4. SISTEMA COSTRUTTIVO: IL LEGNO

4. SISTEMA COSTRUTTIVO: IL LEGNO

4.1. Cenni introduttivi

Il legno è il materiale ecologico da costruzione per eccellenza, per le sue caratteristiche di resistenza meccanica, coibenza termica, traspirabilità e neutralità ai campi elettrostatici. Il legno svolge un ruolo fondamentale nella lotta al cambiamento climatico, ruolo riconosciuto anche nel Sesto Programma di Azione Ambientale dell'UE 2 nel quale si afferma che "l'uso del legno e dei prodotti derivati dovrebbe essere maggiormente sfruttato sia a livello domestico che industriale in virtù della capacità di questo materiale di assorbire il carbonio". Utilizzare il legname proveniente da boschi gestiti correttamente significa consentire lo sviluppo delle foreste e non la loro distruzione in quanto si arriva ad asportare una quantità di materiale legnoso inferiore rispetto a quella prodotta annualmente.

L'impiego del legno per le costruzioni significa anche un indubbio beneficio in termini di risparmio energetico. La lavorazione di materiali da costruzione come il calcestruzzo, i mattoni, il vetro o l'acciaio richiede infatti un consumo energetico superiore. Per fare un esempio, per produrre una trave di legno è necessario un sesto dell'energia spesa per produrre un elemento di resistenza equivalente d'acciaio.

Inoltre la costruzione di una casa in legno richiede l'impiego della metà dell'energia necessaria per una costruzione in laterizio o calcestruzzo armato.

Essendo il legno un materiale leggero, ogni elemento è facilmente trasportabile e maneggiabile in cantiere; inoltre il montaggio, effettuato interamente a secco mediante l’utilizzo di collegamenti meccanici con piastre di acciaio, viti, chiodi e bulloni, è estremamente veloce.

Con il legno è possibile sperimentare nella composizione architettonica e nel design dell'aspetto finale degli edifici in cui la struttura può essere a vista oppure, come spesso avviene, può essere protetta esternamente con qualsiasi materiale di rivestimento: dall'intonaco, ai mattoni, alla ceramica, all'alluminio, alla pietra o se preferibile anche con il legno stesso.

Il legno come materiale strutturale si accosta perfettamente all'utilizzo di materiali naturali per l'isolamento (sughero, fibra o lana di legno) oltre ad essere esso stesso un buon isolante termoacustico. In un edificio di legno isolato con materiali naturali è possibile raggiungere

facilmente, senza incidere in maniera significativa sui costi, i parametri più elevati secondo i metodi di attribuzione della classe energetica ai fabbricati.

Al contrario dell'opinione comunemente diffusa e a differenza di altri materiali, il legno ha un ottimo comportamento nei confronti del fuoco (brucia molto lentamente e con velocità nota), migliore di altrimateriali quali ad esempio l'acciaio.

Riguardo la durabilità, il legno, se adeguatamente progettato, può durare secoli. Nelle strutture di legno, la conoscenza del materiale e la corretta progettazione e realizzazione di alcuni dettagli costruttivi fondamentali, accompagnata dalla redazione di un corretto programma di manutenzione, consente, senza costi aggiuntivi rispetto agli altri materiali, di raggiungere e superare abbondantemente i livelli di vita nominale della struttura previsti dalla normativa.

4.2. Il legno e i materiali a base di legno

4.2.1. Il legno massiccio

Il legno massiccio, ottenuto solamente dalla segagione del tronco, rappresenta la tipologia con maggiore tradizione in edilizia ed attualmente è utilizzato principalmente per interventi di recupero e/o sostituzione di strutture esistenti. Il vantaggio di un elemento in legno massiccio è che la sua struttura, rispetto alla materia prima "tronco" da cui viene ricavato, ha subito poche modifiche; la procedura di lavorazione prevede infatti segagione e stagionatura naturale, essiccazione ed eventualmente incollaggio. La piallatura viene normalmente eseguita, prima o dopo l'essiccazione, come complemento per ottenere la finitura superficiale desiderata. Le tipologie più frequentemente utilizzate, nel caso del legno massiccio di Conifere, sono riportate nella tabella seguente.

Tipo Spessore d e/o altezza h Larghezza b

Listello d ≤ 40 mm b < 80 mm

Tavola d ≤ 40 mm b ≥ 80 mm

Tavolone d > 40 mm b > 3d

La lunghezza standard per listelli, tavole e tavoloni è generalmente di 4 m, in casi eccezionali si trovano sul mercato anche assortimenti che vanno da 3 m a 6 m. La lunghezza massima dipende però dalla sezione e dalle possibilità di trasporto e non va normalmente oltre i 14 m. Per quanto concerne le dimensioni delle sezioni, sono usuali incrementi di 20 mm. La sezione standard generalmente è di 260 mm e la massima, limitata dal diametro del tronco di partenza, è di circa 400 mm.

Il legno massiccio per uso strutturale deve essere classificato secondo la resistenza con una regola conforme alla norma armonizzata UNI EN 14081. Per il legname di provenienza italiana può essere applicata la norma UNI 11035.

Tra le specie legnose attualmente utilizzate in Italia predomina sicuramente l’abete (prevalentemente abete rosso); in minor quantità vengono utilizzati i larici (europeo e siberiano) e tra le latifoglie il castagno e la quercia.

