CAPITOLO 2 – STUDIO DELLO STATO DI PROGETTO
Dopo esser venuti a conoscenza dello stato critico della struttura sottoposta ad azione
sismica, si è pensato di rinforzare l’edificio tramite l’utilizzo del legno lamellare (XLam),
materiale innovativo sempre più in voga nel mercato odierno.
2.1 L’INNOVAZIONE DELL’ XLAM NEL SETTORE EDILE
La continua evoluzione che negli ultimi anni ha interessato il settore delle costruzioni in
legno ha permesso il continuo nascere di nuovi materiali.
Se nei primi decenni del XX secolo il legno era utilizzato nell’edilizia solo sotto forma di travi
in legno massiccio e di frequente senza alcun trattamento, a partire dal secondo dopoguerra
ha fatto la sua comparsa il legno lamellare, materiale che grazie alle proprie caratteristiche
di alta resistenza a flessione e per il grado di finitura ha portato alla moderna affermazione
delle coperture e pergolati in legno in Italia e nel resto del mondo.
Elemento chiave di questa nuova tipologia di materiale sono sicuramente i pannelli XLam (da
Cross Laminated timber panels: pannelli in legno lamellare a strati incrociati). Questo
materiale, così come è conosciuto attualmente, è originariamente comparso nel mercato
tedesco ed austriaco intorno alla fine degli anni ’90, collocandosi come coronamento
evolutivo dell’idea di consentire l’uso di elementi piani in legno di grandi dimensioni.
2.2 ANALISI DEL MATERIALE
Fig. 30: Composizione stratigrafica ortogonale di un pannello in XLam.
I pannelli XLam sono costituiti da pannelli in legno massiccio a strati incrociati di grandi
dimensioni, formati da diversi strati di tavole, sovrapposti ed incollati uno sopra l’altro in
modo che la fibratura di ogni singolo strato sia ruotata di 90° rispetto a quelle adiacenti.
Il numero di strati ed il loro spessore può variare a seconda del produttore e del tipo di
pannello, con un numero minimo degli strati da 3 a 7.
Solitamente sono realizzati con legno di conifere, più frequentemente Abete rosso,
caratteristica tipica della maggior parte degli elementi strutturali in legno realizzati oggi.
I singoli strati di tavole sono composti da elementi di spessore variabile tra i 15 ed i 30 mm,
con una larghezza delle singole tavole che varia da 80 a 320 mm.
La produzione delle tavole avviene secondo il seguente procedimento:
1.
Taglio delle tavole (o lamelle) in impianti altamente industrializzati;
2.
Essiccatura: procedimento indispensabile in quanto per l’incollatura il tasso di
umidità deve scendere al 12% con un margine di tolleranza del 2−3%;
3.
Classificazione: questa fase permette di eliminare le parti di qualità troppo
scadente tramite la troncatura dell’elemento. Si procede poi con
l’applicazione alla tavola di una classe di resistenza. Normative di riferimento
EN14081 e EN338;
4.
Realizzazione dei giunti longitudinali delle lamelle: le singole lamelle
vengono fresate con taglio a pettine tramite la stessa lavorazione del legno
lamellare;
5.
Realizzazione dei giunti trasversali delle tavole: il procedimento è
solitamente diverso a seconda del produttore. A volte le tavole vengono
incollate una all’altra anche in direzione trasversale, a volte sono invece
collegate in modo da formare una superficie omogenea senza che il giunto tra
una tavola e l’altra sia visibile. Le caratteristiche tecniche del pannello in XLam
non sono comunque influenzate dalla discontinuità in direzione
perpendicolare alla fibratura.
2.3 PRODUZIONE DEI PANNELLI XLAM
Il processo di produzione dei pannelli in XLam deve consentire l’incollaggio strutturale dei
vari strati di tavole, ruotati di 90° uno rispetto all’altro. I collanti usati sono quelli sviluppati
per la realizzazione del legno lamellare, da quelli più obsoleti ed inquinanti a base di
formaldeide, a quelli più recenti a base di poliuretani.
