Appunti completi di Progetto di strutture in legno M

Progetto di strutture in legno

Gruppo docenti e modalità svolgimento delle lezioni

Gruppo docenti: Ing. Luca Pozza; Ing. Talledo Diego; Ing. Giulia D’Amato (tutor).

Modalità svolgimento: Lezioni in classe relative agli aspetti teorici + esercizi applicativi. Il materiale didattico verrà messo a disposizione prima delle lezioni.

Modalità dell'esame

• Homework (obbligatorio) assegnato nella prima metà del corso da sviluppare anche in gruppi. Le revisioni dell’homework verranno eseguite in maniera collettiva durante il corso.
• Esame orale che si articola in una prima domanda di verifica sull’homework e successive n. 2 quesiti sui temi del corso.
• Appelli d’esame: 2 a fine corso, poi da settembre 1 appello alla fine di ogni mese.

Programma del corso

• Modulo 1: Il materiale legno (anatomia, igroscopicità, ortotropia, durabilità, problemi speciali, selvicoltura e specie lignee)
• Modulo 2: Tecnologia della lavorazione del legno e prodotti derivati dal legno
• Modulo 3: Tipologie e soluzioni strutturali ed architettoniche nelle costruzioni in legno
• Modulo 4: Costruzioni in legno massiccio e lamellare e verifiche agli stati limite ultimi e di esercizio
• Modulo 5: Costruzioni a pareti in legno – platform frame e xlam e verifiche agli stati limite ultimi e di esercizio
• Modulo 6: Modellazione e calcolo delle strutture in legno e casi di studio ed esercitazioni
• Modulo 7: Comportamento al fuoco delle strutture in legno e loro progettazione
• Modulo 8: Diagnostica e consolidamento delle strutture in legno

Bibliografia di riferimento

• M. Piazza, R. Tomasi, R. Modena, Strutture in legno. Materiale, calcolo e progetto secondo le normative europee, Hoepli, Milano, 2005;
• G. Giordano (in collaborazione con A. Ceccotti, L. Uzielli), Tecnica delle costruzioni in legno, Hoepli, Milano, 1999;
• L. Uzielli (a cura di), Manuale del legno strutturale, Mancosu Editore, Roma, 2004;
• G. Tampone, Il restauro delle strutture di legno, Hoepli, Milano, 1996;
• G. Liotta, Gli insetti e i danni del legno, Nardini, Firenze, 1991;
• A. Ceccotti, M. Follesa, M. P. Lauriola, Le strutture di legno in zona sismica, CLUT, Torino, 2005;
• Natterer Julius; Herzog Thomas; Volz Michael, Atlante del legno, UTET 1999.

Introduzione - Le costruzioni in legno in Italia (23/02/2022)

L'Italia ha assistito negli ultimi anni a una vera e propria evoluzione del mercato del legno. Se infatti fino a qualche tempo fa ad essere costruiti in legno erano soprattutto i tetti, oggi questo materiale comincia ad essere utilizzato per realizzare interi edifici, anche grazie alla disponibilità di nuovi prodotti ad alto contenuto tecnologico. Tuttavia, per un periodo troppo lungo, non si è prestata la dovuta attenzione in ambito scientifico: negli ultimi decenni, a partire dagli anni '50, le università italiane hanno progressivamente ridotto la presenza del legno nei programmi di studio, privilegiando altri materiali da costruzione.

È però recente un'inversione di tendenza, complice l'emergenza ecologica degli ultimi anni, con il grande tema del surriscaldamento globale e la necessità di passare dall'energia fossile alle fonti rinnovabili: anche in Italia, così come avviene in molti altri paesi, si è finalmente aperto il dibattito sulle molteplici potenzialità del legno. Il mercato delle costruzioni in legno è l'unico settore dell'edilizia italiana che in questi anni di crisi riesce a crescere, parliamo di numeri ancora relativamente piccoli e siamo lontani dalle realtà del Nord Europa, ma la richiesta di abitazioni in legno in Italia è cresciuta molto e soprattutto si è distribuita su tutto il territorio nazionale: non più solo Trentino-Alto Adige, ma in tutto il Nord Italia, al Centro e al Sud.

