Il progetto di edifici in XLAM

Negli ultimi anni è emerso un interesse sempre più spiccato per il progetto di edifici in legno, come ad esempio quelli che utilizzano i pannelli XLAM. Vediamo come il trend crescente nella produzione di case in legno ha portato alla nascita di numerose aziende italiane che si sono specializzate nel settore.

Prestazioni sismiche e opportunità di mercato degli edifici in legno

Il legno è in grado di raggiungere prestazioni eccezionali in termini di risparmio energetico ed acustico, sostenibilità, sicurezza antisismica e competitività economica. Tutti fattori che lo hanno reso molto attraente. Inoltre, hanno fatto da volano a tecniche costruttive innovative e dal design sempre più raffinato. Proprio per questo le imprese italiane sono riuscite ad essere apprezzate sia sul mercato interno che su quello estero.

In Europa il nostro Paese è al quarto posto tra i produttori di edifici in legno dietro solo a Germania, Regno Unito e Svezia. Il numero maggiore di aziende costruttrici si trova in Trentino Alto Adige, seguito da Lombardia e Veneto. Queste realtà si approvvigionano principalmente di materia prima estera. Si stanno però diffondendo in diverse regioni anche sistemi produttivi a ‘filiera corta’ che promuovono l’utilizzo di legno locale.

Ne è esempio ed apripista la Regione Toscana. Ha adottato, già diversi anni fa, strategie di promozione di nuovi prodotti, processi e servizi per la realizzazione di manufatti in legno toscano.

Sempre più diffuso è anche l’uso del legno per la riqualificazione strutturale ed energetica degli edifici esistenti. La possibilità di accedere agli incentivi fiscali Ecobonus e Sismabonus ha indubbiamente contribuito all’utilizzo in edilizia di un materiale che si distingue per leggerezza, versatilità e soprattutto per resistenza, sicurezza sismica e confort energetico. Il sistema costruttivo in legno permette di realizzare sopraelevazioni o ampliamenti in tempi molto più veloci rispetto alla scelta di materiali tradizionali e con infinite possibilità progettuali. Di strutture e prefabbricati in legno ne parliamo nello specifico in questo articolo.

Ecco allora che la domanda sempre maggiore di edifici in legno combinata con un’offerta tutta italiana sempre più specializzata ed innovativa ha fatto di questo settore una concreta opportunità di sviluppo professionale per i progettisti.

Il progetto degli edifici in XLAM: i vantaggi

Focalizzandoci su uno degli aspetti principali degli edifici in legno, in questo articolo tecnico ci interroghiamo su quali siano le loro prestazioni sismiche. Sono effettivamente strutture antisismiche? Quali vantaggi ci sono nel preferire il legno come materiale di costruzione nelle zone ad elevata sismicità?

Sia che si tratti di nuove costruzioni, sia che si tratti di interventi su edifici esistenti il punto di partenza e la base dell’intero sistema risiede nella capacità di progettare strutture in legno in grado di garantire le prestazioni sismiche richieste dalle Norme Tecniche per le Costruzioni.
TRAVILOG offre tutti gli strumenti per il progetto di strutture intelaiate in legno e di edifici in XLAM con le NTC 2018 e consente di combinare in uno stesso modello di calcolo più materiali e soluzioni progettuali.

Questo focus è dedicato alle opportunità dell’ edilizia in legno realizzata mediante pannelli XLAM studiando in particolare le loro elevate prestazioni sismiche.
Gli aspetti teorici sono affiancati da esempi pratici di edifici tridimensionali modellati e calcolati con il Modulo LEGNO di TRAVILOG.

Case in legno realizzate in XLAM

Il sistema costruttivo per edifici e case in legno X-Lam o Cross-Lam è un sistema basato su pannelli di legno massiccio a strati incrociati a 90° ed incollati (minimo 3 strati), di spessore e dimensioni molto variabili le cui caratteristiche geometriche dipendono dalle tecnologie delle aziende produttrici e dalle esigenze funzionali oltre che dal loro dimensionamento statico.