La parte esecutiva è solitamente di due tipi. Si può infatti avere la produzione in una fase, in
cui il pacchetto di tavole incollate, che costituisce il pannello multistrato, è composto a
partire dalle tavole della lunghezza desiderata ed incollato in un’unica fase di lavoro.
Nella produzione in due fasi le tavole della lunghezza desiderata sono sempre il materiale
base per la produzione. La fase di incollatura avviene però in due momenti distinti. In una
prima fase si realizzano singoli strati di tavole della dimensione del pannello completo,
incollando le tavole una accanto all’altra. Nella seconda fase si procede con l’incollaggio dei
singoli strati, sovrapponendoli nella sequenza e nella direzione richiesta.
2.4 DIMENSIONE DEI PANNELLI XLAM
I pannelli in XLam vengono generalmente composti per la realizzazione di elementi di parete
e assumono le dimensioni di questi ultimi. Infatti, non avendosi una definizione generica del
prodotto, ogni produttore ha dimensionato i propri pannelli XLam in relazione alle esigenze
del mercato e del contesto.
Solitamente i pannelli sono disponibili in dimensioni che arrivano fino a 24 m in una
direzione, 5 m nell’altra e 500 mm in spessore. All’interno di queste misure massime, le
dimensioni del singolo pannello possono variare notevolmente e si possono avere strati
diversi.
Solitamente la produzione standardizzata prevede pannelli che in altezza non superino un
piano dell’edificio, in accordo con le esigenze di progettazione, montaggio e soprattutto
trasporto. Come si evince dalla tabella sottostante, la diversità dell’offerta è molto ampia.
2.5 ASPETTO DEI PANNELLI XLAM
I pannelli in XLam vengono realizzati in stabilimenti industriali secondo le
recenti. Questi possono essere realizza
parte del cliente o del carpentiere, oppure essere completamente finiti.
Ne consegue che l’XLam può essere utilizzato anche come
ovviamente rifinendo in maniera opportuna la superficie ester
trattamenti anti-degrado e provvedendo ad una adeguata sigillatura delle giunz
pannello e l’altro.
Solitamente gli stabilimenti di produzione sono dotati
direttamente dalla fabbrica il pannello finito lavorato esteri
cliente. In particolare i pannelli saranno adattati alle
l’eventuale realizzazione di maschiature,
inoltre già realizzati i tagli per le aper
e finestre.
Fig.
ASPETTO DEI PANNELLI XLAM
vengono realizzati in stabilimenti industriali secondo le
recenti. Questi possono essere realizzati o allo stadio grezzo, per la lavorazione finale da
parte del cliente o del carpentiere, oppure essere completamente finiti.
può essere utilizzato anche come elemento direttamente a vista,
ovviamente rifinendo in maniera opportuna la superficie esterna dei pannelli con
degrado e provvedendo ad una adeguata sigillatura delle giunz
Solitamente gli stabilimenti di produzione sono dotati di tutte le tecnologie per
direttamente dalla fabbrica il pannello finito lavorato esteriormente secondo le esigenze del
cliente. In particolare i pannelli saranno adattati alle dimensioni richieste, compresa
ventuale realizzazione di maschiature, fori per coprigiunti ed altre connessioni.
inoltre già realizzati i tagli per le aperture, e non di rado vengono già installati i telai di porte
Fig. 32: Pannello in XLam allo stadio grezzo.
vengono realizzati in stabilimenti industriali secondo le tecnologie più
lavorazione finale da
elemento direttamente a vista,
na dei pannelli con
degrado e provvedendo ad una adeguata sigillatura delle giunzioni tra un
i tutte le tecnologie per fornire
ormente secondo le esigenze del
dimensioni richieste, compresa
oprigiunti ed altre connessioni. Verranno
installati i telai di porte
2.6 ANALISI DELLE CARATTERISTICHE STRUTTURALI
2.6.1 Comportamento a flessione
Le caratteristiche meccaniche del pannello in XLam sono principalmente dovute alla
stratigrafia dell’elemento. Il pannello è infatti formato da una serie di strati di tavole di
legno, il cui comportamento strutturale dipende dalle prestazioni meccaniche del legno
massiccio di cui è composto. Tali strati possono essere considerati come unidirezionali e le
caratteristiche statiche dipendono dalla direzione di fibratura.
