Guida Completa alla Progettazione del Legno Lamellare: Materiali, Calcolo e Conformità Normativa

Il legno, materiale intrinsecamente legato alla nostra storia e sensibilità culturale, ha accompagnato l'uomo dalla realizzazione dei primi utensili fino alle più complesse costruzioni. Le sue proprietà uniche, come la versatilità e il fascino innato, lo rendono un elemento prediletto in architettura e design. Dal calore di una copertura in travi a vista all'utilità di un mestolo da cucina, il legno evoca natura, vita e storia.

Nell'evoluzione delle tecniche costruttive, il legno lamellare incollato rappresenta una pietra miliare. Nonostante la sua applicazione su larga scala sia relativamente recente, ha radici storiche, con le prime intuizioni che risalgono al XV e XVI secolo per elementi compositi, fino ad arrivare al XIX secolo con archi costituiti da pacchi di tavole curvate e bulloni.

Che Cos'è il Legno Lamellare? Definizione e Processo Produttivo

Il legno lamellare è un materiale da costruzione prefabbricato, ottenuto dall'incollaggio di più strati di lamelle di legno naturale, solitamente di spessore generico di 4 cm, sovrapposte e legate con collanti ad alta resistenza. La sigla identificativa di questo prodotto è GLh, dove GL sta per "glue laminated".

La sua produzione inizia con la riduzione del tronco in lamelle, generalmente con larghezza non superiore ai 20 mm. Durante la ricomposizione, le lamelle vengono posizionate con venatura contrapposta e incollate a caldo sotto pressione. Questo processo garantisce una maggiore uniformità nella resistenza della trave. Vengono impiegate tavole già classificate per uso strutturale, e possono essere uniti elementi di diverse essenze legnose, sebbene in Europa l'abete rosso costituisca la fetta di produzione più consistente, con la normativa di riferimento UNI EN 14080.

Vantaggi e Ambiti di Applicazione del Legno Lamellare

Il legno lamellare nasce dall'esigenza di superare i limiti dimensionali e strutturali del legno massiccio, offrendo al contempo un prodotto che mantiene i pregi del legno naturale, come l'elevato rapporto tra resistenza meccanica e peso e la lenta combustione in caso di incendio. I vantaggi sono molteplici:

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• Estetica: L'utilizzo di tavolame essiccato e incollato riduce notevolmente le fessure da ritiro, rendendole quasi impercettibili.
• Prestazioni: Sfruttando le parti migliori del tavolame e posizionandole strategicamente nella sezione (come nel legno lamellare combinato classe GLxxc), si ottiene una qualità più omogenea e un uso più efficiente del materiale.
• Versatilità: Può essere impiegato in un'ampia gamma di strutture, dalle piccole alle grandi, complesse o meno. Questo, unito all'ottimo rapporto prestazioni meccaniche-peso e alla sostenibilità di produzione, lo rende ideale per strutture a grandi luci e con forme curve, come coperture e archi.
• Leggerezza: Con un peso specifico inferiore a 500 kg al m³ (circa l'80% in meno rispetto al cemento armato), consente maggiore sostenibilità dei carichi, riduzione delle opere di fondazione, risparmio sui tempi di cantiere e diminuzione dei costi complessivi (inclusi quelli di trasporto).
• Capacità isolante: Possiede un'alta capacità isolante.
• Resistenza: Alta resistenza ad agenti atmosferici e sbalzi termici, nonché elevata resistenza a flessione e trazione.
• Proprietà antisismiche: Grazie a leggerezza, elasticità e resistenza meccanica, il legno assorbe le sollecitazioni e sopporta le deformazioni, facilitando le riparazioni in caso di danni.
• Sostenibilità: Basso impatto ambientale, dalla produzione al riutilizzo tramite riciclo, ed è facilmente riciclabile.
• Resistenza al fuoco: Alta resistenza al fuoco.

La sua versatilità ne fa un materiale ideale non solo per ristrutturazioni (solai, soppalchi, coperture), ma anche nella bioedilizia come alternativa al cemento armato per la realizzazione di:

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

Selezione del Legno: Tipi, Qualità e Utilizzo Specifico

La scelta del legno è un fattore cruciale nella progettazione. Il legname è un materiale prefabbricato, spesso standardizzato per le costruzioni in legno. Esistono fondamentalmente due tipologie principali:

1. Legno massiccio: Ottenuto direttamente dalla segheria e essiccato. È più economico e sufficiente se non è richiesta una precisione dimensionale assoluta. Può essere più umido e tende a fessurarsi, deformarsi e presentare nodi.
2. Legno lamellare & KVH: Travi o strati incollati realizzati con più pezzi di legno. Sono più secchi, dimensionalmente stabili e resistenti del legno massiccio.

