Ogni edilizia è ibrida, nella misura in cui fa incontrare materiali e tecniche diverse. Ma unire legno ingegnerizzato, calcestruzzo e acciaio permette oggi di utilizzare il legno come principale materiale costruttivo anche in grandi strutture che prima erano appannaggio esclusivo di calcestruzzo e acciaio. I vantaggi sono enormi in termini di rapidità costruttiva e di sostenibilità. Un cantiere ibrido rappresenta l'evoluzione intelligente dell'edilizia moderna, dove materiali strutturali diversi - come legno, acciaio e calcestruzzo - lavorano in sinergia, ciascuno sfruttando i propri punti di forza. Immaginate un'orchestra dove ogni strumento contribuisce con il proprio suono caratteristico: allo stesso modo, in una struttura ibrida, ogni materiale apporta le proprie specifiche proprietà meccaniche per creare un sistema costruttivo ottimizzato. La chiave del successo risiede nella strategica distribuzione dei materiali.
La Sfida dei Nodi di Interfaccia: Legno e Acciaio
Nell’ambito delle costruzioni in legno, l'integrazione di elementi in acciaio rappresenta una soluzione sempre più diffusa per ottimizzare le prestazioni strutturali e architettoniche. La vera sfida ingegneristica si concentra nelle zone di interfaccia tra i diversi materiali: questi nodi critici richiedono particolare attenzione progettuale per gestire la trasmissione delle forze tra elementi con rigidezze molto diverse. La progettazione di questi dettagli costruttivi richiede una profonda comprensione del comportamento dei materiali, e soprattutto delle connessioni. Oggi più che mai, le costruzioni in legno possono competere ma anche collaborare con cemento e acciaio, grazie a soluzioni di connessione che rispondono alle esigenze di sicurezza, tolleranza e montaggio e smontaggio richieste dal mercato.
I collegamenti nelle strutture ibride legno-acciaio richiedono particolare attenzione in quanto rappresentano l’interfaccia tra materiali con proprietà meccaniche e comportamenti molto diversi. 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 di 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.
Franco Laner per Percorsi-Legno: 8. Le connessioni del legno: legno con acciaio
Soluzioni Avanzate per il Collegamento Legno-Acciaio
Per realizzare un’efficace connessione tra elementi in legno lamellare e strutture in acciaio, inclusi pilastri tubolari, sono state sviluppate diverse soluzioni tecniche, ciascuna con vantaggi e limitazioni specifiche. Queste soluzioni mirano a garantire la trasmissione delle forze e la stabilità complessiva della struttura.
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Connettori a Gambo Cilindrico: Viti, Bulloni e Spinotti
Per connettori a gambo cilindrico per le strutture in legno si intendono i sistemi di collegamento come viti, chiodi, bulloni, spinotti e graffe. La produzione e la marcatura CE di tali sistemi di connessione viene regolamentata dalla norma di prodotto EN 14592.
Viti Strutturali
Le caratteristiche geometriche ed i parametri meccanici delle viti per legno ASSY® sono disponibili all’interno del certificato di prodotto “Valutazione Tecnica Europea ETA-11/0190”. All’interno del documento ETA vengono riportati i vari parametri meccanici, in funzione del tipo di acciaio (acciaio al carbonio zincato o acciaio inossidabile) necessari alla determinazione della capacità portante dei collegamenti da valutare secondo le formulazioni specifiche contenute nel documento ETA stesso o all’interno dei codici di calcolo di comprovata validità, come ad esempio Eurocodice 5 EN 1995-1-1. La resistenza a penetrazione della testa [Fhead,Rk] può essere incrementata grazie all’impiego di rondelle specifiche mentre la resistenza a estrazione del filetto [Fax,Rk] invece aumenta linearmente con la lunghezza di penetrazione del filetto stesso. Pertanto nel caso di collegamenti sollecitati assialmente è consigliabile installare viti a filetto intero tipo ASSY® PLUS VG 4.
