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Gli hold-down e gli angolari a taglio collegano le pareti in X-LAM alla fondazione e governano la risposta sismica dell’edificio: i primi contrastano il ribaltamento, i secondi lo scorrimento. Le prove del Politecnico di Milano mostrano che l’ancoraggio al calcestruzzo è il punto critico: con l’hold-down tradizionale si forma il cono di rottura, fragile, a circa metà del carico. L’hold-down SHD concentra la plasticizzazione in una strizione della flangia; l’angolare SHLS, con fori asolati, nervature e rosette, separa i due meccanismi e porta la rottura nelle viti.
Pareti X-LAM sotto sisma: dalle prove sperimentali alle connessioni duttili SHD e SHLS
Nelle strutture in legno realizzate in zona sismica, le connessioni metalliche svolgono un ruolo chiave nella risposta dell’intero sistema strutturale all’azione sismica. Oltre a garantire adeguati livelli di resistenza, esse devono essere in grado di dissipare energia mediante meccanismi duttili, favorendo la plasticizzazione controllata degli elementi destinati a tale funzione e consentendo alla struttura di assorbire gli spostamenti indotti dal sisma.
In questo contesto,
Simpson Strong Tie | Friulsider
, in collaborazione con il Politecnico di Milano, ha promosso un’attività di ricerca sperimentale finalizzata allo sviluppo di due soluzioni specificamente concepite per strutture in X-LAM realizzate in zona sismica: l’hold-down SHD e l'angolare a taglio SHLS.
L’obiettivo del progetto è quello di favorire un comportamento duttile delle connessioni nel rispetto dei principi della gerarchia delle resistenze al fine di evitare rotture fragili, consentendo in questo modo a ciascun componente del sistema strutturale di svolgere efficacemente la funzione prevista e contribuendo a una risposta più affidabile della struttura in presenza di azioni sismiche.
Il comportamento delle pareti in X-LAM durante un sisma
Durante un evento sismico, schematizzabile mediante forze orizzontali a verso alternato agenti in corrispondenza dei diversi piani dell’edificio, nelle pareti strutturali si generano forze di taglio e momenti ribaltanti.
Il comportamento di una parete in X-LAM ancorata alla fondazione può essere schematizzato distinguendo due meccanismi principali:
- Ribaltamento: Il momento generato dalle azioni orizzontali tende a sollevare una delle estremità della parete, alternativamente al variare del verso dell’azione. Il contrasto a tale effetto è affidato alla resistenza a trazione degli hold-down, in combinazione con la reazione di compressione che si sviluppa sul bordo opposto.
- Scorrimento: le forze orizzontali tendono a traslare la parete rispetto alla fondazione. Il trasferimento di queste azioni è affidato prevalentemente agli angolari a taglio.
Si tratta di una rappresentazione semplificata, utile per comprendere il funzionamento del sistema. Nelle configurazioni tradizionali, infatti, i diversi dispositivi possono partecipare, in misura dipendente dalla loro geometria e rigidezza, alla resistenza di più componenti dell’azione.
LEGGI ANCHE Le connessioni X-LAM come garanzia di duttilità e durabilità antisismica
Gerarchia delle resistenze: quali meccanismi devono restare protetti
Una progettazione efficace delle connessioni deve assicurare che il comportamento complessivo sia governato da meccanismi duttili, in grado di gestire gli spostamenti e dissipare energia prima che si verifichino rotture fragili improvvise e pericolose per la stabilità della struttura.
Questo principio si traduce nella cosiddetta gerarchia delle resistenze: i meccanismi fragili devono essere adeguatamente sovraresistenti rispetto a quelli duttili che si intende attivare.
Per comprendere le innovazioni introdotte negli elementi di connessione tradizionali, quali hold-down e angolari a taglio, e il loro contributo al rispetto dei principi progettuali appena descritti, è utile analizzare separatamente le due campagne sperimentali che ne hanno studiato il comportamento, consentendo di individuare e sviluppare le soluzioni migliorative successivamente implementate.
