Il predimensionamento degli elementi strutturali costituisce il primo fondamentale passo nella progettazione di un edificio. Quando eseguito correttamente, evita la necessità di apportare modifiche significative nelle fasi successive del progetto. Comprendere e applicare correttamente queste metodologie consente di ottenere misure preliminari più accurate, semplificando il processo di progettazione e riducendo la possibilità di modifiche sostanziali. In questo articolo, esamineremo le metodologie impiegate per il predimensionamento di travi, focalizzandoci in particolare sul legno strutturale, le tecniche di analisi, la scelta dei materiali e le considerazioni sui costi.
Cos'è il Predimensionamento Strutturale?
Il predimensionamento strutturale rappresenta la tappa iniziale, di fondamentale importanza, nella progettazione di un edificio, poiché serve a stabilire le dimensioni di massima degli elementi portanti, come travi e pilastri, al fine di creare un modello preliminare della struttura da sottoporre a successive analisi ed elaborazioni.
Durante la fase di predimensionamento, il progettista, facendo affidamento sulla sua esperienza e competenza, utilizza schemi statici semplificati e calcoli approssimativi per stabilire la geometria di partenza degli elementi strutturali e cercare soluzioni di progetto efficaci nel rispetto dei vincoli architettonici, dimensionali e normativi previsti.
Predimensionare adeguatamente le sezioni strutturali non solo aumenta le probabilità di superare con successo le verifiche di resistenza e deformabilità durante l’analisi strutturale propriamente detta, ma riduce significativamente la necessità di apportare modifiche al modello della struttura nelle fasi successive della progettazione.
Come si Effettua il Predimensionamento?
Il predimensionamento strutturale è un processo critico in quanto, se eseguito accuratamente, può prevenire la necessità di modifiche e accelerare le fasi successive del progetto. Per condurre questo processo in modo efficace, è possibile fare riferimento ai passaggi di seguito elencati:
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- Analisi del progetto architettonico: lo studio del progetto architettonico fornisce informazioni sulle dimensioni e la disposizione degli spazi dell’edificio. Queste informazioni sono fondamentali per determinare la configurazione preliminare dello scheletro portante e identificare le parti strutturali principali;
- Ipotesi di schema strutturale: sulla base delle informazioni raccolte nella fase iniziale, si ipotizza uno schema strutturale di massima in cui sia definita la disposizione dei pilastri, delle travi, dei solai, e così via. Questo schema deve essere coerente con i vincoli architettonici, evitando interferenze con gli spazi interni, le aperture dell’edificio o altri elementi strutturali;
- Dimensionamento preliminare: in questa fase, si procede alla definizione della geometria e delle dimensioni delle sezioni strutturali, includendo il calcolo del quantitativo di armatura per gli elementi in cemento armato (nel caso di strutture miste). Durante questo processo, è essenziale garantire che le dimensioni e le caratteristiche degli elementi strutturali rispettino i requisiti minimi stabiliti dalla normativa tecnica di riferimento (NTC 2018);
- Verifica delle sezioni: utilizzando formule semplificate e metodi approssimati, si esegue una verifica preliminare delle sezioni strutturali per valutare la loro capacità di sopportare i carichi previsti;
- Ottimizzazione delle sezioni: se le dimensioni iniziali delle sezioni non soddisfano le verifiche preliminari, è necessario apportare modifiche e ottimizzarle. Questo processo può implicare l’adeguamento delle dimensioni delle sezioni, sia aumentandole che riducendole, e richiede iterazioni tra il predimensionamento e la verifica delle stesse fino a raggiungere una configurazione preliminare soddisfacente.
È importante sottolineare che il predimensionamento è una fase approssimativa e che le dimensioni finali degli elementi strutturali saranno definite nelle fasi successive del processo di progettazione, utilizzando analisi strutturali più dettagliate e software di calcolo specifici.
