Pilastri Prefabbricati e Travi in Legno Lamellare: Soluzioni Strutturali Innovative

L’utilizzo del legno lamellare per uso strutturale è senza dubbio una valida alternativa alle tecnologie costruttive in calcestruzzo armato e acciaio. Se in qualità di progettista strutturale ti incuriosiscono i vantaggi di questo materiale per la realizzazione di nuovi elementi strutturali continua a leggere quest’articolo. Buonasera, devo progettare una tettoia con pilastri e travi di copertura in legno lamellare. Si riportano alcuni possibili particolari costruttivi, consapevoli del fatto che non è possibile coprire in modo esaustivo le diverse possibilità progettuali e tecnologiche.

Che cos'è il Legno Lamellare?

Il legno lamellare è un materiale da costruzione prefabbricato, la cui materia prima è il legno naturale tagliato in lamelle di limitata larghezza e lunghezza, sovrapposte e legate tra loro mediante collanti ad alta resistenza, dando origine a elementi di forma e dimensione prestabilita. Il legno lamellare è un materiale composito che si produce con diverse assi di legno, dette lamelle. Queste vengono posizionate con venatura contrapposta così da garantire una maggior uniformità nella resistenza della trave e ricomposte tramite incollaggio a caldo e sotto pressione. Vengono adoperate tavole già classificate per uso strutturale e possono essere uniti tra loro elementi di diverse essenze legnose.

È costituito, essenzialmente, da legno naturale di cui mantiene i pregi, come elevato rapporto tra resistenza meccanica e peso e lenta combustione in caso di incendio. Allo stesso tempo, è un prodotto industriale innovativo che, attraverso un procedimento tecnologico di incollaggio a pressione, riduce e supera i difetti propri del legno massiccio. Il legno lamellare nasce dall’esigenza di superare i limiti del legno massiccio sia per dimensioni in lunghezza, sia per sezioni, ma soprattutto per concezione strutturale. Il legno massiccio pone dei limiti alla dimensione della sezione trasversale e alla lunghezza dell’elemento strutturale da realizzare.

Processo Produttivo del Legno Lamellare

Le fasi della produzione consistono nella riduzione del tronco in lamelle, generalmente di larghezza non superiore ai 20 mm. Per superare i limiti derivanti dalla lunghezza delle lamelle, le tavole vengono giuntate tra loro mediante giunti a pettine. Nella loro ricomposizione tramite incollaggio a caldo e sotto pressione, le lamelle sono posizionate tra loro con venatura contrapposta così da garantire una maggior uniformità nella resistenza della trave.

Le operazioni di incollaggio rappresentano la fase più importante e delicata dal punto di vista operativo e tecnologico. Per realizzare l’incollaggio fra le lamelle bisogna sottoporre l’elemento strutturale a una pressione il più possibile uniforme. Tale operazione viene effettuata in apposite presse. L’operazione di posizionamento delle lamelle e di chiusura della pressa deve essere fatta il più rapidamente possibile per evitare che la colla cominci a indurire. Per la chiusura delle presse si procede dal centro verso le estremità.

Leggi anche: Particolari Costruttivi in Legno

Breve Storia e Innovazione

L’ideazione della giunzione a dente di sega si fa risalire a Leonardo Da Vinci. Nel XIX secolo Migneron e Wiebeking misero a punto un sistema che prevedeva un arco con lamelle formate da travi curvate a freddo e tenute a pressione mediante staffe metalliche. Una svolta radicale si ebbe dalla coniugazione tra la tecnica della laminazione del legno e quella dell’incollaggio.

Vantaggi del Legno Lamellare

I vantaggi del legno lamellare sono molteplici, sia dal punto di vista tecnico, sia da quello ecologico e strutturale:

• Elevata resistenza a flessione e trazione;
• Versatilità, può essere usato su un gran numero di strutture, grandi e piccole, complesse o meno;
• Leggerezza: ha un peso specifico inferiore a 500 kg al m³ (circa l’80% in meno rispetto al cemento armato) con maggiore sostenibilità dei carichi, riduzione delle opere di fondazione in cemento, notevole risparmio dei tempi di cantiere e generale diminuzione dei costi (tra cui quelli di trasporto);
• Capacità isolante molto alta;
• Alta resistenza ad agenti atmosferici e a sbalzi termici;
• Proprietà antisismiche, grazie a leggerezza, elasticità e resistenza meccanica il legno assorbe le sollecitazioni e sopporta le deformazioni; inoltre, in caso di danni si ripara più facilmente;
• Basso impatto ambientale, dalla produzione al riutilizzo tramite riciclo;
• Facilmente riciclabile;
• Alta resistenza al fuoco.

