Il rinforzo strutturale delle travi in legno rappresenta una soluzione fondamentale per preservare e valorizzare il patrimonio edilizio esistente, garantendo sicurezza e durabilità nel tempo. Le strutture lignee, pur essendo materiali naturali di grande pregio, possono subire deterioramenti dovuti all'invecchiamento, agli agenti atmosferici, agli attacchi biologici o a carichi strutturali superiori a quelli originariamente previsti. Il recupero del patrimonio edilizio esistente rappresenta un tema cruciale su cui gli operatori della filiera dell’edilizia stanno concentrando una crescente attenzione, dal risanamento di travi in legno a interventi strutturali sugli edifici. Alle ragioni di convenienza economica, va aggiunta inoltre una rinnovata sensibilità complessiva nei confronti di un impiego più razionale delle risorse, delle prestazioni energetiche e della sicurezza degli edifici.
Rinforzare una trave è quasi sempre una necessità. Rinforzare una trave significa nella maggior parte dei casi risolvere un problema strutturale. In altri, significa aggiungere un tassello al quadro della prevenzione, soprattutto in prospettiva antisismica. Le cause che rendono necessario un intervento di rinforzo sono molteplici:
- Usura: Il fisiologico trascorrere del tempo può compromettere l’integrità di alcuni elementi, travi incluse. Questa dinamica riguarda soprattutto i materiali meno durevoli, come il legno.
- Aumento dei carichi: Innalzamenti e modificazioni simili richiedono un intervento di rinforzo delle travi.
- Rinforzo antisismico: Le travi possono essere rinforzate in una prospettiva preventiva, ovvero per ridurre i danni causati da un eventuale terremoto.
- Lesioni: Eventi di varia natura, non ultimo i sismi, possono causare lesioni alle travi.
Rinforzo con Funi d'Acciaio Presollecitate
L’articolo descrive una tecnica di rinforzo strutturale di travi lignee mediante l’impiego di funi in acciaio, evidenziandone principi statici, modalità di posa e vantaggi in termini di incremento di capacità portante. Il contributo è di natura tecnico-applicativa e si rivolge a progettisti impegnati nel recupero e consolidamento di edifici esistenti, in particolare storici. Questo contenuto è stato estratto dal Libro “CONSOLIDAMENTO DELLE STRUTTURE LIGNEE CON L’ACCIAIO” di Massimo Mariani.
Principi e Componenti del Sistema
Le funi sono poste ai lati della trave e ancorate alle teste, esternamente agli appoggi, mediante fasce d’acciaio bullonate. Nella mezzeria della trave è situato un supporto d’acciaio, costituente il puntone, che ha il compito di produrre un’azione verso l’alto nella fase della tesatura dei tenditori, o all’atto dell’applicazione dei carichi. Il puntone d’acciaio è fornito di due pulegge che servono per far scorrere la fune durante qualsiasi variazione di carico. Il vantaggio di questo metodo di rinforzo sta nella semplicità di esecuzione.
La Figura 1 e la Figura 2 mostrano una trave rinforzata con fune d’acciaio presollecitata con puntone centrale, con la Figura 2 che offre un particolare assonometrico. La Figura 3 illustra un particolare del puntone d’acciaio, mentre la Figura 4 mostra il particolare dell’ancoraggio di testata. Ogni supporto d’acciaio delle funi è progettato per ottimizzare l'efficienza del sistema.
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Varianti e Applicazioni Specifiche
Esistono diverse varianti di questo sistema di rinforzo per adattarsi a specifiche esigenze strutturali. Una di queste è il rinforzo con due puntoni intermedi, come evidenziato nella Figura 5. Questo sistema ha carattere prettamente provvisionale per la messa in sicurezza delle strutture, soprattutto quando una trave molto deformata ha già manifestato chiaramente la sua propensione ad un collasso imminente.
In alcuni casi, è necessario ancorare le funi alla muratura. La Figura 6 mostra una trave rinforzata con funi d’acciaio presollecitate ancorate alla muratura con perforazioni armate. Per questo motivo si ricorre alla perforazione inclinata dei muri portanti vicino agli appoggi e all’inserimento di barre d’acciaio filettate in fori saturati con idonei leganti di densità tale da evitare la percolazione e caratterizzati da un tempo rapido di presa. La Figura 7 visualizza la perforazione nel muro per l’inserimento delle barre di ancoraggio. Una soluzione utile è quella che non prevede lo smontaggio del solaio: all’occorrenza potrebbe essere smontata solo una minima parte di orditura secondaria in prossimità del contorno del solaio e ciò per permettere di eseguire con maggiore libertà le perforazioni che, altrimenti, sarebbero confinate in un minimo spazio sotto di esso. La Figura 8 fornisce un particolare assonometrico di questo sistema di rinforzo, mentre la Figura 9 illustra un sistema di rinforzo provvisorio con ancoraggio alla muratura con uno o più perforazioni armate.
