UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PISA Facoltà di Ingegneria
Tesi di Laurea in Ingegneria Edile e delle Costruzioni Civili
PROGETTAZIONE DI UN COMPLESSO RESIDENZIALE CON TECNICA COSTRUTTIVA IN X-LAM
Laureando
Carlo Sebastiano Balata
Relatore:
Prof. Ing. Mauro Sassu Correlatori:
Ing. Marco Cinotti Arch. Giovanni Santi
RINGRAZIAMENTI
“Desidero innanzitutto ringraziare mia madre e mio padre, che grazie ai loro
sforzi hanno contribuito al raggiungimento di questo traguardo, è in gran parte merito
loro se son riuscito a concludere tale percorso; a mie sorelle e alla mia famiglia per il
sostegno che, consapevolmente o no, mi hanno dato.
Alla mia ragazza Stefania, che mi ha supportato e sopportato anche nei
momenti difficili affrontati durante questo mio percorso.
Un ringraziamento va ai miei amici che, in un modo o nell’altro, hanno
condiviso con me tutti questi anni di gioei e sacrifici.
Infine vorrei ringraziare tutte le persone che ho conosciuto qui a Pisa, città e
realtà così diversa dalla mia che ho imparato ad amare ed apprezzare, che hanno
contribuito ad arricchire quest’esperienza”.
Indice
1. INTRODUZIONE 7
2. LEGNO STRUTTURALE E MATERIALI EDILIZI A BASE DI LEGNO 9
2.1. Legno massiccio e lamellare incollato 9
2.2. Legno massiccio 9
2.3. Pannelli strutturali e altri prodotti industriali 10
2.4. Legno massiccio strutturale (KVH) 10
2.5. Legno lamellare incollato e LVL 11
2.6. Pannelli 12
2.7. Incollaggi strutturali caratteristiche tecniche 14
2.8. Classificazione degli adesivi 15
2.9. Adesivi attualmente impiegati: 16
Adesivi urea-formaldeidici (UF) 16
Adesivi fenolo-formaldeidici (PF). 16
Adesivi melammina-urea-formaldeidici (MUF). 17
Adesivi (fenolo)-resorcinolo-formaldeididici (Pfr-Rf). 17
Adesivi poliuretanici (Pu) monocomponenti. 17
Adesivi poliuretanici (Pu) bicomponenti. 18
Adesivi epossidici. 18
3. CALCOLO DEGLI ELEMENTI IN XLAM 19
3.1. Rivoluzione nel settore edile: avvento dell’X-LAM 20
Il materiale 20
Produzione delle tavole: 21
Produzione dei pannelli: 21
Dimensioni dei pannelli in X-LAM 22
3.2. Le caratteristiche fisiche 24
3.3. Stabilità dimensionale 24
3.4. Analisi delle caratteristiche strutturali 25
Comportamento a flessione 25
Verifica a taglio del pannello XLAM 29
Pressione trasversale al piano del pannello 31
3.5. Stato di servizio e calcolo delle deformazioni 32
Vibrazioni del solaio 35
Elementi di parete 36
Sollecitazione a taglio nel piano della lastra 37
Comportamento a lastra della parete 39
Piastra irregolare 41
4. COMPORTAMENTO DELLE STRUTTURE DI LEGNO NEI CONFRONTI DELLE AZIONI SISMICHE 44
4.1. Caratteristiche del sistema costruttivo 44
4.2. CRITERI GENERALI DI PROGETTAZIONE IN ZONA SISMICA 52
4.2.1. Inquadramento normativo 53
4.2.2. Criteri di progettazione in zona sismica di strutture in XLAM 55
5. COMPORTAMENTO AL FUOCO DELLE STRUTTURE DI LEGNO 59
5.1. Resistenza e reazione al fuoco 60
5.2. Trattamenti ignifughi 64
5.3. Il carico incendio per locali dotati di struttura in legno 65
5.4. Comportamento edifici XLAM al fuoco 65
5.5. PROVE SPERIMENTALI: PROGETTO SOFIE 67
6. PRESTAZIONI DI ISOLAMENTO ACUSTICO E TERMICO DELLE STRUTTURE IN XLAM 69
6.1. Le costruzioni in legno 69
6.2. La determinazione delle prestazioni 71
6.3. Caratteristiche termiche- igrometriche e diagramma di Glaser 71
6.4. Caratteristiche acustiche 74
7. CASO DI STUDIO 77
7.1. Inquadramento storico territoriale 77
7.2. La vita in Colonia 78
7.3. L’architettura 78
7.4. La localizzazione 81
7.5. Vincoli di legge e strumenti operativi 82
7.6. Caratteristiche del complesso 92
7.7. Materiali utilizzati 95
8. RELAZIONE DI CALCOLO 100
8.1. Descrizione dell’edificio 100
8.2. Descrizione dei materiali 100
8.3. Analisi dei carichi 101
8.4. Tipo di modellazione della struttura 103
8.5. Riferimenti normativi 104
9. AZIONI AGENTI SULLE COSTRUZIONI 105
9.1. Azione del vento 105
9.2. Azione della neve 107
10. VALUTAZIONE AZIONE SISMICA 110
10.1. Analisi modale 110
10.2. Valutazione eccentricità accidentale 116
11. AZIONI ELEMENTARI E COMBINAZIONI DELLE AZIONI 119
12. VERIFICA ELEMENTI PORTANTI 123
12.1. Verifica solaio 123
12.2. Determinazione delle caratteristiche della sollecitazione 126
12.3. Verifiche travi in lamellare 129
Verifica agli SLU: trave Tx 2-1a 133
Verifica agli SLE: trave Tx 2-1a 135
12.4. Verifiche pilastri in lamellare 140
Verifica pilastro P2-1 142
12.5. Verifiche Pareti portanti in X-lam 148
Parete Mx 2-2 149
13. PROGETTAZIONE DELLE CONNESSIONI 156
13.1. La teoria di Johansen 157
Parete Mx 2-1 Connessione a trazione (parete-solaio-parete) 163
Parete Mx 2-1 connessione a taglio (parete-solaio-parete) 166
Parete Mx 1-3 (1) connessione a trazione (parete-solaio c.a.) 170
Parete Mx 1-3 (1) connessione a taglio (parete-solaio c.a.) 174
Parete Mx1-3(2)Connessione a trazione (parete-solaio c.a.) 176
Parete Mx 1-3 (2) connessione a taglio (parete-solaio c.a.) 180
Parete Mx 1-9 connessione a trazione (parete-solaio c.a.) 183
Parete Mx 1-9 connessione a taglio (parete solaio c.a.) 187
Connessioni tra elementi parete 190
Connessioni di architrave e parapetti (piano 2) 193
Connessioni di architrave e parapetti (piano 1) 195
Connessione elementi di solaio 198
Collegamento pareti ortogonali con viti a tutto filetto. 200
Collegamento solaio pareti Xlam con viti a tutto filetto. 202
Calcolo collegamento pilastro-soletta in c.a. 204
Calcolo collegamento pilastro-solaio in XLAM 207
Collegamento trave-pilastro 210
14. MURATURA E XLAM A CONFRONTO 213
Cantiere di un multipiano in legno 213
Confronto tra una costruzione in muratura e una in Xlam 214
15. CONCLUSIONI 216
APPENDICE 1 VERIFICA ELEMENTI C.A 218
1.1. Verifica Travi 218
Dimensionamento della sezione 218
Calcolo dell’armatura a flessione SLU 219
Calcolo armatura a taglio 229
1.2. Pilastri 234
Dimensionamento della sezione e verifica SLU 234
Verifica agli SLU 234
Pilastro (30x30), L=3m 237
Calcolo armatura a taglio (SLU) 240
1.3. Setti in C.A. 244
Pressoflessione nel piano 244
Taglio 244
BIBLIOGRAFIA 252
1.