4.2.2. Il legno lamellare incollato

Le caratteristiche e gli standard qualitativi raggiunti soprattutto negli ultimi anni dal legno lamellare incollato rendono questo materiale assolutamente idoneo per il suo impiego in strutture anche complesse dal punto di vista statico con eccellenti risultati. Ad oggi, il legno lamellare è certamente competitivo, sia in termini tecnici che di costo, con i più comuni materiali da costruzione, quali l’acciaio ed il calcestruzzo. La tecnologia del legno lamellare incollato ha consentito di superare agevolmente le limitazioni connesse alle dimensioni dei singoli elementi di legno, permettendo in questo modo di coprire luci significative e introducendo ulteriori vantaggi come la realizzazione di elementi a sezione variabile e di elementi curvi, quali ad esempio archi e portali.

Attraverso un'opportuna selezione, lavorazione, classificazione e un assemblaggio mirato delle lamelle è possibile eliminare o ridurre la presenza di nodi, che influiscono negativamente sulle resistenze meccaniche. Componendo l’elemento strutturale con tavole di spessore ridotto è anche possibile controllare meglio l’umidità di ogni singola lamella adeguandola a quelle che saranno le condizioni ambientali di esercizio della struttura e limitando quindi la comparsa di fessurazioni da ritiro ed il rischio di attacco biologico.

La classificazione del prodotto finito fa riferimento alla norma UNI EN 1194 "Strutture di legno. Legno lamellare incollato. Classi di resistenza e determinazione dei valori caratteristici".

4.2.3. I pannelli a base di legno

I pannelli a base di legno vengono prodotti in vasta serie talvolta mescolando materiali diversi al fine di soddisfare le esigenze tecniche del progettista e di ottenere una buona sicurezza statica e sismica.

Ai fini applicativi è possibile scegliere tra alcune principali tipologie: pannelli di legno massiccio (noti anche come pannelli lamellari), pannelli di legno compensato, pannelli di fibre, pannelli di particelle ("truciolari"), pannelli di legno cemento.

4.2.4. Pannelli di legno massiccio a strati incrociati: x-lam

La più recente evoluzione del legno strutturale, per certi aspetti derivata dal legno lamellare e dal pannello compensato, è il "compensato di tavole" ovvero il pannello di tavole a strati incrociati, in inglese cross laminated timber (CLT) commercializzato in Italia con il nome x-lam. Questa famiglia di prodotti, che hanno in comune il concetto di base ma sono assai eterogenei per dimensioni, composizione e processo produttivo, ha conosciuto negli ultimi anni una forte diffusione soprattutto a livello internazionale, in paesi più abituati all'uso del legno strutturale, ma anche nazionale.

I pannelli x-lam vengono realizzati tramite l'incollaggio o la chiodatura di tavole essiccate, incrociate, a formare elementi di spessori diversi anche a seconda del numero di strati. Il legno utilizzato, di solito Abete rosso o bianco, ma anche Larice, Pino e Douglasia, ha umidità controllata del 12+/- 2% e nel piano del pannello si hanno approssimativamente deformazioni di 1 mm per 10 m di lunghezza dell'elemento per ogni punto percentuale di variazione di umidità. Ne risulta un materiale con ottima stabilità dimensionale e resistenza alla torsione.

Le dimensioni standard dei prodotti sul mercato variano da 16 a 24 m in lunghezza, da 1,25 a 4 m in larghezza, da 57 a 400 mm in spessore, tuttavia è possibile richiedere ai produttori pezzi speciali con dimensioni diverse da quelle di riferimento.

Le tavole sono giuntate nella direzione longitudinale tramite giunti a pettine incollati. La direzione delle lamelle di uno strato del pannello è perpendicolare a quella delle lamelle degli strati adiacenti. Questa disposizione incrociata conferisce una notevole stabilità dimensionale e di forma al pannello stesso, nonché buone caratteristiche meccaniche in tutte le direzioni. Tra i vantaggi di questo materiale la possibilità di troncare e giuntare le tavole in corrispondenza di difetti come i nodi, ottimizzando al massimo l'uso della materia prima, per ottenere un materiale finito di caratteristiche il più possibile omogenee. Ovviamente i componenti base di minor pregio estetico vengono utilizzati internamente per rendere i pannelli più gradevoli esteticamente.

A livello prestazionale, le qualità dei pannelli costituiti da strati incrociati di tavole si possono riassumere in:

 resistenza meccanica: ottimo rapporto peso/prestazioni, buona isotropia nel piano, elevata stabilità dimensionale. Facile ottenere strutture con elevata duttilità progettando bene i giunti;

 sicurezza in caso d'incendio: facile ottenere una resistenza al fuoco elevata, in funzione degli spessori impiegati, spesso ridondanti. Assenza di fumi tossici o scuri (in caso d’incendio, sono questi fattori maggiormente pericolosi);

 igiene, salute ed ambiente: assenza di emissioni inquinanti e/o polveri;

 sicurezza: facili da manovrare in cantiere, buona resistenza all’impatto, non più scivolosi rispetto ad altri materiali a base di legno;

 protezione contro il rumore: la massa elevata, rispetto alla costruzione a telaio e pannelli, fornisce automaticamente un migliore isolamento, anche alle frequenze più basse;

 risparmio energetico: la conducibilità termica è quella del legno (U=0,13W/mK) quindi l’elemento strutturale è anche isolante, e possiede una buona inerzia (utile per lo sfasamento e l’attenuazione in regime estivo). Molto facile evitare i ponti termici.