L’incollaggio di più strati permette la realizzazione del pannello multistrato, o pannello a
strati incrociati XLam. La collaborazione tra i singoli strati è assicurata tramite l’incollatura
strutturale che permette di amplificare le prestazioni naturali del materiali grazie al
collegamento a corpo rigido.
Il comportamento del pannello XLam soggetto a flessione può quindi essere descritto in
modo relativamente semplice, applicando le note relazioni viste in scienze delle costruzioni,
in particolare si determina la distribuzione delle tensioni sui singoli strati in funzione delle
rispettive caratteristiche meccaniche.
Si osserva che gli strati orientati trasversalmente rispetto alla direzione considerata
assumono comunque una funzione essenziale, garantendo il collegamento rigido tra i diversi
strati di cui è composto il pannello.
2.6.2 Comportamento a piastra
La definizione meccanica di piastra prevede la sua descrizione come griglia di elementi
inflessi che possono presentare diverse caratteristiche meccaniche nelle due direzioni del
piano. L’utilizzo di questo modello è giustificato dal fatto che nella maggior parte dei casi
concreti la geometria degli elementi della piastra portano alla considerazione dell’effetto
strutturale in una sola direzione; è inoltre necessario considerare che la rigidezza torsionale
dell’XLam è ridotta a causa dei ridotti valori del modulo di elasticità tangenziale G del legno.
Si deve inoltre aggiungere l’effetto dovuto alla possibile fessurazione degli strati di tavole,
che implica la riduzione della continuità nella direzione trasversale. Pertanto l’elemento a
piastra permette di distribuire i carichi ad esso applicati nelle due direzioni del piano,
sfruttando così tutto il materiale disponibile.
Fig. 34: Effetto strutturale dell’elemento piastra.
2.6.3 Comportamento a lastra
Quando il pannello XLam è utilizzato come elemento base di parete esso è formato da una
lastra verticale che deve assumere le funzioni di elemento compresso (sforzo assiale
verticale) e di lastra (controventatura ed azioni orizzontali nel piano della parete). Entrambe
queste funzioni possono essere assolte grazie all’utilizzo dei pannelli in XLam.
La rigidezza e la resistenza sono anche in questo caso dovute alla composizione stratigrafica
del pannello, dove lo spessore del pannello costituisce la dimensione di riferimento.
Fig. 35: Elemento di parete con funzione di discesa dei carichi verticali.
2.6.4 L’elemento strutturale in XLam
Il pannello in XLam permette quindi di realizzare un elemento strutturale superficiale che
può assumere tutte le funzioni strutturali:
Il comportamento a piastra, dovuto alle sollecitazioni perpendicolari al piano
del pannello e dalla resistenza e rigidezza del pannello a flessione e taglio
nelle due direzioni del suo piano;
Il comportamento a lastra, dovuto alle sollecitazioni nel piano del pannello, e
dalla resistenza e rigidezza agli sforzi normali e di taglio nel suo piano.
La struttura portante di un edificio realizzato in XLam è quindi il risultato della combinazione
di elementi aventi comportamento a lastra ed a piastra collegati tra loro in modo da formare
strutture portanti tridimensionali. I collegamenti tra i diversi elementi strutturali dell’edificio
sono solitamente progettati e realizzati come cerniere, permettendo la trasmissione tra un
elemento strutturale e l’altro di forze la cui linea d’azione passa sempre per lo spigolo
d’intersezione fra i piani dei due elementi collegati.
Fig. 36: Struttura portante dell’edificio formata da elementi piani.
