La concezione strutturale degli edifici in X-LAM

La tipologia strutturale delle moderne abitazioni in legno può essere di due tipi: la prima (platform-frame) consiste nel costruire le pareti e i solai mediante l’uso di elementi lineari in legno disposti a interasse di circa 60 centimetri, verticalmente nelle pareti e orizzontalmente nei solai, lungo i quali vengono collegati pannelli di legno strutturale (OSB) mediante chiodi o viti di piccolo diametro; la seconda (X-LAM) consiste nell’utilizzo di pannelli pieni, sia per le pareti che per i solai. Di frequente, tuttavia, si riscontra l’utilizzo degli elementi strutturali di una tipologia in abbinamento agli elementi strutturali dell’altra tipologia, nello stesso edificio (ad esempio, pareti in X-LAM a sostegno di solai a travetti).

I pannelli X-LAM si ottengono per incollaggio di tavole in legno massiccio disposte a strati (almeno 3 e sempre in numero dispari) ortogonali tra di loro. Le tavole sono piallate, giuntate a dita in direzione longitudinale e incollate fra i diversi strati. Possono o meno essere incollate anche sui bordi.

Edifici in legno X-LAM: stratigrafia
Edifici in legno X-LAM: stratigrafia Isolante esterno, X-LAM portante e Isolante interno

Il comportamento strutturale fuori dal piano dei pannelli è dato dall’interazione fra i singoli strati. Con riferimento alle abitazioni in legno, nell’impiego come solai, i pannelli in X-LAM si comportano come piastre, sopportando i carichi in entrambe le direzioni della pianta, in funzione, appunto, del numero e della posizione degli strati disposti in ciascuna delle due direzioni. In tal modo è possibile ottenere spessori ridotti rispetto a soluzioni con comportamento monodirezionale; generalmente, anche in presenza di fori negli impalcati, non è necessario prevedere rinforzi localizzati. Nell’impiego come pareti, il comportamento fuori dal piano è ugualmente bidimensionale.

Il comportamento strutturale nel piano dei pannelli è altrettanto favorevole, perché consente agli impalcati di soddisfare i requisiti di rigidezza che garantiscono l’adeguata ripartizione delle azioni orizzontali fra le pareti e perché consente alle pareti di funzionare sia come lastre per sopportare i carichi verticali, sia come “quinte” di controvento per trasmettere a terra le azioni orizzontali. In casi particolari le pareti possono funzionare anche come “travi parete”, per trasmettere i carichi provenienti dai piani superiori in presenza di grandi aperture ai piani inferiori; questo avviene grazie alla capacità dei pannelli X-LAM di resistere a trazione e a compressione in entrambe le direzioni del loro piano e di consentire pertanto la formazione di un concreto sistema tirante puntoni (“effetto arco”).

L’utilizzo dei pannelli in X-LAM per le pareti e per gli impalcati conferisce un sicuro e deciso comportamento “scatolare” alla costruzione. Lo spessore minimo da considerare per i solai, può oscillare tra i rapporti pari a 1/40 e 1/30 della luce, mentre per le pareti è possibile impiegare spessori anche di soli 100 millimetri. Tuttavia, è necessario precisare quanto segue: se si immagina di sezionare la “scatola” (monopiano o pluriplano) e assoggettare il telaio così generato ad un’azione orizzontale, si deve ricordare che ogni nodo del telaio costituisce una cerniera (telaio labile) e non un incastro. Pertanto, l’effetto controventante deve essere realizzato mediante le “altre” pareti, cioè quelle disposte nei piani che contengono l’azione orizzontale considerata (parallelamente al piano del telaio). Il comportamento scatolare di una costruzione con pareti in legno del tipo a pannelli X-LAM, è pertanto garantito solo se sono presenti almeno due pareti lungo ciascuna delle due direzioni ortogonali della pianta e se queste pareti sono disposte in modo corretto e sormontate da impalcati sufficientemente rigidi da ridistribuire in modo opportuno un’azione orizzontale.

Comportameno scatolare edifici in legno X-LAM

Anche la linea di contatto lungo gli spigoli verticali delle pareti deve essere considerata un vincolo a cerniera. Nel caso di utilizzo di software di modellazione, è importante definire correttamente tali vincoli mutui tra le pareti, per non ottenere risultati fuorvianti. Qualora i pannelli siano modellati attraverso elementi bidimensionali (shell), all’intersezione verticale fra due pareti potrebbero essere inseriti “link” rigidi, tali da non consentire la trasmissione del momento flettente fuori dal piano degli elementi shell.