L’utilizzo del legno ha avuto una grande accelerazione negli ultimi anni in Italia, anche per realizzare, in tempi ridotti, costruzioni sicure nelle regioni colpite dal terremoto. A rendere competitive queste abitazioni sono anche la certezza dei tempi e del prezzo finale che non si discosta da quello delle costruzioni tradizionali. Le motivazioni per la crescita delle costruzioni in legno sono:

• Motivi ecologici
• Disponibilità di materia prima
• Tecnologia del legno
• Alto livello di prefabbricazione
• Rapidità di installazione
• Inserimento delle strutture in legno nelle NTCSi

Si dicono tante cose non precise sul materiale legno e sicuramente avete sentito dire che è l'unico materiale in cui si ha un'impronta di anidride carbonica negativa, cioè nel senso che per tutta la vita trasforma l'anidride carbonica in ossigeno e quindi quando taglio un albero in realtà posso portarmi dietro quelle che sono le analisi del ciclo di vita come bagaglio. Se prendo una trave di legno la sua incidenza di anidride carbonica sull'ambiente meno tutta l’anidride carbonica trasformata, mentre se prendessi una trave d'acciaio l'incidenza è data dalle tonnellate di anidride carbonica per la sua produzione.

In realtà bisogna stare attenti a parlare di sostenibilità facendo riferimento a questo perché in Italia il legno utilizzato non è legno locale ma si utilizza legno importato dall'estero (Canada) e quindi tagliare un albero in Canada e poi portarlo qui insomma la sostenibilità non è più tanta. La sostenibilità, quindi, non è un punto forte, ma si sceglie una struttura in legno perché oggi il legno è un materiale ingegnerizzato e ciò vuol dire che si ha controllo della produzione, quindi certezza delle prestazioni del materiale, vuol dire poter realizzare strutture complesse anche in tempi brevi e vuol dire buon livello di prefabbricazione. La sostenibilità e la prefabbricazione devono poi anche andare nella stessa direzione per avere edifici ecoperture sicure a seguito, ad esempio, di eventi sismici.

Anche l'inserimento di una Normativa Nazionale ha fatto sì che il materiale legno fosse visto come un materiale calcolabile dall'ingegnere addetto al settore.

Poi un'altra cosa di cui parleremo durante il corso, ma che per motivi di tempo non riusciremo ad approfondire, è il fatto che dobbiamo stare attenti che nella progettazione delle strutture in legno non possiamo limitarci agli aspetti strutturali e soprattutto quando entriamo nel mondo degli edifici e delle coperture dobbiamo interfacciarci con aspetti di architettura e fisica tecnica, quindi l'approccio più corretto per progettare strutture in legno è un approccio multidisciplinare.

Normativa di riferimento

Per quanto riguarda le normative, solamente dal 2008 abbiamo una normativa armonizzata per il calcolo delle strutture in legno, prima in Italia non avevamo niente e quindi si poteva far riferimento a dei documenti CNR o a normative tedesche. In realtà, fino al 2008 non c'era neanche l'obbligo di depositare il progetto per le strutture in legno, infatti c'era una vecchia legge n. 1086 (5-11-1971) che obbligava il deposito del progetto, presso il genio civile, quando si realizzava una struttura in acciaio o in calcestruzzo, mentre le strutture in legno e in muratura non rientravano tra le opere per le quali era obbligatorio il deposito. Per cui molto spesso strutture in legno realizzate intorno agli anni 80’ ci saranno depositi per le fondazioni e per i pilastri in calcestruzzo ma non c'è il progetto della copertura in legno.

Dal 2008 il legno entra tra i materiali da costruzione e di conseguenza rientra tra le strutture per quali è necessario il deposito e ci saranno indicazioni su come calcolare tali strutture. Poi tenete conto che fino al 2008, nonostante il D.M. 16-1-1996, le strutture in legno sono state sempre calcolate alle tensioni ammissibili come per le strutture in calcestruzzo e in acciaio prima dell'entrata in vigore della NTC 2008, la quale è basata sull'introduzione del metodo semi probabilistico agli Stati Limite.

La differenza tra le tensioni ammissibili e il metodo semi probabilistico agli Stati Limite è che nelle tensioni ammissibili non c'è più il concetto dei coefficienti parziali di sicurezza e quindi si utilizzano i valori caratteristici delle sollecitazioni che vanno confrontati con la tensione ammissibile. Quindi con l'introduzione della NTC 2008 troviamo vari capitoli sul materiale legno, in particolare, il capitolo 4 per la parte statica, il capitolo 7 per la parte sismica e il capitolo 11 per la parte di accettazione, classificazione e qualificazione del materiale.

È vero che abbiamo l’NTC 2008 però non è completa, cioè trattano il materiale legno ma non ci dicono tutte le verifiche da fare su una struttura in legno e quindi per quanto non diversamente specificato nella presente norma per molte verifiche speciali la NTC rimanda a normative di comprovata validità (Eurocodici strutturali pubblicati dal CEN e Istruzioni e documenti tecnici del Consiglio Nazionale delle Ricerche (C.N.R.)).

