Modelling of seismic behaviour of light-frame timber structures

This paper investigates the numerical modelling of the cyclic behaviour of light-frame timber structures for non-linear seismic analyses. Two models with different detail levels are used: in the first approach, called M1, every nail connecting the frame to the sheathing is schematized through two non-linear springs, acting on two perpendicular translational degrees of freedom in the plane of the wall, to represent the slip between the two timber components; in the second approach, called M2, the entire wall is modelled using two equivalent diagonal springs, with mechanical properties derived either from experimental testing on the wall, or from detailed analysis conducted with the M1 approach. Due to its simplicity and limited computational burden, the M2 model is particularly convenient for analyses of entire buildings. The proposed models have been implemented in Abaqus via a purposely developed external user subroutine, and in SAP2000 using the multi-linear pivot hysteretic cycle available in the software library. The models are first validated on experimental tests carried out on screws and individual walls, and subsequently used for modelling an entire light-frame building for which the results of several shaking table tests are available in literature. The experimental-numerical comparison confirms the effectiveness of the models for light frame building and the possibility of use from practicing engineers via the SAP2000 or equivalent software package.

In questo lavoro vengono presentate due diverse modellazioni in campo ciclico non lineare di strutture a telaio leggero in legno, implementate sia nel software Abaqus, utilizzato prevalentemente a scopi di ricerca, che nel SAP2000, impiegato nel mondo professionale. Alle due modellazioni corrispondono due diversi approcci e livelli di dettagli: nel primo approccio, denominato M1, ogni singolo chiodo che connette il pannello irrigidente al telaio viene schematizzato mediante due molle non lineari agenti nei due gradi di libertà associati allo scorrimento fra le parti; nel secondo, chiamato M2, l’intera parete viene modellata tramite molle diagonali equivalenti disposte a croce, con caratteristiche derivanti dalle analisi di dettaglio svolte con il modello M1. L’approccio M2 risulta particolarmente utile per la modellazione di interi edifici, vista la sua semplicità e il suo limitato peso computazionale. I modelli proposti sono validati sulla base di prove sperimentali effettuate su pareti singole e successivamente utilizzati per la modellazione di un intero edificio a telaio leggero, testato sperimentalmente, per il quale sono disponibili in letteratura alcuni test su tavola vibrante. La validazione effettuata in campo ciclico conferma l’efficacia dei modelli sviluppati ai fini della valutazione del comportamento globale delle strutture in legno a telaio leggero sottoposte ad azioni sismiche.