Sviluppo di un metodo semplificato per l'analisi strutturale di costruzioni di legno tipo Platform Frame

(1)

UNIVERSITÀ DI PISA

DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE E INDUSTRIALE

Corso di laurea magistrale in Ingegneria delle Costruzioni Civili

SVILUPPO DI UN METODO SEMPLIFICATO PER

L’ANALISI STRUTTURALE DI COSTRUZIONI DI

LEGNO TIPO PLATFORM FRAME

Tesi di laurea magistrale

Relatore:

Prof. Ing. Paolo S. VALVO Ing. Francesco MORELLI Ing. Gerardo MASIELLO Ing. Francesco DEL VIVA

Laureando:

Lorenzo MARCHETTI

(2)

(3)

INDICE

INDICE ... III

INDICE FIGURE ... VII

INDICE TABELLE ... XII

PREFAZIONE ... XV

INTRODUZIONE ... XVII

CAPITOLO 1 SISTEMI COSTRUTTIVI IN LEGNO ... 1

1.1 Progettazione ... 1

1.2 Vantaggi ... 1

1.3 Sistema costruttivo a telaio leggero: Platform Frame ... 4

1.3.1 Descrizione e funzionamento ... 4

1.3.1.1 Fasi di produzione ... 13

1.3.2 Combinazione con altri sistemi costruttivi ... 16

1.3.2.1 Fasi di montaggio ... 24

1.4 Sistema costruttivo a parete massiccia: X-lam ... 26

1.4.1 Descrizione e funzionamento ... 28

1.4.1.1 Fasi di montaggio ... 34

CAPITOLO 2 RIGIDEZZA GLOBALE DI UNA PARETE DI TAGLIO .... 37

2.1 Modello analitico ... 37

2.1.1 Spostamento orizzontale di una parete ... 38

2.1.1.1 Deformazione della connessione pannello-telaio ... 40

2.1.1.2 Rotazione rigida della parete ... 43

2.1.1.3 Traslazione rigida della parete ... 45

2.1.1.4 Deformazione a taglio del pannello di rivestimento... 46

2.1.2 Contributo di ogni singola componente ... 47

2.1.3 Rigidezza orizzontale di una parete ... 48

2.1.4 Studio parametrico della rigidezza ... 50

(4)

IV

CAPITOLO 3 CONFRONTO CON RISULTATI SPERIMENTALI ... 57

3.1 Prova sperimentale ... 57

3.2 Modello analitico ... 61

3.3 Modello numerico ... 65

3.4 Risultati a confronto ... 67

CAPITOLO 4 PROGETTO E SCELTA DELLA PARETE ... 69

4.1 Telaio... 69

4.1.1 Viti pareti-ossatura ... 70

4.2 Pannello di rivestimento ... 71

4.2.1 Lastre in gessofibra ... 71

4.2.2 Elementi di fissaggio pannello-telaio ... 72

4.3 Ancoraggi ... 73

4.3.1 Ancoraggio per forze trazione ... 74

4.3.2 Ancoraggio per forze di taglio ... 76

4.4 Pareti a confronto ... 78

4.4.1 Parete rinforzata 1 lato in pannelli di OSB ... 79

4.4.2 Parete rinforzata 1 lato in pannelli di gessofibra ... 81

4.4.3 Ossatura più parete rinforzata 1 lato in pannelli di gessofibra ... 83

4.4.4 Confronto dei risultati e scelta della parete ... 89

CAPITOLO 5 SVILUPPO DEL METODO SEMPLIFICATO ... 93

5.1 Rigidezza totale della parete al variare della lunghezza ... 95

5.1.1 Parete scelta rinforzata 1 lato ... 95

5.1.2 Parete scelta rinforzata 2 lati ... 99

5.2 Spostamento orizzontale al variare del carico verticale ... 100

5.3 Rigidezza equivalente della parete ... 103

5.3.1 Dimostrazione ... 103

5.3.2 Lettura della forza agente sulla parete ... 106

5.3.3 Valori della rigidezza equivalente della parete scelta ... 107

5.3.3.1 Parete rinforzata 1 lato ... 108

5.3.3.2 Parete rinforzata 2 lati ... 111

5.4 Confronto su telaio piano ... 113

(5)

5.5.1 Modellazione dei solai ... 116

5.5.2 Modellazione semplificata dell’edificio ... 122

5.5.3 Modellazione accurata dell’edificio ... 124

5.5.4 Risultati a confronto ... 124

CAPITOLO 6 APPLICAZIONE DEL METODO SEMPLIFICATO AD UN PROGETTO ... 127

6.1 Complesso residenziale ... 127

6.1.1 Progetto architettonico ... 128

6.1.2 Progetto strutturale ... 131

6.1.2.1 Maglia dell’ossatura ... 132

6.1.2.2 Disposizione delle pareti ... 135

6.1.2.3 Carichi e azioni agenti sulla struttura ... 139

6.2 Modellazione numerica ... 146

6.2.1 Modellazione semplificata ... 146

6.2.1.1 Determinazione delle rigidezze equivalenti ... 146

6.2.1.2 Verifica di una parete ... 148

6.2.2 Modellazione accurata ... 155

6.2.3 Risultati a confronto ... 156

CONCLUSIONI ... 157

APPENDICE 1: INQUADRAMENTO NORMATIVO ... 161

Inquadramento normativo ... 161

Valutazione della sicurezza strutturale... 165

Verifiche agli Stati Limite Ultimi ... 168

Verifiche di resistenza ... 168

Trazione parallela alla fibratura ... 171

Trazione perpendicolare alla fibratura ... 173

Compressione parallela alla fibratura ... 174

Compressione perpendicolare alla fibratura ... 174

Compressione inclinata rispetto alla fibratura ... 176

Taglio………..176

Torsione ... 177

(6)

VI

Flessione ... 178

Tensoflessione ... 179

Pressoflessione ... 179

Verifiche di instabilità ... 180

Verifiche agli Stati Limite di Esercizio ... 180

Deformabilità elementi inflessi ... 181

Scorrimento dei giunti ... 183

Strutture con pareti a diaframma ... 185

Analisi semplificata - Metodo A ... 186

Analisi semplificata - Metodo B ... 190

Indicazioni per le costruzioni di legno in zona sismica ... 194

Normativa Europea ... 194

Normativa Italiana ... 199

APPENDICE 2: CALCOLI ... 203

Parete rinforzata 1 lato OSB ... 203

Parete rinforzata 1 lato GESSOFIBRA ... 221

Spostamento orizzontale (1 lato rinforzato) al variare del carico verticale 239 Spostamento orizzontale (2 lati rinforzati) al variare del carico verticale . 247 Rigidezza solai del complesso residenziale ... 255

(7)

INDICE FIGURE

Fig. 1 - Particolare del cordolo di fondazione [1] ... 5

Fig. 2 - Dettaglio dell'elemento Blocking ... 6

Fig. 3 - Dettaglio del montante raddoppiato e architrave per apertura ... 6

Fig. 4 - Connessione pannelli-telaio leggero [2] ... 7

Fig. 5 - Ancoraggi per forze di trazione [3] ... 8

Fig. 6 - Ancoraggi per forze di taglio [3] ... 8

Fig. 7 - Sistema costruttivo a telaio leggero, Platform Frame [4] ... 9

Fig. 8 - Stratificazione della parete del sistema Platform Frame (PIVA et al, 2007) ... 10

Fig. 9 - Collegamento d’angolo delle pareti... 10

Fig. 10 - Solaio di piano (PIVA et al, 2007) ... 11

Fig. 11 - Giunzione travetti-trave di colmo (PIVA et al, 2007) ... 12

Fig. 12 - Stratificazione della copertura [1] ... 13

Fig. 13 - Fasi di produzione del sistema Platform Frame (PIVA et al, 2007) ... 16

Fig. 14 - Sistema costruttivo combinato: ossatura di travi e pilastri con pareti di tipo Platform Frame [4] ... 17

Fig. 15 – Fase 1: Ossatura di travi e pilastri, labile alle azioni orizzontali ... 17