Capitolo 1 - Tipologie costruttive

La CNR-DT 206/2018_R1 per la prima volta ha classificato le strutture in legno dividendole in sistemi strutturali per edifici o strutture di copertura, quest'ultime generalmente sono travi e non c'è da dare una particolare classificazione. Quindi nelle presenti istruzioni si considerano esplicitamente solo i sistemi strutturali utilizzati per gli edifici e quanto indicato per essi può essere esteso anche ad altri sistemi strutturali quando chiaramente applicabile e/o pertinente.

I sistemi strutturali attualmente più diffusi per gli edifici in legno sono:

• Strutture a pareti:
  • Del tipo a telai leggeri irrigiditi (Platform frame and Baloon frame);
  • Del tipo a pannelli massicci (CLT – pannelli in legno massiccio a strati incrociati o X-LAM);
• Strutture a telaio “Pesante” che è un sistema costruttivo ad intelaiatura di legno;
• BLOCKBAU che è un sistema costruttivo massiccio, generalmente utilizzato per edifici bassi e semplici.

Strutture a telaio pesante

È un sistema costruttivo ad ossatura portante di legno e le moderne costruzioni ad ossatura portante sono state realizzate sin dalla fine degli anni ’60 per lo più in Europa, ed in Giappone dall’inizio degli anni ’80. In Italia sono poco utilizzate perché un telaio in legno è poco funzionale dal punto di vista sismico perché è difficile realizzare dei nodi rigidi.

Le caratteristiche del sistema costruttivo ad ossatura portante del legno sono:

• Distribuzione in pianta delle pareti intercambiabile e pareti facilmente spostabili;
• Libertà di organizzazione sulla base di reticoli e moduli variabili. Colonne e travi sono disposte a grande interasse per poter inserire facciate e pareti divisorie realizzate a piacimento. Sopra e in mezzo alla struttura portante principale sono inseriti gli elementi portanti secondari;
• Impiego di mezzi di collegamento d’acciaio;

Inoltre, le strutture a telaio pesante trovano largo utilizzo anche per usi industriali per i quali occorre prestare attenzione alla realizzazione di controventi di parete e di falda.

Connessioni

Nella pratica costruttiva per collegare tra loro diversi elementi strutturali lignei si utilizzano elementi metallici e/o piastre metalliche. In genere i collegamenti possono essere classificati dal punto di vista cinematico come delle cerniere, ovvero come delle unioni non in grado di trasmettere azioni di tipo flessionale.

Per il collegamento in fondazione di un pilastro tipicamente si utilizzano piastre metalliche esterne fissate alla base del pilastro ligneo tramite viti, chiodi, perni o bulloni. Nel caso in cui sia richiesta una resistenza al fuoco maggiore o per ragioni estetiche, si possono utilizzare piastre a scomparsa, alloggiate in fresature nel legno. In ogni caso va evitato il contatto diretto tra base del pilastro e fondazione per migliorare la durabilità della struttura.

La scelta del dettaglio riflette quindi il tipo di vincolo e lo schema statico pensato in fase di progetto. Il vincolo a terra può essere schematizzato a cerniera: al fine di permettere la rotazione le piastre dovranno essere poste il più vicino possibile all’asse del pilastro, in modo da ridurre il braccio della coppia di forze agenti. Al contrario, nel caso in cui si vogliano realizzare dei collegamenti rigidi, ossia in grado di trasmettere azioni di tipo flessionale, al fine di contrastare il più possibile la rotazione della sezione di base, le piastre metalliche dovranno essere fissate il più lontano possibile dall’asse dell’elemento.

Le unioni tra trave e pilastro schematizzabili come cerniera sono ad esempio:

• Connessione con piastre metalliche esterne a forcella, ancorate alla trave e al pilastro per mezzo di viti o bulloni;
• Connessione mediante sagomatura del pilastro a forcella, con il fissaggio della trave al pilastro mediante viti o bulloni (in questo caso le dimensioni del pilastro sono relativamente grandi);
• Connessione realizzata mediante piastre e/o squadrette metalliche.

Sistema costruttivo a traliccio di legno (telaio leggero)

Le costruzioni a telaio leggero si sono sviluppate in Europa centrale, ma anche in Inghilterra, Germania settentrionale, Danimarca e Olanda. Sono molto diffuse queste case baraccate, edifici costituiti da un graticcio di strutture in legno di una reticolare tridimensionale, in cui poi le pareti esterne vengono riempite di muratura o fango misto con paglia a dipendere dalla zona in cui siamo.

