Il mercato italiano dell’edilizia si sta progressivamente aprendo alle strutture in legno, nell’ottica di un costruire efficiente in termini di isolamento termico, comfort abitativo ma anche sicuro nei confronti delle azioni sismiche. Quando si parla di edilizia in legno, il comportamento sismico di un edificio in legno realizzato con pannelli X-Lam è quello di una struttura scatolare con diaframmi di piano e pareti collegati mediante elementi meccanici.
I sistemi costruttivi per edifici in legno sono universalmente riconducibili a quattro diverse tipologie:
- a telaio (timber frame o platform frame)
- a pannelli massicci portanti (X-lam)
- a blocchi massicci o tronchi sovrapposti (log house o block bau)
- a travi e pilastri (telaio pesante)
I primi due sistemi sono quelli più utilizzati grazie alla loro flessibilità di applicazione e alle possibilità offerte dal controllo numerico della produzione e della prefabbricazione in stabilimento.
FederlegnoArredo ha pubblicato un Catalogo contenente i particolari costruttivi di edifici in legno, sia per strutture a telaio che X-lam. L’abaco contiene la descrizione ed immagini esplicative di ben 37 particolari costruttivi.
Il Sistema Costruttivo "Platform Frame"
Il “PLATFORM FRAME” è il sistema costruttivo tipico delle case in legno americane ed è l’evoluzione del più noto sistema “BALLOON FRAME” utilizzato già dal 1750 in America. La costruzione procede per piani. Le pareti del primo piano vengono fissate al basamento, dopo di che viene realizzato il primo solaio di interpiano.
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Le fondazioni sono generalmente realizzate con platea in c.a. (cemento armato), oppure con piani interrati composti da setti in c.a.. Il collegamento fra la struttura in legno e le fondazioni in c.a. viene assicurato mediante opportune piastre e barre filettate in acciaio o tasselli a pressione.
Pannelli X-Lam: Caratteristiche e Utilizzo
I pannelli di legno massiccio a strati incrociati XLAM sono pannelli di grandi dimensioni, formati da più strati di tavole, sovrapposti e incollati uno sull'altro in modo che la fibratura di ogni singolo strato sia ruotata nel piano di 90° rispetto agli strati adiacenti. Il numero di strati e il loro spessore può variare e dipende del tipo di pannello e del produttore dello stesso.
I pannelli XLAM sono prodotti con legno di conifera, come la maggior parte degli elementi di legno ad uso strutturale realizzati secondo le tecnologie più moderne. La produzione normale di pannelli XLAM è quindi realizzata con legno di abete (in prevalenza abete rosso); è senz'altro possibile la produzione con il legno di larice castagno ecc.
I singoli strati di tavole sono composti da tavole di spessore variabile, di regola fra 15 e 30 mm. La larghezza delle singole tavole è pure variabile e varia di regola fra gli 80 ed i 240 mm.
Nelle intenzioni di chi ha sviluppato i pannelli, essi avrebbero potuto essere realizzati con materiale di qualità inferiore a quello usato per la produzione di legno lamellare ma l'evoluzione e il mercato hanno portato i diversi produttori a sviluppare le proprie strategie per poter realizzare pannelli XLAM in condizioni ottimali, senza per questo pregiudicare la qualità e la scelta della materia prima legno.
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Ad oggi, le tavole usate per la produzione di pannelli XLAM devono rispettare i medesimi criteri delle tavole per la produzione di legno lamellare incollato.
Non esistendo una definizione generica del prodotto, ogni produttore ha sviluppato e definito la propria offerta in merito alla disponibilità di dimensioni e composizione del proprio "prodotto XLAM". In modo generale si può affermare che i pannelli XLAM sono disponibili in dimensioni che possono raggiungere i 24,0 m in una direzione, i 4,80 m nell'altra e uno spessore di 500 mm. Entro questi limiti, le dimensioni massime della produzione del singolo pannello variano in modo notevole.