4.3. Tipologie strutturali tradizionali in legno

Una categorizzazione di base delle tipologie costruttive in legno può essere fatta tra costruzioni di tipo leggero e costruzioni di tipo massiccio. Bisogna tenere presente che la denominazione di un tipo di costruzione di legno è sostanzialmente correlata alla struttura portante delle pareti.

Figura 4.2 - Tipologie strutturali in legno

Per la realizzazione della struttura portante vengono utilizzati nei due casi prodotti completamente diversi. Contrariamente alle costruzioni di tipo leggero, nelle quali gli elementi portanti sono i prodotti di tipo lineare provvisti di una pannellatura sottile, per quelle di tipo massiccio, come ad esempio nelle strutture a base di compensato di tavole, vengono impiegati elementi di tipo piano di grandi dimensioni.

4.3.1. Sistema costruttivo massiccio (Blockbau)

Le costruzioni massicce sono costituite da elementi di legno massiccio (quasi esclusivamente di legno di Conifere) disposti orizzontalmente che assolvono sia funzione di parete portante che di irrigidimento. Il legno massiccio è quello che presenta maggiore tradizione in edilizia e attualmente è utilizzato per interventi di recupero e/o sostituzione di strutture esistenti. Il vantaggio di un elemento in legno massiccio è che la sua struttura, rispetto alla materia prima, ha subito poche modifiche. Il collegamento degli elementi massicci agli spigoli dell’edificio può essere realizzato mediante intagli o connessioni di carpenteria.

Figura 4.3 - Sistema costruttivo massiccio

Nella progettazione di costruzioni massicce, si deve tenere adeguatamente conto delle caratteristiche particolari del materiale. Nella trasmissione dei carichi verticali, gli elementi vengono sollecitati a compressione perpendicolare alla fibratura e poiché il valore del modulo di elasticità perpendicolare alla fibratura (E 90) è molto ridotto, si instaurano assestamenti importanti causati dalle deformazioni in questa direzione, che tuttavia possono essere contenuti o eliminati completamente mediante accorgimenti costruttivi.

4.3.2. Sistema costruttivo ad ossatura portante di legno

Uno dei primi modi di costruire edifici consisteva nell'infiggere pali nel terreno e collegarli tra loro mediante traversi. Le pareti tra questi pali venivano completate con intrecci di materiale ligneo ed argilla.

Le costruzioni ad ossatura portante di tipo moderno sono state realizzate sin dalla fine degli anni '60 per lo più in Europa, ed in Giappone dall'inizio degli anni '80. Lo sviluppo del legno lamellare incollato permetteva l'utilizzo di elementi di sezione notevole e quindi l'aumento delle dimensioni del reticolo in pianta e quindi maggiore libertà nella concezione degli spazi interni.

La maggior parte degli edifici ad ossatura portante è realizzata secondo un reticolo più o meno regolare di pilastri e travi dettato dalle esigenze architettoniche e dal tipo di legno utilizzato. A completamento della struttura portante principale vengono inseriti degli elementi portanti secondari, di solito essere travi e per luci ridotte anche tavole o pannelli a base di legno.

Figura 4.4 - Sistema costruttivo ad ossatura portante

Facciate e pareti divisorie non assorbono alcuna forza verticale ma in molti casi vengono utilizzate come irrigidimento.

I tamponamenti esterni possono essere realizzati in svariati modi con elementi di legno di vario tipo, ma anche con materiali di natura diversa come il vetro o la muratura.

4.3.3. Sistema costruttivo a traliccio di legno

Le costruzioni a traliccio si sono sviluppate in quelle Regioni dove il legno non era disponibile nella quantità necessaria, per realizzare altre tipologie strutturali come ad esempio le costruzioni massicce. In passato data l'assenza delle attuali capacità di trasporto, l'impiego dei materiali da costruzione si orientava generalmente secondo la disponibilità di risorse locali. Esistono molte costruzioni a traliccio in Europa dell'Est e centrale, ma anche in Inghilterra, Germania settentrionale, Danimarca e Olanda.

Le peculiarità delle costruzioni a traliccio sono:  libertà nell'organizzazione architettonica;

 possibilità di realizzare edifici ad un piano o multipiano;

 impiego prevalente di connessioni senza elementi meccanici di collegamento (connessioni di carpenteria) con incastri e sovrapposizioni;

 uso di elementi portanti con sezioni di grande dimensione e di forma squadrata;  facilità e rapidità di realizzazione delle strutture.

Le moderne e precise macchine a controllo numerico, insieme alle nuove conoscenze e metodologie riguardo l’essiccazione del legno, rendono le costruzioni a traliccio economicamente competitive. Le unioni, in questo tipo di costruzione, sono realizzate mediante collegamenti economicamente vantaggiosi date le modeste sollecitazioni che li interessano, in quanto gli elementi di legno sono disposti ad interassi piccoli e in maniera diffusa; inoltre la trasmissione dei carichi verticali avviene direttamente mediante giunti a contatto.

4.3.4. Sistema costruttivo a intelaiatura di legno

Mentre nelle costruzioni a traliccio e ad ossatura portante, come detto in precedenza, i carichi vengono assorbiti da elementi di tipo lineare, nelle costruzioni intelaiate ci si trova di fronte ad un sistema costruttivo a lastre, per il quale gli elementi portanti non sono separati da quelli di irrigidimento e tamponamento.