Tipologie e Applicazioni del Legno Lamellare

Tipologie Comuni

Il legno lamellare può essere distinto in diverse tipologie a seconda del legno di derivazione delle lamelle. In linea generale, quelle maggiormente utilizzate sono le conifere:

• Abete rosso e bianco;
• Frassino;
• Larice;
• Faggio;
• Pino.

Inoltre, il legno lamellare può essere classificato in:

• Incollato omogeneo: in cui le lamelle di cui è composto appartengono alla stessa classe di resistenza;
• Incollato combinato: quando appartengono a differenti classi di resistenza.

Applicazioni Versatili

La sua versatilità lo rende ideale per molti tipi di costruzioni. Infatti, oltre a giocare un ruolo importante nelle ristrutturazioni (solai, soppalchi, coperture), il legno lamellare viene applicato nella bioedilizia in alternativa al cemento armato per la realizzazione di:

Leggi anche: Connessioni ibride legno e acciaio

• Strutture leggere (casette, bungalow, gazebi, tettoie);
• Coperture per capannoni, centri sportivi, scuole, centri commerciali, piscine, auditorium, riqualificazione di teatri;
• Abitazioni a basso consumo energetico;
• Edifici destinati a civile abitazione.

Il Sistema Pilastro-Trave (Post and Beam)

Per struttura Post and Beam oggi si intende una struttura a telaio (trave-pilastro) in legno lamellare (X-LAM, Glulam, LVL, etc.). La tecnica costruttiva a Telaio prevede la combinazione di una maglia strutturale a travi e pilastri in legno lamellare. Reinterpretando la concezione strutturale di un tradizionale edificio in cemento armato, le travi ed i pilastri armati e gettati in opera vengono sostituiti da elementi in legno lamellare prodotti e lavorati in stabilimento. I solai sono normalmente realizzati con pannelli a base legno, mentre la stabilità laterale dell’edificio è solitamente affidata a un sistema di controvento (nucleo, aste inclinate o pareti).

Il sistema Post and Beam altro non è che una rivisitazione in legno ingegnerizzato del sistema costruttivo più antico del mondo, quello trilitico, composto da due colonne e un architrave in pietra, ereditato anche dalle odierne strutture a telaio in calcestruzzo. La tecnica del Post and Beam si presta ad applicazioni molto diverse, da quelle più leggere per l’outdoor a quelle più sfidanti da un punto di vista strutturale. Oggi è possibile costruire in legno strutture edifici multipiano con notevole distanza tra i pilastri e luci che fino a pochi anni fa erano appannaggio esclusivo del calcestruzzo armato. A differenza di quest’ultimo, però, l’uso del legno significa una maggiore rapidità costruttiva e soprattutto una maggiore sostenibilità.

Vantaggi del Sistema Costruttivo a Telaio

I vantaggi di questo sistema applicato a strutture monopiano e bipiano, sono:

• Elevata resistenza alle azioni di sisma;
• Prefabbricazione degli elementi strutturali: travi e pilastri;
• Velocità di installazione in cantiere;
• Progettazione architettonica libera da vincoli di struttura;
• Elevata fruibilità degli spazi interni, anche in “open space”;
• Eliminazione di ponti termici;
• Classi energetiche elevate.

Confronto con altri Sistemi in Legno

La costruzione in legno non si riduce più a un unico sistema costruttivo. I committenti, gli architetti e i promotori dispongono oggi di diverse soluzioni strutturali collaudate: l'ossatura in legno, il CLT (legno lamellare crociato) e il sistema pilastro-trave. Ogni filiera presenta le proprie logiche di messa in opera, i propri vantaggi tecnici e le proprie condizioni d'impiego privilegiate. Scegliere la struttura giusta significa anticipare i vincoli del programma, del budget e del calendario - e ottimizzare fin dalla progettazione il bilancio carbonico dell'edificio.

