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, garantendo la sicurezza e l'efficienza delle costruzioni in legno.
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.
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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. 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.
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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. 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 Calcolo delle Travi in Legno
La struttura portante deve sempre essere in grado di resistere allo 'scenario peggiore', che include condizioni come clima estremo, difetti nel legname (es. crepe, nodi, aree marce, usura), molti carichi dinamici che non si verificano nelle case normali a terra e carichi aggiuntivi causati da persone.
Calcolo dell'Altezza delle Travi in Legno
Le travi portanti in legno vengono installate in verticale. Per calcolare l'altezza delle travi in legno si può usare questa regola empirica:
Altezza trave [cm] = distanza di appoggio [cm] / 20
Questa formula si applica a carichi normali, piatti per legname classico (abete rosso / larice / KVH / BSH) e per travi a campata singola, ovvero travi che poggiano solo su due punti. Il peso è stato calcolato utilizzando abete rosso KVH (460 kg/m³).
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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 o se si prevedono grandi quantità di neve o folle di persone. Al contrario, la formula sopra calcola 'sul sicuro'. Anche se si sceglie una trave di 1-2 cm più bassa, essa supporterà comunque il carico senza problemi. Grandi nodi e crepe riducono notevolmente la stabilità di una trave in legno. Utilizzare solo il legno migliore per travi portanti soggette a carichi elevati.
La Corretta Larghezza della Trave
La capacità portante di una trave in legno dipende principalmente dalla sua altezza della sezione trasversale.
Sbalzo/Sporgenza della Trave in Legno
Questa regola empirica è una guida affidabile per stimare lo sbalzo di una trave in legno:
Sbalzo trave [cm]* = altezza trave [cm] x 5
La formula si applica al legname classico, con travi saldamente ancorate e che non possono ribaltarsi. *Nota: Poiché il calcolo è in questo caso più complesso, questa formula dovrebbe essere usata solo per stime approssimative. I valori sono molto sicuri per carichi normali.
TRAVE IN LEGNO DIMENSIONAMENTO E VERIFICA
Selezione del Legno e Materiali
Acquisto del Legname: Tipi e Qualità
Il legname è legno prefabbricato, spesso standardizzato per le costruzioni in legno. Esistono fondamentalmente due tipi:
Legno massiccio: direttamente dalla segheria ed essiccato. Economico e sufficiente se non è richiesta un'assoluta precisione dimensionale. Può essere più umido e tende a fessurarsi, deformarsi e avere nodi.
Legno lamellare e KVH: travi o strati incollati da più pezzi di legno. Più asciutto, più stabile dimensionalmente e più resistente del legno massiccio.
È sempre consigliabile acquistare il legno direttamente dalla segheria o dal rivenditore locale di legname.
Qualità e Utilizzo del Legno in Base all'Ambiente
Un buon legname ha un prezzo. Per questo, il legno di alta qualità e durevole dovrebbe essere usato 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, una qualità di legno più semplice è spesso sufficiente. È preferibile utilizzare legno locale da una segheria o un rivenditore di legname regionale, evitando legni tropicali come il teak.
Aree non edificabili (zone rurali): Il legname esposto agli agenti atmosferici deve essere adatto all'uso esterno, poiché è liberamente esposto a influenze ambientali (pioggia, umidità, sporco, ecc.). Nella nostra falegnameria utilizziamo sempre larice non trattato, abete di Douglas o cedro per l'esterno - il legno è leggero, sufficientemente resistente e facile da lavorare.
Uso esterno - per carichi pesanti: Se il legno è avvitato direttamente all'albero o a terra in un'area esposta a schizzi d'acqua (es. piedi di supporto, gradini, soglie), dovrebbe essere particolarmente resistente (quercia, robinia, ecc.).
Interni - asciutti: Il legno protetto e installato in aree asciutte non richiede elevata stabilità. Tipi di legno come abete rosso, abete bianco, pino o pioppo sono ideali.
La Scelta delle Viti per Legno (Acciaio Inox vs. Zincato)
Le giunzioni tradizionali come tenoni e incastri a mezzo legno, sebbene esteticamente gradevoli, sono chiaramente inferiori alle moderne viti per legno in termini di stabilità ed efficienza. Le connessioni classiche sono spesso problematiche, specialmente in aree non edificabili (zone rurali), dove l'acqua può accumularsi nelle giunzioni e far marcire il legno.
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 ha 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 avvitate e presto lasciano brutte macchie di ruggine, l'acciaio inossidabile rimane pulito - e così anche il legno.