Predimensionamento delle Travi in Legno
Il predimensionamento delle travi in legno viene generalmente eseguito utilizzando tabelle che forniscono le dimensioni della sezione in base al carico applicato e alla luce della trave. Queste tabelle contengono una serie di combinazioni di carico e luce, e per ciascuna combinazione forniscono le dimensioni consigliate per l’altezza e la base della trave. Le tabelle di predimensionamento per le travi in legno possono essere reperite in prontuari tecnici. È importante sottolineare che queste tabelle forniscono solo dimensioni approssimative e rappresentano solo una fase preliminare del processo di progettazione. Successivamente, è necessario eseguire un’analisi strutturale più dettagliata per verificare che le dimensioni stimate siano adeguate e soddisfino i requisiti di resistenza e sicurezza specifici dell’edificio o della struttura in esame.
Regole Pratiche per il Dimensionamento delle Travi in Legno
Calcolo dell'altezza delle travi in legno
Le travi portanti in legno sono installate in posizione verticale. Per il calcolo dell'altezza delle travi in legno, una regola pratica comune è:
Altezza trave [cm] = distanza di appoggio [cm] / 20
La formula si applica a carichi normali e piatti per legno classico (abete / larice / KVH / BSH). Questa formula è valida per travi a campata singola, ovvero travi che poggiano solo su due punti. Il peso utilizzato per il calcolo è basato su abete KVH (460 kg/m³). È da notare che il KVH è disponibile presso i commercianti di legname fino a un'altezza di 24 cm.
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Quando aumentare o ridurre l'altezza della trave?
L'altezza della trave in legno dovrebbe essere aumentata di 2 o 4 cm se:
- Un carico elevato non è distribuito uniformemente ma agisce selettivamente al centro delle travi.
- Sono previste grandi quantità di neve o folle di persone.
La formula precedente calcola 'in sicurezza'. Anche scegliendo una trave più bassa di 1-2 cm, essa sosterrà comunque il carico senza problemi.
La giusta larghezza della trave
La capacità portante di una trave in legno dipende principalmente dall'altezza della sua sezione trasversale. Per le travi in legno, le dimensioni tipiche della sezione sono spesso guidate da standard commerciali o dalle tabelle di predimensionamento menzionate, con un occhio alla proporzione rispetto all'altezza.
Sporgenza della trave in legno (aggetto)
Una regola pratica affidabile per stimare lo sbalzo di una trave in legno è:
Sporgenza trave [cm] = altezza trave [cm] x 5
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La formula si applica al legname classico. Le travi devono essere saldamente ancorate e non possono ribaltarsi. Nota: poiché il calcolo è un po' più complesso in questo caso, questa formula dovrebbe essere utilizzata solo per stime approssimative. I valori sono molto sicuri per carichi normali.
Tipi di Legno e Selezione
Il legname è un materiale prefabbricato, spesso standardizzato, per costruzioni in legno. Esistono fondamentalmente due tipi:
- Legno massiccio - direttamente dalla segheria e stagionato. Poco costoso e sufficiente se non è richiesta un'assoluta precisione dimensionale. Può essere più umido e tende a fessurarsi, deformarsi e presentare nodi.
- Legno lamellare e KVH - travi incollate o strati realizzati con più pezzi di legno. Più asciutto, dimensionalmente più stabile e più resistente del legno massiccio.
Per evitare problemi di deformazione, bisogna controllare che il contenuto di umidità del legno sia compreso tra l’8% e il 10%. Acquista sempre il tuo legno direttamente dalla segheria o dal tuo commerciante di legname locale.
Scelta del Legno in Base all'Ambiente di Utilizzo
Un buon legname ha un prezzo. Ecco perché il legno di alta qualità e durevole dovrebbe essere utilizzato solo dove è necessario - per le parti portanti o in aree non edificabili (zone rurali). Per i lavori interni, soprattutto in aree non visibili, spesso è sufficiente una qualità di legno più semplice. È meglio utilizzare legno locale da una segheria regionale o da un commerciante di legname. Riceverai consigli esperti e prezzi equi - e mantenendo brevi le distanze di trasporto, non solo risparmierai tempo ma anche CO₂. È meglio evitare legni tropicali come il teak.