INTRODUZIONE
Il costo sempre maggiore delle materie prime e dell’energia ha spinto il mercato a studiare soluzioni differenti capaci di associare l’economicità dei materiali e alla loro disponibilità in loco all’eco-sostenibilità, alle possibilità di riciclaggio e smaltimento degli stessi a fine vita. Accanto ai metodi costruttivi tradizionali, consolidati nel tempo che garantiscono maggiore sicurezza per il committente, acquistano sempre più spazio tecniche innovative che garantiscono prestazioni equivalenti, se non migliori, in termini di sicurezza. Il legno scomparso per tanto tempo come materiale per uso strutturale, con l’emissione delle nuove norme tecniche del 2008, ha trovato nuove possibilità di impiego derivate dalla necessità di realizzare rapidamente strutture sicure, facili da controllare sismicamente; spesso costituiscono elementi strutturali semplici da assemblare, affiancati alle ossature portanti prefabbricate; soluzioni industrializzate a tecnologie a secco, metodologia capace di spostare le lavorazioni dal cantiere agli stabilimenti di produzione.
In questo contesto l’Xlam, insieme di pannelli multistrato in legno con funzione portante, costituisce un metodo costruttivo, nonché un materiale dotato di tutte le caratteristiche richieste: materiale biodegradabile, facilmente reperibile in loco, per il quale si ha la possibilità di industrializzarne il processo di produzione, garantendo un maggior controllo sulle prestazioni finali, in termini di qualità e di isolamento acustico e termico. Inoltre, grazie alle sue caratteristiche meccaniche e prestazionali l’Xlam, nonostante la prefabbricazione, offre la possibilità all’utente di non rinunciare ai propri gusti architettonici ed estetici. La rivoluzione dell’Xlam permette il passaggio culturale dall’elemento lineare e unidirezionale, (travi e pilastri, o montanti e traversi), ad un elemento bidirezionale adeguato sia come piastra (solaio), che come piastra (pareti), oltre che come mensola.
Questa tesi di laurea ha come scopo quello di esaltare le prestazioni e le capacità di utilizzo della tecnologia costruttiva a pannelli portanti in legno applicata agli edifici residenziali, attraverso lo studio e la progettazione di un complesso abitativo costituito da sei villette a schiera, realizzate con questa specifica tecnica.
Nella prima parte della tesi, preliminarmente alla progettazione, si è svolto uno studio approfondito prendendo in esame la letteratura tecnica relativa all’Xlam, individuando le caratteristiche fisiche e meccaniche del materiale, le combinazioni strutturali e le possibilità di collegamento. Si sono prese in considerazione le equazioni costitutive che definiscono i materiali e ,in assenza di una specifica normativa di riferimento nei confronti dell’Xlam, si è
fatto uso di pubblicazioni specialistiche dei produttori, dell’Eurocodice 5 e della Normativa Tecnica delle Costruzioni del 2008, in particolare dei capitoli relativi al legno.
È stato valutato l’aspetto architettonico, attraverso l’analisi funzionale degli ambienti, senza tralasciare gli aspetti estetici e i rapporti che legano il costruito con il territorio circostante, e lo studio dei materiali utilizzati. Inoltre è stata eseguite una analisi dal punto di vista energetico delle pareti esterne e del solaio di copertura e un raffronto tra la tipologia edilizia utilizzata e quella più tradizionale in muratura, sia dal punto di vista dei tempi che dei costi e dei consumi energetici.
Nella seconda parte della tesi, quella puramente progettuale, una volta definito il tipo di modellazione della struttura, si è proseguito con il pre-dimensionamento dei vari elementi portanti, che una volta dimensionati sono stati inseriti in un programma agli elementi finiti, Straus 7, cosa che ha permesso di andare a studiare lo stato tensionale cui erano soggetti, come conseguenza delle azioni sollecitanti (vento,neve e sisma) nonché dei carichi permanenti e accidentali precedentemente definiti.
Una volta verificati gli elementi strutturali portanti, sono state analizzate e progettate le tipologie di collegamento tra gli stessi, nello specifico collegamenti: trave-parete, pilastro-parete, parete-pilastro-parete, parete-parete d’interpiano, parete-solaio, determinando gli schemi di montaggio da poter utilizzare in cantiere.
2.
LEGNO STRUTTURALE E MATERIALI EDILIZI A BASE DI LEGNO
Legno massiccio e lamellare incollato
L’immagine che solitamente ci viene fornita del legno è la sua forma “massiccia” assimilabile al tronco eventualmente da assoggettare a segagione. Grazie alle moderne tecnologie i materiali che prima venivano considerati di seconda, terza scelta o di scarto oggi vengono rinobilitati, isolando o limitando gli effetti negativi del difetto, utilizzandoli nel recupero degli edifici storici già esistenti.
2.1. Legno massiccio
Vediamo innanzitutto le dimensioni standard del legno massiccio di conifera illustrate nella seguente tabella.
Tabella 1. Trave Uso Trieste serie di prove di caratterizzazione meccanica. Tratta UNI EN 301
In commercio, solitamente troviamo listelli, tavole e tavoloni con lunghezze che variano dai 4 ai 6 m. Tale vaolre dipende da diversi fattori che comprendono la lunghezza del materiale di origine la linea del taglio e il trasporto. Possiamo inoltre affermare che generalmente la lunghezza del legname squadrato o travi non supera i 14 m con incrementi di lunghezza di 0,5 m. Tale incremento varia dai 20 ai 260 mm. In Italia, la produzione di legname è rappresentata dalle travi uso Fiume ed uso Trieste; travi a sezione quadrata o rettangolare ottenute da un tronco mediante squadratura meccanica continua e parallela dal calcio alla punta su quattro facce a spessore costante con smussi e ottenute in modo tale da poter usare la maggior sezione possibile del tronco ed incidere la minor quantità di fibra. Tra le specie maggiormente utilizzate troviamo le conifere quali l’abete bianco e rosso il pino e il larice. Tra le travi uso Trieste e quelle uso Fiume vi sono differenze relative all’orientamento della linea di taglio.
Nelle prime il piano di taglio è orientato parallelamente alle facce superficiali del tronco e perciò segue la rastremazione dello stesso, le fibre vengono intaccate solo in minima parte e le sezioni variano con la posizione che viene considerata nella lunghezza dell’elemento. Nelle seconde il piano di taglio è orientato parallelamente all’asse centrale del fusto, la sezione risulta costante in tutta la lunghezza dell’elemento ma la quantità di fibra interrotta dal taglio è maggiore. In entrambi i casi il materiale d’origine è dato da un tronco di buona qualità con fusti dritti e midollo interno. A causa delle condizioni del mercato, le forniture vengono allestite al momento della richiesta ed i cicli di essicazione risultano per la maggior parte delle volte inadeguati. Ciò fa sì che spesso il legno massiccio venga venduto con un umidità ancora molto elevata favorendo lo sviluppo di problemi che si manifestano dopo la messa in opera.
2.2. Pannelli strutturali e altri prodotti industriali
I Pannelli strutturali sono prodotti che subiscono lavorazioni piuttosto modeste, se ne aggiungono altri ottenuti per ricombinazione di parti elementari di dimensioni e forme regolarizzate e standardizzate che vengono ottenute attraverso il processo di segagione, piallatura e infine fresatura del legno massiccio. Questi prodotti presentano un vantaggio molto importante dato dalla capacità di avere un “elemento unitario” di minor dimensione che risulta più facilmente e velocemente lavorabile e trattabile prima dell’assemblaggio finale. Sono proprio le dimensioni ad essere l’elemento primario che permette di distinguere i diversi prodotti e che gli conferisce determinate caratteristiche fisico-meccaniche e condizionandone di conseguenza il comportamento del prodotto finale.
2.3. Legno massiccio strutturale (KVH)
Il legno massiccio strutturale KVH (KonstruktionsVollHolz) è un legno massiccio squadrato piallato a misura, essiccato e ricombinato assieme a pezzi analoghi collegati di testa con un giunto a pettine (definito fingerjoint) in modo tale da ottenere lunghi elementi utilizzabilili come travi di sezione standardizzate. Normalmente viene utilizzato legno di abete rosso, tuttavia viene prodotto anche con abete bianco, larice e pino. Per la produzione vengono utilizzate sofisticate macchine a controllo numerico che intagliano il giunto con teste fresanti ed incollano di testa i vari pezzi utilizzando colle poliuretaniche per uso esterno. Solitamente
questo tipo di prodotto ha una lunghezza non superiore ai 14 metri ed è caratterizzato da un umidità di circa il 12-15 %.