Le viti ASSY® PLUS VG 4 sono in possesso di una duplice certificazione: marcatura CE secondo ETA 11/0190 per l’applicazione in collegamenti strutturali nelle strutture in legno (es. collegamenti legno-legno, legno-acciaio, rinforzi strutturali per trazione o compressione ortogonale alla fibra). Le viti ASSY® possono essere installate sia con che senza preforo nella maggior parte dei prodotti strutturali a base di legno. Solamente nel caso di installazione su elementi costruttivi in legno di faggio, frassino o quercia ad eccezione del legno microlamellare in faggio secondo la norma EN 14374 o FST secondo ETA-14/0354, è consentito avvitare le viti solo in fori preforati.
Quando ad incontrarsi sono il legno e l’acciaio, le situazioni possono essere differenti. Se si deve scegliere la vite giusta, ad esempio, per una connessione legno-metallo fra legno duro e acciaio, ancora una volta viene in aiuto del progettista la gamma di viti per legno HARDWOOD (LBS HARDWOOD, HBS HARDWOOD, e VGZ HARDWOOD). Queste viti per legno sono state riprogettate in ogni loro componente per ottimizzare la penetrazione nei legni ad alta densità. Il risultato è concreto: riescono a creare connessioni efficaci senza preforo anche in legni con densità superiore a 500 kg/m³, semplificando le operazioni di cantiere.
L’utilizzo di viti strutturali inserite attraverso piccoli fori praticati nella flangia della trave in acciaio costituisce una soluzione tecnicamente valida ma non convenzionale. Questa modalità richiede un’elevata coordinazione per la foratura in officina, dovendo garantire la corrispondenza esatta con la posizione dei travetti.
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Spinotti e Rondelle Specializzate
Di fronte ad una connessione legno-metallo-legno lo spinotto SBD emerge come soluzione di riferimento per le connessioni. Questo fissaggio, tecnicamente più avanzato rispetto alle alternative sul mercato grazie alla sua nuova punta rastremata, garantisce prestazioni strutturali ottimali con tempi di installazione ridotti ad un terzo rispetto ai precedenti ed a quelli dei sistemi tradizionali con preforo. Sempre sul tema delle connessioni metallo-legno, HUS, la rondella tornita Rothoblaas, permette la compatibilità perfetta delle viti a testa svasata in piastre metalliche con fori cilindrici (evitando quindi di dover fare i più costosi fori svasati) aumentando anche la resistenza assiale nelle connessioni legno-legno.
Soluzioni con Piastre Metalliche e Connettori Prefabbricati
Spesso ci si affida a piastre metalliche in acciaio che possono essere a vista o a scomparsa. Un esempio di realizzazione che prevede tubolari in acciaio (in questo caso non di sezione circolare) è quello illustrato nelle figure a lato (sede Rothoblaas , Cortaccia BZ, studio arch. Natterer J, Herzog T., Volz M.).
Connettori Specifici per Strutture Post and Beam
Le strutture Post and Beam in legno lamellare permettono di realizzare grandi strutture con grandi luci. I nuovi connettori ALUMEGA, standardizzati e certificati per resistenze molto elevate, rispondono a questa esigenza e vanno a completare la gamma di connettori Rothoblaas per strutture Post and Beam. ALUMEGA, introdotto sul mercato nel 2023, è la soluzione di connessione trave-trave e trave-colonna, ideale per strutture con luci importanti. I componenti modulari e le possibilità di fissaggio flessibili fanno di ALUMEGA un’opzione versatile, utilizzabile anche in costruzioni ibride legno-acciaio o legno-calcestruzzo. Grazie al comportamento a cerniera, che permette alla connessione di assorbire i movimenti provocati da azioni sismiche e dal vento, ALUMEGA riduce il trasferimento di carico sulle colonne, aumentando la stabilità complessiva dell’edificio.