Uso Esterno in Aree non Edificabili (Zone Rurali)
Il legno esposto agli elementi deve essere adatto all'uso esterno, in quanto è liberamente esposto a influenze ambientali (pioggia, umidità, sporco, ecc.). Nella nostra falegnameria, utilizziamo sempre larice, abete di Douglas o cedro non trattati e locali per uso esterno - il legno è leggero, sufficientemente resistente e facile da lavorare. Per un uso esterno gravoso, se il legno è avvitato direttamente all'albero o poggia a terra in un'area esposta a schizzi d'acqua (ad esempio, piedi di supporto, gradini, soglie), dovrebbe essere particolarmente resistente (quercia, robinia, ecc.).
Uso Interno - Asciutto
Il legno protetto e installato in aree asciutte non richiede un'elevata stabilità. Tipi di legno come abete rosso, abete bianco, pino o pioppo sono ideali.
Consigli per l'Ordinamento del Legno
Non tutto il legno è uguale! Se hai acquistato una grande pila di legname, seleziona i pezzi migliori e mettili in una pila separata, conservata in un luogo asciutto e ben ventilato:
- anelli annuali stretti = particolarmente stabili!
- poche fessure e nodi
- dritto e non deformato
- venatura attraente
Usa questo legno di alta qualità per travi, soglie, supporti e aree visibili che saranno sottoposte a carichi pesanti. Il legno brutto, resinoso e difettoso, d'altra parte, dovrebbe essere usato dove nessuno può vederlo.
Connessioni e Fissaggi nelle Strutture in Legno
Naturalmente, le giunzioni tradizionali come tenoni e incastri a coda di rondine sono esteticamente gradevoli e dimostrano una genuina maestria. Ma sono chiaramente inferiori alle moderne viti da legno sotto due aspetti: stabilità ed efficienza. Le connessioni classiche sono spesso problematiche, specialmente in aree non edificabili (zone rurali): l'acqua si raccoglie nelle giunzioni e il legno inizia a marcire.
Per quanto riguarda il calcolo delle connessioni di strutture in legno, un modulo specifico esegue il calcolo e la verifica di collegamenti in legno soggetti a sollecitazioni di taglio ed estrazione, realizzati con viti Würth ASSY® per connessioni legno-legno, legno-acciaio e legno-pannello di legno. L’utente tramite il software strutture in legno free può inserire sia le sollecitazioni di taglio che di trazione agenti sugli elementi. Il nodo è personalizzabile in base alle esigenze specifiche del progetto, potendo variare geometrie, azioni di sollecitazione, materiali e non ultimo l’inclinazione della trave secondaria nel piano verticale ed orizzontale.
Viti per Legno: Acciaio Inossidabile vs. Zincate
Viti in acciaio inossidabile - per esterni e aree umide
Ovunque siano presenti pioggia, schizzi d'acqua o umidità costante, l'acciaio inossidabile è un must. Non arrugginisce, è robusto e ha ancora un bell'aspetto anche dopo anni di utilizzo. L'acciaio inossidabile A2 è sufficiente per la maggior parte delle applicazioni. L'A4 è la scelta migliore per legni altamente acidi come quercia, acacia o cedro. A differenza delle viti zincate, che perdono il loro rivestimento protettivo non appena vengono avvitate e presto lasciano brutte macchie di ruggine, l'acciaio inossidabile rimane pulito - e così anche il legno.
Viti zincate - per interni e travetti del pavimento
Le viti zincate non sono solo più economiche delle viti in acciaio inossidabile, ma sono anche meno fragili. Per viti lunghe di 140 mm o più, questo è un vero vantaggio, poiché hanno meno probabilità di rompersi durante l'avvitamento. Ecco perché spesso si utilizzano deliberatamente viti zincate più lunghe di 140 mm per l'area non edificabile (zona rurale) della piattaforma.