2.4. Legno lamellare incollato e LVL
Il legno lamellare incollato è costituito da strati di tavole che vengono essicate in precedenza, unite di testa con giunto a pettine e poi incollate sovrapposte in modo tale da ottenere travi massicce con predeterminate caratteristiche. La fabbricazione del lamellare incollato unisce due differenti tecniche produttive: lamellazione e incollaggio. La prima consiste nel taglio del tronco in lamelle di dimensione costanti mentre lo scopo del secondo è quello di unire nuovamente le lamelle ottenute, collegando le fibre in modo da ottenere un prodotto finito che si avvicina il più possibile all’originale. Grazie a questa procedura è possibile eliminare il problema delle limitazioni di dimensione dei fusti dell’albero permettendo inoltre il confezionamento di elementi che coprono grandi luci con linee curve e sezione variabile. A partire dalla fase di segagione ogni singola lamella deve seguire un percorso standardizzato che ha inizio dall’essiccazione in un ambiente controllato. Tale fase aiuta l’elemento ad ottenere il giusto contenuto di acqua in relazione all’uso finale per cui è stato concepito. Ad ogni modo il legno è un materiale che risulta fortemente igroscopico e per questo motivo è molto sensibile alle variazioni termoigrometriche dell’ambiente. Superata l’essicazione il materiale viene tenuto per almeno una settimana fermo in ambienti specifici e condizionati con un grado d’umidità del 60% e temperatura di 15°C. Nel corso di questa fase gli elementi sono soggetti a una classificazione a vista meccanica, e suddivisi in gruppi. Sulla base di ciò le tavole migliori vengono collocate nelle parti esterne della sezione mentre all’interno verranno collocale le tavole di qualità peggiore. Prima di procedere con l’incollaggio le tavole vengono piallatte, pulite e rettificate; di fondamentale importanza è che non trascorrano più di 24 ore dalla piallattura all’incollaggio per evitare l’ossidazione del legno. Di solito l’incollaggio avviene utilizzando collanti poliuretanici di colore chiaro oppure adesivi polifenolici o amminoplastici.
Il “Laminated Veneer Lumber” (LVL) è composto da fogli che si ottengono mediante sfogliatura risultano simili a quelli del compensato e vengono incollati mantenendo parallela la fibratura tra gli strati. Questo tipo di elemento viene usato per grosse travature o pannelli ad uso strutturale.
2.5. Pannelli
I pannelli si ottengono dalla ricomposizione di elementi unitari di varie forme e dimensioni in seguito uniti con collanti a cui viene applicata una forte pressione. Costituiscono una grande fetta nel mercato andando a soddisfare diverse esigenze progettuali. Le caratteristiche tecnologiche sono fortemente influenzate da vari aspetti: dalla specie che si utilizza, dalla sua massa volumica, dal tipo di collante usato, dal contenuto di umidità del prodotto finale e dalle dimensione e disposizione degli elementi unitari. Quando gli elementi che lo compongo son dotati di una dimensione non trascurabile i panelli mantengono la maggior parte delle caratteristiche fisico-meccaniche del legno massiccio mentre quando le dimensioni diminuiscono si vanno a perdere queste caratteristiche ottenendo una maggiore stabilità nei confronti delle variazioni termo-igrometriche ambientali, una maggiore uniformità delle caratteristiche fisico-meccaniche e facilità di lavorazione avendo la possibilità di ottenere forme o curve particolarmente studiate. In maniera crescente rispetto alle dimensioni degli elementi unitari, avremo:
Pannelli in legno-cemento: sono formati da fibre, farina o lana di legno, uniti utilizzando
leganti e colle di origine minerale; sono scarsamente utilizzati in ambito strutturale.
Pannelli duri (HDF=Hard density Fiberboard o HB=Hardboard), i semiduri (MBH) e i teneri
(SB Soft Board) o MDF (Medium Density Fiberboard): sono pannelli di fibre che vengono ottenuti utilizzando materiale spesso riciclato che una volta frammentato viene ulteriormente ridotto attraverso un processo di sfibratura. Per differenziare i vari tipi di pannello bisogna tener presente la densità raggiunta da essi (da 400kg/m3 a 900 kg/m3) e la tecnica utilizzata durante il processo di ricombinazione che può essere ottenuto per via umida (HB, MBH o S) o via secca (MDF).
OSB (Oriented Strand Board): questo tipo di pannello viene ottenuto da scaglie di legno che
vengono ricomposte attraverso un procedimento di incollaggio a caldo avendo la cura di orientare le fibre.
Truciolati: si tratta di pannelli formati da particelle, ottenute con lo stesso processo di
produzione dei pannelli di fibre, può essere utilizzato qualsiasi tipo di materiale di recupero riciclato. Il pannello si ottiene in seguito alla frammentazione ottenendo delle particelle che vengono poi incollate per pressatura tra piastre calde.
Listellari: il prodotto finito risulta formato da listelli orientati parallelamente che vengono
confinati da due strati esterni di sfogliato o compensato. Ne sono esempio i pannelli utilizzati per realizzare la cassaforma.
Compensato e Multistrato: si tratta della tipologia di pannelli maggiormente sviluppata e
presente nell’ edilizia, vengono ottenuti per incollaggio sovrapposto di finissimi strati di legno ottenuti tramite il processo di sfogliatura e orientando le fibre in maniera perpendicolare tra i vari strati confinanti. Procedendo in questa maniera si ottiene un pannello in cui i vari strati fra di loro esercitano una compensazione nei confronti di movimenti, il che permette di ottenere un materiale dall’eccezionale stabilità.
X-lam: sono pannelli di compensato in cui i fogli vengono sostituiti da tavole. La peculiarità di
questi pannelli è che i vari strati di tavole, vengono incollate con fibratura orientata alternativamente a 90 gradi. Le tavole variano di larghezza dagli 80 ai 240 mm con spessori variabili tra i 10 e 35 mm. In linea generale comunque la larghezza dev’essere sempre maggiore o uguale a 4 volte lo spessore della tavola.
L’unione tra le tavole avviene attraverso l’incollaggio ed il metodo con cui vengono prodotti è del tutto simile a quello del legno lamellare incollato. Una volta che le tavole hanno superato la fase di stagionatura, vengono passate attraverso una macchina che le classifica rilevando automaticamente quelli che sono i difetti maggiori in modo tale che una volta identificati, la lama troncatrice ne possa recidere il tratto incriminato. Dopo questa fase le tavole vengono giuntate di testa con “finger joint” in modo tale da ottenere elementi interi dotati di lunghezza pari a quella del pannello finale per cui sono stati concepiti. Per la produzione vengono utilizzate specie di conifere come l’abete rosso o bianco, il larice, il pino anche se la qualità del prodotto finale viene determinata dal tipo di adesivo o chiodatura che viene utilizzato, oltre che dalla tecnica d’incollaggio e l’uso di tavole certificate secondo criteri meccanici. La scelta delle tavole da inserire negli strati superficiali caratterizza anche il tipo di pannello, ottenendo a seconda della scelta pannelli a vista di qualità o pannelli di tipo industriale.
Incollaggio dei vari strati che compongono il pannello Tratta da Sarmax.it
Le dimensioni finali dei pannelli dipendono dall’azienda produttrice e anche dalla facilità di raggiungere il luogo d’installazione, in generale comunque si passa da pannelli da tre a sette strati con spessori che variano dai 57 ai 500mm, lunghezze che variano dai 16 ai 30 m e larghezze da 1,25 a 4,8 m. Non esiste tuttora una norma specifica a cui fare riferimento ma solo il CNR DT 206-2007 in cui si sottolinea l’assenza di una normativa specifica rimandando al benestare tecnico di ciascun prodotto. Il progettista data questa carenza può fare riferimento a normative relative ad altre tipologie di prodotto considerando in questo modo le prescrizioni come indicazioni e valori di massima che sono in circolazione in conformità alle vigenti Norme Tecniche delle Costruzioni (D.M. 14.01.08).