I pannelli XLAM sono ammessi all'uso nelle classi di servizio 1 e 2, cioè in condizioni climatiche che non permettano l'aumento del valore di U oltre il 20%: il loro uso è quindi limitato alle situazioni che non ne compromettono la durabilità, o in condizioni da escludere ogni fenomeno di degrado biologico. Ricordiamo che la classe di servizio 1 corrisponde agli ambienti interni e riscaldati, mentre la classe di servizio 2 corrisponde agli ambienti esterni, ma escludendo sia il contatto diretto con l'acqua che l'esposizione diretta alle intemperie.
Le variazioni attendibili delle dimensioni di un pannello XLAM, nel suo piano, sono quindi teoricamente al massimo dell'ordine dello 0.1%, cioè di meno di 1 mm per metro lineare. A conclusione di ciò si può affermare che i pannelli XLAM presentano una stabilità dimensionale praticamente completa e totale per quanto concerne le dimensioni nel loro piano.
N.B. L'XLAM nasce alla fine degli anni '90, più o meno contemporaneamente in Austria e in Germania. In Austria si può identificare all'origine dell'XLAM con un progetto di sviluppo e ricerca, realizzato presso l'Università di Graz, che aveva la finalità di aprire nuove vie per un migliore sfruttamento delle risorse messe a disposizione dalla lavorazione in segheria del legno, realizzando elementi piani di grandi dimensioni.
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Nei primi anni del 1900 sono stati realizzati in Inghilterra i primi edifici multipiano con struttura in calcestruzzo armato, sfruttando fra al'altro proprio l'allora nuova possibilità di realizzare elementi strutturali piani con questo materiale. Similmente, a distanza di un secolo, nel 2007 è stato realizzato a Londra un edificio di 9 piani con struttura portante in pannelli XLAM, ma idee e studi per costruire edifici di legno, con di altezza ancora superiore sono già, ad oggi già stati realizzati o lo saranno a breve.
Il Solaio in Legno: Funzioni e Caratteristiche
Il solaio è la parte di un edificio che divide un piano dall’altro, facendo da copertura per il piano sottostante e da base per quello soprastante. Da un punto di vista tecnico può essere definito come una struttura bidimensionale piana con la funzione di sopportare i carichi presenti su di essa e trasferirli alle strutture (travi, muri, ecc) su cui si appoggiano. Le porzioni strutturali che fanno parte di questi elementi costruttivi sono essenzialmente sollecitate a flessione e taglio.
Inoltre, si dovrà sempre effettuare la verifica di deformabilità, prestando maggiore attenzione quando i carichi accidentali previsti si riferiscono a pesi applicati nella loro completa entità e per lunga durata (ad esempio, biblioteche, archivi, magazzini permanenti, ecc.) in modo da evitare deformazioni permanenti per effetto del flauge. Infatti, il forte carico prolungato risulta una delle fondamentali cause di deperimento delle strutture in legno.
Nei casi pratici si possono riscontrare sezioni che non sono state dimensionate correttamente per i carichi di lunga durata e presentano deformazioni permanenti tali da rendere inservibili gli elementi costruttivi.
Nota: per flauge si intende il fenomeno che induce deformazioni progressive a parità di carico oltre quelle elastiche istantanee. Nel legno è particolarmente evidente tanto che le deformazioni iniziali, in funzione anche di umidità e temperatura, possono quadruplicarsi nel tempo.
🔫 Perforazioni sulle travi portanti del tetto 🔫
Esempio di Calcolo di un Solaio ad Orditura Semplice
Riporto un breve esempio di calcolo di un solaio ad orditura semplice (nel caso di solai a doppia orditura le verifiche devono essere eseguite per due sistemi di travi ma la procedura generale di calcolo risulta essenzialmente la stessa):
Dati Generali:
- Normativa di riferimento: NTC 2008
- Classe di servizio 1 - (caratterizzata da un'umidità del materiale in equilibrio con l'ambiente a una temperatura di 20°C e un'umidità relativa dell'aria circostante che non superi il 65% se non per poche settimane all'anno.)