Il telaio portante realizzato con montanti disposti a distanza piuttosto ravvicinata, viene rivestito con pannelli su entrambi i lati per costituire una lastra di sezioni e materiali standard, connessi tra loromediante semplici mezzi di collegamento come chiodi, cambrette e bulloni. Gli edifici a struttura intelaiata vengono di regola costruiti piano per piano ("platform frame"). Occasionalmente (soprattutto in America) vengono impiegati anche elementi strutturali di altezza pari a più piani ("balloon frame").

Le pareti vengono realizzate come elementi composti, costituiti da un'ossatura portante con montanti verticali e telai, rivestiti con materiali a base di legno o gesso, che collegano i montanti ai telai.

I montanti assorbono generalmente i carichi verticali provenienti dalla copertura e dai solai di piano e inoltre, quelli disposti lungo le pareti esterne, assorbono anche i carichi orizzontali agenti sulle pareti stesse.

I pannelli di rivestimento assorbono essenzialmente i carichi agenti nel piano della lastra (carichi dovuti alla funzione di irrigidimento) e vengono a loro volta stabilizzati all'imbozzamento degli stessi montanti.

Figura 4.6 - Sistema costruttivo a intelaiatura

Con l'avvento dei materiali composti le tavole del rivestimento strutturale sono state rimpiazzate dai pannelli truciolari. Attualmente i materiali più utilizzati sono i pannelli di tipo OSB in Europa e i pannelli di compensato sottile in America.

4.3.5. Dalla struttura intelaiata all'x-lam

Il principio della struttura intelaiata prevede la distribuzione delle sollecitazioni sull'integralità degli elementi piani (solai e pareti), in modo che ogni elemento lineare che ne costituisce l'ossatura (travi dei solai e montanti delle pareti) sia sollecitato da una porzione di carico

ridotta. L'unione di un numero elevato di elementi permette quindi di fronteggiare la totalità delle forze agenti sull'edificio.

Si osserva come l'effetto di superficie di questi elementi strutturali sia ottenuto tramite la pannellatura del rivestimento strutturale, che di fatto, presenta uno spessore molto limitato. Dal punto di vista strutturale questo spessore ridotto è comunque accettabile e permette di adempiere a tutte le funzioni strutturali, a condizione che esso sia dimensionato, verificato e realizzato a regola d'arte. In caso di strutture particolarmente esigenti però, ad esempio in caso di edifici di altezza elevata e con un numero di pareti strutturali ridotte, si possono intravedere i primi limiti di questa tipologia.

La parete della struttura intelaiata è prevista come elemento continuo e senza interruzioni importanti ed ogni apertura presente nella parete rappresenta un'interruzione dell'elemento strutturale e deve essere analizzata e studiata nel dettaglio. La soluzione di questa situazione si trova nell'aggiunta di un architrave, cioè un elemento di rinforzo della parete, in corrispondenza del bordo superiore dell'apertura, che permette di spostare i carichi presenti sull'apertura verso le parti adiacenti della parete, e di garantirne così la ripresa del percorso. Visto che la discesa delle forze verticali avviene esclusivamente tramite i montanti della parete, queste concentrazioni di sollecitazioni in prossimità delle aperture non hanno un effetto solo locale, ma si presentano su tutti gli elementi di parete di livello inferiore. Il principio dell'introduzione dell'architrave si presta quindi molto bene finché l'edificio presenta un numero di piani limitato, o finché le aperture sulle pareti si trovano nella medesima posizione, permettendo quindi di rinforzare la parete in un numero di punti ridotto.

Come detto, la costruzione intelaiata si basa sostanzialmente sulla realizzazione di una struttura composta da elementi di solaio e di parete, quindi elementi piani, costituiti tramite unione di singoli elementi, ma non può essere definita come una tipologia strutturale basata su componenti strutturali piani. L'uso della superficie quale elemento strutturale, richiede la capacità strutturale del materiale in tutte le direzioni del piano considerato. In particolar modo in caso di sollecitazione perpendicolare al piano dell'elemento strutturale è necessaria la possibilità di distribuire il carico, tramite flessione e taglio, nelle due direzioni del piano dell'elemento. Nell'ambito dei prodotti a base di legno, queste caratteristiche sono sempre state riservate ai pannelli truciolari sottili ed ai pannelli di compensato di piallacci o sfogliati. Però, per la loro natura di elemento sottile, questi pannelli non hanno mai permesso di creare elementi strutturali di superficie delle dimensioni di un solaio o di una parete di un edificio. Così come l'evoluzione delle piastre massicce di legno, sebbene permettano una certa

distribuzione delle sollecitazioni anche nella direzione trasversale rispetto alla fibratura, anche questi elementi rientrano per principio negli elementi a capacità portante unidirezionale. L'x-lam ha colmato questa lacuna, ed ha introdotto anche nelle costruzioni di legno la possibilità di disporre di elementi strutturali massicci, piani e di grandi dimensioni. Agli elementi strutturali lineari si aggiunge la possibilità di concepire, progettare e realizzare strutture formate da elementi portanti piani, riunendo nell'unico elemento massiccio le funzioni di piastra e di lastra.