2.6. Incollaggi strutturali caratteristiche tecniche
L’adesivo viene definito dal ASTM (American Society for Testing and Materials) come “un prodotto capace di tenere insieme i materiale per giunzione superficiale, di generare cioè fenomeni di adesione”. Per quanto riguarda il settore tecnologico con l’adesione ci si riferisce all’interazione che si crea tra una superficie solida ed un’altra che può essere allo stato
solido o liquido; tale adesione si realizza mediante l’incollaggio. Il fine dell’incollaggio è quello di unire due corpi in legno in modo da creare un unico elemento strutturale andando a riempire gli spazi vuoti e ricostituendo la continuità tra gli elementi in modo da garantire una resistenza che dovrà risultare pari a quella del legno incollato ed una durabilità riconducibile a quella della classe d’esercizio per cui viene concepito il prodotto finale. L’applicazione di un adesivo strutturale segue sempre la stessa procedura, infatti viene applicata la colla in forma liquida, inumidendo una o entrambe le superfici da incollare a seconda del tipo di incollaggio mentre la fase di indurimento può avvenire in due diversi modi, con la combinazione di due fasi:
Evaporazione di un solvente e successiva reazione chimica (adesivi ureici, fenolici, melamminici e resorcilici)
Processo chimico che rende possibile la polimerizzazione del collante attraverso formazione di legami primari tra molecole.
2.7. Classificazione degli adesivi
Possiamo distinguere quattro tipologie di collanti:
collanti in soluzione o dispersione
collanti a caldo
collanti a pressione
collanti a indurimento per reazione chimica
Per quanto riguarda la normativa relativa agli incollaggi strutturali, si fa riferimento alla UNI EN 301 “Adesivi fenolici e amminoplastici per strutture portanti di legno. Classificazione e requisiti prestazionali” e alla UNI EN 15425 “Poliuretani monocomponenti per strutture portanti di legno. Classificazione e requisiti prestazionali”. Nella prima delle due norme si prescrive che “un adesivo che risponde ai requisiti specifici per il suo tipo, definiti nella presente norma, è adeguato all'uso in una struttura portante purché le operazioni di incollaggio siano state effettuate con procedura adeguata”.
L’Eurocodice 5 prescrive inoltre che devono essere utilizzati collanti conformi alla UNI EN 301 e che gli adesivi per giunti strutturali utilizzati devono possedere caratteristiche di resistenza garantendo prestazioni di durabilità adeguata nell’incollaggio e nella classe di
servizio concepita per lo specifico elemento per tutta la durata prevista. Vengono suddivisi in due classi:
L’appartenenza ad un tipo di classe viene stabilita, secondo quanto definito dalla norma, sulla base di una serie di prove che vanno da quelle a taglio a prove di danneggiamento delle fibre o anche a prove di sollecitazione al ritiro.
2.8. Adesivi attualmente impiegati:
Adesivi urea-formaldeidici (UF)
Tale gruppo comprende diversi adesivi molto versatili, vengono commercializzati sia in polvere che in forma liquida, e si induriscono con temperature superiori ai 10°C. Solo alcuni di questo tipo di adesivi a freddo vengono considerati adatti per poter essere utilizzati nella produzione di elementi strutturali. Il loro limite consiste nella bassa resistenza nei confronti dell’acqua, del calore ed una elevata sensibilità verso le temperature molto alte raggiunte in caso di incendio. Secondo quanto stabilito dalla UNI EN 301, questo tipo di collanti sono classificabili tra il tipo 2 e possono essere utilizzati per la produzione di legno lamellare e per finger joint destinati ad un uso interno.
Adesivi fenolo-formaldeidici (PF).
Costituiscono una classe di adesivi molto alcalini che vengono commercializzati sia in polvere che in forma liquida. Tali collanti possono subire processo di indurimento sia a caldo che a freddo; nella prima categoria l’indurimento avviene attraverso l’esposizione ad un
gradiente di temperatura compreso tra i 110 e 140°C. Questi adesivi sono resistenti all’acqua, alla bollitura, all’esposizione agli agenti meteorici e non si delaminano all’esposizione alle alte temperature di un incendio. Nella seconda tipologia l’indurimento avviene in ambiente acido: si discioglie l’adesivo in soluzione alcolica e viene poi indurito mediante l’aggiunta di un acido forte, tuttavia essi non possono essere utilizzati perché non conformi alle indicazioni della UNI EN 301
Adesivi melammina-urea-formaldeidici (MUF).
Sono un derivato degli adesivi UF, ai quali viene sostituita una determinata percentuale di urea con una corrispettiva di melammina, in modo tale da poter rendere l’adesivo più resistente nei confronti dell’umidità ambientale e degli agenti meteorici. Questo tipo di collante viene commercializzato per incollaggi a freddo e viene usato combinato con altri collanti a caldo per la produzione di lamellari e finger joint o per incollaggi eseguiti a caldo utilizzando la pressatura per il confezionamento di compensati. Solo i primi però risultano conformi ai requisiti prescritti all’interno della UNI EN 301.
Adesivi (fenolo)-resorcinolo-formaldeididici (Pfr-Rf).
Questi collanti sono perfetti per la realizzazione di incollaggi molto forti, ottenendo un prodotto che risulta particolarmente duraturo nel tempo, resistente all’acqua, ed agli agenti metereologici.
L’adesivo è formato da due componenti: il resorcinolo e la formaldeide, a causa del costo elevato del resorcinolo, una sua buona parte viene normalmente convertita con fenoli il cui costo è minore (adesivi fenolo-resorcinolo-formaldeidici). Le linee di incollaggio hanno spessore compreso tra 1 e 2 mm e l’adesivo si presta in maniera ottimale ad un indurimento eseguito tramite radiofrequenza. Fondamentale è sottolineare la mancanza di emissioni di formaldeide o altre sostanze dopo che la reazione è avvenuta, in accordo con le prescrizioni indicate nella UNI EN 301.
Adesivi poliuretanici (Pu) monocomponenti.
Il collante sfrutta la propensione dell’isocianato nel reagire in un primo momento con l’umidità del legno per andare a creare, dopo una veloce attivazione di reazioni, una resina poliuretanica. Il procedimento della reazione sviluppa anidride carbonica che si manifesta nell’aspetto schiumoso riscontrabile nella linea d’incollaggio. Questo tipo di adesivi sono dotati di una buona resistenza e una buona durata nel tempo nei confronti degli agenti atmosferici.
Adesivi poliuretanici (Pu) bicomponenti.
Questa colla è più o meno simile alle precedente ma a differenza di quest’ultima il suo componente reattivo (isocianato) non va a reagire con l’umidità del legno ma per poter reagire deve essere affiancato da un secondo componente ossia l’alcol. Le sue proprietà di durabilità e resistenza nel tempo sono del tutto similari rispetto ai collanti monocomponenti il loro vantaggio si riscontra nella modalità dell’impiego e nella facilità di manutenzione e gestione dell’impianto di incollaggio.
Adesivi epossidici.
Si tratta di collanti bi-componenti costituiti da una resina epossidica e da un particolare indurente formato da ammine. Risultano resistenti meccanicamente, mentre si hanno poche notizie per quanto riguarda il loro comportamento nel tempo e nei confronti degli agenti atmosferici. Il loro tempo di maturazione cambia in base al tipo di prodotto specifico dalle condizioni ambientali presenti al momento dell’applicazione e dalla quantità di prodotto utilizzato per l’incollaggio. Grazie alla modalità con cui vengono prodotte le resine è possibile definire diverse classi di resina specifiche per i differenti materiali. Nel settore del legno le resine epossidiche si prestano all’incollaggio di legno con una molteplicità di altri materiali quali: altro legno, metalli, plastiche, fibre di carbonio, vetroresina ecc. Oggi viene utilizzata come adesivo per scongiurare problemi di incompatibilità tra grandi quantitativi di diversi materiali. In linea generale essi sono adesivi dall’alto costo che vengono utilizzati nel settore strutturale per effettuare riparazioni e consolidamenti in opera di elementi i legno degradati o per l’incollaggio di elementi composti da materiali diversi.