La differenza con il sistema Timber Frame (a telaio leggero) sta dunque soprattutto nel materiale e nella conseguente resistenza della struttura. Il sistema pilastro-trave si basa su una rete di pilastri verticali e travi orizzontali in legno lamellare incollato o in LVL (legno lamellare parallelo). La struttura portante è visibile o integrata, e i tramezzi non svolgono alcun ruolo strutturale. La sua quota di utilizzo raggiunge il 24% delle costruzioni in legno, in particolare grazie a una presenza più marcata nel residenziale collettivo e nel terziario. Questo sistema è particolarmente adatto agli edifici terziari, alle attrezzature pubbliche, ai capannoni e ai programmi che richiedono grandi superfici libere.

Leggi anche: soluzioni per il fissaggio trave-pilastro

Il CLT (Cross Laminated Timber, o legno lamellare crociato) è un pannello massiccio costituito da strati di tavole di legno sovrapposte perpendicolarmente e incollate sotto pressione. L'ossatura in legno si basa su una rete di montanti per ossatura in legno e traversi in legno di piccola sezione, che formano la struttura portante delle pareti e dei solai. È il sistema di gran lunga più diffuso.

Connessioni per Pilastri e Travi in Legno Lamellare

Per ogni tipo di struttura occorrono connessioni proporzionate. L’ampia scelta di sistemi di giunzione Rothoblaas permette di rispondere a molteplici esigenze progettuali.

Collegamento a Terra dei Pilastri

Per quanto riguarda i pilastri, il collegamento a terra è in genere realizzato mediante piastre metalliche esterne fissate alla base del pilastro ligneo tramite viti, chiodi, perni o bulloni. Nel caso in cui sia richiesta una resistenza al fuoco maggiore o per ragioni estetiche, si possono utilizzare piastre a scomparsa, alloggiate in fresature nel legno. Il vincolo a terra può essere schematizzato a cerniera: al fine di permettere la rotazione le piastre dovranno essere poste il più vicino possibile all’asse del pilastro, in modo da ridurre il braccio della coppia di forze agenti.

Connettori per Travi e Strutture Ibride

Le connessioni per travi devono resistere principalmente a carichi gravitazionali. Le resistenze testate e certificate in tutte le direzioni sono una garanzia della robustezza strutturale in caso di eventi eccezionali (urti, esplosioni, uragani, terremoti). Questo contribuisce alla robustezza strutturale dell’edificio, garantendo una maggiore sicurezza e resistenza.

In una struttura Post and Beam i pilastri non devono necessariamente essere in legno, ma è possibile connettere travi in legno ad elementi strutturali composti da diversi materiali: legno, acciaio o calcestruzzo. La gamma Rothoblaas ha soluzioni apposite anche per questa esigenza.

Scelta del Connettore Adatto

Come scegliere il giusto connettore per le strutture post and beam? Per scegliere il connettore più corretto per ogni progetto Post and Beam, Rothoblaas ha reso disponibili due strumenti essenziali: La guida "LOCK SCELTA DEL CONNETTORE E GUIDA ALLA DURABILITÀ", studiata per supportare la scelta delle migliori soluzioni a scomparsa a seconda delle condizioni di installazione. Considera fattori come esposizione, umidità, inquinamento, distanza dal mare, pH del legno e classe di servizio.

Prefabbricazione e Montaggio in Cantiere

Oltre alla resistenza statica e alla robustezza strutturale, le connessioni di una struttura Post and Beam devono garantire un buon risultato estetico e flessibilità d’installazione. Così anche la possibilità di prefabbricazione e di smontabilità sono caratteristiche importanti, in funzione delle quali scegliere la connessione più adatta. Ogni cantiere ha le proprie esigenze logistiche, che impongono sequenze costruttive diverse. Ad esempio, scegliendo la modalità di fissaggio più adatta è possibile eseguire l’installazione della trave secondo diverse modalità di posa.

La serie LOCK, ad esempio, prevede necessariamente un fissaggio Top-Down. Alcuni sistemi di connessione possono essere parzialmente o interamente prefabbricati in stabilimento, preinstallando i connettori sulle travi e sui pilastri, lavorando così in un ambiente controllato e non soggetto agli eventi meteorologici. In cantiere è poi sufficiente integrare la connessione con pochi connettori, minimizzando il rischio di errori. Prefabbricazione significa spesso anche smontabilità: ciò che richiede poco sforzo in cantiere per essere assemblato, richiederà poco tempo, in futuro, per essere disassemblato per esigenze di modifica/ampliamento dell’edificio, oppure per la demolizione a fine vita utile.

