VERIFICA SPERIMENTALE DEI COLLEGAMENTI DI COPERTURE RETICOLARI SPAZIALI IN LEGNO MICROLAMELLARE E DI SISTEMI STRUTTURALI A CAPPOTTO IN CEMENTO ARMATO

Italy is one of the Mediterranean countries with the greatest seismic risk. Therefore, the issue of structural improvement of the built heritage has a national strategic importance, as it periodically emerges during the seismic events that hit the peninsula. Most of the interventions carried out to reduce seismic vulnerability are invasive and require the interruption of use of the buildings for a long-time frame. At the same time, the environmental goals set by governments require the increasing use of eco-compatible and sustainable materials and solutions. To meet these needs, two innovative technological solutions are documented and experimentally investigated in this PhD thesis. The first solution consists in converting a steel truss structure into a timber structure. The construction system allows to replace individual damaged truss without disassembling and reassembling the entire structure. To ensure performance similar to that of a metal structure, the Laminated Veneer Lumber (LVL), i.e. an engineered wooden product characterized by high mechanical performance, is used. Therefore, at equal external loads, a LVL element has smaller dimensions than a classical wooden element. This feature has numerous advantages, but introduces dimensional problems in connections with metallic elements, where small sections are strongly penalized by the regulatory limits which impose minimum distances from ends and edges of the element. The replacement of the steel truss with the LVL truss increases eco-sustainability, leads to a reduction in the structural weight and can improve safety against fire. Therefore, it is necessary to evaluate, for the proposed solution, both structural efficiency and ease of assembly. For this purpose, over 400 experimental tests were carried out to identify the most suitable type of steel joint. Finally, to demonstrate the feasibility 3 prototypes of a timber truss structures were assembled and tested, comparing their response with that of the original steel structure. The second solution derives from a proposal for the improvement of the thermo-energetic and structural-seismic performances of existing buildings with limited interruption of use. The technology is based on the creation of a skin that integrates insulating properties with a structural strengthening designed to enhance global seismic capacity. The skin, made up of a reinforced concrete frame structure, is externally connected to the existing structure at the floor levels, through anchors post-installed into its perimeter beams. Compared with traditional retrofitting techniques, this solution strongly reduces the impact of interventions and may preserve the building use. However, the feasibility of the solution depends on the experimental evaluation of the mechanical behaviour of the connection elements between the existing structure and the strengthening frame. These connections, in the presence of seismic actions, are subjected to a multiaxial stress state. In particular, tensile stresses combined with shear in both longitudinal and transverse directions (i.e., parallel and orthogonal to the axis of the perimeter beam) can occur in the connections. This study presents the results from 40 load tests on bonded anchors post-installed in low-strength, lightly-reinforced concrete elements, simulating typical existing structures, and embedded in heavily reinforced elements representing the strengthening frame beams.

L’Italia è uno dei paesi del Mediterraneo a maggiore rischio sismico. Pertanto, il tema del miglioramento strutturale del patrimonio costruito riveste una rilevanza strategica nazionale, come periodicamente emerge in occasione degli eventi sismici che colpiscono la penisola. La maggior parte degli interventi effettuati per la riduzione della vulnerabilità sismica risulta molto invasiva, imponendo l’interruzione d’uso dei fabbricati per un periodo di tempo significativo. Allo stesso tempo, gli obiettivi ambientali fissati dai governi, impongono l’impiego sempre maggiore di materiali e soluzioni eco-compatibili e sostenibili. Per andare incontro a queste esigenze, nella presente tesi di dottorato vengono presentate due soluzioni tecnologiche innovative. La prima soluzione è caratterizzata dalla conversione di una struttura reticolare metallica in una struttura lignea. Il sistema costruttivo prevede la possibilità di sostituire le singole aste danneggiate senza dover demolire e ricostruire l’intera struttura. Per garantire prestazioni analoghe ad una struttura metallica, si sceglie di utilizzare il microlamellare (LVL), ovvero un prodotto ligneo ingegnerizzato caratterizzato da elevate prestazioni meccaniche. A parità di domanda quindi, un elemento in LVL presenta dimensioni minori rispetto ad un classico elemento ligneo. Questo aspetto comporta numerosi vantaggi applicativi, ma introduce problemi dimensionali nelle connessioni con elementi metallici, dove sezioni ridotte sono fortemente penalizzate dai limiti normativi che impongono distanze minime dai bordi dell’elemento. La sostituzione dell’asta in acciaio con l’asta di LVL, oltre ad incrementare l’eco-sostenibilità, comporta una riduzione del peso strutturale e può migliore la sicurezza in caso di incendio. Risulta quindi necessario valutare l’efficienza di un sistema costruttivo costituito da aste in legno con giunti in acciaio, anche con riferimento alla facilità di montaggio. A tale scopo sono stati effettuati oltre 400 test sperimentali per l’individuazione della tipologia di connessione più idonea. Infine, per dimostrare l’effettiva applicabilità della soluzione proposta, sono stati realizzati e testati 3 prototipi di struttura reticolare lignea, confrontandone la risposta con quella della struttura metallica originale. La seconda soluzione deriva da una proposta per il miglioramento delle prestazioni termo-energetiche e strutturali-sismiche degli edifici con limitata interruzione d’uso. La tecnologia si basa sulla realizzazione di un involucro che integra proprietà isolanti con un rinforzo strutturale progettato per migliorare le prestazioni in caso di evento sismico. L’involucro, costituito da una struttura intelaiata in calcestruzzo armato, risulta collegato esternamente alla costruzione esistente in corrispondenza dei solai, attraverso tasselli post-installati nel cordolo perimetrale o nella trave di bordo ed annegati nel getto di calcestruzzo della struttura di rinforzo. Questa soluzione limita fortemente l’invasività degli interventi e può consentire di mantenere l’edificio in uso. La fattibilità del progetto passa tuttavia per la valutazione sperimentale del comportamento meccanico degli elementi di connessione tra la struttura esistente ed il telaio di rinforzo. Queste connessioni, in presenza di azioni sismiche, risultano soggette a stati di sollecitazione pluriassiali. In particolare, nei collegamenti si possono manifestare sforzi di trazione combinata con taglio in direzione sia longitudinale che trasversale (ossia parallelo e ortogonale all’asse dell’elemento). Questo studio presenta gli esiti di 40 prove su tasselli post-inseriti in elementi di calcestruzzo a bassa resistenza e debolmente armati, che simulano le tipiche strutture esistenti, e gettati in opera in elementi densamente armati che rappresentano le travi del telaio di rinforzo.