3.
CALCOLO DEGLI ELEMENTI IN XLAM
Nel corso del recente passsato le attività di ricerca applicate all’impiego di materiali da costruzione hanno permesso lo sviluppo di nuove tipologie con migliori prestazioni e minore impatto ambientale.
Questa evoluzione ha interessato anche il comparto del legno da costruzione: a seguito della necessità di avere un materiale con caratteristiche diverse e principalmente alta resistenza a flessione, dall’utilizzo del legno esclusivamente sotto forma di travi in legno massiccio – con o senza trattamento – si è passati all’utilizzo del legno lamellare. Quest’ultima tipologia ha trovato il suo principale utilizzo nella realizzazione di coperture anche con luci importanti.
In ciò i progettisti hanno visto un’opportunità importante creata da un nuovo mercato, infatti dal punto di vista ingegneristico, l’utilizzo del legno nelle costruzioni ha ancora notevoli margini di sviluppo e di crescita. Negli ultimi quindici anni lo studio delle caratteristiche e potenzialità del legno ha avuto una evoluzione esponenziale fino ad una vera e propria rivoluzione. L’incentivo a trovare nuovi metodi costruttivi è nato dalla necessità di rendere più semplice e, principalmente, più veloci le fasi di assemblaggio, garantendo al contempo massima precisione oltre che dall’ottimizzazione dei costi: nasce così la cultura della “CASA PREFABBRICATA”.
La rivoluzione consiste nell’offrire un prodotto che, associato alla tecnologia computerizzata, ha innumerevoli possibilità di essere personalizzato: in pratica avere una costruzione “chiavi in mano” perfettamente coerente con le esigenze del cliente.
Il prodotto principe è sicuramente rappresentato dai pannelli X-LAM (Cross-LAM) cioè pannelli in legno lamellare a strati incrociati (Cross Laminated Timber Panels). Essi sono stati introdotti per la prima volta in quei mercati dove reperire la materia prima non era sicuramente un problema e perciò fanno la loro comparsa tra il 1990 e il 2000 in Germania ed Austria. Il principio su cui si basano è quello di ottenere degli elementi piani di legno di grandi dimensioni al contrario dei pannelli utilizzati fino ad allora che erano elementi costruttivi lineari che dovevano essere utilizzati tramite sovrapposizioni o come travi, capriate e altri elementi simili.
3.1. Rivoluzione nel settore edile: avvento dell’X-LAM
L’X-LAM è la rivoluzione nell’edilizia: si possono finalmente realizzare superfici in legno di grandi dimensioni.
L’incollatura, come per la produzione del legno lamellare incollato, permette di unire le singole tavole e i singoli strati fra loro, in modo da ottenere un materiale omogeneo e monolitico sotto forma di superficie strutturale di grandi dimensioni. Le dimensioni dei pannelli più piccoli sono di 1,25 m di larghezza, mentre la lunghezza praticamente è illimitata: si tratta quindi a pieno titolo di pannelli di grandi dimensioni. Le dimensioni dei pannelli X-LAM arrivano fino a 4,80 m di larghezza e 24,00 m di lunghezza, mentre lo spessore può arrivare a svariate decine di centimetri. La dimensione del singolo pannello non è però il criterio determinante per il progettista, in quanto la tecnologia offre la possibilità di realizzare grandi superfici anche con pannelli di dimensioni più ridotte. I pannelli X-LAM permettono di realizzare elementi strutturali di legno massiccio piani, che formano la struttura dell’edificio. Quest’ultima è composta di pareti (funzione strutturale di lastra) e solette (funzione strutturale di piastra), collegate fra loro con connessioni semplici e facilmente realizzabili.
Il materiale
Composizione stratigrafica ortogonale di un pannello in X-LAM (Tratta da Promo Legno).
Gli elementi piani portanti di grandi dimensioni X-LAM sono ottenuti dall’incollaggio di tavole di legno a strati incrociati in numero variabile, generalmente dai 5 ai 7. Le tavole, generalmente in legno di conifere (generalmente Abete Rosso), di spessore compreso fra 16 e 35 mm con una larghezza variabile da 80 a 240 mm, sovrapposte e incrociate fra di loro in modo che le fibre dei piani siano posizionate di 90 gradi tra loro. Le tavole vengono poi
essiccate meccanicamente per raggiungere un’umidità di circa il 12%, con un margine di tolleranza del 2-3%, e quindi giuntate ed incollate. Per l’incollaggio si usano sia collanti a base di melammina (con contenuto ridotto di formaldeide) o di poliuretano (esenti da formaldeide).
Le fasi di produzione devono essere conformi ai criteri di produzione previsti per la produzione del legno lamellare inchiodato e perciò classificati secondo una precisa classe di resistenza. La loro produzione può essere schematizzata in due sotto fasi: la produzione delle tavole e la produzione dei pannelli:
Produzione delle tavole:
Avviene secondo il seguente processo:
a. Taglio delle tavole (o lamelle) in impianti specializzati;
b. Processo di Essiccamento che, come già detto, deve garantire un tasso di umidità inferiore al 12% con un margine di tolleranza del 2-3%;
c. Classificazione secondo le Normative di riferimento EN14081 (classificazione del legno massiccio) e EN338 (classificazione delle classi di resistenza) che consiste nell’eliminazione delle parti di qualità troppo scadente tramite la troncatura dell’elemento e definizione della sua classe di resistenza;
d. Realizzazione dei giunti longitudinali delle lamelle: le singole lamelle sono continue su tutta la lunghezza del pannello con la giunzione longitudinale delle singole tavole incollata a pettine;
e. Realizzazione dei giunti trasversali delle tavole: questo procedimento è diverso a seconda dei produttori in quanto la discontinuità della direzione perpendicolare alla fibratura non influenza le caratteristiche tecniche del pannello in X-LAM. Le tavole possono essere incollate una all’altra in modo da formare una superficie omogenea senza che il giunto tra una tavola e l’altra sia visibile, oppure possono essere collegate in direzione trasversale.
Produzione dei pannelli:
E’ però essenziale, al fine di ottenere dei pannelli multistrato con le caratteristiche di un elemento monolitico, che nel processo di produzione dei pannelli in X-LAM sia garantito una sovrapposizione e un incollaggio strutturale dei vari strati di tavole, ruotati di 90° uno rispetto all’altro. I collanti usati possono essere sia quelli classici a base di formaldeide, che però ora sono sostituiti da quelli poliuretanici, sia per le loro caratteristiche che per la loro salubrità.
In genere i processi possono essere ricondotti a due macro tipologie:
Produzione in una fase: il pacchetto di tavole, generalmente della lunghezza
desiderata, viene incollato in una unica fase e non necessariamente è incollato anche nelle superfici laterali.
Fasi di produzione. ( Tratta da Costantinilegno).
Produzione in due fasi: anche in questo caso le tavole saranno della lunghezza
desiderata, ma l’incollatura avviene in due distinte fasi – prima si producono i singoli pannelli con fibratura monodirezionale grazie all' affiancamento delle singole tavole e successivamente si sovrappongono e incollano in modo ortogonale i pannelli a fibra monodirezionale
A seconda dei produttori i pannelli X-LAM possono essere incollati solo sui lati lunghi o anche su quelli corti
La direzione dell’incollatura deve rispettare le esigenze di utilizzo strutturale del pannello. E’ possibile produrre anche elementi curvi, ma poiché i pannelli X-LAM sono per definizione un elemento di superficie che generalmente è piana, per la realizzazione di pannelli curvi preliminarmente è necessario una attenta e corretta progettazione dell’elemento oltre che l’utilizzo di tecnologie particolari in impianti specializzati.