Fig. 16 – Fase 2: Inserimento dei telai leggeri di tipo Platform-Frame ... 18

Fig. 17 - Fase 3: Tamponamento con pannelli di rivestimento ... 18

Fig. 18 - Particolare di pannello di chiusura in luce ... 19

Fig. 19 - Particolare di pannello di chiusura in battuta ... 19

Fig. 20 - Tipologie di connessione trave pilastro [5] ... 20

Fig. 21 - Giunzioni trave-trave e trave-colonna (PIVA et al, 2007) ... 21

Fig. 22 - Sistema di unione KNAPP Gigant [6] ... 21

Fig. 23 - Misure del sistema di unione KNAPP Gigant [6] ... 22

Fig. 24 - Fasi di lavorazione del sistema di unione KNAPP Gigant ... 23

Fig. 25 - Fasi di montaggio del sistema costruttivo combinato ... 26

Fig. 26 - Strati incrociati del pannello X-lam [7] ... 27

Fig. 27 – Sistema costruttivo a parete pesante, X-lam [4] ... 27

(8)

VIII

Fig. 29 - Collegamenti delle pareti verticali [5] ... 29

Fig. 30 - Aperture nel sistema X-lam ... 29

Fig. 31 - Ancoraggi a terra del sistema X-lam [3] ... 30

Fig. 32 - Stratificazione della parete esterna del sistema X-lam (PIVA et al, 2007) ... 31

Fig. 33 - Collegamento tra pareti verticali ortogonali [5] ... 31

Fig. 34 - Collegamento pareti piano terra con il solaio [9] ... 32

Fig. 35 - Pacchetto di solaio del sistema X-lam (PIVA et al, 2007)... 33

Fig. 36 - Collegamento pareti dei piani successivi con solaio sottostante [9] ... 33

Fig. 37 - Pacchetto di copertura del sistema X-lam (PIVA et al, 2007) ... 34

Fig. 38 - Elementi che compongono la parete ... 39

Fig. 39 - Deformazione della connessione pannello-telaio ... 41

Fig. 40 - Diagramma coefficiente lambda ... 43

Fig. 41 - Rotazione rigida della parete ... 44

Fig. 42 - Traslazione rigida della parete ... 45

Fig. 43 - Deformazione a taglio del pannello di rivestimento ... 46

Fig. 44 - Contributo dei 4 componenti deformativi in termini di % ... 47

Fig. 45 - Relazione Forza-Spostamento della parete ... 48

Fig. 46 - Particolarità della relazione Forza-Spostamento della parete ... 50

Fig. 47 - Diagramma della proporzionalità tra rigidezza e lunghezza di parete .... 53

Fig. 48 - Modellazione di una parete a telaio leggero mediante software ad elementi finiti ... 55

Fig. 49 - Prova sperimentale della parete ... 57

Fig. 50 - Caratteristiche delle pareti ... 58

Fig. 51 - Particolare della trave speciale e degli elementi di contrasto ... 58

Fig. 52 - Disposizione degli strumenti di misura... 59

Fig. 53 - Curva sperimentale su diagramma F-d ... 60

Fig. 54 - Confronto risultati test e previsione modello UNITN ... 60

Fig. 55 - Schema vincoli a terra e rilasci a momento ... 66

Fig. 56 - Modellazione numerica accurata della parete ... 66

Fig. 57 - Diagramma risultati a confronto ... 67

(9)

Fig. 59 - Modulo di scorrimento connessione pannello-telaio secondo ETA-13/0609

... 73

Fig. 60 - Misure degli ancoraggi WHT Rothoblaas [4] ... 74

Fig. 61 - Valori caratteristici dell'ancoraggio WHT440 Rothoblaas [4] ... 74

Fig. 62 - Modulo di scorrimento degli ancoraggi WHT Rothoblaas [4] ... 75

Fig. 63 - Dimensioni dei chiodi LBA Rothoblaas [10] ... 75

Fig. 64 - Valori caratteristici dei chiodi LBA Rothoblaas [10]... 76

Fig. 65 - Dimensioni ancoraggio a taglio TITAN F TCF200 Rothoblaas [4]... 76

Fig. 66 - Valori statici lato legno dell'ancoraggio TITAN F TCF200 Rothoblaas [4] ... 77

Fig. 67 - Valori statici lato calcestruzzo dell'ancoraggio TITAN F TCF200 Rothoblaas [4] ... 77

Fig. 68 - Modulo di scorrimento degli ancoraggi TITAN F Rothoblaas [4]... 78

Fig. 69 - Grafico casistica di pareti rivestite 1 lato con pannelli di OSB ... 81

Fig. 70 - Grafico casistica di pareti rivestite 1 lato con pannelli di gessofibra ... 83

Fig. 71 - Schema viti ossatura-parete ... 84

Fig. 72 - Particolare dello schema viti ossatura-parete ... 84

Fig. 73 - Rigidezza assiale viti HBS secondo ETA-11/0030 ... 87

Fig. 74 - Particolare modellazione numerica delle viti-ossatura ... 88

Fig. 75 - Modellazione numerica sistema combinato: ossatura più pareti di tipo Platform Frame... 89

Fig. 76 - Diagramma confronto parete in OSB e GF ... 90

Fig. 77 - Diagramma confronto parete in OSB, GF e GF+O ... 91

Fig. 78 - Parete scelta per la modellazione numerica semplificata ... 93

Fig. 79 - Grafico casistica di pareti scelte rivestite 1 lato con pannelli di gessofibra ... 97

Fig. 80 - Rigidezza della parete scelta in funzione della lunghezza di parete (caso q=0 kN/m) ... 97

(10)

X

Fig. 83 - Grafico casistica di pareti scelte rivestite 2 lati con pannelli di gessofibra

... 100

Fig. 85 - Comportamento della parete al variare del carico verticale... 101

Fig. 86 - Comportamento della parete al variare del carico verticale... 102

Fig. 87 – Schema statico del modello numerico semplificato della parete scelta 103 Fig. 88 - Rappresentazione 2D del modello numerico semplificato della parete scelta ... 105

Fig. 89 - Rappresentazione 3D del modello numerico semplificato della parete scelta ... 106

Fig. 90 - Schema della parete per la lettura degli sforzi ... 106

Fig. 91 - Rigidezza equivalente della parete scelta, rinforzata 1 lato, in funzione della lunghezza di parete ... 108

Fig. 92 - Rigidezza equivalente della parete scelta, rinforzata 2 lati, in funzione della lunghezza di parete ... 111

Fig. 93 - Telaio 2D ... 113

Fig. 94 - Modellazione numerica accurata del Telaio 2D ... 114

Fig. 95 - Modellazione numerica semplificata del Telaio 2D ... 114

Fig. 96 - Schema statico della prova sperimentale ... 117

Fig. 97 - Schema della prova sperimentale... 117

Fig. 98 - Schema statico della prova sperimentale con sistema di travi in acciaio ... 118

Fig. 99 - Disposizione dei trasduttori di spostamento e degli estensimetri ... 118

Fig. 100 - Curva carico-scorrimento UNI-EN 12512:2006 metodo b ... 119

Fig. 101 - Schema statico solaio come trave su due appoggi ... 120

Fig. 102 - Solaio con carico perpendicolare ai travetti ... 121

Fig. 103 - Deformata del solaio con carico perpendicolare ai travetti ... 121

Fig. 104 - Solaio con carico parallelo ai travetti ... 121

Fig. 105 - Deformata del solaio con carico parallelo ai travetti ... 122

Fig. 106 - Viste del modello semplificato dell'edificio elementare ... 123

(11)

Fig. 108 - Pianta architettonica del piano terra ... 128

Fig. 109 - Pianta architettonica del piano primo ... 129

Fig. 110 – Pianta della copertura... 130

Fig. 111 - Prospetti architettonici ... 131

Fig. 112 - Ossatura del TELAIO Y4 ... 132

Fig. 113 - Pianta strutturale dell'ossatura piano terra ... 133

Fig. 114 - Pianta strutturali dell'ossatura piano primo ... 134

Fig. 115 - Particolari dell'ossatura del TELAIO Y4 ... 135

Fig. 116 - Disposizione delle pareti del piano terra ... 136

Fig. 117 - Disposizione delle pareti del piano primo ... 137

Fig. 118 - Disposizione dei montanti del TELAIO Y4 ... 138

Fig. 119 - Disposizione dei pannelli di rivestimento del TELAIO Y4 ... 138

Fig. 120 - Particolare parete esterna ... 139

Fig. 121 - Particolare parete divisoria ... 139

Fig. 122 - Particolare della parete esterna ... 140

Fig. 123 - Particolare della parete divisoria tra appartamenti ... 141

Fig. 124 - Particolare del solaio di piano ... 142

Fig. 125 - Particolare del solaio di copertura ... 143

Fig. 126 - Spettro di progetto di San Giuliano Terme ... 144

Fig. 127 - Rigidezza della parete scelta in funzione della lunghezza di parete .. 147