Una volta individuato il sistema controventante della costruzione in legno, è possibile stabilire che l’impiego delle pareti sia: a prevalente “effetto strutturale orizzontale”, disponendo i pannelli X-LAM in modo tale che le tavole esterne siano orizzontali; oppure a prevalente “effetto strutturale verticale” nel caso opposto. Nella scelta dell’orientazione, non si devono dimenticare le esigenze di trasporto, che spesso condizionano la scelta strutturale. In determinati casi, è possibile che lungo lo stesso allineamento di facciata, per alcune porzioni di parete si adotti l’orientazione con fibre esterne verticali (ad esempio, tra un’apertura e l’altra e nelle zone sotto-finestra) e per altre l’orientazione con fibre esterne orizzontali (ad esempio, nelle zone sopra-finestra). In ogni caso, non esiste una regola generale che consenta di stabilire a priori la migliore orientazione delle pareti; in particolare, ogni costruzione richiede un approccio ingegneristico per l’impostazione del progetto e la successiva verifica analitica di tutte le sue parti.

Edifici in legno con pannelli X-LAM

Generalmente, se la costruzione in legno viene realizzata mediante l’impiego di pannelli X-LAM di piccole dimensioni, il trasporto è facilitato, mentre i tempi di montaggio aumentano; per pannelli X-LAM di grandi dimensioni, vale il contrario. I tempi di montaggio possono essere ulteriormente ridotti nel caso in cui si decida di procedere con la prefabbricazione della struttura unitamente ai pacchetti della parete, anche se, in questo caso, l’attenzione maggiore deve essere rivolta alle più delicate operazioni di trasporto e movimentazione, che potrebbero compromettere il buon andamento del cantiere.

Grazie alle caratteristiche sopra descritte, è possibile affermare che l’impiego di strutture costituite da pannelli X-LAM per le pareti e per i solai, ben si presta per la realizzazione di case in legno destinate ad abitazioni unifamiliari e bifamiliari disposte su uno o due piani fuori terra, con appoggio su fondazione a platea in cemento armato, oppure con sottostante piano cantinato con struttura tradizionale (pareti contro-terra in c.a., e solai in laterocemento oppure a lastre con polistirolo di alleggerimento).

Le sollecitazioni che interessano i pannelli di legno si ricavano generalmente dalla modellazione tridimensionale della costruzione, anche se sono possibili schemi semplificati e calcoli manuali; in particolare è necessario assoggettare la struttura alle azioni orizzontali del vento e del sisma e ai carichi gravitazionali dovuti alla neve e alle azioni di servizio. Nella modellazione nei confronti delle azioni sismiche, il valore del fattore di struttura può essere assunto pari a 2. Tale valore è rappresentativo di strutture aventi una bassa capacità dissipativa, per il fatto che i pannelli risultano dall’incollaggio di tavole, a differenza di altre tipologie strutturali (come ad esempio quelle del tipo platform-frame) in cui l’elevata capacità dissipativa è consentita dalla presenza di un notevole numero di chiodi e bulloni. Tuttavia, diverse prove sperimentali hanno confermato la bontà del comportamento dei pannelli pieni e la possibilità concreta di accedere a risorse dissipative ben maggiori rispetto a quelle stabilite dalla norma vigente. In ogni caso, il comportamento strutturale di un edificio a pannelli pieni in legno è sicuramente ottimo in condizione sismica, grazie alle caratteristiche di leggerezza, resistenza e flessibilità del materiale base che li compone. E, in particolare, al di sotto di un determinati valori di progetto dell’accelerazione sismica, le verifiche nei confronti dell’azione del vento potrebbero essere determinanti.