Dimensioni dei pannelli in X-LAM
Come detto il numero minimo di strati è tre anche se per ottenere le caratteristiche strutturali migliori il numero minimo di strati necessario è 5. Di seguito gli spessori minimi e massimi ottenibili con i diversi strati.
Spessore pannello in funzione del numero di strati. ( Tratta da Promo Tetto).
I produttori i pannelli in X-LAM dimensionano i pannelli prodotti secondo le richieste del mercato e delle necessità dei clienti. I pannelli sono perciò disponibili con larghezze variabili da 1,25 m fino a 4,80 m - lunghezze da quasi 15 m fino a 24 e spessori compresi tra 217 a 500 mm. Di seguito alcuni esempi:
Principali prodotti disponibili in commercio a livello europeo
In generale le produzioni standardizzate preferiscono non superare in lunghezza le dimensioni di un piano dell’edificio perché più facilmente gestibili sia relativamente al trasporto che alla logistica.
I pannelli possono essere prodotti sia come semilavorati che come prodotti completamente rifiniti basandosi sul concetto di pre-fabbricazione di produzioni funzionali al singolo progetto e perciò per questa sua caratteristica non deve, però, essere confuso con la semplice produzione standard.
Considerato che il materiale X-LAM è un sistema che permette di essere pre-tagliato e quindi pre-fabbricato presso gli stabilimenti per la lavorazione del legno. X-LAM da utilizzare è sempre sagomato secondo le indicazioni del progettista, la fase di posa e realizzazione di cantiere viene ridotta in maniera sostanziale rispetto ai sistemi tradizionali.
3.2. Le caratteristiche fisiche
Le principali caratteristiche fisiche del prodotto sono sostanzialmente riferite alla Stabilità dimensionale dei pannelli X-LAM che possono essere equiparati al legno lamellare incollato, in quanto ha le stesse le caratteristiche fisiche e meccaniche
Per quanto sopra detto la speciale lavorazione del pannello, lo fa assimilare ad un pannello di legno massiccio in quanto non ha subito alcuna modifica dal punto di vista fisico, chimico e biologico.
Essi possono essere utilizzati senza problemi di dimensioni nel loro piano e la prefabbricazione permette di effettuare lavorazioni di ottima precisione in funzione di qualsiasi progetto.
3.3. Stabilità dimensionale
I pannelli X-LAM Lo studio di stabilità dimensionale è la base di studio della produzione dei pannelli: si basa sul comportamento del legno di cambiamento con ritiro o rigonfiamenti dovuti al loro tenore di acqua che può anche determinarne la fessurazione, ma in modo sempre parallelo all’andamento delle fibre. Anche se nelle tavole trasversali si ha una
deformazione marcata, in quelle longitudinali è trascurabile e la tecnica di incollaggio a 90° fa sì che tutto il pannello abbia la stessa risposta: le differenze che sarebbero state proprie degli strati trasversali sono totalmente impedite dalla presenza degli strati longitudinali. Si deve, infatti ricordare che la base del funzionamento meccanico dei pannelli X-LAM è lo stesso dei pannelli di compensato per cui tra i moduli longitudinali e quelli trasversali, la differenza di modulo elastico E ha un rapporto di 30:1.
La condizione per ottenere dei pannelli con le migliori caratteristiche di stabilità dimensionale è che il suo contenuto in acqua sia inferiore al 12%.
3.4. Analisi delle caratteristiche strutturali
Comportamento aflessione
Come già detto essendo i panelli formati da serie di strati di tavole incollati, le caratteristiche meccaniche dei pannelli X-LAM dipendono principalmente dalla stratigrafia di ciascun elemento, dalla direzione della fibra e dal tipo di legno da cui sono formati, secondo lo schema seguente:
Caratteristiche meccaniche di uno strato di tavole
Una delle principali applicazioni maggiormente innovative dell’XLAM è quello della lastra solaio e più in generale della lastra inflessa.
Il pannello di XLAM però è una stratificazione di lamelle di legno poste in direzioni ortogonali, quindi anche la modalità di distribuzione delle sollecitazioni flessionali deve considerare le caratteristiche meccaniche dei singoli strati.
Esiste una grossa differenza numerica tra i due moduli elastici dei vari strati che compongono il pannello E0 e il pannello E90. Quest’ultimo relativo agli strati disposti trasversalmente, può essere trascurato in virtù di quanto affermato.
La rigidezza flessionale della sezione di XLAM, per una larghezza unitaria b dell’elemento stesso, è data dalla relazione:
EJ Ji Ei Ai ai Ei
K 2
Pannello di XLAM e andamento delle tensioni di una lastra sottoposta a momento flettente M (Tratta da Promo Legno).
dove
K = rigidezza flessionale nella direzione considerata Ji = inerzia del singolo strato
Ei = modulo di elasticità del singolo strato Ai = area del singolo strato
ai = distanza dall’asse della lastra del baricentro del singolo strato ti = spessore del singolo strato.
La distribuzione delle tensioni di flessione è indicata nella figura, e può essere determinata con: i E a K M
dove M = momento flettentea = distanza dal baricentro della fibra considerata
Nel caso di una sezione con strati di materiale della medesima classe di resistenza, il valore massimo della tensione di flessione è dato da:
* W M
, con * 0 2 / E h K W doveh = altezza della sezione del pannello XLAM,
E0 = modulo di elasticità degli strati esterni considerati
Quindi la verifica allo stato ultimo del pannello a flessione, può avvenire nella forma comune a tutte le verifiche: ) ( , ,d Md XLAM M f
, con fM,d(XLAM) fM,d(LAM)Ksysdove
) ( ,d XLAM M
f = valore di calcolo della resistenza a flessione dell’XLAM,
) ( ,d XLam M
f = valore di calcolo della resistenza a flessione della lamella Ksys = coefficiente di sistema pari a 1+0,025n valore massimo pari a 1,10
n = numero di lamelle
Il numero di lamelle efficaci ai fini della determinazione di Ksys viene definito sulla base della larghezza del pannello XLAM e sulla lunghezza massima delle singole lamelle, come suggerito nella guida per l’omologazione del prodotto XLAM in questione. Normalmente per elementi con larghezza di almeno 1 metro si accetta di utilizzare un coefficiente Ksys =1,1. In caso di sollecitazioni non uniformi, non omogenee o localmente più elevate, il coefficiente di sistema non può essere applicato.
Nel caso di sollecitazione a flessione agente sia sull’asse x che sull’asse y deve essere eseguita la verifica per entrambe le direzioni del piano in modo indipendente, utilizzando in entrambi i casi la tensione flessionale massima, nelle tavole con la fibratura orientata nella direzione della sollecitazione considerata.
Flessione biassiale nel piano della piastra(Tratta da Promo Legno). La verifica assume la forma seguente:
) ( , max, , d Md XLAM Mx f
e
My,max,d fM,d(XLAM)Nel caso in cui il pannello in XLAM risulti sollecitato da sforzi assiali, questi possono essere determinati seguendo lo stesso principio, ignorando gli strati con la fibratura trasversale rispetto al verso della forza e sovrapponendo le tensioni flessionali con quelle dovute alla forza assiale. Nuovamente, la verifica deve essere fatta in entrambe le direzioni del piano del pannello considerando ogni volta la tensione più gravosa relativa allo strato nel verso considerato.
Le verifiche assumono quindi la forma: 0 , 1 ) ( , max, , ) ( , max, , XLAM d c d cx XLAM d M d Mx f f
e 1,0 ) ( , max, , ) ( , max, , XLAM d c d cy XLAM d M d My f f
con fM,d(XLAM) fM,d(Lam)
) ( ,d XLAM c
f = valore di calcolo della resistenza a flessione del lamellare della classe di
resistenza relativa alle lamelle considerate
Verifica a taglio del pannello XLAM
La verifica a taglio trasversale al piano del pannello di XLAM, viene eseguita in seguito alla combinazione di sollecitazioni di taglio e flessione. Segue il medesimo procedimento utilizzato nella verifica a flessione, anche se a differenza di quest’ultima bisogna tener conto dell’orientamento delle fibre considerando anche gli strati con orientamento trasversale perché sono questi che trasmettono le sollecitazioni di taglio agli strati orientati in senso opposto.