Fig. 128 - Vista 3D del modello numerico semplificato del complesso residenziale ... 148

Fig. 129 - Sforzi delle diagonali equivalenti del TELAIO X5 ... 149

Fig. 130 - Schema sforzi parete oggetto di verifica ... 149

Fig. 131 - Elementi frame aggiuntivi per la modellazione numerica accurata ... 155 Fig. 132 - Vista 3D del modello numerico accurato del complesso residenziale 155

(12)

XII

INDICE TABELLE

Tab. 1 - Modello UNITN a spostamento 10 mm ... 62

Tab. 4 - Proprietà legno massello C24 secondo EN 338-2016 ... 65

Tab. 5 - Proprietà OSB/2 secondo EN310 ... 65

Tab. 6 – Confronto con risultati sperimentali ... 67

Tab. 7 - Confronto risultati test sperimentale e modello analitico UNITN ... 67

Tab. 8 - Confronto risultati test sperimentale e modello numerico ... 68

Tab. 9 - Confronto modello analitico UNITN e modello numerico ... 68

Tab. 10 - Proprietà legno lamellare GL24h secondo EN 14080-2013 ... 70

Tab. 11 - Proprietà lastra gessofibra Fermacell secondo ETA-03/0050 ... 72

Tab. 12 - Modulo di scorrimento chiodo a vite 3,9x55 mm ... 73

Tab. 13 - Casistica pareti rivestite 1 lato con pannelli di OSB ... 80

Tab. 14 - Casistica di pareti rivestite 1 lato con pannelli di gessofibra ... 82

Tab. 15 - Dimensionamento viti trave-corrente superiore ... 85

Tab. 16 - Dimensionamento viti pilastro-montante di estremità ... 86

Tab. 17 - Rigidezza laterale viti colonna-montante di estremità ... 87

Tab. 18 - Rigidezza laterale viti trave-corrente superiore ... 87

Tab. 19 - Rigidezza assiale viti colonna-montante di estremità ... 88

Tab. 20 - Rigidezza assiale viti trave-corrente superiore ... 88

Tab. 21 - Casistica di aggregati di parete a confronto: OSB, GF e GF+O ... 90

Tab. 22 - Casistica di aggregati di parete a confronto: OSB, GF e GF+O ... 91

Tab. 23 - Casistica pareti scelte rivestite 1 lato con pannelli di GF ... 96

Tab. 24 Rigidezza equivalente della parete scelta rinforzata 1 lato (caso q=0 kN/m) ... 109

Tab. 25 - Rigidezza della parete rinforzata 1 lato (caso q=20 kN/m) ... 110

Tab. 26 - Rigidezza equivalente della parete scelta rinforzata 2 lati (caso q=0 kN/m) ... 112

Tab. 27 - Confronto modellazione accurata e semplificata del telaio 2D di prova ... 115

(13)

Tab. 28 - Risultati della prova sperimentale del solaio ... 120

Tab. 29 - Rigidezza delle diagonali equivalenti dell'edificio elementare ... 123

Tab. 30 – Confronto modellazione accurata e semplificata dell'edificio elementare ... 125

Tab. 31 - Analisi dei carichi parete esterna ... 140

Tab. 32 - Analisi dei carichi parete divisoria tra appartamenti ... 141

Tab. 33 - Analisi dei carichi solaio di piano ... 142

Tab. 34 - Analisi dei carichi pacchetto di copertura ... 143

Tab. 35 - Azione del vento ... 145

Tab. 36 Rigidezze equivalenti delle pareti del complesso residenziale ... 147

Tab. 37 - Verifica di instabilità della parete P12 ... 150

Tab. 38 - Verifica a compressione perpendicolare alla fibratura della parete P12 ... 151

Tab. 39 - Verifica a ingobbamento della parete P12 ... 151

Tab. 40 - Verifica a taglio della parete P12 ... 152

Tab. 41 - Verifica degli ancoraggi a trazione della parete P12 ... 153

Tab. 42 - Verifica degli ancoraggi a taglio della parete P12 ... 154

Tab. 43 - Verifica di rigidezza della parete P12... 154

Tab. 44 - Confronto modellazione accurata e semplificata del complesso residenziale ... 156

(14)

(15)

PREFAZIONE

Il lavoro di questa tesi nasce dal mio interesse ai sistemi costruttivi in legno visto che sono cresciuto in un ambiente dove si è sempre lavorato il legno. Questa passione mi è stata trasmessa da mio padre che fin da piccolo mi ha coinvolto nel suo lavoro.

Questo interesse è stato rafforzato dal fatto che le costruzioni in legno sono in forte crescita per le esigenze strutturali, economiche e soprattutto prestazionali richieste al giorno d’oggi nel settore dell’edilizia.

Il fatto di aver contribuito personalmente alla realizzazione di costruzioni in legno per la ditta di famiglia, durante il percorso dei miei studi universitari, mi ha spinto ad applicare le mie conoscenze ingegneristiche a questo settore. Dal momento che non ho avuto la possibilità di sostenere esami riguardanti le strutture in legno, perché non sono ancora diffusi corsi specifici, ho sfruttato il lavoro di tesi come occasione per addentrarmi sull’argomento.

Come argomento di tesi mi sono prefisso l’obiettivo di sviluppare un metodo semplificato per la modellazione numerica di edifici in legno. La parete oggetto di semplificazione è quella tipica del sistema a telaio leggero Platform Frame.

(16)

(17)

INTRODUZIONE

La presente tesi è divisa in sei capitoli in cui si descrivono le fasi svolte per lo sviluppo di un metodo semplificato per l’analisi strutturale di edifici in legno realizzati con pareti di tipo Platform Frame. Questo lavoro vuole mostrare i vantaggi dell’utilizzo della modellazione numerica semplificata messa a confronto con quella accurata, ovvero garantire risultati adeguati e affidabili meno dispendiosi in termini di tempo e molto più gestibili.

Nel primo capitolo si descrivono i due sistemi costruttivi in legno maggiormente utilizzati, il sistema a parete leggera Platform frame e il sistema a parete massiccia X-lam, e un terzo che è la combinazione di due sistemi. Si tratta del sistema costruttivo ad ossatura portante in legno combinato con pareti di tipo Platform Frame che svolgono il ruolo di controventatura. Quest’ultimo sistema verrà analizzato più nel dettaglio poiché è quello preso in esame nelle successive fasi di lavoro.

Nel secondo capitolo si inizia la parte ingegneristica di questo lavoro di tesi poiché si descrive come determinare la rigidezza totale di una parete di taglio di tipo Platform Frame. Per il calcolo analitico ci siamo affidati alla trattazione sviluppata dall’Università di Trento. Per il calcolo numerico si è descritto come modellare gli elementi che compongono la parete al fine di stimare correttamente la rigidezza.

Nel terzo capitolo si descrive la validazione della modellazione numerica, condotta mediante software agli elementi finiti, sulla base di una indagine sperimentale eseguita presso l’Università di Trento. Questa parte è stata fondamentale per dare affidabilità all’impostazione di lavoro utilizzata in tutte le fasi successiva.

Il quarto capitolo è stato dedicato alla scelta degli elementi che compongono la parete sottoposta al metodo semplificato. Si sono ricercate prove sperimentali per assumere valori attendibili di rigidezza. Successivamente sono state fatte analisi per stabilire il miglior pannello strutturale di rivestimento. A questo proposito si è

(18)

XVIII

analizzato una casistica di aggregati di parete per confrontare due diversi pannelli, fogli di OSB e lastre in gessofibra.

Nel quinto capitolo si riporta lo sviluppo del metodo semplificato, descrivendo le ipotesi assunte verificandole successivamente. Infine sono state eseguite delle applicazioni per gradi del metodo semplificato per trarre osservazioni dal confronto con la modellazione numerica accurata. Si è considerato inizialmente un caso studio relativo ad un telaio piano per poi estendere l’applicazione ad un edificio di forma elementare.

