La progettazione di strutture in legno richiede una comprensione approfondita dei principi di calcolo e predimensionamento degli elementi strutturali, come le travi rettangolari. Un predimensionamento eseguito correttamente evita la necessità di apportare modifiche significative nelle fasi successive del progetto, garantendo efficienza e sicurezza. Questo processo è il primo fondamentale passo nella progettazione di un edificio.
L'Importanza del Predimensionamento Strutturale
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:
- 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. 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 approssimativi, 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.
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Predimensionamento 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.
Materiali e Tipologie di Legno per le Costruzioni
Acquisto del legname: tipi e dimensioni
Il legname è un materiale prefabbricato, spesso standardizzato, per le costruzioni in legno. Esistono fondamentalmente due tipi:
- Legno massiccio: direttamente dalla segheria e essiccato. Economico e sufficiente se non è richiesta un'accuratezza dimensionale assoluta. Può essere più umido e tende a fessurarsi, deformarsi e presentare nodi.
- Legno lamellare e KVH: travi o strati incollati realizzati con più pezzi di legno. Più asciutto, dimensionalmente stabile e più resistente del legno massiccio.
È sempre consigliabile acquistare il legno direttamente dalla segheria o dal proprio rivenditore di legname locale.
Zone di utilizzo e tipologie di legno
Il legno buono ha un prezzo. Per questo motivo, il legno di alta qualità e durevole dovrebbe essere utilizzato solo dove è necessario, ovvero per le parti portanti o in aree non edificabili (zone rurali). Per i lavori interni, specialmente in aree non visibili, è spesso sufficiente una qualità di legno più semplice.
È preferibile utilizzare legno locale proveniente da una segheria regionale o da un rivenditore di legname. Si riceveranno consigli esperti e prezzi equi, e mantenendo brevi le distanze di trasporto, non si risparmierà solo tempo ma anche CO₂. È meglio evitare legni tropicali come il teak.
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Uso esterno - zone umide o esposte agli elementi
Il legno esposto agli elementi deve essere adatto all'uso esterno, poiché è liberamente esposto a influenze ambientali (pioggia, umidità, sporco, ecc.). In tali applicazioni, si utilizzano legni non trattati, locali come il larice, l'abete di Douglas o il cedro, in quanto sono leggeri, sufficientemente resistenti e facili da lavorare.
Se il legno è avvitato direttamente all'albero o si trova a terra in un'area esposta a spruzzi d'acqua (ad esempio, piedi di supporto, gradini di scale, soglie di porte), dovrebbe essere particolarmente resistente (rovere, robinia, ecc.).
Uso interno - zone asciutte
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 per questi scopi.
Controllo umidità del legno
Per evitare problemi di deformazione, bisogna controllare che il contenuto di umidità del legno sia compreso tra l’8% e il 10%.
Suggerimento: Classificazione del legno
Non tutto il legno è uguale! Se avete acquistato un grande mucchio di legname, selezionate i pezzi migliori e riponeteli in una pila separata, conservata in un luogo asciutto e ben ventilato:
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- Anelli annuali stretti = particolarmente stabile!
- Poche fessure e nodi
- Dritto e non deformato
- Venatura attraente
Utilizzate questo legno di alta qualità per travi, soglie, supporti e aree visibili che saranno soggette a carichi pesanti. Il legno meno pregiato, resinoso e difettoso, dovrebbe invece essere utilizzato dove nessuno può vederlo.
Regole Pratiche per il Calcolo delle Travi in Legno
La struttura portante deve sempre essere in grado di resistere allo "scenario peggiore". Ciò include:
- Condizioni meteorologiche estreme, raffiche di vento, neve pesante e bagnata, ecc.
- Difetti nel legname, ad esempio crepe, nodi, aree marce, usura.
- Molti carichi dinamici che non si verificano nelle normali case a terra.
- Carichi aggiuntivi causati da persone.
Calcolo dell'altezza delle travi in legno
Le travi portanti in legno vengono installate in verticale. Utilizzate questa regola pratica per calcolare l'altezza delle vostre travi in legno:
Altezza trave [cm] = distanza di appoggio [cm] / 20
- La formula si applica a carichi normali e piatti per legname classico (abete rosso / larice / KVH / BSH).