Strumenti Software per la Progettazione e l'Analisi delle Travi in Legno
Per progettare in modo efficiente le tue strutture in legno, acciaio o cemento armato, dopo un accurato predimensionamento, ti consigliamo di affidarti alla potenza di un software di calcolo strutturale all’avanguardia. Questo strumento offre una serie di vantaggi che ti permetteranno di ottenere risultati affidabili e ottimizzare le tue progettazioni. Il software per le strutture in legno è free (è sufficiente registrarsi online e accedere gratuitamente da qui) e presenta funzionalità utili a facilitare il lavoro del progettista e dell’ingegnere.
Grazie a Würth, progettisti e ingegneri possono realizzare il calcolo delle travi in legno con un free software che comprende ben 11 moduli e 4 diverse tipologie di installazione. Per utilizzare il software per le strutture in legno free è sufficiente registrarsi alla piattaforma online dedicata alla quale è possibile accedere in qualsiasi momento. Il software permette di ruotare tra di loro gli elementi strutturali e sagomare la trave in modo personalizzato.
Grazie alla tecnologia BIM, potrai modellare le tue strutture in modo intelligente, utilizzando oggetti parametrici ricchi di informazioni. Questo ti consentirà di creare modelli tridimensionali accurati e di tenere traccia di tutti i dettagli e le proprietà delle componenti strutturali. Il software dispone, inoltre, di un solutore FEM integrato che ti permetterà di condurre analisi dettagliate sul comportamento strutturale. Potrai valutare la risposta delle tue strutture sotto diverse condizioni di carico e ottenere risultati affidabili che garantiscano la sicurezza e l’efficienza del tuo progetto.
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Analisi e Verifica di Elementi in Legno Strutturale Esistente
La verifica statica di elementi realizzati in legno strutturale esistente, massiccio o lamellare, richiede l’esecuzione di adeguate indagini e prove sul materiale per la caratterizzazione meccanica e tipologica del legno. L’esecuzione di indagini e prove è necessaria per definire il Livello di Conoscenza della struttura e il relativo Fattore di Confidenza FC per la riduzione delle proprietà meccaniche del materiale. Gli elementi costruttivi in legno sono spesso presenti in edifici esistenti: solai, coperture e architravi in legno in costruzioni esistenti in muratura, cemento armato o acciaio. Pertanto se ti occupi di analisi di vulnerabilità di costruzioni esistenti molto probabilmente dovrai eseguire indagini e prove anche su elementi strutturali esistenti in legno.
Livelli di Conoscenza e Fattori di Confidenza
La Normativa Tecnica definisce tre Livelli di Conoscenza denominati come LC1, LC2, LC3. I livelli di conoscenza sono ordinati per informazioni crescenti sulla costruzione esistente. Al livello LC1 corrisponde una conoscenza minima della struttura esistente, al livello LC3 una conoscenza più approfondita. La Normativa Tecnica consente al progettista di adottare Livelli di Conoscenza della struttura differenziati per la verifica sismica globale della costruzione e per la verifica in condizioni statiche di singoli elementi costruttivi. Ad esempio, nell'analisi di vulnerabilità sismica di un edificio esistente in muratura con solai in legno. Al crescere delle informazioni disponibili sulla struttura esistente (da LC1 a LC3), diminuirà il fattore di confidenza FC (da 1.35 a 1.00) pertanto si ridurrà la penalizzazione della resistenza del materiale.
Prove e Indagini sul Legno Strutturale Esistente
Quali prove e indagini eseguire per il legno strutturale esistente? La Circolare 2019 definisce tre livelli di approfondimento per le prove da eseguire sul legno esistente, al fine di determinare le caratteristiche meccaniche, la specie legnosa e il livello di degrado:
- Prove limitate: si tratta di indagini basate principalmente su esami visivi delle superfici, che comprendano almeno tre facce e una testata di ogni elemento dell’orditura primaria e secondaria e che prevedano limitati controlli degli elementi costruttivi e delle connessioni. Sono previste rimozioni locali dello strato di protezione per procedere a una valutazione dello stato di conservazione;
- Prove estese: si tratta di indagini visive diffuse sulle superfici degli elementi e sui collegamenti, accompagnate da alcuni controlli strumentali. Sono previste rimozioni locali dello strato di protezione per procedere a una valutazione dello stato di conservazione. Come controlli strumentali, sono almeno da prevedere alcuni controlli dell’umidità del materiale in zone specificatamente individuate come particolarmente sensibili.