Nel sesto e ultimo capitolo si esegue l’applicazione del metodo semplificato al progetto di un complesso residenziale di dimensioni e forma tali da mettere alla prova il confronto tra modellazioni. Il complesso residenziale è stato pensato realizzato mediante il sistema combinato, ossatura di travi e pilastri controventato da pareti di tipo Platform Frame. Per tale caso studio si sono eseguito le due modellazioni numeriche, semplificata e accurata, al fine di confrontarne i risultati sotto forma di parametri rappresentativi il comportamento dinamico delle strutture.

(19)

Capitolo 1

SISTEMI COSTRUTTIVI IN LEGNO

1.1 Progettazione

La progettazione di un edificio di legno richiede il coordinamento di un gruppo di professionisti specializzati in diverse discipline (progettazione architettonica, strutturale, geotecnica, energetica e impiantistica); tutti insieme devono collaborare fin dalle prime fasi dell’ideazione per poter arrivare alla buona riuscita del progetto finale e quindi della costruzione. Questo è vero in generale per tutti gli edifici e per tutti i materiali da costruzione ma a maggior ragione per il legno, per il quale è richiesta un’approfondita conoscenza delle caratteristiche tecnologiche del materiale e delle soluzioni applicabili in funzione della destinazione d’uso e delle condizioni di esercizio della struttura, tenendo in considerazione la sua origine naturale.

1.2 Vantaggi

Gli edifici in legno sono oggi una valida alternativa ad altre tipologie costruttive. I vantaggi che vengono evidenziati spesso sono le notevoli prestazioni nei riguardi del risparmio energetico, la rapidità di realizzazione, la leggerezza e quindi il risparmio economico delle fondazioni. Il vantaggio della leggerezza è fondamentale nelle zone ad alta sismicità, in quanto gli effetti dell’azione sismica, come è noto, sono proporzionali alla massa.

Solo in tal modo è possibile realizzare edifici che, a costi assolutamente competitivi con altri materiali da costruzione, offrono diversi vantaggi:

• estrema semplicità e velocità di costruzione con conseguente drastica riduzione della durata dei cantieri. Questo è un concetto che interessa molto i committenti privati, per i quali l’esposizione economica è di conseguenza

(20)

Sviluppo di un metodo semplificato per l’analisi strutturale di costruzioni di legno tipo Platform Frame

2

molto breve, ma soprattutto le amministrazioni pubbliche per le quali la riduzione dei tempi di costruzione è un obiettivo importantissimo sia per ridurre i disagi causati dal cantiere che per rispettare i tempi stabiliti; • elevata durata nel tempo. Un edificio in legno correttamente concepito e

realizzato può durare quanto un edificio in muratura, ovviamente se soggetto ad interventi di manutenzione ordinaria che non sono economicamente più onerosi rispetto ad altri materiali da costruzione. Le Norme Tecniche per le Costruzioni definiscono i principi da adottare per la progettazione, l’esecuzione e il collaudo delle costruzioni nei riguardi delle prestazioni richieste anche in termini di durabilità oltre che di resistenza meccanica e stabilità e impongono nella progettazione, per tutti i materiali da costruzione, la previsione di un piano di manutenzione per la parte strutturale dell’opera. Inoltre, sempre le Norme Tecniche definiscono la vita utile della struttura come “il numero di anni nel quale la struttura, purché soggetta alla manutenzione ordinaria, deve potere essere usata per lo scopo al quale è destinata”. Per gli edifici residenziali la vita utile prevista è di 50 anni, periodo nel quale l’edificio, purché soggetto alla manutenzione ordinaria, non debba essere oggetto di interventi di manutenzione straordinaria;

• buon isolamento acustico e ottimo isolamento termico. Se all’utilizzo del legno come materiale strutturale, di per sé già dotato di ottime proprietà di isolamento termico, si accompagna l’utilizzo di isolanti naturali quali fibra di legno, sughero, fibra di cellulosa, si possono ottenere pacchetti costruttivi che, con uno spessore finito molto contenuto (intorno ai 25-30 cm), consentono il raggiungimento dei requisiti più severi di classificazione energetica;

• ottime prestazioni strutturali sia in termini di resistenza ai carichi

statici che soprattutto nei confronti delle azioni sismiche, come già

accennato, in virtù della leggerezza del materiale e dei livelli di duttilità e di capacità di dissipazione raggiungibili per l’intero organismo strutturali attraverso l’utilizzo di sistemi di collegamento meccanici intrinsecamente duttili. Anche il comportamento al fuoco, contrariamente all’opinione

(21)

Capitolo 1 Sistemi costruttivi in legno

comunemente diffusa, è eccellente grazie al tipo di combustione del materiale. Il legno brucia con una velocità di carbonizzazione molto lenta e il materiale ancora incombusto mantiene inalterate le proprie proprietà meccaniche. Normalmente un elemento strutturale di legno progettato per le combinazioni fondamentali possiede già una resistenza al fuoco di almeno 30 minuti se non presenta collegamenti metallici esposti. Inoltre i rivestimenti comunemente utilizzati negli edifici conferiscono alle strutture, anche con spessori piuttosto contenuti, una resistenza ulteriore proteggendo sia gli elementi costruttivi che gli stessi collegamenti dall’azione dell’incendio;

• gli elementi strutturali di legno facilitano il montaggio e permettono

l’inserimento di tutti gli elementi impiantistici, che grazie al ridotto

spessore degli elementi costruttivi, possono essere passati all’interno di intercapedini e possono essere agevolmente collegati agli stessi elementi strutturali attraverso l’utilizzo di semplice ferramenta.

Tutte queste caratteristiche fanno sì che i sistemi costruttivi in legno rappresentino la risposta ideale per la realizzazione di qualsiasi intervento edilizio.

È ormai noto che i sistemi costruttivi in legno per l’edilizia residenziale si stanno affermando anche per la realizzazione di edifici di ragguardevoli dimensioni e numero di piani e per la realizzazione di strutture medio-piccole come integrazione di organismi esistenti. Si raggiungono risultati eccellenti coniugando i diversi requisiti sopra elencati nel rispetto del principale obiettivo: il contenimento dei costi.

Tra tutti i sistemi costruttivi in legno per l’edilizia esistenti attualmente, due sono quelli che appaiono più adatti per realizzare le strutture residenziali grazie alle loro caratteristiche di elevata prefabbricazione dei componenti costruttivi, alla velocità di montaggio e praticità di utilizzo in cantiere, all’agevole applicazione delle componenti impiantistiche, di isolamento e rivestimento e soprattutto grazie agli elevati standard raggiungibili in termini di sicurezza strutturale e risparmio energetico: il sistema Platform Frame e il sistema X-lam.

(22)

4

1.3 Sistema costruttivo a telaio leggero: Platform Frame

1.3.1 Descrizione e funzionamento

Le strutture di fondazione vengono sempre realizzate in calcestruzzo armato in modo da staccare il piano di posa delle strutture verticali in legno dal livello del terreno. Le soluzioni usualmente adottate sono o una platea di fondazione o delle travi rovesce. Anche nel caso di realizzazione di una platea è comunque sempre opportuno realizzare un ulteriore cordolo di fondazione in c.a. sotto le strutture portanti verticali in legno, sopra il quale andrà posata una guaina bituminosa per proteggere gli elementi strutturali in legno dall’umidità di risalita. Questa deve risvoltare sulla struttura di fondazione (e non sulla parete di legno) per evitare di creare delle trappole di umidità.

Talvolta il cordolo in c.a. può essere evitato se le strutture di fondazione fuoriescono dal livello del terreno. È importante sottolineare che, per la natura intrinseca del materiale, che ricordiamo è un materiale biodegradabile e per le sue caratteristiche di igroscopicità, il dettaglio del collegamento delle strutture portanti verticali in legno alla fondazione è fondamentale per garantire il corretto funzionamento della struttura e pertanto maggiore sarà la distanza tra queste e il piano di campagna e le strutture di fondazione, minore sarà la possibilità di incorrere in problemi di degrado causato dall’umidità di risalita.