Anche per le connessioni colonna-colonna, il connettore RADIAL si distingue per la sua facilità di installazione e per la capacità di sfruttare al massimo il potenziale della prefabbricazione. RADIAL è composto da due connettori semicircolari, preinstallabili sui pilastri in stabilimento, che vengono collegati con un semplice bullone direttamente in cantiere. Per le connessioni colonna-fondazione, il connettore RING, nella versione RING90C, risulta particolarmente adatto per connessioni colonna-fondazione che richiedono una gestione delle tolleranze date dalla non planarità della fondazione stessa.
Listello in Legno Bullonato (Nailer)
La soluzione preferita da molti professionisti consiste nell’impiego di un listello in legno (nailer) bullonato alla flangia superiore della trave in acciaio. Questa tecnica riduce le problematiche associate all’interfaccia diretta tra legno e acciaio. La dimensione del listello rappresenta un parametro progettuale importante: un elemento 4x (secondo la nomenclatura americana) offre maggiore spazio per l’alloggiamento di bulloni a testa svasata, evitando interferenze con i travetti, mentre un listello 2x riduce l’incremento di altezza complessiva del pacchetto strutturale.
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Altre Soluzioni Metalliche
Le angolari saldati sulla flangia superiore della trave rappresentano un’alternativa tecnicamente efficace per il fissaggio dei travetti. Tuttavia, il rischio di incendio associato alle operazioni di saldatura in opera, specialmente in edifici esistenti con elementi combustibili, rende questa soluzione potenzialmente pericolosa e quindi meno raccomandabile nella maggior parte dei casi. In presenza di vincoli particolarmente stringenti sull’altezza, può essere considerata l’opzione di bullonare direttamente attraverso la flangia della trave in acciaio nella testa dei travetti. Questa soluzione, sebbene minimizzi l’ingombro verticale, richiede un’attenta analisi strutturale per valutare la riduzione della capacità flessionale della trave dovuta alla presenza dei fori. Le difficoltà pratiche associate alla foratura in opera dell’acciaio rappresentano un importante fattore limitante.
Specificità: Collegamento Trave in Legno Lamellare e Pilastri Tubolari in Acciaio
Affrontando la specifica richiesta di collegamenti tra trave in legno lamellare e pilastri in acciaio, in particolare tubolari di forma circolare, è utile considerare le metodologie generali applicabili ai nodi tra travi e pilastri. Se il pilastro deve essere continuo, normalmente per evitare lo schiacciamento trasversale di una o più travi, non resta che prevedere un collegamento con staffe metalliche ai lati del pilastro. Il caso estremo è rappresentato dalle 4 travi che convergono sul pilastro (una per lato) e dal collegamento eseguito con due lame di acciaio verticali e perpendicolari fra loro, il cui asse di intersezione corrisponde all'asse del pilastro. Gli spinotti nel pilastro saranno disposti in modo da creare il collegamento con una sola lama, mentre nelle travi ogni lama assicura un collegamento spinottato con la trave stessa. In questo caso il pilastro non può essere continuo, in quanto non si potrebbero inserirvi le lame metalliche. Anche con il pilastro interrotto si ottiene la continuità della fibratura del legno a compressione, tramite il contatto di retto fra le due parti del pilastro. Un'altra possibilità è quella di procedere con collegamenti indiretti, collegando una trave all'altra, e poi quest'ultima al pilastro. Spesso - con l'eccezione dei casi con forze decisamente ridotte - questa soluzione comporta delle sollecitazioni locali troppo grandi e deve essere evitata.
L'integrazione di connettori come ALUMEGA è versatile e utilizzabile anche in costruzioni ibride legno-acciaio o legno-calcestruzzo, e può essere adattata a diverse geometrie di pilastro, inclusi i tubolari, purché la connessione sia adeguatamente progettata per le specificità del tubolare stesso.
Considerazioni Progettuali, Normative e Pratiche
La progettazione dei collegamenti tra travetti in legno e trave in acciaio deve considerare diversi aspetti strutturali fondamentali per garantire sicurezza e durabilità.
Stabilità, Trasmissione delle Sollecitazioni e Comportamento Sismico
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. 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. 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.
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.