2.7 RINFORZO EDIFICIO ESISTENTE
L’intervento di rinforzo stabilito prevede l’affiancamento di pannelli XLam alla struttura in
c.a. esistente tramite il collegamento di barre filettate passanti e ancorati all’interno al solaio
e all’esterno a un nuovo cordolo in c.a. attraverso l’utilizzo di apposite piastre che
ostacolano il ribaltamento e lo scorrimento delle pareti.
È stato dapprima provato un consolidamento solo alle pareti esterne affiancando fino a 12
cm all’interno e 12 cm all’esterno di esse; questo tipo di rinforzo risultava però inefficace in
quanto, nonostante l’aumento di rigidezza delle pareti esterne, quest’ultime verificavano a
dispetto però delle pareti interne che, non consolidate, rimanevano in stato critico non
soddisfacendo le apposite verifiche.
Quindi è stata proposta una strategia di rinforzo diversa che prevedeva un consolidamento
sia delle pareti esterne sia di quelle interne ma con pannelli di spessore molto minore.
2.8 MODELLAZIONE PANNELLI DI XLAM
I pannelli di XLam sono stati modellati utilizzando il software agli elementi finiti SAP2000
utilizzando degli “shell layered” (elementi bidimensionali stratificati) assegnando ad ogni
strato presente il proprio materiale, lo spessore e il comportamento lungo le varie direzioni,
se lineare, attivo o inattivo.
Questi strati sono cinematicamente collegati con l'assunzione di Mindlin/Reissner secondo
cui le normali alla superficie di riferimento rimangono rettilinee dopo la deformazione.
Fig. 37: Esempio tipo di definizione di “shell layered”.
Per quanto riguarda la modellazione del materiale XLam, questo, per come è stato definito,
si presenta come un materiale ortotropo caratterizzato da tre moduli elastici e tre moduli di
taglio. Per ovviare a questa discrepanza si sono utilizzati dei coefficienti di omogeneizzazione
che rendessero il materiale omogeneo e isotropo.
I coefficienti di omogeneizzazione per i diversi tipi di carico sono riportati in tabella 1.
Il rapporto tra modulo di elasticità parallela alla fibratura (E
0) e perpendicolare alla fibratura
(E
90) è assunto come E
0/E
90= 30. I valori effettivi di resistenza e rigidezza dei pannelli di legno
massiccio possono essere determinati utilizzando tali coefficienti e le proprietà di resistenza
e modulo di elasticità degli strati caricati parallelamente alla fibratura. La tabella 2 mostra i
valori effettivi di resistenza e rigidezza di solidi pannelli di legno a strati incrociati per i diversi
tipi di carico.
Tab. 1: Coefficienti di omogeneizzazione per i diversi tipi di carico.
Ecco come si presenta il modello della struttura sul software di calcolo SAP2000:
Fig. 38: Modello consolidato con gli “shell layered”.
2.9 MATERIALE UTILIZZATO
Si è scelto di adottare per il nostro consolidamento un legno lamellare incollato la cui classe
di resistenza è la GL 32h le cui caratteristiche sono estratte dalla norma UNI EN 1194 e
riportare nella tabella 3 sottostante.
2.10 CLASSE DI DURATA DEL CARICO
Le azioni di calcolo devono essere assegnate ad una delle classi di durata del carico elencate
nella tabella 4:
Tab. 4: Classi di durata del carico.
Per la nostra analisi sismica si considera una durata del carico istantanea.
2.11 CLASSE DI SERVIZIO
Le strutture (o parti di esse) devono essere assegnate a una delle tre classi di servizio
elencate nella tabella 5; in particolare l’utilizzo dell’XLam strutturale è ammesso, tramite le
omologazioni dei diversi prodotti, nelle classi di servizio 1 e 2.
Tab. 5: Classi di servizio.
Per le nostre verifiche si adotterà la classe di servizio 2.