- Per travi a campata singola, cioè travi che poggiano solo su due punti.
- Il peso è stato calcolato utilizzando abete rosso KVH (460 kg/m³).
Il KVH è disponibile presso i commercianti di legname fino a un'altezza di 24 cm.
Aumentare l'altezza della trave?
L'altezza della trave in legno dovrebbe essere aumentata di 2-4 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.
Suggerimento: Carico elevato, alta qualità! Grandi nodi e crepe riducono notevolmente la stabilità di una trave in legno. Utilizzate solo il legno migliore per le travi portanti soggette a carichi elevati.
Ridurre l'altezza della trave?
La formula sopra calcola "a favore della sicurezza". Anche se si sceglie una trave più bassa di 1-2 cm, essa sosterrà comunque il carico senza problemi.
La corretta larghezza della trave
La capacità di carico di una trave in legno dipende principalmente dalla sua altezza della sezione trasversale.
Sporgenza / sbalzo della trave in legno
Questa regola pratica è una guida affidabile per stimare lo sbalzo di una trave in legno:
Sporgenza trave [cm]* = altezza trave [cm] x 5
- La formula si applica al legname classico.
- Le travi sono saldamente ancorate e non possono ribaltarsi.
* Nota: Poiché il calcolo è in questo caso alquanto più complesso, questa formula dovrebbe essere utilizzata solo per stime approssimative. I valori sono molto sicuri per carichi normali.
Instabilità flesso-torsionale
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.
Connessioni e Viti Nelle Strutture in Legno
L'evoluzione delle connessioni
Le giunzioni tradizionali come tenoni e incastri a mezzo legno sono esteticamente gradevoli e dimostrano una vera maestria artigianale. Tuttavia, sono nettamente inferiori alle moderne viti per 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. Le giunzioni tradizionali in legno hanno fatto il loro tempo.
Tipi di viti: acciaio inossidabile vs. zincate
La scelta delle viti è fondamentale per la durabilità e la resistenza della struttura:
- Viti in acciaio inossidabile: ovunque siano presenti pioggia, schizzi d'acqua o umidità costante, l'acciaio inossidabile è un must. Non arrugginisce, è robusto e mantiene 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 molto acidi come rovere, acacia o cedro. A differenza delle viti zincate, che perdono il loro rivestimento protettivo non appena vengono avvitate e presto lasciano antiestetiche macchie di ruggine, l'acciaio inossidabile rimane pulito, e così anche il legno.
- Viti zincate: non solo sono più economiche delle viti in acciaio inossidabile, ma sono anche meno fragili. Per viti lunghe 140 mm o più, questo è un vero vantaggio, poiché hanno meno probabilità di rompersi durante l'avvitamento. Per questo motivo, si utilizzano deliberatamente viti zincate più lunghe di 140 mm per le aree non edificabili (zone rurali) della piattaforma.
Il software per le connessioni di strutture in legno
Il software per le strutture in legno è free (è sufficiente registrarsi online e accedere gratuitamente) e presenta funzionalità utili a facilitare il lavoro del progettista e dell’ingegnere. Il modulo 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. 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.
Calcolo Dettagliato delle Travi in Legno: Il Caso delle Armalam®
Il comportamento complessivo di una sezione in legno-acciaio-adesivo può essere considerato come una sezione non parzializzata in cemento armato, con la differenza che le barre di armatura sono annegate in una matrice lignea e non di calcestruzzo. Per completezza, sia nella modellazione teorica che nella fase sperimentale, si è considerato il comportamento sia con barre di armatura in acciaio che in CFRP.
Sezione rettangolare a doppia armatura simmetrica
Si espone il caso più semplice di una sezione con dimensioni b e h di una trave Armalam® con doppia armatura simmetrica con barre in acciaio del diametro pari a 16 mm, il diametro più usato. Noto il valore del modulo elastico dell’acciaio pari a 206000 MPa e quello del legno lamellare pari a 11000 MPa, si calcola innanzitutto il valore del coefficiente di omogeneizzazione come il rapporto tra le due rigidezze.