Hold-down: meccanismi resistenti e criticità dell’ancoraggio alla base
La ricerca ha avuto l’obiettivo di definire una gerarchia tra i possibili meccanismi di rottura che influenzano la resistenza complessiva del sistema, con particolare attenzione alla distinzione tra modalità di rottura di tipo duttile o fragile. L’attività, promossa da Simpson Strong Tie| Friulsider, è stata orientata all’ottimizzazione dei sistemi di fissaggio summenzionati con l’intento di favorire meccanismi di rottura duttili.
Analizziamo il comportamento del classico hold-down (tipo:
HTT – Prodotti per X-LAM – Friulsider
), che, data la sua geometria, permette di contrastare le azioni che tendono a ribaltare la struttura attraverso la sua resistenza a trazione.
L’hold-down
(tipo:
HTT – Prodotti per X-LAM – Friulsider
), è una staffa angolare costituita da una piastra metallica, dotata di fori per l’inserimento della chiodatura necessaria a vincolare l’elemento metallico all’elemento strutturale ligneo, e da una ripiegatura con un foro di grande diametro per consentire il collegamento al cordolo in calcestruzzo (alla base della struttura) oppure tra i diversi piani dell’edificio.
La resistenza dell’hold-down in opera dipende da diversi meccanismi resistenti:
- Resistenza a taglio delle viti di collegamento/rifollamento dell’elemento ligneo;
- Resistenza a trazione dell’hold-down stesso;
- Resistenza a trazione/estrazione del tassello meccanico.
Per la valutazione di questi meccanismi si può far riferimento alle rispettive normative tecniche, anche se spesso i produttori forniscono già parte di queste informazioni nelle schede e nei cataloghi tecnici. Per la resistenza al taglio del gruppo di viti che vincolano l’hold-down all’elemento ligneo si seguono le indicazioni dell’Eurocodice 5 (
EN 1995-1-1
); per la resistenza a trazione/estrazione del tassello che collega l’hold-down con il cordolo in calcestruzzo, invece, si fa riferimento all’Eurocodice 2 (
EN 1992-1-1
). Le caratteristiche meccaniche dell’hold-down vengono fornite dal produttore e sono riportate, per i prodotti certificati, nell’ETA e nelle DoP.
La resistenza offerta dal “sistema” hold-down è quindi pari al valore minimo tra questi meccanismi resistenti, ma non tutti presentano un comportamento duttile. Sia la plasticizzazione delle viti sia la rottura a trazione della piastra metallica sono meccanismi di rottura duttile, mentre l’estrazione del tassello meccanico per sfilamento o per formazione del cono di calcestruzzo, ad esempio, sono meccanismi fragili.
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Hold-down: come si comportano durante un evento sismico?
Tre configurazioni sperimentali con ancoraggi M20
Simpson Strong Tie|Friulsider, azienda da sempre attenta alla ricerca e allo sviluppo dei propri prodotti, in collaborazione con il Politecnico di Milano, ha promosso un progetto di ricerca volto ad approfondire il comportamento dell’hold-down classico sottoposto sia a carichi monotoni che ciclici.
Le configurazioni testate sono essenzialmente tre:
- Hold-down ancorato a un elemento verticale in legno (GL24) tramite chiodatura completa e vincolato a un piano di staffaggio in acciaio tramite un tassello per cave a “T” e vite M20 (cl.8.8);
- Due hold-down, solidali a un elemento verticale in legno (GL24) tramite chiodatura completa e vincolati a una lastra in calcestruzzo debolmente armata (C20/25) tramite ancoraggio meccanico ATS-EVO (
ATS-evo – Ancoranti – Friulsider
) della Friulsider, dimensione M20, per una profondità di 125 mm; - Due hold-down, solidali a un elemento verticale in legno (GL24) tramite chiodatura completa e vincolati a una lastra in calcestruzzo debolmente armata (C20/25) tramite ancorante chimico KEM EP (
KEM EP EPOXY PREMIUM – 934 933 – Prodotti fuori catalogo – Friulsider
) della Friulsider con barra filettata M20 per una profondità di 160 mm.
