Comportamentul panourilor laminate XLAM sub acțiuni seismice

Comportamentul panourilor laminate XLAM sub acțiuni seismice

Oare, cum lucrează noul produs numit în prezent ”cherestea laminată” sau XLAM (Cross-Lam), sau CLT sau BSP (Brettsperrholz) și care este comportamentul său sub acțiuni seismice, atunci când este utilizat în clădiri? Această întrebare și-a pus- și Profesorul Universitar Ario Ceccotti, de la Universitatea din Veneția, acela care oferă câteva răspunsuri în lucrarea cu titlul ”New Technologies for Construction of Medium-Rise Buildings in Seismic Regions: The XLAM Case”.

Caracteristici

XLAM este fabricat din plăci din lemn masiv, lipite între ele într-un mod transversal pentru a obține, atât panouri de perete, cât și podele. XLAM s-a născut acum un deceniu în Germania și Austria. Panourile XLAM pot atinge dimensiuni adecvate pentru prefabricarea pereților dintr-o singură bucată, în care suprafețele de îmbinare și deschiderile pentru ferestre și uși sunt realizate prin utilizarea unor mașini dedicate, de tip CNC (Computer Numerical Control).

Panourile XLAM sunt extrem de puternice și rigide, având în vedere densitatea lor redusă; sunt, de asemenea, destul de ușor de prelucrat și de asamblat cu instrumente obișnuite.

Ridicarea rapidă a structurilor solide și durabile, chiar și în zonele seismice, este posibilă chiar și pentru forța de muncă necalificată. Buna izolație termică și un comportament destul de bun în caz de incendiu sunt beneficii adăugate, care decurg din structura masivă din lemn.

Prin urmare, XLAM deschide o piață în creștere, pentru construcțiile rezidențiale și nerezidențiale bazate pe o resursă naturală locală, regenerabilă, cu un impact pozitiv asupra situației socio-economice a marilor zone europene în care sunt răspândite păduri de molid.

O alternativă viabilă

Clădirile tradiționale din lemn sunt luate în considerare numai pentru cabane, locuințe temporare și construcții similare mici, ”ușoare”. Recent, laboratoarele de cercetare din mai multe țări europene au lucrat la proiecte de cercetare cu finanțare națională asupra clădirilor XLAM. Prin urmare, zi de zi, clădirile cu mai multe etaje realizate din XLAM devin o alternativă mai puternică și valabilă din punct de vedere economic chiar și pentru omologii lor construiți cu beton și zidărie în întreaga Europă.

Cu toate acestea, până acum, proiectarea clădirilor sistemului XLAM nu este încă acoperită de standardele europene. De exemplu, în Eurocodul 8.1, acest sistem de construcție nu este încă inclus și nu sunt date recomandări cu privire la comportamentul său seismic.

Mai ales, în ceea ce privește valoarea factorului de comportament seismic care va fi utilizat în proiectarea seismică a acestui nou tip de clădiri din lemn, unde nu sunt prevăzute prevederi. Însă, rezultatele testelor de masă de agitare, pe o clădire din lemn stratificat cu trei etaje, și valoarea factorului de comportament seismic este calculată pentru implementarea sistemului XLAM în Eurocodul 8.

Evaluarea factorului de reducere a acțiunii

Majoritatea codurilor de proiectare seismică utilizează factori de reducere a acțiunii (ARF), pentru a evalua forțele care trebuie luate în considerare atunci când proiectăm structura utilizând o simplă analiză globală elastică.

ARF reflectă capacitatea unei structuri de a disipa energia printr-un comportament inelastic, astfel încât structura poate supraviețui chiar și cutremurelor excepționale, fără prăbușire completă, adică atingerea stării limită ultimă, aproape de prăbușire.

Această filozofie este aceeași cu Eurocodul 8, în care ARF este numit ”factor de comportament seismic q”, care este definit ca factorul utilizat în scopuri de proiectare, pentru a reduce forțele obținute dintr-o analiză liniară, pentru a ține cont de răspunsul neliniar a unei structuri, asociată cu materialul, sistemul structural și procedurile de proiectare. Pentru a evalua valoarea q corectă, pentru un sistem structural dat, o procedură complet experimentală este prezentată în Ceccotti și colab.

Cea mai simplă metodă este, totuși, una hibridă, experimentală și teoretică în același timp, în care se face testarea. Cu cât este mai aproape de realitate, cu atât mai bine, precum și faptul că este un model de computer adecvat.

Acest model calibrat pe rezultatele testelor, trebuie să fie capabil să prezică răspunsul neliniar al structurii sub un anumit număr de excitații reale de cutremur. Pentru a evalua q, este necesară doar definiția stării aproape de colaps, adică, nu este necesară nicio definiție a ductilității, ceea ce este o metodă greoaie pentru structurile din lemn, unde un punct de cedare precis este, în majoritatea cazurilor, dificil de definit cu precizie.