Sopra il cordolo di fondazione viene posato un cordolo di legno (chiamata trave radice o anche trave di banchina), generalmente realizzato con una specie legnosa durabile (ad es. legno massiccio di larice o abete lamellare). Il cordolo di legno va collegato alla fondazione con barre tirafondo in acciaio inserite in fori sigillati con malta epossidica o cementizia o eventualmente altri tipi di ancoraggio. Il diametro delle barre e l’interasse dipendono dal calcolo in funzione del taglio agente sulla parete considerata. Generalmente si utilizzano barre filettate di diametro variabile dai 12 ai 16 mm, il diametro del foro dovrà essere maggiore di due mm (quindi dai 14 ai 18 mm) e la barra andrà inserita con una rondella da legno. In alternativa possono essere usate viti a secco per il collegamento legno-cls.

(23)

Fig. 1 - Particolare del cordolo di fondazione [1]

Sopra il cordolo di legno viene collegata la parete formata da una intelaiatura di legno, generalmente massiccio o KVH ma preferibilmente in legno lamellare, a seconda delle sezioni necessarie, formata da elementi tutti della stessa sezione e costituita da un corrente inferiore, da montanti disposti ad interasse di 40-60 cm (l’interasse è sempre un sottomultiplo della larghezza dei pannelli di rivestimento strutturale, generalmente di 122 o 125 cm) e da un corrente superiore. Su un lato dell’intelaiatura, generalmente quello esterno, o anche su entrambi i lati se necessario per esigenze strutturali, viene posizionato il pannello di rivestimento strutturale, generalmente compensato, OSB o anche gessofibra, il quale viene collegato all’intelaiatura con chiodi ad aderenza migliorata o viti di diametro dai 3 ai 3,5 mm e disposti ad interasse generalmente di 150 mm sui bordi del pannello e 300 mm sui supporti interni. L’interasse dei chiodi/viti è ovviamente determinato dai calcoli ed è quello che si applica sui bordi del pannello, l’interasse sui supporti interni è sempre doppio rispetto a quello sui bordi. I pannelli che sono di compensato, OSB o gessofibra hanno dei formati commerciali che generalmente sono 122x244 cm o 125x250 cm.

(24)

6

L’altezza minima per avere l’abitabilità nella maggior parte degli ambienti in Italia è di 270 cm, per cui questo comporta che le pareti non possono essere realizzate con un unico pannello in altezza (poiché il pannello ha un’altezza massima 250 cm). Occorre quindi inserire degli elementi intermedi orizzontali nel telaio (detti blocking) per il fissaggio dei pannelli. I chiodi/viti andranno posizionati allo stesso interasse previsto per tutti i bordi dei pannelli.

Fig. 2 - Dettaglio dell'elemento Blocking

Le aperture sono generalmente realizzate con un doppio montante in cui quello più interno fa da supporto per l’architrave, generalmente realizzato con un elemento di legno lamellare. La stessa modalità viene utilizzata per la realizzazione dei parapetti delle finestre.

(25)

La parete deve assolvere a diverse funzioni in relazione al suo comportamento strutturale e ai carichi ai quali è soggetta:

- carichi verticali;

- azioni orizzontali agenti nel piano della parete (sisma, vento);

- azioni orizzontali agenti nella direzione perpendicolare alla parete (vento). La resistenza ai carichi verticali è assegnata ai montanti verticali. A questo proposito è opportuno sottolineare che non è necessario prevedere sezioni a base quadrata, ossia con inerzia uguale nelle due direzioni principali come se si trattasse di pilastri isolati. Infatti l’instabilizzazione per carico di punta nel piano della parete è impedita dal pannello strutturale di rivestimento collegato ai montanti con i chiodi/viti e può pertanto avvenire solamente nel piano ortogonale alla parete. Questo è il motivo per il quale i montanti delle pareti hanno sezione rettangolare (generalmente la stessa utilizzata per il corrente inferiore e superiore di completamento del telaio) con il lato minore disposto nella direzione del piano della parete.

La resistenza alle azioni orizzontali agenti nel piano della parete è garantita dalla resistenza dei chiodi/viti (che collegano i pannelli all’intelaiatura) che vengono sollecitati a taglio. La resistenza a taglio nel piano della parete può essere calcolata, partendo dalla resistenza a taglio del singolo chiodo secondo i metodi illustrati al punto 9.2.4 dell’Eurocodice 5.

(26)

8

Per effetto delle stesse azioni orizzontali agenti nel suo piano, la parete è soggetta ad azioni di scorrimento e sollevamento, le quali devono essere contrastate dagli elementi di collegamento alle fondazioni. La funzione di presidio al sollevamento è svolta dagli ancoraggi a trazione rappresentati dalle piastre hold-down ossia piastre angolari allungate collegate con chiodi/viti al telaio della parete e con barre tirafondo in acciaio inserite in fori sigillati con malta epossidica o cementizia alla fondazione. Tali ancoraggi sono posizionati alle estremità delle pareti e in corrispondenza delle aperture.

a) WHT 440 b) WHT PLATE 440

Fig. 5 - Ancoraggi per forze di trazione [3]

Mentre il contrasto allo scorrimento viene eseguito mediante gli ancoraggi a taglio rappresentati da piastre angolari o tirafondi in acciaio, i quali collegano il cordolo di legno (trave radice o trave di banchina) della parete alla fondazione.

a) TITAN F TCF200 b) TITAN PLATE TCP200

(27)

Le azioni orizzontali ortogonali al piano della parete (ad esempio dovute al vento) vengono assorbite dalla pannellatura che a sua volta ripartisce per area di influenza ai montanti verticali. Di conseguenza i montanti verticali vengono sollecitati a pressoflessione, dal momento che già svolgono la funzione di sopportare i carichi verticali.

La parete viene poi completata con l’inserimento di ulteriori elementi non strutturali. Internamente si consiglia di inserire una controparete, per il passaggio degli impianti, rivestita con cartongesso o lastre in gessofibra. Esternamente si consiglia invece di inserire lastre cementizie che oltre a possedere capacità strutturali (come il gessofibra/OSB/compensato) è ideale per gli ambienti esterni poiché composte con rete in fibra di vetro resistente agli alcali. Infine è sempre consigliabile realizzare un cappotto isolante esterno, per evitare ponti termici, sopra il quale verrà realizzato il rivestimento esterno finale con intonaci ai silicati di calcio o a base di calce naturale.

(28)

10

1) Doppio pannello in gessofibra 2) Controparete isolata

3) Pannello di controvento

4) Isolante in fibra di legno tra i montanti 5) Telaio 80x160 mm, i=62,5 cm 6) Pannello di chiusura

7) Cappotto isolante 8) Rasatura armata

Fig. 8 - Stratificazione della parete del sistema Platform Frame (PIVA et al, 2007)

Il collegamento fra pareti ortogonali agli angoli dell’edificio viene realizzato in vari modi o con tre montanti della stessa sezione o con un montante d’angolo a sezione quadrata e due montanti del telaio per il fissaggio dei pannelli interni. Le due pareti d’angolo devono essere collegate fra loro lungo i montanti con l’inserimento di viti autoforanti o chiodi ad interasse ravvicinato per realizzare un collegamento sufficientemente rigido

a) Montante d’angolo a sezione quadrata b) Montanti della stessa sezione

(29)

Una volta posate le pareti del piano terra, si posa un secondo cordolo superiore di collegamento delle pareti, della stessa sezione del primo cordolo a terra e con i giunti sfalsati agli angoli dell’edificio rispetto alle pareti sottostanti e sopra questo viene posizionato il solaio. Tradizionalmente il solaio è costituito da travi di legno massiccio o (più frequentemente) lamellare disposte preferibilmente sopra i montanti delle pareti, da pannelli di rivestimento strutturale a base di legno (compensato o OSB) come quelli utilizzati per le pareti, collegati alle travi del solaio con chiodi/viti disposti a 150 mm sui bordi esterni dei pannelli e 300 mm sui supporti interni. Tradizionalmente il pacchetto del solaio è composto, partendo dal basso verso l’alto, da pannello strutturale in OSB o compensato (sotto il quale può essere posizionato un tavolato), telo antipolvere, isolante in fibra di legno, carta oleata, massetto porta-impianti, riscaldamento a pavimento, secondo massetto e pavimentazione. I massetti possono essere realizzati in calcestruzzo oppure a secco ad esempio con graniglia di marmo e perlite.