Nella configurazione con hold-down singolo è stata prevista, nel setup di prova, la presenza di ritegni laterali atti a prevenire rotazioni ed effetti fuori piano rispetto all’applicazione del carico. In figura sono schematizzati i setup di prova sia per hold-down singolo che per hold-down doppio:
L’elemento ligneo è inserito in un telaio formato da barre filettate e travi UPN accoppiate, collegato a una cella di carico e a un martinetto cilindrico idraulico per l’applicazione della sollecitazione. Le prove vengono eseguite utilizzando come parametro di controllo lo spostamento (impostando la velocità del martinetto idraulico).
Le prove, come anticipato, sono state eseguite sia in maniera monotona, con velocità costante in regime quasi statico (limite superiore: 1 mm/sec), per identificare il punto convenzionale di snervamento, sia mediante un protocollo di prova ciclico (in realtà semi-ciclico, in quanto la sollecitazione è solo di trazione).
Prove monotone e cicliche: quando prevale la rottura del calcestruzzo
I risultati dei test hanno evidenziato un comportamento diverso a seconda delle configurazioni analizzate:
- Per l’hold-down vincolato tramite tassello per cave a T, la rottura avviene nella flangia verticale, in corrispondenza della seconda fila di viti. Si tratta di una rottura di tipo duttile, con un diagramma di rottura tipico di un materiale metallico. In questa configurazione, il comportamento della prova ciclica si sovrappone a quello della prova monotona e il tipo di rottura è identico;
- Per l’hold-down vincolato alla lastra in calcestruzzo tramite l’ancorante meccanico ATS–EVO
della Friulsider (
ATS-evo – Ancoranti – Friulsider
) non si riscontra una rottura duttile: si verifica infatti la rottura fragile del calcestruzzo con formazione del cono di calcestruzzo per un carico pari a circa la metà rispetto al caso precedente (non si sfrutta la resistenza potenziale dell’hold-down). Tramite questo test si è riscontrata una gerarchia tra i diversi meccanismi resistenti, con al vertice la resistenza a trazione della flangia, seguita dal rifollamento del legno/plasticizzazione per taglio del gruppo viti ed in fine la resistenza dell’ancorante alla base. Anche nella prova ciclica si è ottenuto lo stesso meccanismo di rottura, di tipo fragile; - Per l’hold-down vincolato alla lastra in calcestruzzo tramite barra inghisata con resina epossidica KEM EP (
KEM EP – 934 – Fissaggi Chimici – Friulsider
) della Friulsider, prevale, come nel caso precedente, una rottura fragile per formazione del cono di calcestruzzo. Data la modesta entità degli spostamenti dell’ancorante, rispetto al caso precedente, si evidenzia, seppur in modo limitato, una tendenza al comportamento del primo caso, ma vi è comunque una carenza di resistenza dell’ancoraggio che compromette la gerarchia delle resistenze.
Conclusioni e sviluppo: l’idea di Simpson Strong Tie| Friulsider in collaborazione con il Politecnico di Milano
Hold-down SHD: una zona metallica dedicata alla dissipazione
Considerando i risultati, appare evidente che l’ancoraggio alla soletta in calcestruzzo rappresenta un punto critico, che spesso compromette la gerarchia delle resistenze desiderata per ottenere un comportamento di tipo duttile. Non è tanto la tipologia di ancorante (meccanico o chimico) la discriminante, quanto la resistenza del supporto in calcestruzzo, che non consente di raggiungere una resistenza superiore a quella degli altri meccanismi.
Per risolvere questo problema, Simpson Strong Tie| Friulsider ha sviluppato in collaborazione con il Politecnico di Milano un nuovo hold-down (SHD:
SHD – Prodotti per X-LAM – Friulsider
) in grado di concentrare in sé la capacità dissipativa del sistema di ancoraggio, prevenendo i meccanismi di rottura fragili a favore di un meccanismo duttile, quale la rottura per trazione dell’hold-down stesso.
