Duttilità e resistenza al degrado oligo-ciclico di connessioni nelle strutture in legno: ecco come valutarle

La capacità dei collegamenti in legno di subire deformazioni plastiche limitando il degrado della resistenza nelle prove a basso ciclo a inverisone completa rappresenta un requisito fondamentale per garantire grandi quantità di dissipazione di energia nelle strutture in legno in caso di evento sismico. Sebbene gli attuali documenti della Norma per la progettazione sismica delle strutture in legno (NTC18 ed Eurocodice 8) esprimano la richiesta sismica di connessioni dissipative in termini sia di duttilità che di riduzione della resistenza, la Norma Europea per le prove cicliche di giunti realizzati con fissaggi meccanici (EN12512) non fornisce un metodo di elaborazione dei dati unico e dettagliato per calcolare la resistenza alla fatica a basso ciclo dei giunti.

Questo lavoro presenta una nuova proposta per il calcolo della capacità di duttilità dei collegamenti in legno, tenendo conto nella determinazione della condizione ultima di un valore limite fisso della riduzione della resistenza tra il 1° e il 3° ciclo. La proposta sarà sviluppata integrando l'attuale procedura della EN12512. Il metodo Equivalent Energy Elasto Plastic riportato in ASTM E2126 verrà proposto come metodo alternativo per la valutazione della deformazione a snervamento. Secondo la nuova proposta verranno analizzati i risultati ottenuti da prove cicliche nell'ambito di un programma sperimentale effettuato su connessione legno-legno avvitata e tassellata nonché su hold-down. Il rapporto tra capacità di duttilità e degrado della resistenza per le connessioni testate sarà presentato e discusso criticamente.

Le connessioni nella dissipazione sismica delle costruzioni in legno

La dissipazione energetica nelle costruzioni in legno in caso di terremoti di elevati intensità è tipicamente affidata ai collegamenti mediante lo snervamento dei connettori metallici a gambo cilindrico. Le zone dissipative sono per tanto localizzate nelle unioni meccaniche mentre le membrature lignee, a causa della natura intrinsecamente fragile del materiale legno, devono essere considerate a comportamento elastico.

Al fine di garantire una risposta sismica delle strutture in legno coerente con la classe di duttilità prescelta in fase di progettazione, le connessioni nelle zone dissipative sono progettate al fine di esibire un’adeguata resistenza a fatica oligociclica.

La capacità delle connessioni di deformarsi in campo plastico (duttilità), mantenendo valori di resistenza quasi costanti a cicli ripetuti di carico (resistenza al degrado oligociclico), rappresenta infatti un requisito fondamentale al fine di garantire elevati livelli di dissipazione energetica nelle strutture lignee.

Le normative vigenti inerenti alla progettazione sismica delle costruzioni in legno, NTC18 (2018) e EN 1998-1 (2013), definiscono i requisiti minimi in termini di resistenza a fatica oligociclica delle connessioni dissipative, in relazione sia alla duttilità che alla riduzione di resistenza.

Il comportamento ciclico delle connessioni dissipative nelle strutture in legno è generalmente determinato mediante prove sperimentali che prevedono l’esecuzione di tre cicli a inversione completa secondo livelli crescenti di scorrimento, in accordo alla norma europea EN12512 (2001).

All’interno di tale norma non viene riportato tuttavia un metodo specifico per la determinazione della resistenza a fatica oligociclica delle connessioni. Duttilità e degrado sono infatti considerati come parametri indipendenti, senza un riferimento specifico a quanto richiesto all’interno delle NTC18 (2018) e dall’ EN 1998-1 (2013).

Per tale ragione, anche in relazione al processo di revisione dell’EN 1998-1 condotto dal Project Team PT8.2 sotto la super visione del Working Group WG3 “Timber” del CEN TC250/SC8 (Follesa et al., 2018), il presente articolo presenta una proposta per la revisione della procedura contenuta nella norma EN12152 (2001). La proposta si basa sulla definizione di un metodo univoco per la valutazione della resistenza a fatica oligociclica delle connessioni, mediante una correlazione fra duttilità e degrado di resistenza.

A supporto di tale proposta sono discussi ed analizzati i risultati ottenuti da una campagna di prove sperimentali su differenti tipologie di connessioni.

Domanda e capacità della resistenza a fatica oligociclica

La domanda della resistenza fatica oligociclica secondo le NTC18 e l’EN 1998-1

La domanda in termini di resistenza a fatica oligociclica per le connessioni dissipative nelle strutture in legno è definita al punto §7.7.3.1 delle NTC18 (2018) e al punto §8.8.3 dell’ EN 1998-1 (2013). In caso di progettazione dissipativa della struttura, è espressamente richiesto infatti che “le zone considerate dissipative devono essere progettate al fine di deformarsi plasticamente per almeno tre cicli ad inversione completa con un rapporto di duttilità statica pari a 4, per le strutture in classe di duttilità media (CD “B), e pari a 6, per le strutture in classe di duttilità alta (CD”A”) senza che si verifichi una riduzione della loro resistenza maggiore del 20%”.

Se per quanto riguarda la duttilità non esiste alcun dubbio sul procedimento volto alla sua determinazione e riportato all’interno della versione attuale della EN12512 (2001), l’interpretazione in merito al concetto di “riduzione di resistenza” risulta essere non completamente univoca

E’ importante notare infatti che, se per le connessioni in legno il degrado di resistenza oligociclico viene generalmente valutato come riduzione del carico fra il primo ed il terzo ciclo allo stesso livello di scorrimento ΔF1-3, Figura 1, il medesimo approccio non è applicato per la valutazione del degrado di resistenza delle componenti strutturali di altri materiali.

Figura 1. Prove cicliche su connessioni in legno. valutazione del degrado di resistenza come riduzione del carico fra 1° e 3° ciclo

Per i nodi trave-colonna in acciaio, ad esempio, i test ciclici sono generalmente effettuati mediante cicli singoli ad inversione completa secondo livelli di scorrimento crescente. Il degrado di resistenza oligociclica viene definito con riferimento alla riduzione di carico rispetto ad un valore nominale di resistenza (ANSI/AISC 341-10, 2010), determinato attraverso delle procedure di calcolo presenti nei vari documenti normativi. La condizione ultima del comportamento ciclico dei nodi in acciaio è altresì valutata facendo riferimento ad un valore limite del carico raggiunto nella fase di “post-picco” (softening) della curva di inviluppo ciclica e pari all’80% del valore nominale di resistenza.

Un approccio simile è in realtà adottato nella stessa EN12512 (2001) per la valutazione delle condizioni ultime delle connessioni nelle strutture in legno. E’ importante precisare come in questo caso, tuttavia, venga fatto riferimento non tanto alla riduzione di carico rispetto ad una prefissata resistenza nominale ma quanto alla riduzione della forza massima raggiunta dalla stessa curva di inviluppo.

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Articolo tratto dagli atti del XVIII Convegno ANIDIS - Ascoli Piceno 2019