Il Solaio in Legno: Tipologie, Calcolo e Connessioni Strutturali

Il solaio è la parte di una struttura che consente di realizzare più piani in un edificio. Funge, da un lato, da copertura per il piano sottostante e, dall’altro, da piano di appoggio per il piano soprastante.

La funzione principale del solaio è quindi quella di trasferire i carichi fissi e i sovraccarichi variabili alla struttura portante. Per molti anni i solai in legno, grazie alla loro leggerezza, hanno rappresentato una valida alternativa costruttiva alle coperture a volta, le quali a causa del loro peso richiedevano grandi spessori murari. I solai possono essere suddivisi principalmente in 4 tipologie: in latero-cemento, in legno, in acciaio e a soletta piena realizzati in c.a.

Solaio in Legno: Cos’è e Come è Fatto

Il solaio in legno è un componente strutturale essenziale all’interno di un edificio che separa un piano dall’altro. I solai vengono progettati per sostenere e ripartire le azioni su di essi agenti.

Da un punto di vista tecnico, un solaio in legno è considerato una struttura bidimensionale, in quanto presenta due dimensioni prevalenti rispetto alla terza e si estende orizzontalmente tra due punti di appoggio. Sui solai agiscono delle azioni, queste vengono portate dal solaio alle travi. I carichi ripartiti dal solaio alle travi vengono trasferiti da quest’ultime ai pilastri. Le azioni riportate dalle travi ai pilastri vengono riportati da quest’ultimi in fondazione. I carichi giunti in fondazione vengono trasferiti da quest’ultimo al terreno.

Il solaio in legno viene realizzato con la disposizione di travi di diverse sezioni e interposte a intervalli regolai, che formano l’orditura principale e travetti perpendicolari di dimensione minore che, invece, costituiscono l’orditura secondaria. In passato, spesso si faceva ricorso a tronchi di alberi come abeti o larici per la realizzazione dei solai in legno. Tuttavia, nei solai in legno contemporanei, si fa un uso esclusivo del legno lamellare che offre il vantaggio di coprire luci maggiori rispetto a quanto fosse possibile con le tecniche tradizionali. L’utilizzo del legno lamellare rappresenta una soluzione moderna e altamente efficiente per la progettazione di solai in legno.

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Tipologie di Solai in Legno

La struttura portante di un solaio è caratterizzata da un’orditura principale composta principalmente da travi lignee, che possono assumere diverse sezioni, come circolari o rettangolari. In base all’organizzazione delle travi, i solai in legno si suddividono in diverse configurazioni strutturali.

• Solaio in legno a orditura semplice

  Un solaio di questo tipo dispone unicamente di un’orditura principale, la quale è composta da travetti con sezione quadrata. Questa configurazione strutturale ricorda il design tipico del solaio alla veneziana ed è particolarmente adatta per ambienti che sono lunghi e stretti. La continuità del solaio viene garantita dalla disposizione di un tavolato di collegamento tra le varie travi principali. Dal punto di vista costruttivo, la tipologia di solaio “tradizionale” è costituita dal solaio a orditura semplice, in cui è presente unicamente l’orditura primaria. Un tipo particolare di solaio a orditura semplice è il solaio a voltine, il cui tavolato è sostituito da una serie di piccole volte a botte a sesto ribassato.

• Solaio in legno a doppia orditura

  Questo tipo di struttura è costituito da due componenti portanti fondamentali: le travi principali, collocate ad intervalli regolari e i travetti disposti perpendicolarmente ad esse. La combinazione di queste due parti forma una struttura solida e affidabile che offre la capacità di coprire ambienti di dimensioni considerevoli, rendendola una scelta popolare nella progettazione e costruzione di edifici di varie tipologie. I solai in legno a doppia orditura sono caratterizzati da due serie di elementi portanti: orditura principale e orditura secondaria. Le travi principali sono posizionate ad un interasse di 2/4 metri, ordendo le stesse secondo la dimensione minore dell’ambiente. L’orditura principale è generalmente disposta parallelamente al lato minore della superficie. Il passo dei travetti varia in funzione della tipologia di impalcato.