Generalmente il materiale utilizzato è il legno d’abete, pino o larice. Queste tipologie di legno presentano caratteristiche di resistenza e durabilità migliori per lo scopo edile. Questo sistema può essere impiegato per costruire sia pareti che solai di edifici che potranno essere composti anche da più di 4 piani.
I pannelli portanti in legno vengono poi rivestiti sia internamente che esternamente per realizzare la parete finita. Il solaio di interpiano o di copertura è realizzato anch’esso con un pannello di opportuno spessore oppure con travi lamellari e perlinato; la fondazione è generalmente costituita da una platea in calcestruzzo armato.

Gli edifici in XLAM sono antisismici?

Gli edifici in legno ben progettati e realizzati secondo le tecniche più moderne, come la tecnologia XLAM, possono garantire livelli avanzati di sicurezza sismica per diversi motivi.
In primo luogo il legno è un materiale molto più leggero degli altri materiali da costruzione; per esempio la sua massa è circa un quarto di quella del calcestruzzo. L’azione sismica che agisce su una struttura è direttamente proporzionale alla massa coinvolta.

A parità di evento sismico gli edifici leggeri, come quelli in legno, risentono di una forza meno intensa risultando di fatto meno sollecitati.

Inoltre, il legno offre significative proprietà di resistenza quindi le strutture in legno sono in grado di assorbire senza danni anche forze e sollecitazioni importanti soprattutto se si tratta di edifici a elementi piani come pareti e solette di pannelli XLAM.

Questi hanno rigidezza e resistenza diffusa su tutta la struttura e non concentrata in alcuni punti come avviene per costruzioni realizzate con elementi lineari (a travi e pilastri). Inoltre, i pannelli in XLAM sono composti a più strati incrociati a 90° l’uno rispetto all’altro. Sono in grado di assorbire e di trasmettere alle fondazioni sollecitazioni provenienti da ogni direzione.

Il progetto degli edifici in XLAM: l’elevata duttilità

Oltre a leggerezza e resistenza, gli edifici in legno hanno un’elevata capacità di dissipare energia derivante dal sisma, ovvero hanno un’elevata duttilità.
Seppur il legno sia un materiale con comportamento principalmente fragile, nelle strutture in legno i diversi elementi che lo compongono (pareti e solai) sono uniti tra loro attraverso connessioni meccaniche con elementi metallici (piastre, chiodi, viti e bulloni) che hanno invece un comportamento duttile.

Le connessioni metalliche, se ben progettate e realizzate, hanno il compito di contrastare i meccanismi di sollevamento per ribaltamento e scorrimento delle pareti. Contribuiscono a dissipare energia attraverso lo sviluppo di deformazioni in campo plastico consentendo all’intero edificio di raggiungere la classe di duttilità richiesta. Grazie alle connessioni in acciaio la struttura acquisisce dunque un’elevata sicurezza sismica.

Infine in termini prettamente economici l’edificio in legno che ha subito un evento sismico è più facilmente riparabile: è infatti possibile ripristinarne il funzionamento sostituendo le parti e le connessioni danneggiate con un investimento economico decisamente sostenibile.

Sistema costruttivo degli edifici con pannelli XLAM

Un edificio a pannelli XLAM è caratterizzato da una struttura scatolare. In questa struttura le pareti e i solai sono formati da diaframmi costituiti da pannelli di legno molto rigidi e resistenti, collegati fra loro mediante collegamenti meccanici. Questa struttura scatolare è in grado di raggiungere elevati livelli di duttilità mediante l’utilizzo di connessioni metalliche (piastre, chiodi, viti e bulloni) progettate garantendo sufficienti riserve duttili in accordo con il criterio della gerarchia delle resistenze.

Nel seguito si approfondiscono le componenti elementari principali degli edifici in legno. Sottolineiamo per ciascuno di essi i meccanismi che sono messi in campo per fronteggiare l’evento sismico.
TRAVILOG consente di effettuare una modellazione agli elementi finiti di edifici a pareti XLAM mediante la schematizzazione di elementi shell vincolati attraverso connessioni. È possibile modellare le connessioni utilizzando i più comuni connettori già presenti nell’archivio.

