Soluzioni integrate con componenti in legno per la protezione sismica del patrimonio architettonico

The research activities of Engineering and Restoration have recently moved towards the topics of seismic protection of buildings and selection of sustainable materials, from both hygrothermal performances (i.e., energy consumptions) and material points of view (e.g., Life Cycle Assessment). In such a contest, timber components have gained a renewed interest, thanks to their optimal structural characteristics per low mass, which make them suitable for seismic prone areas, and sustainability. Among these, Cross Laminated Timber (CLT) has a strong success in the construction market, mainly due to the dry assembling technique of such prefabricated panels, based on dry steel fasteners and brackets. Unfortunately, these are also related to possible reductions of acoustic comfort. To overcome it, insulation of joints is usually applied. The experimental and numerical research activity discussed in this Doctoral Thesis concerns the implementation of new timber-based integrated solutions, to be adopted in both new systems or built heritage. Integration theme concerns a double value, with reference to multiple performances addressed (structural, hygrothermal or acoustic) and potential embedment within other (existing) systems. Traditional and insulated connections have been characterized by junction-scale and building-scale specimens, through shear testing and dynamic identification, respectively. The updating of numerical model by mode parameters has led to the detection of joints influence on the overall behavior. Following, based on such local characterization, a yielding connection system has been designed, and its effectiveness assessed by pier-scale cyclic simulations. The acquired knowledge about timber (CLT) components and their simulation has led to the validation of a methodology for the refurbishment of masonry existing buildings. This is based on the assessment of integrated hygrothermal-structural performances of coupled CLT-masonry walls, and the further extension to a structural system. Such approach was named ‘Nested Building’ and applied to a masonry construction of XVII century, the so-called ‘Cattedra’ in the Italian Alpine region, which underwent various alterations during years.

I campi dell’Ingegneria e del Recupero del patrimonio esistente hanno visto, negli ultimi anni, una crescita costante dell’attenzione verso le tematiche della protezione sismica e, nel contesto dei cambiamenti climatici in atto, della sostenibilità, vista l’ormai palese necessità di migliorare, da tale punto di vista, il panorama delle costruzioni e del costruito, sia in termini di materiali impiegati che di consumi. In tale contesto, le componenti costruttive in legno sono state rivalutate grazie alle loro ottime caratteristiche strutturali accompagnate da una massa ridotta, che le rendono idonee all’impiego in zone sismiche, e alla loro sostenibilità, sia in funzione della valutazione del ciclo di vita, che delle proprietà di isolamento termico. Tra queste, il cosiddetto Cross Laminated Timber (CLT) ha avuto un notevole successo, legato anche alla sua velocità di assemblaggio, che si basa su connessioni a secco in acciaio. Tuttavia, queste sono anche legate a possibili riduzioni del comfort acustico dell’edifico, il cui superamento viene in genere realizzato mediante l’interposizione di una guaina elastomerica isolante. L’attività di ricerca, sperimentale e numerica, presentata in questa tesi, riguarda l’implementazione di nuove soluzioni integrate in legno (CLT), da implementarsi sia nei sistemi di nuova costruzione che all’interno del patrimonio architettonico esistente. Il tema dell’integrazione ha una duplice valenza, sia dal punto di vista delle prestazioni (strutturali, energetiche, acustiche), che della eventuale collaborazione con altri sistemi esistenti. Le prestazioni delle connessioni, tradizionali e ad isolamento acustico, sono caratterizzate sperimentalmente a scala locale e a scala globale, mediante prove distruttive a taglio e prove di identificazione dinamica su campioni a scala di edificio reale. La calibrazione di modelli numerici su tali prove ha permesso di indagare l’interazione tra la scala locale ed il comportamento globale dell’edificio. A partire dalla caratterizzazione locale delle connessioni, è stato progettato un sistema di collegamento dissipativo, la cui efficacia è stata valutata mediante l’applicazione numerica ad una parete di riferimento da letteratura. La conoscenza acquisita circa le componenti in legno, e la loro simulazione, ha permesso di validare una metodologia per il recupero di edifici esistenti in muratura. Questa è basata sulla valutazione delle prestazioni integrate strutturali ed energetiche di pareti accoppiate legno-muratura e la loro estensione ad un edificio. Tale approccio è stato definito Nested Building ed applicato ad un edificio esistente in muratura del XVII secolo, la cosiddetta ‘Cattedra’ nella zona alpina veneta, oggetto di numerose trasformazioni ed interventi nel corso degli anni.