Area e momento d'inerzia equivalente
Ricavato, quindi, il valore dell’area resistente di una barra di acciaio di diametro 16 mm, è immediato riconoscere come l’area equivalente della sezione composta sia data dalla somma del contributo dell’area della matrice lignea e dal contributo del numero di barre presenti nella sezione volte il coefficiente di omogeneizzazione volte l’area di ciascuna barra. Allo stesso modo il momento di inerzia equivalente è dato dalla somma del contributo della momento di inerzia della sezione lignea e dal contributo del numero di barre volte il coefficiente di omogeneizzazione volte l’area di ciascuna barra volte la distanza al quadrato del baricentro delle barre dal baricentro della sezione composta (teorema di Huygens-Steiner), che per ovvie ragioni geometriche coincide con la mezzeria della sezione.
Modulo resistente e verifiche tensionali
Noto il momento di inerzia equivalente è altresì immediato ricavare il modulo resistente con cui condurre, per esempio una verifica tensionale a flessione, come il rapporto tra lo stesso momento di inerzia equivalente e la distanza del lembo inferiore/superiore della trave dal baricentro. Nella disposizione geometrica delle barre all’interno delle travi Armalam® è bene prevedere sempre un interferro e un copriferro laterale pari a minimo 2 volte il diametro della barra. Il caso generico è una trave Armalam® a sezione rettangolare con armatura con barre di acciaio di diametro 'd'. La luce è espressa in metri e il carico in daN/m.
CFRP: vantaggi e limiti attuali
I risultati ottenuti con l’armatura con barre in fibra di carbonio (CFRP), così come nel caso di barre in acciaio, sono stati conformi con le previsioni teoriche date dall’applicazione del modello di calcolo proposto. Tuttavia, il tipo di rottura fragile, la difficoltà attuale di reperire sul mercato barre di CFRP con diametri elevati ed il costo, inoltre, delle barre in CFRP di gran lunga superiore rispetto alle barre di armatura in acciaio ne sconsiglia per ora l’utilizzo (la tecnologia dei materiali sta facendo passi da gigante; è, quindi, sbagliato escluderne a priori l’uso in futuro anche in un ciclo industriale).
Strumenti e Normative per la Progettazione delle Strutture in Legno
Software di calcolo strutturale
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. 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. Non perdere l’opportunità di esplorare appieno le funzionalità di questo strumento, provandolo gratuitamente per trenta giorni. Rendi la tua progettazione ancora più efficace, precisa ed efficiente, e scopri il potenziale illimitato della tecnologia nel campo dell’ingegneria strutturale.
Foglio di calcolo gratuito per la verifica delle travi in legno
È disponibile al download gratuito il foglio di calcolo per la verifica di una trave in legno, ai sensi del DM del 17/01/2018. Questo strumento, aggiornato al 6 aprile 2025, offre le seguenti caratteristiche:
- Parametri meccanici automatici per legni lamellari.
- Sezioni rettangolari o circolari.
- Calcolo della trave in appoggio, con due eventuali sbalzi generici.
- Definizione di un pacchetto strutturale generico per l’analisi dei carichi.
- Definizione della classe di durata del carico.
- Verifiche SLU a flessione deviata, taglio e instabilità flesso-torsionale.
- Verifiche SLE deformabilità.
- Predimensionamento alle tensioni ammissibili.
- Efficace riassunto dei coefficienti di verifica.
- Efficace layout, già impostato per la stampa o per la copia in relazione di calcolo.
Per utilizzare il programma, è sufficiente creare una nuova cartella, scaricare e scompattare il file, avviare il file in esecuzione, dare un nome al file e inserire i dati richiesti. A calcolo eseguito, nella cartella dove risiede il programma viene creato un file 'nome file.txt'. Senza chiudere il programma, visualizzate il file creato e controllate i risultati. Qualora la sezione adottata sia sottodimensionata (non verifica) o sovradimensionata e quindi con tensioni di esercizio molto basse, modificate le dimensioni della sezione e rifate ilcolo. Riaprite, senza chiudere il programma, il file 'nome file.txt' e ricontrollate i risultati. Potete rimodificare i dati come volete. Il programma va chiuso quando i risultati ottenuti sono quelli voluti.
Normative di riferimento
La progettazione delle strutture in legno è regolamentata da normative specifiche che garantiscono la sicurezza e la conformità degli edifici. Le principali includono:
- NTC e CIRCOLARE CAP. 4.4 - CAP. 7.7 - CAP. 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.
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