- Prove esaustive: si tratta di indagini visive diffuse e sistematiche, accompagnate da approfondimenti strumentali, eventualmente di tipo resistografico. Si prevedono analisi per l’identificazione della specie, la misura dell’umidità nel materiale e nelle zone di interfaccia con materiali diversi e l’analisi dei collegamenti, con valutazione dei fenomeni di degrado degli elementi di connessione. Tali analisi possono anche richiedere attività di laboratorio.
Per gli elementi in legno è importante identificare l’eventuale degrado di tipo biotico, ovvero il degrado causato dall’aggressione di insetti e funghi xilofagi. La Circolare 2019 non specifica quali prove eseguire sul legno strutturale, ma prescrive genericamente l’esecuzione di controlli strumentali.
Tipologie di Controlli Strumentali Specifici
- Estrazione di carotine: viene eseguita mediante il succhiello di Pressler, ovvero un carotatore manuale costituito da una trivella a doppia filettatura. Il foro lasciato nell’elemento avrà un diametro di 12 mm, mentre la carotina estratta avrà un diametro di 5 mm;
- Penetrazione statica: consiste nel far penetrare a una profondità di 5 mm dalla superficie legnosa una piccola sfera di acciaio dal diametro di 10 mm. Misurando la forza applicata è possibile risalire alle proprietà fisico-meccaniche del legno;
- Penetrazione dinamica: misurazione della profondità raggiunta da una punta sottile in acciaio infissa nella superficie legnosa da una molla tarata e caricata a mano;
- Resistenza all’estrazione della vite: tale prova consiste nel misurare la forza di trazione necessaria per estrarre dal legno una vite autofilettante. La prova è idonea a valutare lo stato di conservazione del legno in superficie;
- Trapani strumentati: strumento in grado di far penetrare una punta di acciaio armonico, di lunghezza 40 cm e diametro 3 mm, all’interno del legno e di rilevare la resistenza che il legno oppone all’avanzamento. Da tale prova si ottiene il profilo resistografico, ovvero un grafico che mette in relazione la resistenza del legno con la profondità.
Tutte le prescrizioni della Normativa Tecnica NTC2018 e della Circolare 2019 riguardanti i Livelli di Conoscenza, le indagini e le prove per il legno strutturale esistente sono raccolte in un unico documento PDF scaricabile gratuitamente. All’interno dell’app Woody potrai selezionare il livello di conoscenza raggiunto e in automatico saranno ridotti i parametri di resistenza mediante il fattore di confidenza FC.
Normative di Riferimento
Le principali normative che regolano la progettazione delle strutture in legno in Italia includono:
- NTC e Circolare (Cap. 4.4, 7.7, 11.7)
- UNI EN 1995-1-1_2009: Progettazione delle strutture in legno.
- UNI EN 1995-1-2_2005: Progettazione delle strutture in legno.
- UNI EN 1995-2_2005: Progettazione delle strutture in legno.
- UNI EN 1998-1_2005: Progettazione delle strutture per la resistenza sismica.
Instabilità Flesso-Torsionale nelle Travi in Legno Lamellare
La portanza degli elementi strutturali in legno lamellare incollato con h/b > 3 è condizionata da problemi di instabilità flesso-torsionale, ovvero il pericolo di sbandamento laterale a partire dalle sezioni centrali della trave, insieme ad una rotazione intorno all’asse longitudinale, anche se il carico è verticale. L’instabilità flesso-torsionale può essere limitata munendo le travi di ritegni torsionali. Gli elementi secondari, se collegati ad un adeguato sistema di controvento di falda (ad esempio, tavole di piatto), possono fornire tale ritegno.