2.12 RESISTENZA DI PROGETTO
La durata del carico e l’umidità del legno influiscono sulle proprietà resistenti del legno. I
valori di calcolo per le proprietà del materiale a partire dai valori caratteristici si assegnano
quindi con riferimento combinato alle classi di servizio e alle classi di durata del carico. Il
valore di calcolo X
ddi una proprietà del materiale (o della resistenza di un collegamento)
viene calcolato mediante la relazione:
X
d= (K
mod∙ X
k) / γ
mDove:
X
k= valore caratteristico della proprietà del materiale, o della resistenza del
collegamento;
γ
m= coefficiente parziale di sicurezza relativo al materiale i cui valori sono
riportati nella tabella 6;
K
mod= coefficiente correttivo che tiene conto dell’effetto, sui parametri di
resistenza, sia della durata del carico sia dell’umidità della struttura. I valori di
K
modsono riportati nella tabella 7.
2.13 TIPOLOGIE DI RINFORZO PROPOSTE
In sede di progettazione sono state proposte tre tipologie di rinforzo strutturale:
A.
Consolidamento esterno e interno 8+8 cm;
B.
Consolidamento esterno 8+8 cm e interno 4+4 cm;
C.
Consolidamento esterno 8+2 cm e interno 4+4 cm.
2.13.1 Consolidamento esterno e interno 8+8 cm
La prima proposta di consolidamento dell’edificio prevede l’affiancamento esterno e interno
di un pannello XLam a 3 strati (1,9-4,2-1,9) di spessore totale 8 cm a tutti i pannelli presenti
all’interno della struttura.
Fig. 39: Consolidamento esterno e interno 8+8.
Per quanto riguarda la modellazione del materiale sono stati adottati due coefficienti di
omogeneizzazione K
3e K
4calcolati secondo la tabella 1 del punto 2.8.
K
3= 1 – (1 – E
90/E
0) ∙ (a
m-2– a
m-4+ ... + a
1)/a
m=
1 – (1 – 460/13700) ∙ 38/80 = 0,541
K
4= (E
90/E
0) ∙ (1 – E
90/E
0) ∙ (a
m-2– a
m-4+ ... + a
1)/a
m=
(460/13700) ∙ (1 – 460/13700) ∙ 38/80 = 0,493
I valori del modulo elastico saranno così determinati:
E
m,0,ef= E
0∙ K
3= 7411,7 N/mm
2E
m,90,ef= E
0∙ K
4= 6754,1 N/mm
2Una volta effettuata l’analisi, si sono ottenute le sollecitazioni con le quali si sono svolte le
verifiche su i pannelli che, in questo caso, risultavano tutte soddisfatte.
2.13.2 Consolidamento esterno 8+8 cm e interno 4+4 cm
La seconda proposta di consolidamento dell’edificio prevede l’affiancamento esterno e
interno di un pannello XLam a 3 strati (1,9-4,2-1,9) di spessore totale 8 cm ai pannelli situati
all’esterno della struttura e di un pannello XLam sempre a 3 strati (0,95-2,1-0,95) di spessore
totale 4 cm ai pannelli situati all’interno.
Anche in questo caso sono stati adottati i coefficienti K
3e K
4per la modellazione del
materiale ottenendo gli stessi moduli elastici calcolati precedentemente.
Dopo aver effettuato l’analisi sono state condotte anche in questo secondo caso le verifiche
necessarie che in parte però non venivano soddisfatte. In particolar modo 2 sezioni (x - e 8-2
e x - e 9-2) non risultavano soddisfatte a pressoflessione ma la cosa più preoccupante era la
criticità di 5 pannelli e 7 sezioni isolate che non garantivano resistenza a taglio. Si è così
pensato di intervenire su questi pannelli rinforzandoli attraverso l’applicazione di fibre di
carbonio ad alta resistenza (CFRP) in modo da soddisfare le verifiche di normativa e la
completa sicurezza della struttura.
Fig. 40: Consolidamento esterno 8+8 e interno 4+4.
