Innovative connection systems for timber structures

Le connessioni e gli elementi di fissaggio svolgono un ruolo essenziale nella determinazione della resistenza, stabilità e solidità, ovvero nella risposta globale delle strutture del legno. In particolare, le connessioni soggette a carichi statici devono essere studiate in termini di resistenza e rigidezza, mentre quelle progettate per resistere a carichi ciclici (ad es. sismici), necessitano anche della completa definizione della loro risposta isteretica. Questa tesi si concentra sul comportamento dei collegamenti moderni sviluppati e impiegati nell'ingegneria del legno. Una prima panoramica sulle connessioni meccaniche impiegate nelle strutture del legno e la loro evoluzione è riportata nella sezione introduttiva di questa tesi. Vantaggi e criticità delle connessioni tradizionali sono le motivazioni dell’evoluzione e dei miglioramenti prodotti dalle connessioni innovative. Vengono analizzate e discusse due diverse applicazioni di connessioni per strutture in legno, ognuna delle quali espone aspetti e problematiche diverse. Il primo afferma di dare una panoramica delle moderne viti utilizzate nelle strutture composte legno-calcestruzzo (TCC), dove l'obiettivo principale è ottenere massima resistenza e ancor più rigidezza. Il secondo, è incentrato direttamente nell’analisi delle prestazioni cicliche delle connessioni moderne utilizzate nelle strutture in CrossLam (CLT) in cui la capacità dissipativa e lo smorzamento strutturale sono della massima importanza. Di conseguenza, il presente manoscritto è suddiviso in due parti principali. La prima parte riguarda le giunzioni legno-calcestruzzo realizzate con viti moderne. Il punto chiave per garantire prestazioni meccaniche adeguate a queste strutture composite è l'utilizzo di connettori caratterizzati da un'adeguata resistenza e rigidezza tra trave di legno e soletta di calcestruzzo, indipendentemente dalla presenza di uno strato intermedio. I connettori cilindrici moderni, come le viti autofilettanti, possiedono un crescente interesse perché combinano elevate prestazioni, se è sfruttata la loro elevata capacità ad estrazione, e rapidità di esecuzione. In questo lavoro viene proposto un approccio teorico semplificato per calcolare la resistenza al taglio e la rigidezza dei giunti TCC realizzati con viti inclinate e poi confrontato con le attuali procedure di progettazione. Inoltre, viene fornito un rapporto sulle prove di push-out a breve termine di giunti TCC realizzati con viti autofilettanti inclinate, effettuate con vari tipi di fissaggio, diametro e tipo di calcestruzzo. Di conseguenza, viene anche riportato un confronto tra i risultati ottenuti con il metodo teorico e le prove sperimentali e viene discusso criticamente in termini di forza e rigidezza. L'ultima sezione della prima parte comprende la progettazione di un connettore innovativo che combina l'utilizzo di viti autofilettanti e polimero termoplastico rinforzato con fibra di vetro (GFRP) per realizzare giunti TCC strutturali. Gli FRP vengono utilizzati nell’ingegneria civile da decenni, ma la maggior parte di queste applicazioni utilizza compositi termoindurenti pre-impregnati, il più comune dei quali è il polimero rinforzato in fibra di carbonio (CFRP). Al contrario, i materiali termoplastici sono relativamente nuovi e mancano di storia nell'utilizzo nell'infrastruttura civile. Le simulazioni numeriche, effettuate per progettare questo giunto, sono descritte in dettaglio. Quindi, i risultati delle prove sperimentali condotte per esaminare il comportamento del dispositivo sottoposto a condizioni di carico di taglio sono confrontati con le previsioni analitiche descritte. La seconda parte di questo lavoro si concentra sullo sviluppo di collegamenti innovativi impiegati per le strutture in CLT. La prestazione sismica degli edifici CLT è principalmente legata alla capacità dei collegamenti di plasticizzarsi, poiché gli elementi del legno hanno una capacità limitata di deformazione inelastica. Oggi, l'utilizzo di connessioni quali hold-down e angolari, originariamente sviluppati per costruzioni tipo platform-frame, è stato esteso anche agli edifici CLT. Tuttavia, la capacità di dissipazione degli edifici a telaio è diffusa soprattutto nella connessione telaio-pannello, mentre nelle strutture in CLT il contributo dissipativo è assicurato esclusivamente da connessioni duttili che collegano i pannelli. La necessità di una connessione più affidabile che fornisca un comportamento isteretico prevedibile ed affidabile, un fenomeno ridotto di “pinching” (causato dal rifollamento del legno) e una degrado di resistenza giustifica lo sviluppo continuo di connessioni "innovative". In questo lavoro è stato progettato e valutato un elemento di connessione che sormonti i problemi sopradescritti e che lavora sia per i carichi di trazione che per taglio, e ne vengono discussi gli aspetti più significativi. Inizialmente viene illustrata la procedura di progettazione dell'elemento di connessione e dei test sperimentali preliminari che convalidano le previsioni numeriche. Successivamente vengono descritte le fasi di progettazione e test di ulteriori versioni migliorate delle staffe dissipative e sono riportati i loro risultati sperimentali facendo particolare attenzione nel descrivere la loro risposta isteretica e il dominio di resistenza tensione-taglio. Un ruolo importante in questo lavoro è dato all'applicazione dei criteri di gerarchia delle resistenze (progettazione in capacità) a livello di connessione al fine di garantire il miglior sfruttamento della capacità dissipativa della connessione. Di conseguenza, vengono forniti concetti teorici che descrivono l’applicazione di tali concetti a connessioni tradizionali e innovative, e confermate da prove sperimentali delle staffe oggetto di studio ancorate a un pannello CLT. Infine, i risultati di simulazioni numeriche dettagliate e prove cicliche quasi-statiche sono state utilizzate per sviluppare un modello di macro-elemento implementato in un codice numerico che ha permesso di determinare le prestazioni sismiche di un edificio caso studio in CLT realizzato con tali connessioni. Con questi due esempi la presente tesi mira a definire un originale procedura di valutazione delle performance delle connessioni innovative per legno, combinando l'uso di modelli teorici, numerici ed analisi sperimentali e mettendone in evidenza le differenze emergenti rispetto all'impiego di sistemi di connessioni tradizionali.