Le caratteristiche delle costruzioni a traliccio sono:

• Libertà nell’organizzazione (architettonica): l’ossatura portante viene rivestita da entrambi i lati o rimane a vista da un lato solo;
• Sono possibili edifici ad un piano o multipiano;
• Disposizione fissa per tutti i piani in pianta;
• Impiego prevalente di connessioni senza elementi meccanici di collegamento (connessioni di carpenteria) con incastri e sovrapposizioni;
• Gli elementi portanti hanno sezioni di grande dimensione e di forma quadratica;
• Strutture di facile realizzazione e tempi brevi.

Nelle costruzioni a traliccio i carichi vengono assorbiti da elementi di tipo lineare, mentre nelle costruzioni intelaiate ad ossatura portante ci si trova di fronte ad un sistema costruttivo a lastre, per il quale gli elementi portanti non sono separati da quelli di irrigidimento e tamponamento. L’ossatura portante, con montanti disposti a distanza piuttosto ravvicinata, il telaio di legno appunto, viene rivestito con pannelli per costituire così una lastra.

I sistemi a telaio leggero sono tipici di case americane in cui si ha uno scheletro di travi e pilastri molto sottili (montanti e traversi), sostanzialmente questo graticcio poi viene controventato con dei puntoni diagonali negli angoli o con dei pannelli, tali telai vengono realizzati con due diverse tecnologie di realizzazione:

• System platform frame (PF): si costruisce il fabbricato piano per piano cioè faccio le pareti, metto i solai, faccio le pareti del piano superiore e metto nuovo solaio. Il sistema ‘’Platform’’ prevede pilastri che si interrompono alla soletta del piano, ogni piano successivo è appoggiato su quello inferiore che funge da piattaforma.
• Balloon frame (BF): vengono impiegati anche elementi di altezza pari a più piani quindi montanti senza interruzioni dal terreno al tetto di copertura, collocati a una distanza di 45 cm l’uno dall’altro, ciò permise di eliminare le pesanti travi intelaiate della struttura portante evitando inoltre incastri.

In entrambi i sistemi, BF e PF, le pareti vengono realizzate come elementi composti: ossatura portante a telaio rivestita, da uno o ambo i lati, con pannelli in legno. I montanti assorbono i carichi verticali, mentre il rivestimento assorbe quelli nel piano della lastra. In passato l’irrigidimento nel piano era dato mediante l’impiego delle tradizionali controventature diagonali.

Sistema costruttivo a pannelli di legno massiccio a strati incrociati – CLT

Il sistema di telaio leggero è molto diffuso nel mondo americano perché molto economico e banalmente funziona ma in Italia ha preso molto più piede quest'altra tipologia costruttiva che è quella dei sistemi di edifici con pannelli lamellari a strati incrociati quindi pannelli di un certo spessore incrociati volti a realizzare l'involucro edilizio.

L’edificio CLT (X-LAM) è composto da una serie di elementi piani, che nel loro insieme formano la struttura portante della costruzione. L’elemento piano non è più soltanto tamponamento senza funzione strutturale o solo di controventatura, ma parte essenziale della struttura portante con funzione di lastra e di piastra.

Il sistema CLT è un sistema costruttivo dal comportamento strutturale rigido, che grazie a un'adeguata progettazione dei giunti, permette di ottenere la dissipazione energetica e la duttilità necessarie a garantire ottime prestazioni in campo sismico. Gli edifici in CLT sono sistemi prefabbricati, dove gli elementi vengono montati in opera e collegati successivamente tra di loro mediante giunzioni metalliche. Il processo costruttivo si ripete piano per piano: vengono montati i pannelli verticali che formano le pareti, si chiude il piano con i pannelli orizzontali, e tali pannelli fanno da piattaforma per il posizionamento dei pannelli verticali del piano successivo.

Nel nodo parete-fondazione, come in quello parete-solaio-parete, viene ripristinata la continuità strutturale tramite connessioni metalliche (viti, angolari metallici, Hold-down), al fine di contrastare l’effetto delle azioni orizzontali che generano forze di scorrimento (taglio) e di sollevamento (rocking).

Sistema costruttivo massiccio – Blockbau

Le costruzioni massicce sono costituite da elementi massicci disposti orizzontalmente che, assemblati per comporre una parete massiccia, assolvono sia funzione...