Scopri tutte le caratteristiche del hold-down SHD
È stata modificata la geometria della staffa angolare, introducendo una strizione con un certo numero (in base alle dimensioni dell’hold-down) di linguette metalliche. Queste si deformano fino alla rottura, stabilendo una gerarchia di resistenze in cui sia la chiodatura che l’ancoraggio alla base risultano sovraresistenti.
L’hold-down risulta quindi ottimizzato: viene sfruttata appieno la sua resistenza a trazione, salvaguardando sia l’elemento ligneo che il cordolo in calcestruzzo alla base, aspetto fondamentale per il recupero dell’edificio post sisma.
Angolare SHLS per strutture in legno: trasferire il taglio assecondando il sollevamento della parete
Gli angolari a taglio sono costituiti da una piastra ripiegata a 90°, dotata di fori per l’inserimento di chiodi o viti (per il fissaggio alle strutture lignee) e di fori di diametro maggiore per l’inserimento di tasselli o barre filettate (per l’eventuale fissaggio al supporto in calcestruzzo).
Gli angolari a taglio sono solitamente utilizzati per vincolare le strutture bidimensionali in legno agli elementi orizzontali (come le fondazioni in calcestruzzo o i solai lignei), con lo scopo di contrastare le forze di scorrimento.
Angolari tradizionali: i tre contributi alla resistenza a taglio
Consideriamo un esempio applicativo: l’ancoraggio alla base di un’ipotetica struttura in legno costituita da pannelli X-LAM alla fondazione in calcestruzzo (situazione molto comune). L’angolare viene fissato alla struttura bidimensionale in legno mediante viti o chiodi (tipo CSA:
CSA – Fissaggi accessori – Friulsider
) e alla fondazione tramite tasselli meccanici (tipo ATS-evo:
ATS-evo – Ancoranti – Friulsider
) oppure ancoranti chimici con barre filettate (tipo KEM EP:
KEM EP – 934 – Fissaggi Chimici – Friulsider
o KEM H:
KEM H – 936 – Fissaggi Chimici – Friulsider
).
Data la sua geometria, l’angolare si oppone alle forze di scorrimento attraverso la sua resistenza a taglio, che risulta essere il minore tra i seguenti tre contributi:
- Resistenza a taglio delle viti o dei chiodi (plasticizzazione con formazione di una cerniera plastica in corrispondenza del gambo) / rifollamento del legno;
- Resistenza a taglio dell’angolare stesso, inteso come elemento metallico;
- Resistenza a taglio degli ancoraggi meccanici/chimici fissati alla fondazione.
Tra questi meccanismi di rottura, per la progettazione in capacità il primo è quello preferibile, in quanto la plasticizzazione delle viti consente di assecondare gli spostamenti e dissipare una maggiore quantità di energia.
Disaccoppiare taglio e trazione: prove cicliche e modellazione FEM
Un evento sismico come anticipato può essere schematizzato mediante forze orizzontali a verso alternato che agiscono in corrispondenza dei diversi piani della struttura. Queste forze orizzontali generano anche un momento che tende a ribaltare la parete e che deve quindi essere contrastato.
Nei modelli presenti in letteratura, il ribaltamento dei pannelli X-LAM è solitamente contrastato dalla resistenza a trazione degli hold-down e dalla resistenza a compressione del pannello stesso, mentre lo scorrimento è contrastato dalla resistenza a taglio degli angolari.
Si tratta di un modello semplificato che presuppone un completo disaccoppiamento dei due meccanismi; in realtà nel sistema classico, ciò non è del tutto vero, poiché tutti gli elementi partecipano, in una certa misura (in funzione delle rispettive rigidezze), alla resistenza nelle varie direzioni.