È sempre consigliabile acquistare il legno direttamente dalla segheria o dal proprio fornitore locale di legname. Per quanto riguarda il legno lamellare, esso può essere distinto in base al legno di derivazione delle lamelle, con le conifere come abete rosso e bianco, larice, faggio e pino tra le più utilizzate. Inoltre, il legno lamellare può essere classificato come:

• Incollato omogeneo: Le lamelle appartengono alla stessa classe di resistenza.
• Incollato combinato: Le lamelle appartengono a differenti classi di resistenza.

Qualità del Legno in Base all'Utilizzo

Il buon legname ha un costo, per questo è fondamentale utilizzare legno di alta qualità e durevole solo dove è strettamente necessario: per parti portanti o in zone non edificabili (zone rurali) dove l'esposizione agli elementi è costante. Per 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 commerciante regionale, che offre consulenza esperta e prezzi equi, riducendo anche i tempi di trasporto e l'impronta di CO₂. È meglio evitare legni tropicali come il teak.

• Zone non edificabili (rurali) / Esterni: Il legno esposto agli agenti atmosferici deve essere adatto all'uso esterno, poiché è libero all'influenza di pioggia, umidità e sporco. Per l'uso esterno, in genere, si opta per larice non trattato, abete di Douglas o cedro, legni leggeri, sufficientemente robusti e facili da lavorare. In condizioni di elevato carico o esposizione diretta all'acqua (es. piedi di supporto, gradini di scale, soglie di porte), come per una treehouse in terreno umido o un ponte sospeso che richiede tavole strette e spesse, sono necessari legni particolarmente resistenti come la quercia o la robinia.
• Interni (aree asciutte): Il legno protetto e installato in aree asciutte non richiede un'elevata stabilità. Legni come abete, pino o pioppo sono ideali.

Suggerimento per la scelta: Se si acquista una grande quantità di legname, è consigliabile smistare i pezzi migliori per le aree soggette a carichi pesanti o visibili. Questi pezzi dovrebbero avere anelli annuali stretti (particolarmente stabili), pochi nodi e fessure, essere dritti e non deformati, e avere una venatura attraente. Il legno con difetti estetici o resinato può essere utilizzato in aree non visibili.

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La Progettazione Strutturale e il Calcolo degli Elementi in Legno Lamellare

La progettazione e il calcolo strutturale rivestono un ruolo fondamentale e non possono essere trascurati quando si opera con il legno lamellare, specialmente considerando le grandi luci e le forme complesse che questo materiale permette di raggiungere. Nonostante la sua robustezza, le analisi numeriche e le modellazioni sono strumenti indispensabili per garantirne la stabilità.

Regole Empiriche per il Calcolo delle Travi in Legno

La struttura portante deve essere sempre in grado di sopportare lo "scenario peggiore", che include:

• Condizioni meteorologiche estreme (tempeste, neve bagnata e pesante, ecc.)
• Difetti del legname (fessure, nodi, aree marce, usura)
• Carichi dinamici significativi, non comuni nelle costruzioni tradizionali a terra
• Carichi aggiuntivi dovuti a persone

Per una stima preliminare, si possono usare le seguenti regole empiriche:

Altezza della Trave

Le travi portanti in legno vengono installate in posizione verticale. Utilizza questa regola empirica per calcolare l'altezza delle tue travi in legno:

Altezza della trave [cm] = Distanza di appoggio [cm] / 20

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• La formula si applica a carichi normali e piatti per legname classico (abete rosso / larice / KVH / BSH).
• È valida 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). KVH è disponibile presso i commercianti di legname fino a un'altezza di 24 cm.

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 per la progettazione: Carico elevato, alta qualità! Grandi nodi e fessure riducono notevolmente la stabilità di una trave in legno. Utilizza solo il legno migliore per le travi portanti soggette a carichi pesanti.

La formula sopra calcola "in sicurezza". Anche se si sceglie una trave più bassa di 1-2 cm, essa sarà comunque in grado di sopportare il carico senza problemi.

Larghezza della Trave

La capacità di carico di una trave in legno dipende principalmente dalla sua altezza della sezione trasversale.