Pareti in legno

Le pareti degli edifici in legno sono costituite da pannelli XLAM che 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

Le pareti svolgono una duplice funzione:

• si comportano come lastre in grado di sopportare carichi verticali ed orizzontali fuori piano
• e nello stesso tempo svolgono un importante ruolo di controventamento trasmettendo a terra le azioni orizzontali derivanti dalla presenza del vento e del sisma.

Le pareti possono essere costituite da pannelli interi preparati in stabilimento e già completi di aperture per lunghezze che possono raggiungere anche i 16m e con altezza pari all’altezza di interpiano; in alternativa sono suddivise in pannelli di larghezze variabili a seconda del produttore, fino ad un massimo di 3m, e collegate fra loro mediante giunti verticali costituiti da strisce di pannello multistrato e viti o chiodi a interasse variabile in funzione dei carichi.

Il collegamento d’angolo tra pareti ortogonali o tra tramezzi interni e pareti esterne è fondamentale per conferire maggiore robustezza alla costruzione ed offrire la resistenza necessaria a contrastare i meccanismi fuori piano. Sul mercato sono presenti diverse soluzioni che utilizzano viti auto-foranti o piastre angolari di acciaio.

Fondazione

Le strutture di fondazione vengono realizzate o con una platea o con travi rovesce in c.a. Massima cura deve essere dedicata al progetto del collegamento delle pareti del piano terra alle fondazioni. Le connessioni infatti devono svolgere una duplice funzione:

• impedire che per effetto delle azioni orizzontali (vento o sisma), agenti nel piano stesso della parete
• e in generale che su tutto l’edificio si possa verificare sia il ribaltamento che lo scorrimento rispetto alle fondazioni.

Il ribaltamento è contrastato con delle piastre angolari allungate dette comunemente “hold down” (letteralmente “tieni giù”). Lavorando a trazione garantiscono il trasferimento delle forze verticali dovute al momento. Gli hold down vengono collegati alle pareti di legno con chiodi o viti e alle fondazioni in calcestruzzo con delle barre filettate in acciaio inserite in fori sigillati con malta cementizia o epossidica.
Lo scorrimento è invece contrastato da piastre angolari di acciaio collegate con chiodi o viti alle pareti e sempre con tirafondi in acciaio alle fondazioni.

Solai interpiano

I pannelli XLAM possono essere utilizzati anche come elementi strutturali di impalcato. Sono formati da pannelli a strati incrociati di spessore solitamente maggiore di quello delle pareti in funzione delle luci e dei carichi che portano.

Nel comportamento strutturale complessivo della costruzione, i pannelli in legno di impalcato svolgono un ruolo fondamentale: grazie alle loro proprietà di rigidezza garantiscono l’adeguata ripartizione delle azioni orizzontali fra le pareti e consentono alle pareti stesse di funzionare sia come elementi portanti per sopportare i carichi verticali, sia come sistemi di controventamento per trasmettere a terra le azioni orizzontali.

Per sviluppare questo comportamento le pareti devono essere collegate al solaio sovrastante mediante sistemi di giunzione. Questi sistemi sono in grado di ripristinare la continuità strutturale del solaio intermedio con il pannello inferiore e superiore.

Tali sistemi di collegamento meccanico (piastre metalliche angolari, chiodi e viti) sono funzionali a contrastare i meccanismi di sollevamento e scorrimento, con le stesse modalità viste per i collegamenti alle fondazioni.

Anche in questo caso, è possibile utilizzare gli “hold down” posti a coppie di due, uno sopra e uno sotto il solaio, collegati da un bullone, per garantire la trasmissione dell’azione di sollevamento dalla parete del piano superiore a quella del piano inferiore. In alternativa possono essere utilizzate piastre in acciaio forate da collegare esternamente alla parete con chiodi sia alla parete del piano inferiore che a quella del piano superiore.

Copertura

La copertura può essere realizzata a pannelli oppure con elementi lineari (travi principali, secondarie e sovrastante tavolato a doppio strato incrociato ). Nel caso di copertura a pannelli il collegamento avviene come per i solai. Nel caso di copertura a travi il metodo di prefabbricazione in stabilimento dei pannelli consente di realizzare con precisione le sedi di alloggio per le travi di copertura. Queste poi possono essere collegate con l’utilizzo di viti auto-foranti oppure viti a doppio filetto o in alternativa anche con le classiche scarpe metalliche.

