cui le caratteristiche meccaniche sono degradate;
Zona Interna: parte della sezione non ancora investita dal fuoco, in
tale zona le caratteristiche meccaniche sono pressochè inalterate.
Strutture in legno
Valutazione della sicurezza: con la CNR_DT206_2007
Si assume che le proprietà meccaniche della sezione lignea residua, ad una certa distanza
dallo strato carbonizzato, non risultino ridotte rispetto alle condizioni standard.
Metodi di valutazione della sicurezza :
- Analisi globale della struttura;
- L’analisi di parti della struttura, considerando in modo approssimato
l’interazione tra le diverse parti della struttura;
- L’analisi di singoli elementi, considerando come condizioni iniziali al
contorno quelle corrispondenti alle normali condizioni di servizio.
Strutture in legno
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Valutazione della sicurezza: con la CNR_DT206_2007
Si definiscono i seguenti termini che nel seguito saranno utilizzati, con riferimento alla
sezione trasversale di un generico elemento di legno:
- linea di carbonizzazione: confine tra strato carbonizzato e sezione trasversale
residua;
- sezione trasversale residua: sezione trasversale originaria ridotta dello strato
carbonizzato;
- sezione trasversale efficace: sezione trasversale originaria ridotta dello strato
carbonizzato e di un successivo strato in cui si considerano nulli i valori di
resistenza e di rigidezza.
Strutture in legno
Valutazione della sicurezza: con la CNR_DT206_2007
RESISTENZA DI UN ELEMENTO LIGNEO ESPOSTO AL FUOCO
Per il singolo elemento ligneo esposto al fuoco, in assenza di valutazioni più rigorose, si può
fare riferimento al calcolo della cosiddetta “sezione efficace” in corrispondenza del tempo t
richiesto di resistenza al fuoco, corrispondente alla sezione originaria ridotta di:
Strutture in legno
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Valutazione della sicurezza: con la CNR_DT206_2007
Velocità di carbonizzazione
Per quanto riguarda la velocità di carbonizzazione b0, in mancanza di valutazioni
sperimentali dirette effettuate in accordo alle pertinenti normative CEN, si può fare
riferimento a quanto riportato nella Tabella 12.1.
Strutture in legno
Strutture in legno
fiM
kfififid
fKKf
,
mod,,
fiM
fififid
SKKS
,
5.0mod,,
Valutazione della sicurezza: con la CNR_DT206_2007
Resistenze e moduli elastici di progetto della sezione efficace
dove:
fk, S0.5 sono i valori di una generica proprietà di resistenza del materiale o di modulo di
elasticità a temperatura normale (si vedano le tabelle riportate in Appendice 4);
fd,fi, Sd,fi sono i valori di progetto di una proprietà di resistenza o di modulo di elasticità del
materiale;
kfi è il coefficiente da assumere pari a 1.25 per il legno massiccio e a 1.15 per il legno
lamellare incollato e pannelli derivati dal legno;
M,fi =1.0 è il coefficiente parziale di sicurezza in situazione di incendio;
kmod,fi =1.0 sostituisce il parametro kmod a temperatura ambiente.
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Strutture in legno
Valutazione della sicurezza: con la CNR_DT206_2007
Resistenza di un collegamento esposto al fuoco
I collegamenti con elementi metallici o le parti della struttura realizzate con elementi
metallici rappresentano, generalmente, il vero punto di debolezza della struttura lignea nei
confronti dell’azione incendio.
Le parti metalliche:
- Costituiscono elemento di trasmissione di calore anche all’interno della massa lignea;
- Presentano, se esposte al fuoco, deformazioni incompatibili con la statica globale della
struttura (elementi di controvento, elementi tesi in genere ecc.).
Strutture in legno
Valutazione della sicurezza: con la CNR_DT206_2007
Resistenza di un collegamento esposto al fuoco
Le cosiddette unioni “non protette” (cioè unioni realizzate con elementi metallici
esposti, in tutto o in parte), progettate correttamente per le combinazioni a
temperatura ambiente e purché a comportamento statico globalmente simmetrico,
possono essere generalmente considerate soddisfacenti alla classe di resistenza R15
o R20, secondo quanto indicato in Tabella.
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• Le caratteristiche fisiche e meccaniche del legno quale
materiale da costruzione.
• Costruzioni di legno in zona sismica, aspetti normativi ed
esecutivi.
• Il comportamento delle strutture di legno al fuoco.