4.4. La tecnologia x-lam

Il sistema costruttivo x-lam trae origine dal componente strutturale principale che lo caratterizza, ossia il pannello di legno massiccio a strati incrociati ideato e sviluppato in Austria e Germania nella prima metà degli anni '90 e ha conosciuto negli ultimi 10-15 anni un rapido e crescente sviluppo in tutta Europa fino a diventare allo stato attuale probabilmente il sistema più utilizzato nella realizzazione di edifici a struttura di legno. Le caratteristiche del materiale sono già state introdotte nel capitolo 3.5.1, in questo capitolo verrà analizzato il comportamento strutturale di questa tecnologia.

Un edificio realizzato con pannelli portanti x-lam è sostanzialmente una struttura in cui le pareti e i solai sono formati da diaframmi costituiti da pannelli, collegati fra loro mediante collegamenti meccanici.

I pannelli per le pareti e i solai vengono prefabbricati in stabilimento mediante il taglio computerizzato con macchine a controllo numerico e arrivano in cantiere pronti per il montaggio già dotati di aperture per porte e finestre. La grande versatilità del sistema consente di realizzare sia edifici residenziali mono o bi-piano di piccole dimensioni, che edifici condominiali multipiano anche di grandi dimensioni (dal punto di vista strutturale non ci sono limitazioni al numero di piani), oppure edifici di conformazione e destinazione d'uso diversa come edifici scolastici, alberghi, ospedali o edifici industriali. Rispetto ad altri sistemi costruttivi come il platform frame o i sistemi intelaiati, il sistema a pannelli portanti comporta indubbiamente un maggior utilizzo di materia prima. D'altra parte tali pannelli sono di per sé molto rigidi e resistenti in virtù del processo produttivo con cui sono realizzati e pertanto consentono l'utilizzo di legno strutturale di classe inferiore, difficilmente utilizzabile in altri sistemi costruttivi.

La costruzione di un edificio a pannelli portanti inizia, come per tutti gli edifici, dalle fondazioni che vengono realizzate o con una platea o con travi rovesce in cemento armato. Se viene utilizzata una platea di fondazione è comunque buona norma realizzare sopra di essa un piccolo cordolo in cemento armato oppure in legno per evitare il contatto diretto delle pareti di legno con la platea stessa. Talvolta il cordolo può essere evitato se le strutture di fondazione fuoriescono dal livello del terreno. In tutti i casi tra la struttura di legno e la fondazione va interposto uno strato di guaina bituminosa che deve risvoltare sulla struttura di fondazione (e non sulla parete di legno) per evitare di creare delle trappole di umidità.

Figura 4.7 - Fasi di costruzione di un edificio in x-lam

Il cordolo di legno, quando previsto, deve essere realizzato con una specie legnosa durabile (ad es. Larice) e può essere di legno massiccio o lamellare. E' bene che esso non superi un'altezza di 100-120 mm per non rendere difficoltoso il successivo collegamento delle pareti alle fondazioni generalmente effettuato con piastre metalliche angolari.

Talvolta, al contatto fra la parete e le fondazioni, oltre alla guaina viene posizionato un ulteriore strato di gomma, utilizzato anche in tutte le zone di contatto fra le pareti ortogonali e fra pareti e solaio, usato non solo con la funzione di impedire il passaggio dell'aria attraverso le zone di contatto, ma anche come smorzatore acustico.

Figura 4.8 - Particolari del collegamento del pannello x-lam con le fondazioni

Il collegamento delle pareti del piano terra alle fondazioni viene realizzato con piastre angolari in acciaio di vario tipo, a seconda della funzione statica cui sono destinate, hold-down per il sollevamento e angolari per lo scorrimento, che vengono collegate alle pareti di legno con chiodi o viti auto-foranti (diametro 6-10 mm) e alle fondazioni in calcestruzzo con barre filettate in acciaio (diametro 12-18 mm) inserite in fori sigillati con malta cementizia o epossidica.

Frequentemente le pareti vengono suddivise in pannelli di larghezze variabili, soprattutto per esigenze di trasporto e facilità di maneggevolezza e montaggio, e collegate fra loro con la realizzazione di giunti verticali. Questi ultimi vengono solitamente eseguiti con l'interposizione di una striscia di pannello multistrato a base di legno inserito in apposite fresature internamente alla parete o sulle facce esterne, ma non è esclusa la possibilità di realizzare questo collegamento tramite giunto a mezzo legno a tutta altezza. Il collegamento avviene in ogni caso mediante l'inserimento di viti auto-foranti di diametro variabile dai 6 ai 10 mm e interasse variabile in funzione dei carichi.

Figura 4.10 - Collegamento di testa tra due pannelli x-lam

Il collegamento fra pareti ortogonali (d'angolo e di incrocio) avviene sempre mediante l'inserimento di viti auto-foranti. Occorre però fare attenzione al corretto posizionamento delle viti, infatti nel caso cui la vite viene infissa in uno strato con fibratura parallela all'asse della vite stessa l'unione risulta totalmente inefficace. Poiché in cantiere è molto difficile andare ad intercettare con la vite lo strato con fibratura ortogonale alla direzione di inserimento, a meno di predisporre una dima che faccia da guida per l'infissione delle viti alla corretta distanza dal bordo del pannello (soluzione comunque poco pratica), la cosa migliore è realizzare il collegamento inserendo le viti con asse leggermente inclinato rispetto al piano della parete. Questa soluzione assicura l'efficacia del collegamento dato che le viti vanno inevitabilmente a far presa sugli strati a fibratura ortogonale.