Attraverso un’intensa campagna sperimentale condotta in collaborazione con il Politecnico di Milano è stato analizzato il comportamento degli angolari a taglio, con l’obiettivo di introdurre modifiche tali da garantire un effettivo disaccoppiamento dei contributi resistenti tra hold‑down e angolari a taglio, in linea con i modelli comunemente riportati in letteratura, nonché di favorire una modalità di rottura complessivamente duttile, in grado di assecondare il cinematismo della parete e dissipare energia.
I test sono stati eseguiti su campioni costituiti da un singolo angolare, vincolato da un lato a un elemento ligneo e dall’altro a una porzione di fondazione in calcestruzzo. Tali provini sono stati sottoposti a una storia di spostamenti ciclici alternati secondo lo standard EN 12512. Parallelamente sono state eseguite simulazioni attraverso modelli agli elementi finiti in modo da valutare l’efficacia nell’introduzione di modifiche sull’angolare.
A seguito di diverse iterazioni progettuali, che hanno condotto alla definizione dell’attuale geometria dell’angolare (analizzate nel seguito), si è giunti ad un meccanismo di collasso caratterizzato dalla formazione di una cerniera plastica nel gambo della vite/chiodo, in accordo con la teoria di Johansen. La rottura si è verificata a spostamenti significativamente maggiori rispetto alla configurazione iniziale.
Le modifiche introdotte in collaborazione con il Politecnico di Milano hanno condotto al lancio, da parte di Simpson Strong Tie | Friulsider, di un nuovo angolare, unico sul mercato per questa tipologia di applicazione e certificato per azioni sismiche: SHLS.
Scopri tutte le caratteristiche dell’angolare SHLS
Fori asolati, nervature e rosette: la geometria dell’angolare SHLS
Questo angolare presenta delle caratteristiche peculiari, che lo rendono unico:
- Fori asolati, disposti secondo uno schema che ne massimizza l’efficacia di gruppo, progettati per consentire lo spostamento verticale delle viti/chiodi in modo da assecondare il cinematismo della parete di taglio. In questo modo si evita che l’angolare partecipi alla resistenza al ribaltamento della parete (affidata ai soli hold- down);
- Nervature: accorgimenti introdotti per rendere la resistenza dell’elemento maggiore rispetto alla plasticizzazione delle viti/chiodi nell’ottica del rispetto della gerarchia delle resistenze. Si è osservato, infatti, che i primi prototipi dell’angolare erano soggetti a concentrazioni locali di sforzo sui bordi liberi verticali e sulla piastra orizzontale, tali da indurre fenomeni di imbozzamento nell’elemento;
- Rosette saldate in corrispondenza dei fori di diametro maggiore, al fine di evitare il rifollamento della piastra, nell’ottica di rendere l’elemento metallico sovraresistente rispetto all’ancoraggio sul supporto ligneo.
Per completezza si riporta la resistenza a taglio caratteristica dell’elemento:
Che risulta essere la minore fra:
- F23,Rk,timber = La resistenza a taglio delle viti/chiodi, moltiplicata per il numero degli elementi di fissaggio impiegati nell’aletta verticale;
- F23,Rk,steel = La resistenza a taglio dell’angolare pari a 73 kN (per approfondimenti si rimanda all’ETA del prodotto).
L’ancoraggio al calcestruzzo deve essere progettato in modo da risultare sovraresistente rispetto a tali contributi, mediante l’utilizzo di fissaggi di categoria sismica C2 (tipo ATS-evo:
ATS-evo – Ancoranti – Friulsider
, KEM EP:
KEM EP – 934 – Fissaggi Chimici – Friulsider
o KEM H:
KEM H – 936 – Fissaggi Chimici – Friulsider
).
Simpson Strong‑Tie | Friulsider mette a disposizione un software per eseguire queste verifiche FixCalc
Download: Software – Friulsider
Progettare il collegamento completo per ottenere il meccanismo duttile previsto
Simpson Strong Tie | Friulsider ha intrapreso una campagna sperimentale in collaborazione con il Politecnico di Milano con l’obiettivo di innovare i sistemi di fissaggio tradizionali nelle costruzioni in legno, al fine di migliorare la risposta degli elementi e delle strutture ad essi vincolate alle azioni sismiche.