1) Travetti 2) Perlinato

3) Schermo freno al vapore 4) Massetto alleggerito per impianti 5) Feltro acustico

6) Massetto radiante 7) Piastrelle

8) Tappetino rigido in fibra di legno 9) Pavimento in legno

(30)

12

Una volta realizzato il primo solaio questo fa da piattaforma per il montaggio delle pareti del piano successivo. Le pareti del piano successivo vengono posate sopra il solaio e collegate a questo con le stesse modalità utilizzate per il collegamento alle fondazioni ma con mezzi di unione diversi. Per le pareti interne andrà prevista una coppia di hold-down, uno collegato alla parete del piano inferiore e uno alla parete superiore, uniti fra loro con un bullone passante per le pareti interne, mentre per le pareti esterne può essere utilizzata una banda metallica forata collegata con chiodi alle pareti superiore e inferiore. In alternativa il collegamento della parete inferiore al solaio sovrastante e della parete del piano superiore al solaio può essere effettuato con viti autoforanti.

Infine una volta montate le pareti dell’ultimo piano, può essere realizzata la struttura di copertura. Questa viene solitamente realizzata con struttura tradizionale con trave di colmo e travi secondarie oppure mediante capriate leggere collegate al cordolo di collegamento delle pareti. I sistemi di giunzione travetti-trave di colmo possono essere di vario tipo, da viti autoforanti a staffe metalliche.

a) Giunzione in appoggio con viti _{b) Giunzione con tasche in luce con viti}

c) Giunzione in luce con viti d) Giunzione con staffe a scomparsa in luce

Fig. 11 - Giunzione travetti-trave di colmo (PIVA et al, 2007)

Sopra questa orditura di travi viene posizionato e collegato il rivestimento strutturale realizzato con compensato o OSB o un tavolato e il pacchetto di copertura. Quest’ultimo può essere composto in successione, da telo freno vapore,

(31)

isolante in fibra di legno, guaina traspirante, doppio listello per la ventilazione e manto di copertura.

Fig. 12 - Stratificazione della copertura [1]

1.3.1.1 Fasi di produzione

Le dieci fasi di produzione della parete a telaio possono essere divise in due macro fasi: prefabbricazione in stabilimento e lavorazioni in cantiere successive al montaggio. Si riportano di seguito accompagnate da una breve descrizione:

In stabilimento

1) Posizionamento dei montanti e dei correnti superiore ed inferiore e fissaggio degli elementi per mezzo di lamelle specifiche più viti la cui funzione è quella di solidarizzare gli elementi ed agevolare le operazioni di movimentazione e montaggio.

(32)

14

2) Posa e fissaggio dei pannelli di controvento sul lato esterno per mezzo di graffe/chiodi/viti specifiche.

3) Posa dell’isolamento tra i montanti.

4) Chiusura lato interno con pannelli (eventualmente di controvento se necessario per esigenze strutturali) fissati per mezzo di graffe/chiodi/viti specifiche.

5) Sigillatura lungo tutto il perimetro dei pannelli e del telaio per mezzo di nastro idoneo per garantire la perfetta tenuta all’aria.

(33)

In cantiere

6) Posa dei montanti in legno o in alluminio per la realizzazione della controparete.

7) Posa degli eventuali impianti e fissaggio su pannellatura interna per mezzo di semplice ferramenta.

8) Posa del cappotto esterno completo di rasatura (o in alternativa facciata ventilata).

9) Riempimento dell’intercapedine con isolamento morbido ben schiacciato attorno agli impianti.

(34)

16

10) Finitura interna con pannelli in gessofibra o cartongesso fissati sui montanti per mezzo di graffe/chiodi/viti specifiche,

Fig. 13 - Fasi di produzione del sistema Platform Frame (PIVA et al, 2007)

1.3.2 Combinazione con altri sistemi costruttivi

L’introduzione dei legni compositi (come il lamellare) e delle giunzioni meccaniche hanno modificato la tecnica costruttiva, lasciando però invariato l’atto gestuale originario del costruire rappresentato dagli elementi funzionali caratteristici: travi, pilastri e controventi (rappresentati dai tamponamenti).

In genere le travi sono a sezione piena con la base tra gli 8 e i 20 cm e hanno altezze variabili in funzione delle luci che devono coprire. Ai fini del dimensionamento della trave, assume rilevanza la freccia di inflessione, perché il modulo elastico longitudinale del legno (E = 11600 MPa) induce frecce notevoli sebbene la sicurezza statica sia assicurata.

I pilastri sono generalmente a sezione quadrata per facilitare le correlazioni con le travi che, nella generalità dei casi, sono ad essi ortogonali.

(35)

Fig. 14 - Sistema costruttivo combinato: ossatura di travi e pilastri con pareti di tipo Platform Frame [4]

Gli elementi di tamponamento delle maglie strutturali assorbono di regola le forze verticali e hanno necessariamente funzione di irrigidire e stabilizzare l’ossatura di travi e pilastri contro le forze orizzontali.

(36)

18

Fig. 16 – Fase 2: Inserimento dei telai leggeri di tipo Platform-Frame

Fig. 17 - Fase 3: Tamponamento con pannelli di rivestimento

Il tamponamento delle maglie dello scheletro portante può avvenire con elementi piani disposti in luce oppure in battuta. Le modalità realizzative sono funzione dei differenti gradi di prefabbricazione dell’elemento di tamponamento. Se quest’ultimo è realizzato in opera, assorbirà più cicli di lavorazione che, in successione sono: posa in opera dei telai di irrigidimento, della lastra portante alle

(37)

azioni orizzontali, del materiale isolante, delle finitura interne e delle finiture esterne.

Nel caso in cui il pannello di chiusura sia in luce, sarà possibile avere la continuità delle superfici interne ed esterne; questo facilita molto la realizzazione di un’eventuale parete ventilata o di un cappotto esterno, nonché la realizzazione delle finiture interne. La posizione in luce è vantaggiosa in quanto il pannello può costituire elemento di controvento. Ulteriori accorgimenti vanno presi nelle costruzioni a “travi e pilastri” derivanti dalla discontinuità tra il pilastro e il pacchetto di chiusura della parete, che potrebbe indurre ponti termici e infiltrazioni d’aria.

Fig. 18 - Particolare di pannello di chiusura in luce

Nel caso invece di pannelli di chiusura posizionati in battuta, vengono posti dall’esterno con conseguente facilità di montaggio, ma necessitano di predisporre opere provvisionali intorno all’edificio, quali ponteggi fissi o mobili. Un sicuro vantaggio sono che questi pannelli sono di norma preassemblati per cui riducono molto le operazione di cantiere. Presentano una superficie continua all’esterno mentre all’interno i pilastri costituiranno punti singolari di discontinuità, con possibili problematiche nell’organizzazione spaziale interna.

(38)

20

Le tipologie più ricorrenti del nodo trave-pilastro, sia con elementi pieni che elementi gemelli, sono:

- Pilastro passante, trave passante (a,b) - Pilastro passante, trave interrotta (c) - Pilastro interrotto, trave passante (d)

Fig. 20 - Tipologie di connessione trave pilastro [5]

La scelta è in funzione, oltre che delle esigenze di natura statica, della facilità di correlazione degli altri componenti strutturali. Generalmente è conveniente mantenere la continuità del pilastro sul quale andranno a connettersi le travi, evitando così un eccessivo schiacciamento trasversale.

Qualora i pilastri non poggiassero direttamente su di un elemento come il cordolo di legno descritto in precedenza, si deve garantire il distanziamento dell’elemento ligneo (pilastro) dal piano di fondazione di circa 5/10 cm al fine di evitare il contatto con le risalite di umidità e migliorare così la durabilità. Il distanziamento del pilastro in legno dalla fondazione avviene tramite uno spessore di legno durabile (come iroko o larice) e/o un elemento metallico che realizza il giunto, garantendo una migliore aerazione. Il collegamento lato legno è realizzato con connettori metallici di vario tipo (viti , bulloni, spinotti) mentre lato cemento armato con tasselli o barre filettate completate da dado di serraggio.

La correlazione della parete (intesa come insieme di pilastri montanti e pannelli di chiusura) con la fondazione, come comunemente si esegue col sistema platform frame, avviene tramite una trave radice (o trave di banchina) ancorata alla fondazione che assume così la funzione del quarto lato di chiusura del telaio del piano terra.