Progetto sismico di edifici con pannelli XLAM

L’analisi degli edifici in legno deve essere condotta considerando tutti gli elementi citati in precedenza e deve quindi basarsi su una modellazione tridimensionale della costruzione per poter usufruire di tutti i vantaggi detti in termini di resistenza, rigidezza e duttilità.
In dettaglio il modello di calcolo deve poter considerare:

• le geometrie reali dei pannelli di parete con le proprie aperture
• le proprietà di resistenza e rigidezza dei pannelli in legno di solaio
• e le capacità di rigidezza e resistenza delle singole tipologie di connessione.

La struttura deve essere poi sottoposta sia ai carichi gravitazionali dovuti alla neve e alle azioni di servizio che alle azioni orizzontali del vento e del sisma.

Dal punto di vista delle prestazioni sismiche vale la pena sottolineare che la moderna progettazione antisismica, come suggerito dall’Eurocodice 8 e dalle Norme Tecniche per le Costruzioni, prevede che le strutture debbano essere concepite secondo il “Criterio della gerarchia delle resistenze”.

Occorre quindi prevedere che gli elementi strutturali a comportamento plastico sviluppino la propria capacità di dissipare energia quando gli elementi a comportamento fragile sono ancora in fase elastica e lontani dal raggiungimento della rottura. Nel caso delle strutture in legno tale criterio viene perseguito progettando adeguatamente i giunti con connettori meccanici, avendo ovviamente cura nel rendere gli elementi di legno più resistenti dei giunti.

Progetto di edifici in XLAM: I ruoli dei collegamenti

È importante osservare che i collegamenti non svolgono tutte lo stesso ruolo nella costruzione tridimensionale della struttura. Alcune connessioni fra i diversi elementi strutturali devono essere dotate di adeguate riserve di sovraresistenza in maniera tale da rimanere sempre in campo elastico. Queste sono le connessioni fra:

• i pannelli del solaio in modo da assicurare la pressoché totale assenza di scorrimento relativo e garantire l’ipotesi di diaframma rigido;
• il solaio e la sottostante parete in modo che ad ogni piano ci sia un diaframma rigido. A questo diaframma le sottostanti pareti risultano rigidamente connesse e che quindi faccia da cintura di piano;
• le pareti che si intersecano fra loro. In particolare agli spigoli dell’edificio in maniera che la stabilità delle pareti stesse e dell’intera scatola strutturale risulti sempre garantita.

Gli elementi che invece svolgono funzione di dissipazione di energia attraverso un comportamento duttile e che pertanto vanno progettati per le relative azioni di progetto sono le connessioni:

• verticali fra pannelli-parete in continuità, se presenti;
• a taglio alla base delle pareti;
• a sollevamento (hold down) all’estremità di ciascuna parete ed in corrispondenza delle aperture.

Per tener conto di questi criteri, se si progetta in campo lineare, si considera la capacità di dissipazione di energia della struttura. Questo si fa attraverso l’utilizzo di un fattore di comportamento q mediante il quale si abbatte l’accelerazione di domanda.

I valori del fattore di comportamento sono ovviamente diversi in funzione del tipo di materiale utilizzato, delle caratteristiche dei giunti e del tipo di struttura.

Le verifiche analitiche dopo il termine delle analisi

Terminata l’analisi, le singole componenti strutturali devono essere assoggettate alle seguenti verifiche analitiche:

• ogni pannello in XLAM 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), le verifiche nel piano della lastra considerando le tensioni di taglio agenti su tutta la superficie.
• Ogni sistema di connessione deve soddisfare agli stati limite ultimi la verifica a taglio e a flessione.

Il Modulo LEGNO di TRAVILOG consente di analizzare e verificare tutte le componenti che costituiscono gli edifici in XLAM e le strutture intelaiate in legno con le relative connessioni, lasciando al progettista la massima libertà di scelta.