I risultati di questa attività di ricerca hanno condotto alla certificazione sismica di due prodotti SHD e SHLS che, da un lato, assecondano il cinematismo della parete e, dall’altro, garantiscono che le rotture locali avvengano nel rispetto della gerarchia delle resistenze, privilegiando un comportamento duttile rispetto a uno fragile.
FAQ TECNICHE – Connessioni sismiche X-LAM, duttilità di Hold – Down e angolari
Che cosa distingue un hold-down da un angolare a taglio nelle pareti X-LAM?
L’hold-down contrasta prevalentemente il sollevamento dell’estremità della parete dovuto al momento ribaltante. L’angolare trasferisce prevalentemente le azioni di taglio che tendono a far scorrere la parete rispetto al supporto. La separazione delle funzioni è una schematizzazione progettuale: nei collegamenti tradizionali, geometria e rigidezza possono determinare un’interazione tra i contributi.
In quali collegamenti trovano applicazione SHD e SHLS?
L’articolo considera le connessioni delle pareti strutturali in legno soggette ad azioni sismiche, con particolare attenzione al collegamento alla fondazione in calcestruzzo. L’impiego di ciascun dispositivo deve rispettare materiali, configurazioni di fissaggio e condizioni previste dalla relativa documentazione tecnica. Non si possono estendere automaticamente le prestazioni a collegamenti diversi da quelli valutati.
Quali riferimenti servono per verificare legno, ancoraggi e comportamento ciclico?
Occorre distinguere il collegamento sul lato legno, trattato nell’ambito dell’Eurocodice 5, dagli ancoraggi al calcestruzzo, per i quali è pertinente UNI EN 1992-4. UNI EN 12512 riguarda invece le prove cicliche dei giunti con elementi meccanici di collegamento. A questi riferimenti si affiancano il quadro nazionale applicabile e le ETA dei prodotti; una norma di prova non sostituisce la verifica progettuale.
Perché conviene individuare in anticipo il componente destinato a dissipare energia?
La gerarchia delle resistenze mira a far sviluppare le deformazioni nei componenti previsti, proteggendo gli altri meccanismi dal collasso prematuro. Nel sistema descritto, SHD concentra la deformazione in una zona metallica dedicata; SHLS è studiato per favorire la plasticizzazione dei fissaggi sul lato legno. Il vantaggio dipende dal corretto dimensionamento dell’intero collegamento.
Quali aspetti progettuali e di posa condizionano il funzionamento delle connessioni?
Vanno definiti tipologia e numero dei fissaggi, caratteristiche del legno, geometria del supporto in calcestruzzo e configurazione degli ancoraggi. La posa deve rispettare le prescrizioni del prodotto, comprese quelle relative a foratura, profondità e installazione. Per SHLS deve essere preservata anche la funzione delle asole prevista dal dettaglio progettuale.
Quali controlli occorrono per durabilità e valutazione dopo un sisma?
Il documento non fornisce un piano di manutenzione né criteri di sostituzione dopo l’attivazione dei meccanismi dissipativi. Occorre integrare le indicazioni relative a protezione dalla corrosione, condizioni ambientali, accessibilità e ispezione delle connessioni. Dopo un sisma, la possibilità di mantenere in servizio i dispositivi deve essere valutata sulla base del danno e della documentazione tecnica.
Qual è l’errore da evitare nel confronto tra le resistenze dei componenti?
È scorretto assumere la resistenza della sola staffa come capacità dell’intero collegamento. Il progetto deve considerare anche fissaggi nel legno, ancoraggi e supporto, verificando il meccanismo che governa la risposta. Analogamente, una resistenza caratteristica dell’acciaio non coincide con una resistenza di progetto del sistema e non dimostra, da sola, la duttilità della connessione.