• Solaio in legno a tripla orditura

  È una soluzione prescelta per ambienti di ampie dimensioni o con carichi significativi. L’orditura principale è solitamente costituita da travi rinforzate con saette, contraffissi o tiranti. Alcuni solai possono anche impiegare travi di grandi dimensioni.

• Solaio in legno a cassettoni

  In questa configurazione l’orditura secondaria è costituita da travi simili in dimensioni e spessore a quelle utilizzate per l’orditura primaria. Le due serie di travi sono collegate tra loro mediante dispositivi metallici che formano un graticcio bidirezionale. Questo graticcio è progettato per distribuire uniformemente i carichi su tutti i lati della struttura. Questo tipo di soluzione è particolarmente adatto per ambienti con una pianta quadrata o con lati di lunghezza molto simile, in quanto contribuisce a garantire una distribuzione equa dei carichi sulla superficie del solaio.

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All’interno di queste strutture è possibile trovare elementi secondari aggiuntivi che hanno il compito di riempire gli spazi tra le travi principali. Questi elementi possono includere tavole in legno (tavolato o assito), tavolato con giunti allineati, tavolato con giunti sfalsati, un incannucciato su cui poggia un massetto, o elementi lignei ottenuti dalla segagione dei tronchi, noti come panconcelli. In alternativa, si possono utilizzare elementi in laterizio, come pianelle in cotto o tavelle, oppure ancora elementi in laterizio con voltine di mattoni forati. In alcuni casi, le lastre di pietra possono essere posizionate alle estremità del solaio, soggette a flessione.

Calcolo e Progettazione dei Solai in Legno

Il solaio è una struttura complessa che deve essere calcolata e progettata con grande attenzione a garanzia della resistenza, in modo sicuro e affidabile, alle sollecitazioni a cui è sottoposta. L’analisi dei carichi di un solaio rappresenta una tappa di primaria importanza nell’ambito della progettazione e dell’ingegneria strutturale. Tale procedura richiede una valutazione precisa della distribuzione dei pesi e delle azioni che agiscono sulla struttura. Il suo ruolo fondamentale è assicurare che il solaio sia in grado di sopportare i carichi e le sollecitazioni a cui è sottoposto senza mettere a rischio la sua integrità strutturale.

Per il calcolo di un solaio in legno le operazioni che vengono compiute sono volte a verificare che gli elementi predimensionati siano sufficienti a sostenere i carichi applicati. Dunque, le operazioni che vengono condotte sono:

1. Predimensionamento degli elementi strutturali: in funzione dello schema strutturale del solaio, del tipo di legno scelto e dell’interasse fra gli elementi che si è scelto. Questo include la trave, il travetto (se il solaio è a doppia orditura) e il tavolato.

2. Analisi dei carichi: la valutazione di pesi agenti sul solaio.

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3. Analisi strutturale: volta alla valutazione delle sollecitazioni indotte dai carichi agenti sul solaio.

4. Verifica degli elementi strutturali: operazione volta a dimostrare che la capacità strutturale sia maggiore della domanda e dunque che il solaio sia capace di sostenere i carichi applicati.

Nel caso di solai in legno le verifiche che vengono eseguite sono: per la trave principale: flessione semplice retta e verifica taglio + deformazione; per il travetto: flessione semplice retta e verifica taglio + deformazione; per il tavolato: flessione semplice retta e verifica taglio + deformazione.

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Aspetti Normativi: L'Eurocodice 5

Nell’ambito della progettazione di solai in legno è fondamentale comprendere appieno gli aspetti normativi, con particolare attenzione all’Eurocodice 5, rappresentato dalla norma UNI EN 1995-1-1. Questa regolamentazione fornisce un quadro completo per la progettazione delle strutture in legno, incorporando regole generali insieme a direttive specifiche per gli edifici.