Procedura de mai sus poate fi utilizată atât cu o abordare probabilistică, fie cu o abordare semiprobabilistică. De exemplu, în abordarea semi-probabilistică, coeficienții de siguranță corespunzători sunt luați în considerare, atât în ​​coduri, pentru acțiunea de proiectare, cât și pentru rezistența de proiectare, pentru a lua în considerare incertitudinile relevante.

Evaluarea structurii

Următoarea procedură a fost urmărită și adoptată, după cum urmează: Structura clădirii a fost proiectată pentru valoarea q = 1, conform codurilor de proiectare relevante (coduri statice și seismice, adică Eurocodul 5 – Structuri din lemn și Eurocodul 8.1). La sfârșitul acestei etape, sistemul rezistent este complet determinat (de exemplu, grosimea pereților, tipurile de conectori, numărul de șuruburi și cuie etc.).

Comportamentul mecanic al clădirii a fost modelat pe baza caracteristicilor sale mecanice (obținute prin teste ciclice pe pereți calibrați, în cele din urmă, utilizând rezultatele testării la scară completă pe o suprafață aflată în mișcare similară cu aceea indusă de cutremur), utilizând un program de analiză computerizat adecvat (DRAIN3DX, dezvoltat la Universitatea din Berkeley, California), capabil să calculeze răspunsul neliniar al structurii sub un cutremur în domeniul timpului.

Folosind rezultatele testelor de masă de agitare, a fost definit criteriul aproape de prăbușire, adică o deformare a reținerilor de 25,5 mm. De fapt, la această deformare, reținerea este ruptă (chiar dacă structura era în continuare perfect dreaptă și verticală).

Folosind programul de calculator pentru o mișcare dată la sol a cutremurului și creșterea pas cu pas a intensității cutremurului, se determină PGAu al cutremurului, care conduce clădirea la atingerea stării de prăbușire,  aproape determinată anterior.

Această procedură trebuie repetată pentru o serie de cutremure adecvate șantierului, pentru a desena o imagine globală a comportamentului clădirii sub diferite intrări posibile. Valoarea q este apoi calculată ca raportul dintre valorile PGAu, care produc starea de aproape colaps și valoarea codului PGAu.

Modelarea numerică

Simulările numerice au fost efectuate folosind o dinamică neliniară a elementelor finite comerciale în programul de analiză a domeniului în timp (DRAIN-3DX, dezvoltat la Universitatea din Berkeley, California).

Programul original a fost modificat prin implementarea unor subrutine specifice, care țin cont de comportamentul neliniar al îmbinărilor mecanice ale structurilor din lemn,  dezvoltate la Universitatea din Florența, Italia. Pentru analiza dinamică în domeniul timpului, a fost luat intervalul de timp ∆t ca 0,001 s. Masele seismice sunt concentrate în noduri.

S-a presupus o amortizare vâscoasă, echivalentă nominală de 2% pe rigiditate. Modelul constă din panouri rigide de perete, realizate din cadre întărite cu elemente foarte rigide, cu următoarele configurații:

– conectate între ele prin arcuri simetrice neliniare, care simulează conexiunea verticală între două panouri adiacente;

– conectate la etajele superioare și inferioare prin arcuri nesimetrice neliniare, care simulează conexiuni verticale de menținere;

– conectate la etajele superioare și inferioare prin arcuri simetrice neliniare care simulează conexiunile orizontale ale unghiului de oțel.

Pardoselile au fost schematizate sub formă de panouri rigide realizate de rame întărite cu elemente de rigidizare foarte rigide. Flexibilitatea conexiunii dintre panourile de pardoseală adiacente a fost neglijată din cauza numărului de șuruburi în mod intenționat redundant.

Comparația dintre model și teste a fost făcută pentru configurația C a clădirii, unde cutremurele de intrare au fost cele mai puternice. Modelul de histerezis pentru comportamentul conexiunii nesimetrice a fost și el luat în calcul. Comportamentul arcurilor a fost determinat din rezultatele testelor ciclice, efectuate pe o serie de panouri de perete pe scară largă.

Modelul numeric al pereților a fost verificat în continuare pe rezultatele testelor de agitare a întregii clădiri, în configurația C, sub Kobe 0,82 g și Nocera Umbra, scalată până la 1,2 g. Au fost raportate diferențele dintre model și rezultatele testelor.

Diferențele sunt destul de mici din punct de vedere tehnic. Comparația dintre istoricul deplasărilor superioare, în timpul cutremurului Nocera Umbra, cu un coeficient de 1,2 g, așa cum a prezis modelul și cele din experiment, au subliniat superioritatea panourilor de cherestea tip XLAM, în condiții de cutremur și rezistența sporită a clădirii construită din astfel de panouri.

infoconstruct