Sbalzo della Trave

Questa regola empirica è una guida affidabile per stimare lo sbalzo di una trave in legno:

Sbalzo della trave [cm]* = Altezza della trave [cm] x 5

• La formula si applica a legname classico.
• Le travi sono saldamente ancorate e 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.

A partire da una distanza di appoggio di 4 m, le travi in legno diventano molto pesanti (> 30 kg).

Verifiche Strutturali e Stato Limite Ultimo (SLU)

Nella verifica degli elementi strutturali in legno, le operazioni da effettuare dipendono dalla funzione dell'elemento all'interno della struttura:

• Elementi con prevalente comportamento assiale (controventi o appartenenti a travature reticolari) sono verificati a trazione e/o compressione.
• Elementi con funzioni portanti nei confronti dei carichi verticali (es. travetti del solaio) 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 allo stato limite ultimo (SLU) sono sempre effettuate 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 un'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.

Le verifiche di resistenza degli elementi strutturali in legno sono riferite alla direzione della fibratura, sostanzialmente coincidente con il proprio asse longitudinale e sezione trasversale costante. Le verifiche da effettuare previste al § 4.4.8 del D.M. 2018 includono trazione parallela alla fibratura, compressione parallela alla fibratura, pressoflessione/tensoflessione, taglio, taglio e torsione, stabilità e deformabilità. Nei tabulati di calcolo, per ogni verifica ed elemento, sono riportati i valori delle resistenze e delle sollecitazioni che hanno dato il minimo coefficiente di sicurezza (CS = Rd/Sd).

Per la modellazione e il calcolo delle strutture in legno lamellare, è essenziale affidarsi a strumenti specifici e aggiornati, come i software di calcolo strutturale del legno. I pacchetti software Dlubal RFEM e RSTAB, con i loro add-on specializzati, sono soluzioni ideali per l'analisi strutturale e la progettazione di travi e strutture complesse in legno. Questi software permettono una modellazione 3D efficiente, sono relativamente intuitivi e offrono un supporto rapido ed efficiente.

Dettagli Costruttivi e Soluzioni per la Durabilità

La durabilità di una struttura in legno lamellare dipende non solo dalla qualità del materiale e dalla corretta progettazione, ma anche dall'attenzione ai dettagli costruttivi e dalla scelta dei materiali ausiliari. La protezione del legno dall'umidità permanente è fondamentale per prevenire il degrado.

Elementi Strutturali e Dimensioni Tipiche

Alcuni esempi di elementi strutturali e dimensioni tipiche in progetti che utilizzano legno lamellare includono:

• Montanti in legno: Pali in legno 12×12 cm (cementati con scarpe per pali).
• Parapetti per piattaforma: Il parapetto deve essere alto almeno 90 cm ed è importante che sia fissato in modo permanente e sicuro alla piattaforma.
• Travetti del solaio: I travetti del solaio sono solitamente posati sulla sottostruttura e avvitati saldamente in posizione.
• 3D-Tribeam: I 3D-Tribeam formano una struttura di supporto stabile per piattaforme di tutte le dimensioni. La cosa più importante è proteggere il legno dall'umidità permanente.
• Puntone di colmo e travetti: Il puntone di colmo può essere 10×20 cm e i travetti 7×10 cm, spesso in abete rosso.
• Arco a doppia orditura: Per luci ampie, come 5 m, e carichi elevati (es. copertura), si possono avvitare due travi insieme (es. circa 30 x 10 cm).

Viti per Legno: Acciaio Inossidabile vs. Zincate

Le giunzioni tradizionali, come tenoni e incastri a mezzo legno, sebbene esteticamente gradevoli e testimonianza di maestria artigianale, sono spesso inferiori alle moderne viti per legno in termini di stabilità ed efficienza. Nelle zone non edificabili (rurali), le connessioni classiche possono causare problemi, poiché l'acqua si accumula nelle giunzioni e il legno può marcire.

• Viti in acciaio inossidabile: Indispensabili per esterni e zone umide, dove è presente pioggia, spruzzi d'acqua o umidità costante. L'acciaio inossidabile non arrugginisce, è robusto e mantiene un aspetto pulito nel tempo. L'acciaio inossidabile A2 è sufficiente per la maggior parte delle applicazioni, mentre 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, le viti in acciaio inossidabile restano pulite, mantenendo inalterato anche il legno.
• Viti zincate: Sono più economiche delle viti in acciaio inossidabile e meno fragili. Per viti lunghe, superiori a 140 mm, questo è un vantaggio significativo, in quanto si rompono meno facilmente durante l'avvitamento. Per questo motivo, si utilizzano deliberatamente viti zincate più lunghe di 140 mm per le strutture in zone non edificabili, come le piattaforme, dove la rottura durante l'installazione potrebbe essere problematica.