L’Eurocodice 5 si applica a una vasta gamma di strutture, tra cui:

• legno massiccio;
• legno segato;
• legno piallato o sotto forma di pali;
• legno lamellare incollato;
• prodotti strutturali a base di legno, come LVL;
• pannelli a base di legno, uniti mediante adesivi o collegamenti meccanici.

La scelta dei criteri di verifica in fase di progettazione è un aspetto di fondamentale importanza. Questa selezione non solo mira a soddisfare requisiti funzionali e di comfort, ma rappresenta anche un elemento chiave nella valutazione economica complessiva del progetto. La chiarezza di questi parametri si rivela fondamentale sia dal punto di vista ingegneristico che economico. In effetti, la valutazione dei costi complessivi della struttura è profondamente influenzata dalla selezione di tali parametri.

Il progettista, in conformità con la normativa vigente, collabora con il committente per definire le prestazioni richieste al solaio per l’intera durata della sua vita utile. Questa definizione deve tener conto non solo delle esigenze funzionali ma anche delle implicazioni economiche delle scelte effettuate. In secondo luogo, è essenziale considerare l’analisi delle vibrazioni dei solai in legno. A causa della loro ridotta massa e rigidezza, possono essere suscettibili di fenomeni di risonanza o di accelerazioni che compromettono il comfort degli utenti. Questo rende necessari adeguamenti in loco che, spesso, sono complessi da realizzare o comportano costi significativi.

Vantaggi dei Solai in Legno

I solai in legno sono apprezzati non solo per il loro aspetto estetico, ma anche per una serie di pregi funzionali e pratici che li rendono una scelta attraente nella progettazione di edifici:

• Leggerezza strutturale e flessibilità: questa caratteristica contribuisce a ridurre il carico complessivo sull’edificio, il che può essere particolarmente vantaggioso in costruzioni con limitazioni di carico o in ristrutturazioni. La leggerezza dei solai in legno li rende ideali per la costruzione di piani superiori in edifici esistenti.
• Adattabilità: I solai in legno possono essere progettati per adattarsi a una vasta gamma di esigenze strutturali, compresi edifici residenziali, commerciali o industriali.

Le verifiche da svolgere dipendono dal tipo di connessione che si intende realizzare, infatti sono diverse le tipologie di collegamento trave in legno/elemento in c.a. che si possono mettere in opera; a titolo esemplificativo e non esaustivo la trave in legno può essere appoggiata e fissata con un perni/piastre/angolari (si rimanda all’articolo “Particolari costruttivi: fissaggio degli elementi lignei di copertura” pubblicato su “Murature Oggi” n. 96 - Settembre 2007), può essere ancorata lateralmente al cordolo tramite una piastra/scarpa in acciaio. L'idea è di utilizzare pannelli in fibra di legno per riempire i vuoti. Rifilare i pannelli ad una larghezza di un paio di centimetri inferiore allo spazio tra le travie, disporre tra i travetti un foglio di guaina impermeabile TRASPIRANTE, fissata ai listelli con dello scotch e avvitare i pannelli ai listelli più guaina, dopo aver eseguito un opportuno preforo. La guaina deve comunque appoggiarsi sulla faccia inferiore dei listelli avvitati sovrapponendosi il più possibile. Per rifilare i listelli l'attrezzo migliore è una sega a nastro, anche cinese, ma con lama di buona qualità (mai perdere di vista le dita, e buttare subito via la lama in dotazione).

Connessioni Strutturali in Solai Ibridi: Travetti in Legno su Trave in Acciaio

Negli interventi di riabilitazione strutturale di edifici esistenti, la sostituzione di travi in legno insufficienti con elementi in acciaio rappresenta una pratica comune che richiede particolare attenzione alle modalità di connessione tra i travetti esistenti e la nuova struttura portante. La configurazione che prevede travetti in legno appoggiati direttamente sulla flangia superiore di profili in acciaio di tipo W o H solleva importanti questioni strutturali, soprattutto quando vincoli di altezza impediscono soluzioni alternative.