Viti zincate: Le viti zincate non sono solo 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 si rompono meno facilmente durante l'avvitamento. Per questo motivo, si utilizzano deliberatamente viti zincate più lunghe di 140 mm per le piattaforme in zone rurali.
Il Dimensionamento del Solaio in Legno
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. Il flauge, in particolare, è 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.
Interventi su Solai Esistenti: Il Caso del Rinforzo
I solai lignei esistenti esigono spesso interventi di rinforzo e irrigidimento in quanto, realizzati per sopportare carichi modesti, presentano quasi sempre deformabilità eccessiva rispetto alle abituali esigenze. Nel caso in esame un collega si trova a dover intervenire su di un solaio in legno esistente formato da travetti 15x15 con interasse 80 cm e luce 5.20 m e tavolato di spessore 4 cm. Su di esso, causa altezze limitate, si può mettere solo un pannello di XLAM (spessore di circa 6 cm, commercialmente reperibile).
L'idea è quella di inchiodare il pannello di XLAM in modo da aumentare la resistenza del pacchetto esistente e limitare la freccia, essendo l'ambiente adibito a civile abitazione (carichi cat. A, gk=1.00 kN/mq, qk=2.00 kN/mq). Dopo l'intervento si otterrà una struttura composta formata da 2 elementi (le travi originarie e il pannello XLAM) collegati puntualmente da connettori lavoranti a taglio (nella domanda si parla di chiodi), in presenza di un tavolato di interposizione di 4 cm, ordito in direzione trasversale, che di fatto rappresenta un "vuoto" che tende a far diminuire molto la rigidezza e la resistenza del connettore a taglio.
La collaborazione tra Würth e Timbertech di Trento ha dato vita a Würth Connections, un software di calcolo per la progettazione di solai collaboranti in legno-calcestruzzo. Questo software rappresenta una valida soluzione per i progettisti, offrendo un efficace supporto per l’esecuzione a regola d’arte del lavoro in cantiere. La vite ASSY PLUS VG rappresenta la soluzione di riferimento per la realizzazione di solai legno-calcestruzzo e per il risanamento di solai con travi in legno in edifici residenziali, industriali e storici. In base alle indicazioni contenute nel nuovo certificato ETA, è stata tolta dalle opzioni di dimensionamento dei solai in legno e calcestruzzo la possibilità di utilizzare le viti ASSY PLUS VG con diametro di 10 mm.
Esempio di Calcolo per un Solaio a Orditura Semplice
Riportiamo 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 e Normativa di Riferimento
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 il coefficiente che tiene conto delle condizioni di servizio (umidità del legno) e della durata del carico. È un fattore di correzione che tiene in conto contemporaneamente dell'influenza sulla resistenza del materiale dovuta al contenuto di umidità nel legno e alla durata del carico. 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:
| Parametro | Descrizione e Valore/Condizione |
|---|---|
| Coefficiente Parziale di Sicurezza (γm) | Per il legno lamellare: 1.45 |
| Classi di Durata del Carico | Istantanea (venti, esplosioni), Breve (neve, esercizio), Media (neve in quota, esercizio), Lunga (peso proprio, neve), Permanente (peso proprio) |
| Classi di Servizio (Umidità) |
|
| Valori di Kmod (legno massiccio/lamellare) |
|
Dati Geometrici e Materiali
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. γm = 1.45 (coefficiente parziale di sicurezza per il legno lamellare). Kh = 1.100 (coefficiente che incrementa la resistenza per flessione o trazione parallela alla fibratura quando la dimensione della sezione Lmax è inferiore a 15 cm per 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 (flessione) = 145.66 daN/cmq, fvd (taglio) = 21.24 daN/cmq, ft0d (trazione) = 116.52 daN/cmq. Per soli carichi permanenti (Kmod = 0.600): fmd (flessione) = 109.24 daN/cmq, fvd (taglio) = 15.93 daN/cmq, ft0d (trazione) = 87.39 daN/cmq.
Schema Statico e Analisi dei Carichi
Schema statico: appoggio-appoggio.
Carichi permanenti: pavimento+sottofondo 110,0 daN/mq (g1 = 121,6 daN/mq, g1 x interasse travi = 72.9 daN/m), peso proprio trave 9.2 daN/m. G1 = 82.2 daN/m.
Carichi permanenti non strutturali: ripartizione tramezzature 80,0 daN/mq. G2 = g2 x interasse travi (0.60 m) = 48.0 daN/m.
Carichi variabili: sovraccarico variabile 200,0 daN/mq. Q1 = q x interasse travi (0.60 m) = 120.0 daN/m.