Figura 4.11 - Collegamento tra pannelli x-lam ortogonali

Il collegamento fra le pareti ortogonali, in particolar modo agli spigoli esterni del fabbricato, viene realizzato sempre con l'inserimento di viti auto-foranti e deve essere sufficientemente rigido per garantire il corretto comportamento scatolare dell'intero edificio.

Una volta montate le pareti del piano terra è possibile posare il primo solaio. Quest'ultimo è formato da pannelli a strati incrociati di spessore solitamente maggiore di quello delle pareti, ovviamente in funzione delle luci e dei carichi, che poggiano sulle pareti del piano inferiore e su travi di legno lamellare quando previste. Per un migliore comportamento nei confronti delle azioni sismiche, sarebbe opportuna la realizzazione di un solaio tramite una lastra unica, cosa non sempre possibile. In ogni caso, il posizionamento ravvicinato delle viti lungo i giunti orizzontali fra i pannelli, consente di realizzare collegamenti sufficientemente rigidi tali da ritenere soddisfatta l'ipotesi di diaframma rigido per l'intero solaio. È comunque buona norma costruttiva, quando possibile, sfalsare la posizione dei giunti orizzontali fra i pannelli del solaio rispetto a quelli verticali della parete.

Le pareti del primo piano devono essere collegate al solaio sempre con mezzi di collegamento meccanico (piastre metalliche angolari, chiodi e viti) di presidio al sollevamento e allo scorrimento, con le stesse modalità del collegamento alle fondazioni. Per il sollevamento si possono continuare ad utilizzare gli stessi hold-down utilizzati in fondazione che però questa volta andranno posti a coppie di due, uno sopra e uno sotto il solaio, collegati da un bullone, per garantire la trasmissione dell'azione di sollevamento dalla parete del piano superiore a quella del piano inferiore.

Figura 4.12 - Collegamento tra solaio e parete

La copertura può essere realizzata a pannelli oppure con metodo tradizionale, cioè con travi principali, secondarie e sovrastante tavolato a doppio strato incrociato o pannello a base di legno.

Il collegamento nel caso di copertura a pannelli avviene come per i solai, mentre nel caso di copertura a travi il metodo di prefabbricazione in stabilimento dei pannelli consente di realizzare con estrema precisione le sedi di alloggio per le travi di copertura, che poi possono essere montate in cantiere con l'utilizzo di viti auto-foranti oppure viti a doppio filetto o in alternativa con le classiche scarpe metalliche.

Una volta terminata la struttura, l'edificio viene completato con pacchetti costruttivi per pareti e solai. Sul lato esterno della parete viene posto un cappotto isolante solitamente formato da pannelli di fibra di legno, rete portaintonaco e intonaco, o in alternativa è possibile utilizzare rivestimenti esterni di varia natura. Dal lato interno normalmente si realizza un'intercapedine per impianti di 2-4 cm, riempita con lana minerale o con lana di legno, rivestita successivamente con pannelli di cartongesso singoli o doppi. La parete cosi composta, partendo da un pannello strutturale che può avere spessore variabile da 8 a 20 cm, arriva ad uno spessore complessivo di 20-40 cm con un aspetto e una solidità molto simile a quella di una parete di muratura.

Il solaio viene invece completato dal lato inferiore sempre con cartongesso che può essere direttamente collegato al pannello di legno oppure appeso per creare un controsoffitto, mentre

dal lato superiore viene realizzato un massetto portaimpianti in calcestruzzo, un eventuale pacchetto anticalpestio e lo strato finale di pavimentazione.

Il pacchetto costruttivo della copertura varia in funzione della struttura portante, delle condizioni climatiche e delle esigenze architettoniche. Se si parte da una struttura realizzata in x-lam il pacchetto viene solitamente completato con pannelli di isolante (fibra di legno generalmente) con spessori variabili tra gli 8 e i 16 cm, doppia orditura di listelli (per ventilazione), pannello di compensato o OSB, guaina impermeabilizzante e manto di copertura. Nel caso di copertura a travi, se le stesse vengono lasciate a vista, sopra di esse viene fissato un tavolato semplice o doppio (con il secondo strato disposto preferibilmente a 45° rispetto al primo), ripetendo poi lo stesso pacchetto costruttivo precedentemente descritto. Se le travi non vengono lasciate a vista, l'isolante viene posto nell'intercapedine di altezza pari all'altezza delle travi e il pacchetto viene completato superiormente con tavolato, guaina traspirante, listelli, controlistelli e manto.

4.5. Caratteristiche strutturali dell'x-lam

Il pannello x-lam è formato da una serie di strati di tavole di legno, il cui comportamento strutturale può essere descritto sulla base delle caratteristiche strutturali del legno massiccio di cui sono composti. Questi strati possono essere definiti come unidirezionali, le cui caratteristiche meccaniche dipendono dalla direzione considerata rispetto alla fibratura.

Come per il legno lamellare incollato, lo strato di colla interposto tra le tavole può essere trascurato ai fini della descrizione delle caratteristiche meccaniche del materiale e il comportamento meccanico del pannello può essere analizzato considerando le due direzioni principali del piano del pannello.

Gli strati sono tra loro ortogonali, per cui si distinguono:

- gli strati paralleli, sollecitati parallelamente alla direzione delle fibre; - gli strati trasversali, sollecitati nella direzione ortogonale alle fibre.

Gli strati hanno proprietà meccaniche differenti in quanto il legno presenta resistenze ridotte nella direzione ortogonale alle fibre. Il modulo elastico trasversale (direzione ortogonale alle fibre) del legno E90 ha un valore molto basso rispetto al rispettivo modulo elastico longitudinale E0, per cui gli strati ortogonali dei pannelli possono essere trascurati.