Problematiche della Configurazione "Galleggiante"

Quando si affronta la sostituzione di una trave in legno con una in acciaio, un interrogativo fondamentale riguarda la necessità di connettere i travetti alla nuova trave o se possano semplicemente “galleggiare” sulla flangia superiore. Quest’ultima pratica, sebbene apparentemente più semplice, presenta significative criticità strutturali. In assenza di un efficace collegamento, la trave in acciaio deve essere progettata considerando l’intera lunghezza come non controventata lateralmente. Questa condizione comporta un considerevole sovradimensionamento della sezione trasversale, vanificando il risparmio sui costi derivante dall’omissione delle connessioni. L’instabilità laterale rappresenta infatti uno dei principali meccanismi di collasso per elementi in acciaio soggetti a flessione, e il controventamento fornito dai travetti adeguatamente collegati può migliorare significativamente le prestazioni strutturali della trave.

Rilevanza dei Collegamenti nelle Strutture Ibride

I collegamenti nelle strutture ibride legno-acciaio richiedono particolare attenzione in quanto rappresentano l’interfaccia tra materiali con proprietà meccaniche e comportamenti molto diversi. Come evidenziato nella normativa UNI EN 1995-1-1:2014, esistono specifiche prescrizioni per la verifica dei collegamenti legno-acciaio mediante bulloni, distinguendo due condizioni fondamentali: bulloni caricati lateralmente e bulloni caricati assialmente. In analogia alle strutture metalliche e prefabbricate, gli elementi strutturali in legno vengono generalmente assemblati in cantiere con unioni a “secco”, conferendo particolare importanza al progetto delle connessioni. L’EUROCODICE 5 dedica infatti una sezione specifica ai collegamenti, riconoscendone il ruolo cruciale nella trasmissione delle sollecitazioni tra gli elementi strutturali.

Soluzioni Tecniche per il Collegamento

Per realizzare un’efficace connessione tra travetti in legno e trave in acciaio, sono state sviluppate diverse soluzioni tecniche, ciascuna con vantaggi e limitazioni specifiche.

Considerazioni Strutturali per la Progettazione

La progettazione dei collegamenti tra travetti in legno e trave in acciaio deve considerare diversi aspetti strutturali fondamentali per garantire sicurezza e durabilità.

• Stabilità laterale della trave di supporto: Uno degli aspetti più critici riguarda il contributo dei travetti alla stabilità laterale della trave di supporto. In assenza di un collegamento efficace, la trave metallica rimane lateralmente non controventata, condizione che può richiedere un significativo sovradimensionamento. Al contrario, travetti adeguatamente collegati forniscono un prezioso vincolo contro l’instabilità flesso-torsionale, permettendo di ottimizzare le dimensioni della sezione.
• Trasmissione delle sollecitazioni: Nel caso di connessione con piastre metalliche a vista, come le scarpette reggitrave, la trave in legno risulta “seduta” sull’elemento metallico, mentre con piastre a scomparsa la trave è “appesa” ai connettori metallici. Questa differenza fondamentale nel meccanismo di trasmissione delle sollecitazioni influenza significativamente il comportamento strutturale dell’unione e deve essere attentamente considerata nella progettazione.
• Comportamento del sistema sotto azioni orizzontali: Oltre ai carichi verticali, la connessione deve essere in grado di resistere ad eventuali azioni orizzontali, garantendo l’integrità strutturale anche in condizioni sismiche. I collegamenti meccanici, particolarmente quelli realizzati con l’impiego di un listello bullonato, offrono una maggiore capacità di resistere a queste sollecitazioni rispetto alla configurazione con travetti semplicemente appoggiati.

Approcci di Modellazione e Verifica

La verifica dei collegamenti legno-acciaio può essere condotta secondo diversi approcci, in funzione della complessità del sistema e del livello di precisione richiesto.