Tamponature e Tetto Ventilato nelle Strutture a Telaio

Tamponature a Secco

Montanti e traversi intessono la struttura delle tamponature a secco, che vengono controventate da pannelli pluristrato o OSB. Fra i montanti in legno ed internamente viene posizionato il materiale termo acustico; spessori e tipologie vengono scelti in base alla classe energetica richiesta. Successivamente viene posato il gesso rivestito o fibrogesso ed infine si procede al tinteggio interno delle pareti. Esternamente verrà posato il cappotto termico costituito da apposito materiale termoacustico, spessore e tipologia in base alle esigenze ed alla classe energetica richiesta, che sarà quindi rasato e tinteggiato o magari rifinito con geo pietre o finiture metalliche in base alle scelte architettoniche.

Funzionamento del Tetto Ventilato

Per garantire un comfort ottimale viene posato un “Pacchetto Ventilato”. Il tetto ventilato è un sistema di elementi complementari che insieme contribuiscono al raggiungimento di elevate prestazioni del pacchetto di copertura quali “Comfort Abitativo” e “Risparmio Energetico”. Grazie a questa tecnologia d’applicazione l’isolante non riceve calore dal manto per conduzione diretta, lavorando nelle sue condizioni di rendimento ottimale.

In Estate impedisce l’irradiazione del calore verso l’interno, migliorando sensibilmente il comfort abitativo. In Inverno mantiene asciutto l’isolante, eliminando condense e/o muffe, consentendogli di lavorare in maniera ottimale e di mantenersi nel tempo. L’aria all’interno della camera di ventilazione si mette in moto grazie alla differenza di temperatura. In estate la differenza di temperatura è data dal surriscaldamento del manto di copertura e dall’aria presente nella camera di ventilazione (temperatura ambiente).

D’inverno la differenza di temperatura è generata dal calore proveniente dall’ambiente sottostante e dalla temperatura dell’aria dentro la camera di ventilazione. La copertura (nella stagione estiva) e l’ambiente sottostante (nella stagione invernale) sono le sorgenti di trasferimento del calore all’aria immagazzinata all’interno della camera di ventilazione. L’aria, aumentando la sua temperatura, aumenta di conseguenza il suo volume e diminuisce la sua densità, si innesca così il moto ascendente (dalla gronda al colmo) dell’aria all’interno dell’intercapedine, richiamando aria fresca dalla sezione di ingresso presente lungo tutta la linea di gronda e consentendo la sua fuoriuscita lungo la sezione sulla linea di colmo.

Componenti del Pacchetto Ventilato:

• Freno vapore
• Listellatura
• Isolante
• Telo ad alta traspirazione
• Formazione della camera di ventilazione
• Posa pannelli OSB
• Chiusura della camera di ventilazione
• Membrana impermeabilizzante
• Formazione del colmo ventilato

Sostenibilità e Impatto Ambientale

L'uso del legno significa una maggiore rapidità costruttiva e soprattutto una maggiore sostenibilità. Secondo i dati di un recente studio, ogni m² di costruzione in legno significa in media un risparmio di circa 74 kg di CO₂ rispetto al cemento. Inoltre, anche l’impatto sul consumo di risorse idriche è di molto inferiore, con un risparmio di oltre 5 m³ di acqua per ogni m² edificato. Infine, usare il legno come materiale strutturale significa anche una drastica riduzione dei rifiuti prodotti, con più di 158 kg in meno per m².

Sul piano ambientale, il vantaggio del legno è significativo: il CLT immagazzina carbonio biogenico per tutta la sua vita. Si considera che un metro cubo di legno immagazzini fino a 1 tonnellata di CO₂ equivalente. Nella RE2020, questo stoccaggio migliora direttamente l'indicatore IC Construction. Uno studio realizzato dal cabinet Carbone 4 per Woodeum confronta la costruzione CLT con la costruzione in calcestruzzo su un edificio R+7 di 10 000 m²: il bilancio globale raggiunge -60 kg CO₂/m² per la struttura CLT, contro +420 kg CO₂/m² per un edificio in calcestruzzo armato convenzionale.