Figura 4.13 - Distribuzione moduli elastici nei vari strati

La distribuzione delle tensioni flessionali nella generica sezione di un pannello x-lam, ad esempio a 5 strati, evidenzia l’esiguo contributo degli strati trasversali. L’azione tagliante in questi strati provoca il fenomeno del rolling shear, ossia il rotolamento delle fibre (taglio trasversale).

La verifica a taglio per i pannelli x-lam deve infatti essere eseguita sia per il taglio massimo, agente in corrispondenza dell’asse baricentrico della sezione, sia per il taglio trasversale sollecitante gli strati deboli.

Figura 4.14 - Distribuzione tensioni flessionali nella generica sezione del pannello

Il comportamento dell’elemento inflesso con la sezione composta da un numero di strati variabile può essere definito in modo semplice, applicando le regole della scienza delle costruzioni, e più precisamente determinando la distribuzione delle tensioni sui singoli strati in funzione delle rispettive caratteristiche meccaniche.

4.5.1. Solette in x-lam: l'elemento strutturale piastra

L'analisi della piastra inflessa prevede la schematizzazione del pannello in una griglia di elementi inflessi, che presentano caratteristiche meccaniche diverse nelle due direzioni del piano.

L'applicazione di questo modello è giustificata dal fatto che, nella maggior parte dei casi concreti, la geometria degli elementi della piastra porta alla considerazione dell'effetto strutturale in una sola direzione. Inoltre la rigidezza torsionale dell'x-lam è comunque ridotta a causa dei ridotti valori del modulo G del legno, a cui va aggiunto l'effetto della possibile fessurazione degli strati di tavole, che ne riduce la continuità nella direzione trasversale.

Figura 4.16 - Comportamento a piastra di un pannello X-lam

L’elemento strutturale così descritto permette di distribuire i carichi ad esso applicati nelle due direzioni del suo piano, sfruttando quindi tutto il materiale disponibile, riducendo le sollecitazioni locali all’interno della piastra e permettendo di distribuire i carichi su tutto il suo perimetro. Le solette formate da x-lam richiedono generalmente uno spessore fra 1/35 e 1/40 della luce che determina la flessione massima della soletta.

4.5.2. Pareti in x-lam: l’elemento strutturale lastra

L'elemento base di parete è formato da una lastra verticale che deve assumere le funzioni di elemento compresso sotto l'azione di carichi verticali e di lastra, quando sollecitato da forze

orizzontali agenti nel piano della parete. Il pannello x-lam permette di assumere contemporaneamente entrambe le funzioni.

Figura 4.17 - Elemento di parete sottoposto a carichi verticali

La parete strutturale x-lam può essere vista come un montante o un pilastro che si ripete lungo lo sviluppo della parete, dove lo spessore minimo è determinato principalmente dai carichi verticali, ma anche dalle esigenze di rigidezza dovute all'azione dei carichi orizzontali e quando necessario da requisiti di resistenza agli urti e di isolamento acustico.

Pur ammettendo che il calcolo strutturale dell'elemento di parete nella sua globalità può portare a spessori minimi degli elementi di parete piuttosto ridotti, si deve valutare molto attentamente e nel dettaglio la scelta di spessori al di sotto di 100 mm per evitare di incorrere in problemi di instabilità.

Come per i sistemi tradizionali, la presenza di aperture nelle pareti rappresenta la situazione strutturale particolare per eccellenza degli elementi di parete.

L'apertura crea un'interruzione del flusso di forze verso il basso, che deve essere deviato sulle zone a lato delle aperture, dove si crea una concentrazione di carichi e di sollecitazioni. Nella zona sopra l'apertura è necessario un elemento strutturale che garantisca una rigidezza ed una resistenza a flessione sufficienti a fungere da architrave.

Figura 4.18 - Parete con apertura, la porzione di pannello sopra l'apertura svolge la funzione di architrave

Le pareti di x-lam si prestano particolarmente bene in queste circostanze, in quanto la sezione verticale della parte di parete al di sopra dell'apertura è costituita anche da un numero di strati di tavole orizzontali, che possono essere adibiti alla funzione di architrave. In presenza di una altezza sufficiente di questa parte di parete, l'architrave di rinforzo della parete, sopra all'apertura, è quindi disponibile senza l'aggiunta di ulteriori rinforzi.

Dato che gli elementi di parete devono anche assorbire i carichi perpendicolari al proprio piano, come ad esempio il vento agente sulle pareti esterne, di preferenza gli strati esterni del pannello saranno orientati nella direzione verticale per realizzare il miglior comportamento flessionale tra solaio e solaio.

4.5.3. L'edificio in x-lam: struttura portante e concezione spaziale

Il pannello x-lam offre quindi un elemento strutturale di superficie che può assumere tutte le funzioni strutturali: l'effetto piastra e l'effetto lastra.

La struttura portante di un edificio è quindi il risultato della combinazione di elementi di questo tipo, adeguatamente collegati fra di loro in modo da creare strutture portanti tridimensionali. I collegamenti fra i diversi elementi formanti la struttura sono di regola da considerarsi come delle cerniere, che permettono e assicurano la trasmissione fra un elemento e l'altro di forze, la cui linea d'azione passa sempre per lo spigolo d'intersezione fra i piani dei due elementi collegati.