- Categoria carichi variabili: A - Ambienti ad uso residenziale
Verifiche di Sicurezza:
Valori di calcolo della resistenza In conformità al D.M. 14.01.2008 e con riferimento alla circolare del 02 febbraio 2009 n. 617; I valori di calcolo per le proprietà del materiale, a partire dai valori caratteristici, si assegnano con riferimento combinato alle classi di servizio e alle classi di durata del carico.
Il valore di calcolo Xd di una proprietà del materiale è calcolato mediante la relazione:
Xd = (Xk * Kmod) / γM
dove:
- Xk è il valore caratteristico della proprietà del materiale;
- γM è il coefficiente parziale di sicurezza relativo al materiale:
- Kmod è un coefficiente correttivo che tiene conto dell’effetto, sui parametri di resistenza, sia della durata del carico sia dell’umidità della struttura. Se una combinazione di carico comprende azioni appartenenti a differenti classi di durata del carico si sceglierà un valore di kmod che corrisponde all’azione di minor durata.
Si riportano per comodità alcuni valori e definizioni dettati dalle normative vigenti:
- coefficiente parziale di sicurezza:
- classi di durata del carico:
- Indicazioni circa le classi di servizio:
Classe di servizio 1: E' caratterizzata da un'umidità del materiale in equilibrio con l'ambiente a una temperatura di 20 °C e un'umidità relativa dell'aria circostante che non superi il 65%, se non per poche settimane all'anno.
Classe di servizio 2: E' caratterizzata da un'umidità del materiale in equilibrio con l'ambiente a una temperatura di 20 °C e un'umidità relativa dell'aria circostante che superi l'85% solo per poche settimane all'anno.
Classe di servizio 3: E' caratterizzata da un'umidità più elevata di quella della classe di servizio 2.
- valori di Kmod per legno massiccio e legno lamellare incollato valutati in base alla durata del carico e alla classe di servizio del materiale:
Dati Geometrici:
- Dimensioni delle travi in legno: B x H = 12.0 x 20.0 cm, interasse: i = 60.0 cm
- A = 240.0 cm2, Wx = 800.0 cm3, Jx = 8000.0 cm4
- Luce di calcolo: L = 400.0 cm
- Spessore del tavolato in legno: tw = 3.0 cm
Materiali:
- Legno travi: Classe: GL24h UNI-EN 14080:2013 (lamellare)
- rk (massa volumica) = 385.0 kg/mc
- Em (modulo elastico medio) = 115000.0 daN/cmq
- Gm (modulo elastico tangenziale medio) = 6500.0 daN/cmq
Moduli elastici per deformazioni a lungo termine:
- Classe di servizio 1: Kdef = 0.6
- Em,fin = Em / (1 + Kdef) = 71875.0 daN/cmq
- Gm,fin = Gm / ( 1 + Kdef ) = 4062.5 daN/cmq
- gm = 1.45 (coefficiente parziale di sicurezza per legno il legno lamellare)
- Kh = 1.100 (nel caso di elementi sottoposti a flessione o a trazione parallela alla fibratura Kh è il coefficiente che incrementa la resistenza quando la dimensione della sezione Lmax, parallela al piano di sollecitazione, è inferiore a 15 cm per legno massiccio o 60 cm per lamellare)
Resistenze caratteristiche:
- fmk (flessione) = 240.0 daN/cmq
- fvk (taglio) = 35.0 daN/cmq