(39)

Infine la connessione trave-colonna è realizzata mediante giunti meccanici.

a) Giunzione con staffa a scomparsa b) Giunzione con staffa ad ali interne

Fig. 21 - Giunzioni trave-trave e trave-colonna (PIVA et al, 2007)

Dagli gli studi effettuati nell’ambito della tesi si è giunti a stabilire che il mezzo di unione più idoneo ai fini di velocizzare e semplificare la fase di montaggio è il sistema di unione metallico KNAPP Gigant. Questo sistema è costituito da due giunti identici, realizzati in lamiera di acciaio dello spessore di 6 mm con linguetta opzionale di arresto, fissati con viti dal diametro di 10 mm. Nello specifico, un giunto viene fissato ad esempio sul pilastro mentre l’altro gemello viene fissato alla trave previa fresatura della stessa connessi a baionetta, durante la fase di montaggio ne concludono una connessione a scomparsa.

(40)

22

a) KNAPP Gigant 120/40 b) KNAPP Gigant 150/40

c)KNAPP Gigant 180/40

Fig. 23 - Misure del sistema di unione KNAPP Gigant [6]

Esporremo di seguito alcune foto per chiarire le semplici lavorazioni e fasi di montaggio del sistema di connessione KNAPP Gigant, vista l’importanza che risiede nell’agevolare in cantiere il montaggio dell’ossatura di travi e pilastri.

(41)

c) Fresatura su trave di gronda d) Fissaggio Gigant su colonne

e) Verifica dell’assemblaggio con dime f) Assemblaggio in cantiere

Fig. 24 - Fasi di lavorazione del sistema di unione KNAPP Gigant

Dal punto di vista statico l’ossatura portante in legno si differenzia da edifici di tipologia analoga realizzati in cemento armato o acciaio per il fatto che, contrariamente a questi ultimi, risulta molto difficile, praticamente impossibile, realizzare dei collegamenti rigidi che funzionino come veri e propri incastri fra i vari elementi strutturali. Da questo deriva la necessità di irrigidire la maglia strutturale sia orizzontalmente (solai irrigiditi) che verticalmente (tamponamenti irrigiditi), al fine di rendere capace l’intero sistema di assorbire le azioni orizzontali date dal vento o dal sisma. La controventatura di parete è ottenuta dagli stessi pannelli di tamponamento utilizzati nel tradizionale sistema costruttivo in legno Platform Frame. I controventi sul piano orizzontale possono essere realizzati con

(42)

24

un doppio tavolato disposto sopra l’orditura dei travetti del solaio; tale scelta non raggiunge l’ipotesi di solaio infinitamente rigido (valida nei solai in latero-cemento con soletta di almeno 4 cm) ma aiuta notevolmente ad irrigidire ulteriormente il solaio al fine di raggiungere un più probabile funzionamento scatolare e quindi una miglior distribuzione delle forze orizzontali in tutti gli elementi strutturali.

1.3.2.1 Fasi di montaggio

Di seguito si riportano sottoforma di immagini le fasi di montaggio del sistema costruttivo combinato (ossatura di travi e pilastri + pareti di tipo Platform Frame) considerato nelle fasi successive di questa ricerca.

a) Montaggio trave radice (o di banchina) b) Assemblaggio dell’ossatura

c) Distanziamento del pilastro nel caso di assenza di cordolo di legno

(43)

e) Montaggio dei montanti piano terra

f) Montaggio del rivestimento strutturale (interno) in lastre di gessofibra

g) Montaggio dei montanti piano primo h) Posa del solaio di copertura

(44)

26

m) Fabbricato completato

Fig. 25 - Fasi di montaggio del sistema costruttivo combinato

1.4 Sistema costruttivo a parete massiccia: X-lam

Il pannello di legno massiccio a strati incrociati tipo X-lam è una delle più recenti ed interessanti evoluzioni nel settore dei prodotti strutturali a base di legno. Ideato e sviluppato per la prima volta in Germania nella prima metà degli anni 90 ha conosciuto negli ultimi 10-15 anni un rapido e crescente sviluppo in tutta Europa, fino a diventare allo stato attuale il prodotto strutturale più utilizzato nella realizzazione di edifici a struttura di legno. Il pannello a strati incrociati è un prodotto formato dalla sovrapposizione di strati di tavole di legno massiccio disposti ortogonalmente fra loro e collegati mediante incollaggio. Le tavole che compongono il pannello sono tavole di legno massiccio generalmente di abete, di classe C24, di spessore variabile dai 15 ai 40 mm, che vengono giuntate in lunghezza, assemblate in strati disposti ortogonalmente fra loro in numero dispari (3,5,7 strati) e incollati a freddo con colle poliuretaniche (senza rilascio di formaldeide) o colle a base di melammina-urea-formaldeide (a basso rilascio di formaldeide). I pannelli cosi composti, con spessori variabili dai 50 ai circa 500 mm, risultano degli elementi costruttivi molto rigidi e resistenti che possono essere utilizzati come elementi parete o solaio e dotati di elevata stabilita dimensionale. È

(45)

possibile realizzare pannelli con altre specie legnose, ma generalmente sempre legno di conifera (abete bianco, douglasia, larice, pino); in particolare, nel caso di pannelli utilizzati a vista è possibile prevedere la realizzazione dei soli strati esterni con specie legnose maggiormente durabili (larice, douglasia).

Fig. 26 - Strati incrociati del pannello X-lam [7]

Le misure standard dei principali produttori europei sono pannelli dai 125 ai 400 cm di larghezza e fino ai 24 m di lunghezza. Vengono poi tagliati con grandissima precisione, mediante macchine a controllo numerico, in elementi parete e elementi solaio della forma e dimensioni richieste dal progettista.

(46)

28

1.4.1 Descrizione e funzionamento

La realizzazione delle strutture di fondazione del sistema X-lam segue le stesse regole viste per gli edifici Platform Frame, con la sola differenza che i carichi trasmessi in fondazione dalla struttura sono maggiori (a parità di requisiti di progettazione, le strutture di un edificio realizzato con il sistema X-Lam pesano circa tre volte tanto quelle di un edificio con il sistema Platform Frame).

Per il sistema X-Lam, il collegamento alle fondazioni può essere effettuato in due modi differenti. In un caso sopra il cordolo di fondazione in c.a. viene stesa una guaina bituminosa per evitare umidità di risalita e sopra questa vengono posate direttamente le pareti, collegate alle fondazioni con angolari metallici distribuiti lungo lo sviluppo della parete e con hold-down alle estremità delle pareti e in corrispondenza delle aperture. In alternativa sopra il cordolo di fondazione viene posato un cordolo di legno, generalmente realizzato con una specie legnosa durabile collegato alle strutture di fondazione con tirafondi in acciaio fissati con resina epossidica o cementizia, sopra questo vengono posate le pareti che vengono collegate con viti autoforanti inserite inclinate dai due lati della parete.

Fig. 28 - Cordolo di fondazione in larice [8]

Le pareti vengono realizzate o con un unico elemento dotato di tutte le aperture (porte e finestre) con l’unica limitazione sulla lunghezza data dalle esigenze di trasporto (normalmente sotto gli 12 m), oppure mediante l’assemblaggio di più pannelli (normalmente di larghezza uguale ai 3 m) collegati

(47)

fra di loro mediante collegamenti meccanici realizzati con l’utilizzo di strisce di pannello multistrato o con giunti a mezzo-legno fra i pannelli e viti o chiodi.

Fig. 29 - Collegamenti delle pareti verticali [5]

Le aperture vengono ricavate tra i pannelli che compongono la parete. L’architrave (e il parapetto per le finestre) può essere realizzato con elementi pannello disposti con orditura delle tavole in orizzontale e alloggiati e collegati in sedi ricavate nei pannelli laterali, oppure nel caso di parete composta da un unico pannello, le aperture vengono ricavate pretagliando direttamente il pannello in stabilimento.

a) Parete composta da più pannelli b) Parete composta da un unico pannello

Fig. 30 - Aperture nel sistema X-lam

La parete, come per il sistema Platform Frame, deve assolvere a diverse funzioni in relazione al suo comportamento strutturale e ai carichi ai quali è soggetta:

- carichi verticali;

- azioni orizzontali agenti nel piano della parete (sisma e vento);

- azioni orizzontali agenti nella direzione perpendicolare alla parete (vento). La resistenza ai carichi verticali e alle azioni orizzontali ortogonali al piano della parete è devoluta ai pannelli che vengono sollecitati a pressoflessione.