Normative e Metodi di 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. 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. L’EUROCODICE 5 dedica infatti una sezione specifica ai collegamenti, riconoscendone il ruolo cruciale nella trasmissione delle sollecitazioni tra gli elementi strutturali. Questo approccio, basato su formule analitiche, consente una valutazione relativamente semplice della resistenza del collegamento, ma può risultare conservativo in configurazioni complesse. 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.
Importanti passi avanti sono stati fatti anche nel campo dell’interazione tra acustica e statica, testando e certificando tutta la gamma NINO, TITAN, WHT e WKR anche con profilo resiliente acustico interposto. L’influenza dei profili acustici sulla resistenza delle connessioni, infatti, non è trascurabile e va tenuta in considerazione in fase di progettazione sulla base di dati certi.
Prefabbricazione, Installazione e Tolleranze
Oltre agli aspetti strutturali, la scelta della soluzione di collegamento deve tenere conto di considerazioni pratiche relative all’installazione e alla manutenzione. Poter svolgere gran parte del lavoro di fissaggio al coperto e in condizioni controllate è un enorme vantaggio in termini di qualità e rapidità del lavoro. In cantiere, dove le condizioni spesso non sono ideali, non resta che disporre gli elementi costruttivi ed eseguire pochi fissaggi. Maggiore la semplicità di assemblaggio, inoltre, maggiore è anche quella di smontaggio, con notevoli vantaggi in termini di smaltimento e riuso dei materiali al termine del ciclo di vita dell’edificio o in caso di allargamenti e modifiche. L’accessibilità agli elementi durante le diverse fasi di montaggio rappresenta un fattore determinante. 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.
Proprio per garantire questa possibilità di prefabbricazione e di smontabilità sono stati progettati connettori come RADIAL e RING. Appositamente ideato per favorire la prefabbricazione delle strutture Timber Frame è, invece, il nuovo connettore di montaggio WOODY, primo connettore Rothoblaas in legno, che con la sua geometria a coda di rondine offre tolleranze irraggiungibili con sistemi a piastra metallica. Nel nuovo catalogo compare anche un altro connettore pensato specificamente per la prefabbricazione delle pareti a telaio leggero, ma adatto anche all’X-LAM: l’angolare WKR DOUBLE.
Panoramica delle Soluzioni di Collegamento Legno-Acciaio
Per riassumere le diverse opzioni disponibili per le connessioni tra legno e acciaio, la seguente tabella offre una sintesi dei principali tipi di connettori e delle loro caratteristiche distintive:
| Tipo di Connessione | Descrizione / Vantaggi Principali | Applicazioni Tipiche | Riferimenti Specifici |
|---|---|---|---|
| Viti strutturali (es. ASSY®) | Elevata capacità portante (assiale/laterale), installazione con/senza preforo, certificazioni ETA. | Collegamenti legno-legno, legno-acciaio, rinforzi strutturali. | ETA-11/0190, ASSY® PLUS VG 4, HARDWOOD |
| Spinotti (es. SBD) | Prestazioni strutturali ottimali, tempi di installazione ridotti, punta rastremata. | Connessioni legno-metallo-legno. | SBD |
| Piastre metalliche a scomparsa (es. ALUMEGA) | Estetica pulita, elevate capacità di carico, comportamento a cerniera. | Giunzioni trave-trave e trave-colonna (Post and Beam). | ALUMEGA |
| Listello in legno bullonato (Nailer) | Riduce problematiche di interfaccia legno-acciaio, buone capacità a carichi orizzontali, flessibilità di regolazione. | Fissaggio travetti in legno a trave in acciaio. | - |
| Connettori prefabbricati (es. RADIAL, RING) | Facilità di installazione, ottimizzazione prefabbricazione, smontabilità, gestione tolleranze. | Connessioni colonna-colonna, colonna-fondazione. | RADIAL, RING (RING90C) |
| Angolari saldati | Efficace per fissaggio travetti, ma con rischi di incendio in opera. | Fissaggio travetti in legno a trave in acciaio. | - |