Il CLT massiccio presenta il miglior stoccaggio carbonico per m², in ragione del volume di legno messo in opera. L'ossatura in legno, più parsimoniosa in materia, offre un bilancio favorevole ma generalmente inferiore al CLT a livello equivalente.

La seguente tabella riassume i bilanci di CO₂ comparativi tra diversi sistemi costruttivi per edifici di pari dimensioni:

Sistema Costruttivo	Dimensioni	Bilancio Globale CO₂	Stoccaggio Carbonico
Struttura CLT	R+7, 10 000 m²	-60 kg CO₂/m²	-231 kg CO₂/m²
Struttura in calcestruzzo armato convenzionale	R+7, 10 000 m²	+420 kg CO₂/m²	Non specificato

Calcolo e Verifica Strutturale

Per progettare adeguatamente una struttura in legno lamellare è indispensabile effettuare il calcolo strutturale e tutte le verifiche richieste dalla norma di riferimento in modo da non compromettere la sicurezza della struttura stessa. Per questa ragione, ti suggerisco di affidarti a strumenti specifici costantemente aggiornati, come il software calcolo strutturale legno, con cui puoi modellare coperture, porticati ed altri componenti in legno presenti in una struttura mista in cemento armato o in muratura.

Verifiche degli Elementi Strutturali in Legno

Nella verifica degli elementi strutturali in legno, le verifiche da effettuare per ogni elemento dipendono dalla funzione dell’elemento nella struttura. Ad esempio:

• Elementi con prevalente comportamento assiale (controventi o appartenenti a travature reticolari) sono verificate a trazione e/o compressione;
• Elementi con funzioni portanti nei confronti dei carichi verticali sono verificati a pressoflessione retta e taglio;
• Elementi con funzioni resistenti nei confronti di azioni orizzontali sono verificati a pressoflessione/tensoflessione deviata e taglio oppure a sforzo normale se hanno la funzione di controventi.

Le verifiche di resistenza degli elementi strutturali in legno sono riferite alla direzione della fibratura coincidente sostanzialmente con il proprio asse longitudinale e sezione trasversale costante.

Le verifiche da effettuare previste al § 4.4.8 del D.M. 2018 sono:

• Di trazione parallela alla fibratura;
• Di compressione parallela alla fibratura;
• Di pressoflessione/tensoflessione;
• Di taglio;
• Di taglio e torsione;
• Di stabilità;
• Di deformabilità.

Le verifiche allo stato limite ultimo (SLU) sono effettuate sempre controllando il soddisfacimento della relazione: Rd = (kmod·Rk)/γM ≥ Sd dove: Rk è il valore caratteristico della resistenza del materiale; per sezioni in legno massiccio o lamellare incollato sottoposti a flessione o a trazione parallela alla fibratura che presentino rispettivamente una altezza o il lato maggiore della sezione trasversale inferiore a 150 mm per il legno massiccio e 600 mm per il legno lamellare incollato, i valori caratteristici della resistenza vengono incrementati tramite il coefficiente moltiplicativo kh (di cui al §11.7.1.1 D.M. 2018); kmod è il coefficiente correttivo che tiene conto dell’effetto, sui parametri di resistenza, sia della durata del carico sia dell’umidità della struttura (i valori di kmod sono forniti nella Tab. 4.4.IV D.M. 2018); γM è il coefficiente parziale di sicurezza relativo al materiale, i cui valori sono riportati nella Tab. 4.4.III D.M. 2018.

Nei tabulati di calcolo, per ogni tipo di verifica e per ogni elemento interessato dalla verifica, sono riportati i valori delle resistenze e delle sollecitazioni che hanno dato il minimo coefficiente di sicurezza, calcolato generalmente con la relazione: CS = Rd/Sd.

Relazione di Calcolo

Puoi scaricare gratuitamente la relazione di calcolo e il tabulato della struttura in legno lamellare elaborata con il software calcolo strutturale legno. Nella seguente relazione tecnica, relativamente alla parte in legno, vengono riportate le caratteristiche fisiche e meccaniche del materiale, la classe di servizio, per poi tener conto della sensibilità del legno alla variazione di umidità e dell’influenza di questa sulle caratteristiche di resistenza e di deformabilità, e infine, le modalità di verifica secondo quanto prescritto dalla normativa tecnica.

tags: #pilastro #prefabbricato #trave #legno #lamellare