L'x-lam permette, quindi, la realizzazione di strutture spaziali composte da elementi piani di grandi dimensioni e spessori ridotti nelle quali tutti gli elementi impiegati hanno funzione portante, sfruttando al massimo i materiali impiegati per realizzare l'edificio. L'elemento piano non è più soltanto tamponamento, ma parte essenziale della struttura portante con funzione di lastra e di piastra.

Le forze agenti sulla costruzione possono essere distribuite sulle diverse superfici degli elementi piani, riducendo o evitando del tutto la necessità di elementi strutturali lineari di grandi dimensioni ed evitando, quindi, di concentrare le forze in pochi punti della costruzione. Il vantaggi di questa soluzione strutturale sono evidenti: da un lato le dimensioni degli elementi portanti si riducono, per esempio l'altezza dei solai risulta minore rispetto a quelli realizzati con travi; da un altro punto di vista, la flessibilità e le scelte progettuali aumentano in modo importante.

La controventatura della struttura, tanto verticale quanto orizzontale, non richiede più una considerazione separata dall'ossatura portante principale, ma è integrata in essa in quanto tutti gli elementi strutturali piani fungono da lastre, realizzando "automaticamente" anche l'irrigidimento della struttura.

4.6. Immagini di edifici realizzati con la tecnologia x-lam

A seguire riportiamo esempi di edifici realizzati con tecnologia x-lam.

Figura 4.19 - Bessemer Grange primary school (Dulwic, Inghilterra)

Figura 4.21 - Woodland Trust HQ (Grantham, Inghilterra)

4.7. Caratteristiche strutturali e costruttive della scuola

4.7.1. La struttura in elevato dell'edificio e l'involucro edilizio

Il progetto della scuola è basato sull'utilizzo di tecniche costruttive e tradizionali sull'impiego di materiali il più possibile naturali ed ecocompatibili.

Le soluzioni tecniche adottate e le prestazioni termoigrometriche di tutti gli elementi e le strutture di involucro (pareti, solai, coperture, infissi) e la descrizione dei prodotti e dei materiali impiegati nelle diverse stratificazioni di ogni componente edilizio, sono rimandate in dettaglio al capitolo 5.

Strutture verticali

L'edificio è caratterizzato da un unico piano fuori terra, costituito da pannelli portanti in x-lam dello spessore di 165 mm della ditta Metsä Wood, completata da un isolamento a cappotto con due strati di fibra di legno e una parete di finitura esterna ventilata con rivestimento in

cotto. Attraverso l'utilizzo del legno e con un'attenta progettazione si è fatto limitato al massimo la presenza di ponti termici sia puntuali che lineari.

Figura 4.22 - Particolare costruttivo del tamponamento esterno in x-lam

Copertura e strutture orizzontali

Il progetto prevede l'utilizzo del legno anche per la realizzazione portante di tutte le strutture orizzontali di copertura.

Nella scuola sono presenti due sistemi costruttivi per la copertura: il primo con pannelli x-lam e il secondo con travi in legno lamellare.

La copertura in x-lam prevede di nuovo pannelli di 165 mm di spessore della ditta Metsä Wood, al quale si sovrappongono due strati di isolante in fibra di legno, listelli in legno di abete con interasse di 50 cm che danno luogo a una copertura ventilata, un tavolato di legno e la finitura in rame.

La copertura con travi in legno lamellare è costituita da un sistema di orditura semplice con travi in legno di abete con interasse 50 cm, sulle quali è fissato un tavolato di 40 mm di spessore, due strati di isolante di fibra di legno, listelli in legno di abete per ricreare anche in questa struttura una copertura ventilata, un tavolato in legno e il rivestimento esterno in rame.

Figura 4.24 - Particolare costruttivo della copertura in legno lamellare

Divisori interni

Tutti i divisori interni sono realizzato con pannelli X-lam di spessore rispettivamente di 165 mm in caso di parete portante e di 95 mm in caso di parete non portante.

I rivestimenti sono realizzati con pannelli di cartongesso si 12,5 mm di spessore.

4.7.2. Fondazioni e piano di calpestio

La struttura di fondazione della scuola è caratterizzata da un sistema di fondazioni superficiali in calcestruzzo armato del tipo a travi rovesce, il cui piano di imposta si trova a quota -1,20 m rispetto ai relativi piani di calpestio. Il pacchetto di pavimentazione poggia su di un vespaio aerato realizzato con elementi plastici di tipo igloo di altezza pari a 35 cm e sovrastante soletta in calcestruzzo armata con rete elettrosaldata.

La ventilazione del vespaio è ottenuta per mezzo di bocchette di aerazione passanti attraverso la trave rovescia e che terminano in corrispondenza del piano di calpestio esterno.

Figura 4.25 - Particolare costruttivo del solaio di calpestio

Al di sopra della struttura a vespaio si trova l'isolante in polistirene espanso, scelto al posto della fibra di legno perché ha un comportamento migliore nei confronti dell'umidità. Successivamente troviamo il pacchetto del pavimento radiante, un massetto in calcestruzzo e il rivestimento della pavimentazione interna in linoleum di varia colorazione.

Grazie alla sua composizione il linoleum è classificato come prodotto ecologico e riciclabile; inoltre le sue proprietà battericidi e l'antistaticità naturale riducono la presenza di polvere e di sporcizia e lo sviluppo successivo di acari o batteri.