Flessione e taglio trasversale al piano con la distribuzione delle tensioni sulla sezione (Tratta da Promo Legno). Le curve con la distribuzione delle tensioni tangenziali mostrano come le stesse possano raggiungere il loro valore massimo negli strati trasversali della sezione di cui si è tenuto conto. Anche se la resistenza a taglio degli strati trasversali risulta minore rispetto a quella degli strati orientati nella direzione considerata, va in ogni caso effettuata la verifica in entrambe le direzioni. Risulta determinante negli strati intermedi la resistenza a taglio trasversale, dove il collasso del materiale è ottenuto dal conseguimento della resistenza a trazione perpendicolare alla fibratura nella direzione della sollecitazione principale, inclinata di 45o rispetto all’asse dell’elemento considerato, o di inclinazione di +/-45o rispetto alle
tensioni principali. Si parla in questo caso di taglio trasversale, definendo la resistenza equivalente con l’indice “r”, da “rolling shear”, che di suo si ispira alla forma del collasso in questione. Il “rolling shear” può essere visto come uno sforzo di taglio che induce tensioni di taglio in un piano perpendicolare alla direzione della fibratura dell’elemento considerato. Questo fenomeno comporta una rigidezza a taglio ridotta negli strati ortogonali, che viene assunta pari a 1/10 della rigidezza a taglio degli strati longitudinali, portando ad una maggiore deformabilità dell’elemento per sforzi tangenziali.
b K S V
Dove S è il momento statico della sezione.
b K dA a E V
quindi
b K E S V LAM m m d
max ,
La verifica a taglio assume quindi la doppia forma:
d v d f ,
, per gli strati nella direzione considerata,d vr d f ,
, per gli strati trasversali rispetto alla direzione considerataLa resistenza a taglio fv viene determinata in maniera similare a quella per il legno lamellare incollato relativo alla classe di resistenza equivalente, delle lamelle che compongono l’XLAM. Lo stesso identico principio viene usato per la valutazione della resistenza al taglio trasversale, il cui valore risulta pari a due volte la resistenza a trazione perpendicolare alla fibratura secondo gli Eurocodici, mentre prende un valore simile, ma definito in modo assoluto secondo altre fonti.
I valori di calcolo della resistenza vengono ottenuti, dai valori caratteristici applicando i coefficienti di correzione e di sicurezza indicati dalla normativa
m K v d v f K f
, mod , m K R v d R v f K f
, , mod , , Di solito ogni produttore di XLAM dichiara le resistenze a taglio e a taglio trasversale del prodotto che viene commercializzato.
Pressione trasversale al piano del pannello
Nella direzione dello spessore del pannello, tutti gli strati che compongono l’elemento XLAM vengono sollecitati perpendicolarmente alla fibratura. Agli appoggi per contatto dei vari elementi orizzontali si ha il rischio di schiacciamento trasversale della fibratura.
Compressione perpendicolare alla fibratura agli appoggi (Tratta da Promo Legno).
Il calcolo relativo alle tensioni perpendicolari alla fibratura viene effettuato sulla base di una superficie di contatto a cui ci si riferisce, che risulta determinata dalla larghezza degli strati verticali che inducono la forza nella soletta XLAM. In caso di appoggio compatto, viene considerata la superficie effettiva di contatto. La verifica assume quindi la forma:
d c d
c,90, f ,90,
3.5. Stato di servizio e calcolo delle deformazioni
Lo stato di servizio della piastra caricata in maniera uniforme necessita l’acquisizione delle rigidezze. La rigidezza è stata già definita ed è data dalla relazione
EJ Ji Ei Ai ai Ei
K 2
Resta da definire la rigidezza a taglio del pannello XLAM per il quale si tiene conto l’effetto dei singoli strati e della loro differente rigidezza a taglio, considerando che le lamelle che costituiscono il materiale sono disposte in maniera diversa a seconda degli strati. Con G0 viene indicato il modulo per la sollecitazione a taglio longitudinale e con G90 viene indicata la sollecitazione a taglio trasversale dell’XLAM
Sollecitazioni a taglio e definizione di taglio trasversale con i moduli G0 e G90 (Tratta da Promo Legno).
La rigidezza a taglio della sezione viene definita dalla seguente relazione:
i i i i i v GA G b t G A S '
doveSv = rigidezza a taglio nella direzione considerata Ai = superficie del singolo strato
k = coefficiente di correzione bi = larghezza dell’elemento ti = spessore del singolo strato.
Il coefficiente di correzione k consente di esaminare le caratteristiche non uniformi sulla totalità dello spessore del materiale e deriva dalla geometria e dalle caratteristiche dei singoli strati.
Il valore del coefficiente k cambia in funzione del numero di strati, del rapporto fra G0 e G90 e dello spessore dei singoli strati.
dz b z G z S K A G i i i ) ( ) ( 1 1 2 2
A spessore uniforme degli strati e tenendo conto di un rapporto fra G0 e G90 uguale a 10 si ottengono i seguenti valori di k in funzione degli strati
Nella costruzione dei pannelli vi è la possibilità che gli strati non siano costituiti da spessore costante e che si abbiano strati oggettivamente dotati di maggiore importanza, dato l’orientamento, di altri. Ciononostante si può notare che anche prendendo in considerazione una composizione del pannello ’XLAM con strati di spessore diverso, e con un numero di strati maggiore a livello d’importanza in una direzione rispetto all’altra, il valore del coefficiente k assume valori compresi fra 0,20 e 0,30.
Per quanto riguarda le deformazioni della piastra risulta necessario considerare che per effetto delle caratteristiche del legno, la deformazione globale dell’elemento solaio è, solo nella prima fase, descritta da un andamento elastico. In seguito il comportamento deformativo prende un andamento viscoso-elastico, chiamato anche “fluage”, per cui sotto l’azione di un carico costante nel tempo si determina una deformazione progressiva. Superati alcuni valori tensionali nell’elemento, non si avrà più il recupero totale della freccia deformativa.
Questo fenomeno è valutabile anche nel cemento armato, anche se in quel caso è meno evidente il problema delle deformazioni differite e quindi di meno importanza perché rispetto al legno il cemento armato risulta un materiale dotato di maggiore rigidezza.
La presenza di umidità ambiente nel legno va ad accentuare fenomeno del “fluage”, questa infatti quando risulta molto elevata (>90%), agisce sul modulo elastico del legno. A causa di questo comportamento deformativo del pannello XLAM, non sarà sufficiente la sola valutazione della freccia istantanea dovuta ai carichi istantanei di breve durata, ma dovrà essere valutata anche la freccia che si genera in seguito ad un’esposizione prolungata nel
tempo. La normativa tecnica NTC D.M. 14/01/2008 prescrive che le deformazioni dovute alle variazioni di umidità e di scorrimento delle unioni, devono essere studiate in relazione ai danni che possono essere causati alle strutture secondari entro limiti accettabili. In aggiunta viene indicato che la deformazione istantanea determinata da un azione, deve essere calcolata utilizzando i valori medi dei moduli elastici (E e G) per le membrature, e il valore istantaneo del modulo di scorrimento per lo stato limite di esercizio Kser per le unioni, a sua volta calcolato tramite prove sperimentali.