- ft0k (trazione) = 192.0 daN/cmq
Resistenze di calcolo:
Con durata dei carichi variabili di media durata (da 1 settimana a 6 mesi) Kmod = 0.800
- fmd (resistenza a flessione) = (fmk Kh Kmod) / gm = 145.66 daN/cmq
- fvd (resistenza a taglio) = (fvk Kh Kmod) / gm = 21.24 daN/cmq
- ft0d (resistenza a trazione) = (ft0k Kh Kmod) / gm = 116.52 daN/cmq
Per soli carichi permanenti: Kmod = 0.600
- fmd (resistenza a flessione) = (fmk Kh Kmod) / gm = 109.24 daN/cmq
- fvd (resistenza a taglio) = (fvk Kh Kmod) / gm = 15.93 daN/cmq
- ft0d (resistenza a trazione) = (ft0k Kh Kmod) / gm = 87.39 daN/cmq
Schema statico: appoggio-appoggio
Analisi dei Carichi:
Carichi permanenti:
- pavimento+sottofondo 110,0 daN/mq
- g1 = 121,6 daN/mq
- g1 x interasse travi (0.60 m) 72.9 daN/m
- peso proprio trave 9.2 daN/m
- G1 = 82.2 daN/m
Carichi permanenti non strutturali:
- g2 = ripartizione tramezzature 80,0 daN/mq
- G2 = g2 x interasse travi (0.60 m) 48.0 daN/m
Carichi variabili:
- q = sovraccarico variabile 200,0 daN/mq
- Q1 = q x interasse travi (0.60 m) 120.0 daN/m
Verifiche delle Travi in Legno (stato limite ultimo):
Combinazione di carico: permanenti + variabili (Kmod = 0.800)
Q = G1 gg1 + G2 gg2 + Q1 gq1 = 358.82 daN/m (gg1 = 1.30; gg2 = 1.50; gq1 = 1.50)
Verifica a flessione:
- M = (Q L2) / 8 = 71764.2 daN cm
- sw = M / Wx = 89.7 daN/cmq < fmd = 145.66 daN/cmq (Verificato)
Verifica a taglio:
- V = (Q L) / 2 = 717.6 daN
- tw = 1,5 V / A = 4.5 daN/cmq < fvd = 21.24 daN/cmq (Verificato)
Combinazione di carico: soli carichi permanenti (Kmod = 0.600)
Q = G1 gg1 + G2 gg2 = 178.82 daN/m (gg1 = 1.30; gg2 = 1.50)
Verifica a flessione:
- M = (Q L2) / 8 = 35764.2 daN cm
- sw = M / Wx = 44.7 daN/cmq < fmd = 109.24 daN/cmq (Verificato)
Verifica a taglio:
- V = (Q L) / 2 = 357.6 daN
- tw = 1,5 V / A = 2.2 daN/cmq < fvd = 15.93 daN/cmq (Verificato)
Frecce in Esercizio (stato limite di esercizio):
a) Deformazioni istantanee calcolate in combinazione rara
- Deformazione istantanea per effetto dei carichi permanenti:
- Gk = G1 + G2 = 130.17 daN/cmq
- U1i = ((5 Gk L4) / (384 Em Jx)) + ((1.2 Gk L2) / (8 Gm A)) = 4.917 mm
- Deformazione istantanea per effetto dei carichi variabili:
- U2i = ((5 Q1 L4) / (384 Em Jx)) + ((1.2 Q1 L2) / (8 Gm A)) = 4.532 mm
b) Deformazione finale per effetto dei carichi permanenti + variabili
Nel calcolo della deformazione finale si tiene conto del comportamento reologico del legno. Al termine di deformazione istantanea verrà quindi sommato il termine di deformazione differita, calcolata con riferimento alle componenti quasi-permanenti delle azioni. La deformazione differita può quindi essere valutata moltiplicando la deformazione iniziale per un coefficiente kdef che tiene conto dell'aumento di deformazione nel tempo dovuto all'effetto combinato della viscosità e dell'umidità del materiale.
Ai fini del calcolo pertanto abbiamo:
Ufin = U1i (1 + Kdef) + U2i (1 + y21 Kdef) = 13.215 mm (Kdef = 0.600, y21 = 0.30)