(48)

30

La resistenza a taglio per azioni orizzontali agenti nel piano della parete è sostanzialmente devoluta ai collegamenti (giunti verticali realizzati con strisce di pannello multistrato e viti o chiodi se presenti e hold-down e angolari) in quanto il pannello è molto più rigido e resistente dei collegamenti deformabili. Per effetto delle azioni orizzontali agenti nel suo piano, la parete è soggetta ad azioni di scorrimento e sollevamento, le quali devono essere contrastate dagli elementi di collegamento alle fondazioni. La funzione di presidio al sollevamento è svolta dagli hold-down collegati con chiodi, normalmente ad aderenza migliorata, alla parete e con tirafondi in acciaio inseriti in fori sigillati con malta epossidica o cementizia alla fondazione e posizionati alle estremità della parete e in corrispondenza delle aperture. Gli elementi di presidio allo scorrimento sono invece rappresentati da angolari in acciaio o viti e tirafondi in acciaio che collegano il cordolo inferiore della parete alla fondazione.

a) WHT 540 b) TITAN N TCN200

Fig. 31 - Ancoraggi a terra del sistema X-lam [3]

La parete viene poi completata con: l’inserimento dell’isolante nell’intercapedine realizzato all’interno della parete portante, il rivestimento interno realizzato con pannelli di cartongesso o gessofibra e normalmente un cappotto isolante esterno sopra il quale viene realizzato il rivestimento esterno.

(49)

1) Doppio pannello in gessofibra 2) Controparete isolata

3) Pannello X-lam 4) Cappotto isolante 5) Isolante alta densità 6) Rasatura armata

Fig. 32 - Stratificazione della parete esterna del sistema X-lam (PIVA et al, 2007)

Il collegamento fra pareti ortogonali viene realizzato con l’inserimento di viti autoforanti disposte ad interasse ravvicinato in modo da realizzare un collegamento rigido, in particolar modo agli angoli dell’edificio.

(50)

32

Una volta posate le pareti del piano terra vengono posati i pannelli del solaio. Questi per esigenze produttive e di trasporto hanno larghezze comprese tra 125 e 260 cm e vengono collegati fra loro con giunti meccanici realizzati con le stesse modalità utilizzate per il collegamento verticale dei pannelli verticali. Anche in questo caso il collegamento viene realizzato mediante l’inserimento di viti autoforanti e chiodi/viti disposti ad interasse ravvicinato in modo da realizzare un collegamento rigido nel rispetto della gerarchia delle resistenze. Il collegamento alle pareti sottostanti è realizzato sempre con viti autoforanti inserite inclinate rispetto al piano verticale della parete, in modo da intercettare più strati possibili e sempre ad interasse ravvicinato in modo da assicurare la realizzazione di un giunto sufficientemente rigido.

Fig. 34 - Collegamento pareti piano terra con il solaio [9]

Generalmente sopra il pannello X-Lam vengono posizionati un telo antipolvere, l’isolante in fibra di legno, carta oleata, massetto porta-impianti, riscaldamento a pavimento, secondo massetto e pavimentazione.

(51)

1) Pannello in gessofibra 2) Listello in legno 40x20 mm 3) Pannello X-lam

4) Schermo freno al vapore 5) Massetto alleggerito per impianti 6) Feltro acustico

7) Massetto radiante 8) Piastrelle

9) Tappetino rigido in fibra di legno 10) Pavimento in legno

Fig. 35 - Pacchetto di solaio del sistema X-lam (PIVA et al, 2007)

Una volta realizzato il primo solaio, questo fa da piattaforma per il montaggio delle pareti del piano successivo. Le pareti del piano successivo vengono posate sopra il solaio e collegato a questo con le stesse modalità utilizzate per il collegamento alle fondazioni ma con mezzi di unione diversi. Per quel che riguarda gli hold-down, per le pareti interne andrà prevista una coppia di hold-down, uno collegato alla parete del piano inferiore e uno alla parete superiore, uniti fra loro con un bullone passante per le pareti interne, mentre per le pareti esterne può essere utilizzata una banda metallica forata collegata con chiodi alle pareti superiore e inferiore. Come elementi di presidio allo scorrimento si utilizzano ancora angolari metallici collegati con chiodi alla parete, con chiodi e viti al solaio, distribuiti lungo lo sviluppo delle pareti.

Fig. 36 - Collegamento pareti dei piani successivi con solaio sottostante [9]

La realizzazione delle strutture di copertura segue sostanzialmente le stesse possibilità applicative viste per il Platform Frame, con l’unica variante che in

(52)

34

questo caso è possibile realizzare una struttura di copertura con gli stessi pannelli, ma con l’inserimento di una trave di colmo o anche eventualmente di travetti secondari come rompitratta per le luci dei pannelli, e con le stesse modalità di collegamento viste per i solai.

Il pacchetto di copertura è composto, come nel caso del Platform Frame, da telo freno vapore, isolante in fibra di legno, guaina traspirante, doppio listello per la ventilazione e manto di copertura.

1) Travetti 2) Perlinato

3) Membrana freno al vapore 4) Isolamento in fibra di legno 5) Membrana traspirante 6) Listelli di ventilazione 7) Vite per fissaggio dell’isolante 8) Listello portategola

9) Tegole

10) Pannello in gessofibra 11) Listello in legno 40x20 mm 12) Pannello X-lam

Fig. 37 - Pacchetto di copertura del sistema X-lam (PIVA et al, 2007)

1.4.1.1 Fasi di montaggio

Generalmente le fasi di montaggio del sistema costruttivo a parete massiccia tipo X-lam sono minori del sistema costruttivo leggero precedentemente illustrato. Questo è dovuto alla forte prefabbricazione delle pareti X-lam, poiché dal momento che necessitano di alti costi di trasporto e sollevamento esse raggiungono il cantiere

(53)

in fase quasi ultimata, comprese di impianti e quant’altro. Le fasi di montaggio comprendono essenzialmente: 1) montaggio del cordolo in legno; 2) posa e collegamento delle pareti del piano terra; 3) posa del solaio di piano formato da pannelli e collegamento tra pannelli e pareti sottostanti; 4) posa e collegamento delle pareti del piano primo e collegamento alle pareti e al solaio sottostante; 5) montaggio della copertura.

(54)

(55)

Capitolo 2

RIGIDEZZA GLOBALE DI UNA PARETE DI

TAGLIO

2.1 Modello analitico

L’analisi strutturale degli edifici in legno sottoposti a forze orizzontali (vento e sisma) richiede l’uso di modelli ad elementi finiti con l’obbiettivo di valutare le azioni di progetto degli elementi strutturali e delle connessioni. Questi modelli descrivono bene il comportamento strutturale degli edifici in legno, ma la loro complessità dovrebbe essere correlata anche agli scopi del progetto. Per questo si rende necessaria l’introduzione di modelli semplificati, i quali nella maggior parte dei casi possono garantire risultati adeguati e affidabili con dei vantaggi aggiuntivi: essere meno dispendiosi in termini di tempo e molto più gestibili.

Si riporta la prima fase di lavoro di una ricerca riguardante lo studio sismico degli edifici in legno dal punto di vista analitico. Tale ricerca fornisce un processo sviluppato dall’Università di Trento chiamato modello UNITN (CASAGRANDE et al.,

2014; CASAGRANDE et al., 2015), uno strumento semplificato per valutare la

risposta elastica di pareti di taglio del telaio in legno leggero (Platform Frame) e pareti di taglio in legno lamellare incrociato (X-lam). Per i nostri scopi ci interesseremo solo del telaio leggero, il quale è stato rappresentato nella ricerca dell’Università di Trento come un telaio rinforzato da pannelli strutturali di OSB (Oriented Strand Board), nella realtà può eventualmente esser sostituito da compensato o GFP (Pannello in fibra di gesso).

A seguito dell'aumento dell'uso di questo tipo di edifici, sono state condotte numerose ricerche, con particolare attenzione al loro comportamento quando sottoposti ad un carico orizzontale. Numerosi test sperimentali sono stati trovati per caratterizzare questo tipo di parete. Diversi modelli in forma chiusa sono stati proposti in letteratura, spesso basati su metodi energetici o su relazioni