La concezione strutturale degli edifici in X-LAM

Nelle costruzioni in legno, le connessioni tra i diversi elementi strutturali svolgono un ruolo determinante, che non può essere lasciato all’intuizione, ma deve seguire precise logiche, tipiche dell’ingegneria delle strutture. Ad esempio, i collegamenti del singolo pannello X-LAM alla sottostante fondazione o al sottostante impalcato devono essere in grado di trasmettere in modo corretto l’azione orizzontale che proviene dall’impalcato soprastante; per fare ciò, i collegamenti devono soddisfare due requisiti: il primo è quello di trasmettere a terra (o al piano sottostante) il momento che fa inflettere ogni pannello nel suo piano, e questo avviene generalmente mediante piastre di fissaggio allungate verticalmente denominate “hold-down” (“tieni giù”) anti-sollevamento che disposte in vicinanza degli estremi del singolo pannello consentono la formazione di un’adeguata coppia resistente (nel caso di pannelli interi che includano la presenza di porte o finestre, è generalmente consigliabile che le piastre hold-down siano disposte anche in corrispondenza di tali aperture, nella zona con parete a tutta altezza, come se il pannello fosse completamente interrotto); il secondo è quello di trasmettere a terra (o al piano sottostante) il taglio agente nel piano del pannello, e questo si realizza ad esempio disponendo piastre alla base della porzione centrale del singolo pannello, dedicate solo a tale scopo. Il progetto delle diverse tipologie di piastre può avvenire facendo ricorso a carpenteria metallica di tipo e resistenza standard a cura dei fornitori, oppure a elementi metallici studiati su misura.

Edifici in X-LAM: posizione piastre "Hold-Down" e piastre a taglio
Edifici in X-LAM: posizione piastre “Hold-Down” e piastre a taglio

In sostanza, il comportamento degli edifici a pannelli portanti in legno, nei confronti delle azioni sismiche, è del tipo scatolare: l’azione sismica viene trasferita dagli orizzontamenti rigidi alle pareti, in funzione della rigidezza di queste ultime, e da queste ai piani sottostanti fino alle fondazioni o fino alla copertura del piano interrato.

È importante osservare che alcune delle connessioni fra gli elementi strutturali devono garantire il comportamento scatolare della costruzione, mediante la sovra-resistenza tipica del criterio di gerarchia delle resistenze, mentre altre devono essere progettate per riuscire a dissipare l’energia del terremoto. In particolare, le prime sono quelle che tengono chiusa la “scatola” che costituisce la costruzione, e cioè le connessioni delle pareti che si intersecano fra di loro, le connessioni tra il solaio e le pareti sottostanti, le connessioni nei giunti orizzontali tra i singoli pannelli di solaio (a garanzia della adeguata “rigidezza” dell’impalcato nel suo piano). I collegamenti che invece sono deputati alla dissipazione di energia, e che quindi non devono assolutamente essere sovradimensionati, sono quelli delle piastre hold-down sopra descritte, disposte all’inizio e alla fine di ogni pannello e in corrispondenza delle aperture, quelli delle piastre che tramettono il taglio alla base del singolo pannello, e quelli disposti in verticale che vincolano le pareti allineate tra di loro.

Per quanto riguarda le verifiche analitiche, ogni porzione di pannello in X-LAM con comportamento a piastra deve soddisfare, agli stati limite ultimi, la verifica a flessione fuori piano nelle due direzioni, la verifica a taglio nelle due direzioni (taglio longitudinale e taglio trasversale), la importantissima verifica di schiacciamento trasversale (per compressione ortogonale al piano che contiene il pannello), le verifiche nel piano della lastra considerando le tensioni di taglio agenti su tutta la superficie: la particolare geometria resistente dei pannelli in X-LAM, composti da tavole mutuamente incollate, senza continuità lungo i bordi delle tavole, impone che le tavole incrociate siano soggette a taglio e a torsione. Da non trascurare, infine, la verifica di instabilità, che può essere determinante in presenza di pareti con snellezza elevata. Per gli stati limite di esercizio, la verifica si effettua controllando le frecce lungo le direzioni di interesse, tenendo conto della rigidezza a flessione e di quella a taglio.

In determinati casi, si presenta la possibilità di procedere con una soprelevazione in legno di un edificio esistente in muratura o in cemento armato. È necessario analizzare la sicurezza sismica dell’insieme strutturale, mediante la verifica di “adeguamento” prevista nelle norme tecniche per le costruzioni. In particolare, il caso di soprelevazione con pannelli X-LAM di un edificio esistente non è espressamente previsto nelle norme al capitolo 8 (capitolo dedicato in modo specifico alle costruzioni esistenti). È però possibile rifarsi a ciò che le norme prescrivono per gli edifici nuovi: nel caso di un piano con struttura in legno su un edificio con struttura in muratura è consentito utilizzare criteri di verifica semplificati (NTC 2008 §7.8.4), anche se la strada maestra rimane quella dell’analisi non lineare (Circolare 2 febbraio 2009, n. 617, §C7.8.4), che rappresenta l’unico tipo di calcolo che consente di sfruttare appieno le risorse dissipative dalla parte sottostante in muratura.

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