• Verifiche di resistenza
Progettazione delle strutture in legno
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Le Nuove Norme Tecniche per le Costruzioni 2008
4.4.8.1 Verifiche di resistenza4.4.8.1 Verifiche di resistenza
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11.7.1.1 Proprietà dei materiali11.7.1.1 Proprietà dei materiali
Le Nuove Norme Tecniche per le Costruzioni 2008
4.4.8.1 Verifiche di resistenza4.4.8.1 Verifiche di resistenza
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Le Nuove Norme Tecniche per le Costruzioni 2008
4.4.8.1 Verifiche di resistenza4.4.8.1 Verifiche di resistenza
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1
1
,,
,,
,,
,,
,,
,,
,,
,,
dzm
dzm
dym
dym
m
dzm
dzm
m
dym
dym
ffK
fK
f
Sollecitazione di Flessione
Coefficiente Km, tiene conto convenzionalmente della ridistribuzione delle tensioni e della
disomogeneità del materiale nella sezione trasversale
Km=0.7 per sezioni trasversali rettangolari
1.0 per altre sezioni trasversali
4.4.8.1.6 Verifiche di resistenza (Flessione)4.4.8.1.6 Verifiche di resistenza (Flessione)
Le Nuove Norme Tecniche per le Costruzioni 2008
4.4.8.1 Verifiche di resistenza4.4.8.1 Verifiche di resistenza
Progetto e verifica delle sezioni in legno secondo le NTC2008Progetto e verifica delle sezioni in legno secondo le NTC2008
1
1
,,
,,
,,
,,
,0,
,0,
,,
,,
,,
,,
,0,
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dzm
dzm
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dym
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dt
dt
dzm
dzm
m
dym
dym
dt
dt
ffK
f
fK
ff
Sollecitazione Tensoflessione
Sollecitazione Pressoflesione
1
1
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,,
2
,0,
,0,
,,
,,
,,
,,
2
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,0,
dzm
dzm
dym
dym
m
dc
dc
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dzm
m
dym
dym
dc
dc
ffK
f
fK
ff
4.4.8.1.7/8 Verifiche di resistenza (Tenso e presso Flessione)4.4.8.1.7/8 Verifiche di resistenza (Tenso e presso Flessione)
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Progetto e verifica delle sezioni in legno secondo le NTC2008Progetto e verifica delle sezioni in legno secondo le NTC2008
Sollecitazione di taglio
Sollecitazione di torsione
dvf
d ,
dvf
shk
dtor ,,
Ksh=
1.2 per sezioni circolari piene
1+0.15 h/b ≤ 2 per sezioni rettangolari piene, di lati b e h, b ≤ h
1.0 per altri tipi di sezioni
Sollecitazione combinata di taglio e torsione 1
2
,,
,
dv
d
dvsh
dtor
ffk
4.4.8.1.9/10 Verifiche di resistenza (Taglio e Torsione)4.4.8.1.9/10 Verifiche di resistenza (Taglio e Torsione)
DiSGG -Università della Basilicata - Potenza
d calcolata con teoria Jourawski
Progetto e verifica delle sezioni in legno secondo le NTC2008Progetto e verifica delle sezioni in legno secondo le NTC2008
Instabilità di trave 1
,,
,
dm
fmcrit
k
dm
mrel,,
2
mrel,,
mrel,
1.4per 1
4.10.75per 75.056.1
75.0per 1
mrel
mrelKcrit,m =
critm
km
mrel
f
,
,
,
4.4.8.2.1 Verifiche di Stabilità (Instabilità di trave)
- elementi inflessi -
4.4.8.2.1 Verifiche di Stabilità (Instabilità di trave)
- elementi inflessi -
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Progetto e verifica delle sezioni in legno secondo le NTC2008Progetto e verifica delle sezioni in legno secondo le NTC2008
Elementi compressi Instabilità di colonna 1
,0,,
,0,
dc
fccrit
k
dc
05.0
,0,
,
,0,
,E
ff kc
critc
kc
crel
crel
ccrit
kkk
,22
,
1
crelcrelck ,2
, 3.015.0 b
bc è il coefficiente di imperfezione, che, se gli elementi rispettano i limiti di rettilineità
definiti al § 4.4.15, può assumere i seguenti valori:
-0.2 per legno massiccio;
-0.1 per legno lamellare.
4.4.8.2.2 Verifiche di Stabilità (Instabilità di colonna)4.4.8.2.2 Verifiche di Stabilità (Instabilità di colonna)