• Approccio normativo semplificato: La normativa UNI EN 1995-1-1:2014 fornisce indicazioni specifiche per la verifica dei collegamenti legno-acciaio mediante bulloni, distinguendo il comportamento sotto carico laterale e assiale. Questo approccio, basato su formule analitiche, consente una valutazione relativamente semplice della resistenza del collegamento, ma può risultare conservativo in configurazioni complesse.
• Modellazione avanzata: Per connessioni particolarmente complesse o soggette a sollecitazioni non standard, può essere necessario ricorrere a modellazioni avanzate mediante elementi finiti. Questo approccio consente di simulare con maggiore precisione il comportamento dell’interfaccia tra i diversi materiali e di valutare fenomeni locali come concentrazioni di tensione o interazioni tra connettori adiacenti.

Nel rinforzo di travi lamellari con piatti di acciaio, ad esempio, si raccomanda di considerare la parte metallica come una trave ausiliaria che si inflette in modo identico all’elemento in legno, con i collegamenti che servono principalmente a sostenere e stabilizzare la lamiera esterna.

Considerazioni Pratiche e di Installazione

Oltre agli aspetti strutturali, la scelta della soluzione di collegamento deve tenere conto di considerazioni pratiche relative all’installazione e alla manutenzione.

• Accessibilità e sequenza di montaggio: L’accessibilità agli elementi durante le diverse fasi di montaggio rappresenta un fattore determinante. L’impiego di bulloni passanti per il fissaggio del listello, ad esempio, richiede la possibilità di accedere all’intradosso della trave per il serraggio, condizione non sempre verificata negli interventi di riabilitazione.
• Tolleranze e regolazioni: Le strutture esistenti presentano spesso irregolarità e tolleranze dimensionali significative. La soluzione con listello intermedio offre maggiori possibilità di regolazione in fase di montaggio, facilitando l’adattamento alle condizioni reali e garantendo un miglior risultato finale.

Connessioni Legno-Calcestruzzo in Solai Compositi

La sezione del nostro solaio è composta da una trave in legno di dimensioni $b_w, h_w$ e da una soletta in calcestruzzo di spessore $t_c$. La trave in legno e la soletta in cls sono collegati tramite connettori meccanici. Le connessioni puntuali legno-calcestruzzo sono usualmente di tipo deformabile. Nei calcoli ci dovremo pertanto riferire ad una rigidezza efficace $(E \cdot J)_{eff}$ maggiore della somma delle rigidezze delle singole travi, ma minore della rigidezza che avremmo nell'ipotesi di connessione rigida.

Il modulo di scorrimento effettivo da adottare nel calcolo delle rigidezza efficace deve inoltre tener conto della durata di applicazione del carico e delle condizioni ambientali. I moduli di scorrimento istantanei possono essere determinati mediante prove sperimentali condotte secondo le indicazioni della UNI EN 26891, o mediante formule analitiche. Nel caso adottiamo connettori speciali diversi dal semplice gambo cilindrico è necessario procedere con la determinazione sperimentale. Qualora l'assito non sia interrotto, la formula fornita dall'eurocodice non risulta essere a favore di sicurezza. È invece opportuno riferirisi alle formule indicate da è preferibile valutare il modulo di scorrimento mediante la relazione fornita da Gelfi, Giuriani, Marini (P. Gelfi, E. Giuriani, A. Per l'applicazione di tali formule è innanzi tutto necessario assicurare un adeguato affondamento del piolo sia nella trave in legno che nella soletta in cls.

I valori fin qui calcolati si riferiscono alle condizioni di esercizio. Assumiamo che la connessione abbia raggiunto il suo carico ultimo di rottura e si sia formata una cerniera plastica all'interfaccia tra legno e calcestruzzo. Se $ x \le t_{c}$, la risutante dello sforzo di compressione $N_{Ed,c}$ nel cls è uguale a $V_{Rd,con}$. Determinate le grandezze viste al paragrafo precedente si passa alla verifica tensionale. Se le tensioni nel calcestruzzo sono entrambe negative, verificheremo che il loro modulo sia minore di $f_{cd}$. La formula riportata nell'EC5 appare invece non cautelativa nel caso di assito passante. In tali condizioni è opportuno fare riferimento a Gelfi, Giuriani, Marini. Per lo stato limite di esercizio è necessario verificare il valore dell'inflessione.

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