Normative, Certificazioni e Progettazione Sismica

La storia del legno lamellare, sebbene relativamente giovane, ha già mostrato situazioni in cui stati di conservazione precari evidenziano l'importanza di una progettazione e esecuzione impeccabili. Le cause di molti fallimenti non sono attribuibili alla natura organica del materiale, ma a errori di progettazione o esecuzione. Un dettaglio costruttivo sbagliato o la limitata conoscenza del progettista, così come un'errata realizzazione dell'opera, sottolineano la necessità di impiegare imprese altamente specializzate e con notevole esperienza nelle costruzioni in legno. Da questi errori, è cruciale trarre insegnamento.

È di fondamentale importanza che, oltre alle analisi numeriche, siano presenti accorgimenti costruttivi e tecnologici che tengano conto delle peculiarità del materiale, garantendo una manutenzione razionale dell'opera secondo quanto definito dalla normativa corrente.

Normativa di Riferimento e Coefficienti di Sicurezza

Le normative tecniche, come le NTC (Norme Tecniche per le Costruzioni), disciplinano la progettazione delle nuove opere soggette all'azione sismica e definiscono i coefficienti parziali di sicurezza. Il Paragrafo 4.4 delle NTC e la relativa Circolare Esplicativa forniscono i valori del coefficiente parziale di sicurezza relativo al materiale (ɣM) nella Tabella 4.4.III. I valori della colonna "A" possono essere sempre adottati, mentre quelli della colonna "B" sono applicabili per produzioni continue di elementi o strutture, purché i materiali siano prodotti secondo un sistema di qualità e certificati (es. marcatura CE per elementi incollati come legno lamellare e X-lam), con un controllo continuo della produzione. Il fabbricante deve assicurare un sistema di controllo della produzione in fabbrica, tale da poter attribuire al prodotto i coefficienti parziali di sicurezza previsti. Il termine "tipo di legname" si riferisce a elementi in legno massiccio e alla loro classificazione secondo la norma UNI 11035-1 “Legno Strutturale - Classificazione a vista dei legnami secondo la resistenza meccanica”.

La Progettazione Sismica delle Strutture in Legno

Gli edifici in legno dimostrano generalmente adeguate capacità prestazionali in caso di terremoti. Per garantire il comportamento dissipativo ipotizzato, è necessario identificare per la struttura un meccanismo di collasso duttile globale e localizzare le zone dissipative in alcune connessioni, mentre tutte le membrature e le restanti connessioni devono rimanere in campo elastico. La progettazione in capacità impone che le zone dissipative abbiano una capacità almeno pari alla domanda, mentre le componenti non dissipative adiacenti debbano possedere una capacità pari alla capacità della zona dissipativa amplificata del fattore di sovraresistenza γRd (come indicato nella Tab. 1.2 delle NTC).

L'approccio moderno alla progettazione sismica mira a limitare al massimo l'interruzione delle attività a seguito di un evento sismico con alta probabilità di accadimento e a evitare il collasso in caso di terremoti con bassa probabilità. Le nuove costruzioni in legno, realizzate con tecniche evolute e una crescente prefabbricazione degli elementi strutturali e standardizzazione delle operazioni di montaggio, contribuiscono a questi obiettivi.

È consentito realizzare una struttura in legno che sormonti una struttura realizzata con altra tipologia di materiale (calcestruzzo armato, muratura, acciaio). Se una sottostruttura, come un piano interrato in calcestruzzo armato, può essere considerata rigida rispetto alla sovrastruttura in legno (progettata come dissipativa), l'analisi delle azioni sulla sovrastruttura in legno può essere eseguita indipendentemente, utilizzando i fattori di struttura relativi alle strutture in legno (Tabella 7.3.II delle NTC).

Il nuovo testo del par. 11.7 delle NTC aggiorna le norme con quanto previsto dal Regolamento Europeo, precisando che l'obbligo di Denuncia Attività per i Centri di Lavorazione è cogente sia per la trasformazione di prodotti marcati CE che per quelli oggetto di qualificazione nazionale. L'attestato di Denuncia Attività è parte integrante della documentazione accompagnatoria.

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