La deformazione finale è valutata nella seguente forma:
dif ins
fin u u
u
dove
u
ins, rappresenta la deformazione istantanea (calcolata rispetto alla combinazione di carico rara) e udif, la deformazione differita che può essere calcolata come segue:def ins
dif u k
u '
dove
u
ins'
, rappresenta la deformazione iniziale istantanea, calcolata in riferimento alla combinazione di carico quasi permanente. Nello specifico vale quindi la relazione:Qi fin Q fin G fin fin u u u u , , 1
, dove G finu , = deformazione finale causata dai carichi permanenti
1 ,Q
fin
u = deformazione finale causata dal carico variabile principale
Qi fin u ,
= deformazione finale causata dagli altri carichi variabiliSulle limitazioni per la freccia elastica la NTC non prescrive un valore limite, quindi è
inevitabile il ricorso a un documento di comprovata validità, la CNR 206/2007. Questa, in particolare al paragrafo 6.4.3, fa riferimento agli elementi inflessi, stabilendo le
seguenti limitazioni:
Freccia istantanea dovuta ai soli carichi variabili u2,ist l/300
Freccia netta finale unet,fin l/250
Vibrazioni del solaio
Nella progettazione devono essere valutate adeguatamente le conseguenze prodotte da urti e vibrazioni, anche con lo scopo di diminuire i disagi per gli utenti, in modo particolare nelle strutture destinate al pubblico.
Una delle proprietà del solaio in legno è il fatto che vibri. Non si può pensare che una soletta in XLAM sia dotata dello stesso grado di rigidezza rispetto ad un solaio in latero-cemento, questo risultato non si ottiene neanche utilizzando pannelli di XLAM di grandi spessori.
L’istruzione CNR206/2007 dice poco o nulla in materia, limitandosi ad indicare che “nei solai dove è previsto intenso calpestio, salvo ulteriori esigenze specifiche, la frequenza naturale più bassa non dovrà essere inferiore a 6 Hz”, non definendo quindi in termini quantitativi l’intenso calpestio.
Tuttavia l’Eurocodice 5 fornisce una formula semplificativa per il calcolo della frequenza fondamentale per solaio dotato di dimensione rettangolare l x b, semplicemente appoggiato, definita come:
m
I
E
l
f
1
2
l dovel
= luce del solaiom
= massa per unità di superficie del solaio
E
I
l = rigidezza flessionale del solaio intorno all’asse perpendicolarealle travi
Lo stesso Eurocodice 5 differenzia il caso di solai con una frequenza fondamentale inferiore a 8 Hz e solai dotati di una frequenza fondamentale maggiore a 8 Hz. Per i primi indica semplicemente che venga eseguita un’indagine speciale, mentre nel secondo caso vengono stabilite delle limitazioni.
Seguendo l’istruzione della CNR 206/2007 e andando a valutare la frequenza fondamentale con la formula dell’Eurocodice 5 restano alcune determinanti limitazioni, tra cui l’impossibilità di trovare un riscontro definitivo con solai dotati di campitura irregolare e non rettangolare.
Elementi di parete
L’elemento parete dal punto di vista strutturale viene assimilato ad una lastra, a cui si aggiunge l’effetto piastra verticale quando questa viene sollecitata anche a flessione, come per esempio a causa dell’azione del vento sull’edificio.
Viene definita piastra un elemento strutturale piano soggetto a carichi trasversali che ne determinano l’inflessione. Si passa al regime di lastra o membranale nel caso in cui risultino presenti carichi agenti nel piano della piastra. Le lastre sono elementi dotati di una sezione trasversale di area A e contorno C che giacciono in un piano parallelo xy; sono caratterizzate da spessore costante e di valore poco minore rispetto alle altre dimensioni e soggette a due sistemi di carico: i carichi nel piano e i carichi fuori piano. I carichi nel piano sono provocati da forze distribuite a unità di superficie fx ed fy che operano parallelamente al piano xy, e in modo costante lungo la direzione z. i carichi fuori dal piano sono provocati invece da forze distribuite ad unità di superficie che incidono ortogonalmente al piano xy.
Elemento lastra con le forze agenti su di esso (Tratta da Promo Legno).
Le lastre caricate nel piano sono un problema piano trattato nella teoria dell’elasticità; quando soggette a carichi fuori dal piano, flessione e taglio nella direzione z, vengono definite piastre.
La parete XLAM è fondamentalmente una lastra che può avere un comportamento a piastra quando si sommano forze orizzontali come il vento o il sisma (lastra sollecitata a flessione) alle forze verticali (pesi propri, carichi da solai, carico neve…). Il comportamento a lastra determina sforzi interni sia assiali nx e ny che di taglio nxy; tali sollecitazioni sono da considerarsi come forze per unità di larghezza dell’elemento.
Sollecitazione a taglio nel piano della lastra
La forza nxy induce sollecitazioni che, se non riferita ad una porzione di lastra unitaria, determinano all'interno del pannello XLAM uno stato tensionale molto complesso, dovuto alla struttura multistrato del materiale. Le tensioni di taglio su un determinato elemento di lastra vengono definite in modo molto semplice secondo la relazione:
a t V t nxy xy xy
0
dove xyV = forza agente a taglio sul pannello
t
= spessore del pannelloa
= lunghezza del pannelloLa tensione
viene considerata costante nella totalità dell’elemento nell’ipotesi di elemento omogeneo e per questo, non è possibile applicare questo tipo di analisi al pannello XLAMper cui dovranno essere considerati i differenti orientamenti degli strati. La prima ipotesi fatta è che il materiale non sia costante nella direzione trasversale alla
fibratura (fessurazioni). Gli strati vengono collegati fra loro mediante l’utilizzo di colla che rappresenta la superficie di contatto tra le varie tavole trasversali e longitudinali. Alla luce di questo, il bordo libero della tavola non risulta sollecitato e perciò la trasmissione dello sforzo di taglio avverrà tra le due tavole disposte ortogonalmente nella superficie di contatto.
Sollecitazioni sulle due tavole ortogonali formanti l’elemento sollecitato a taglio (Tratta da Promo Legno).
Il comportamento a taglio è possibile soltanto nel caso in cui si scomponga il flusso di taglio nella sollecitazione a taglio delle due tavole e nel momento torcente che le unisce fra loro; in questo modo il momento torcente va a creare la sollecitazione operante sulla superficie di contatto fra i due elementi. La sollecitazione a taglio del pannello XLAM viene in questo
modo rappresentata come una duplice sollecitazione, dovuta ad una componente di torsione e ad una componente di taglio. L’interferenza di queste due azioni definisce lo stato tensionale provocato dalla forza nxy nell'XLAM. Le due componenti sono anche viste anche
come meccanismo di collasso 1 (taglio) e meccanismo di collasso 2 (torsione). Le sollecitazioni conseguenti ai due meccanismi devono essere determinate e verificate in
modo separato, perché si tratta di due meccanismi differenti di rottura, a cui conseguono due valori della resistenza differenti. Le sollecitazioni dovute ai due meccanismi vengono definite e determinate su un elemento di base ideale, composto da due strati di tavole ortogonali che fanno parte di un pacchetto di spessore non limitato, in modo da poter tralasciare gli effetti causati dalla mancanza della simmetria nel piano della lastra.
Caso generale della sollecitazione a taglio (Tratta da Promo Legno).
Per l’elemento non fessurato, monolitico, con tavole contigue di dimensione non limitata vale sempre: a t Vxy 0
Comportamento a lastra della parete
Dopo aver valutato gli effetti dovuti al taglio e alla torsione, si continua studiando l’azione principale a cui risulta soggetta la parete: i carichi verticali.
Poiché ci troviamo nel regime membranale o di lastra vale l’ipotesi di carico distribuito sullo spessore della parete in esame. Si deve analizzare il comportamento della parete XLAM quando risulta soggetta a forze agenti nel piano della parete. Le forze assiali nx e ny producono effetti similari a quelli valutati per l’elemento inflesso, si torna quindi a parlare di comportamento a lastra.
Sollecitazioni dovute alle forze assiali Nx e Ny (Tratta da Promo Legno).
La determinazione delle tensioni deve tener conto delle proprietà dei singoli strati che compongono il pannello XLAM. In conformità a quanto fatto e detto per la flessione (effetto piastra), e considerando l’enorme diversità fra il modulo elastico degli strati orientati nella direzione presa in esame rispetto a quelli trasversali, è sicuramente possibile trascurare gli strati trasversali e effettuare il calcolo considerando i soli strati nella direzione delle sollecitazioni.