Nei puntoni intermedi, per semplificare o in presenza di limitate sollecitazioni, le pulegge potranno essere sostituite da anelli nei quali far passare le funi. La Figura 12 mostra questa soluzione con anelli in alternativa alle carrucole. Il sistema di rinforzo di Figura 13, oltre a possedere il carattere di provvisorietà e di immediatezza di esecuzione, può garantire anche ulteriore efficacia con lo sfruttamento delle proprietà meccaniche residue della trave. Questo approccio è specificamente volto a sfruttare le resistenze al taglio della trave. L’ancoraggio dei tiranti è costituito da un sostegno d’acciaio in corrispondenza dell’appoggio e dai puntoni intermedi, come mostrato nella Figura 14.
Installazione staffa Alu
Rinforzo con Materiali Compositi Fibrorinforzati (FRP)
Il consolidamento e rinforzo di elementi lignei mediante l’applicazione di lamine in materiali quali acciaio o composti fibrorinforzati (FRP) necessita di particolare attenzione sia nelle fasi di progetto che di posa in opera. Gli FRP per il consolidamento delle strutture in legno rappresentano la soluzione migliore per il rinforzo e il consolidamento delle strutture in legno. La sigla FRP sta per Fyber Reinforced Polymers, e possono essere considerati dei materiali compositi, frutto di un mix tra matrici polimeriche e fibre di carbonio/vetro.
Considerazioni Critiche nell'Uso dei Materiali di Rinforzo
Innanzitutto si devono porre in opera sistemi di rinforzo che non inducano col tempo degrado del legno di tipo biologico. L’intervento effettuato deve consentire lo scambio di umidità con l’ambiente esterno, evitando dannosi accumuli di condensa, che può portare ad un rapido degrado biologico dell’elemento ligneo. Il collegamento rigido con piastre metalliche in direzione trasversale alla direzione di fibratura può essere problematico anche a causa del comportamento igroscopico del legno, venendosi a determinare uno stato di coazione e la fenditura del materiale che non è libero di deformarsi a causa della presenza dell’elemento metallico, che viene a configurarsi come un vincolo rigido.
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Per solidarizzare il materiale di rinforzo (piastre metalliche o FRP) al legno si possono adottare connessioni metalliche o connessioni incollate (in genere mediante utilizzo di adesivi a base epossidica). Si deve però tener conto che è difficile ottenere una buona aderenza tra piastre d’acciaio lisce e la colla e che in generale possono insorgere tensioni di trazione perpendicolare alla linea di colla, i cui valori possono attingere livelli tali da provocare il distacco prematuro della lamina.
Ambiti di Applicazione degli FRP
I principali ambiti di impiego degli FRP sono due: la ricostruzione di testate ammalorate e il rinforzo di elementi prevalentemente inflessi. Vediamoli nel dettaglio:
Ricostruzione di Testate Ammalorate
Nel primo caso, è possibile procedere alla ricostruzione delle testate lignee ammalorate con getti epossidici. Per farlo, occorre seguire questa procedura:
- scavare l'estradosso e predisporre i casseri;
- inserire le armature sintetiche FRP;
- realizzare il getto epossidico collaborante ed eseguire il rinforzo localizzato con fibre.
Rinforzo di Elementi Flessi
Nel caso dei rinforzi di elementi lignei prevalentemente inflessi, come singole travi, putrelle di solai o singoli elementi di sistemi strutturali più complessi come le capriate e i telai, il materiale di rinforzo può essere costituito da tessuti di varia costituzione o da lamine, applicati secondo criteri tali da conseguire vantaggi in termini di resistenza e di deformabilità, oppure di duttilità.
Il rinforzo in FRP viene in genere applicato nei punti di debolezza della trave, ovvero in quelle porzioni in cui la capacità di resistenza è surclassata dalle forze che la sollecitano. Ovviamente, prima di procedere con l’applicazione delle FRP è necessario “ripulire” la trave, ovvero rimuovere le parti ammalorate, se necessario spazzolare i ferri.
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Il Rinforzo con Tessuti
L'applicazione dei tessuti di rinforzo FRP, principalmente utilizzati come rinforzo flessionale, consente di incrementare la resistenza flessionale degli elementi mediante incollaggio delle fasce di tessuto di rinforzo in zona tesa. Il rinforzo potrà essere realizzato con fasce di tessuto in fibra di vetro o in fibra di carbonio. Tale intervento si presta a essere utilizzato principalmente negli ambienti di sottotetto, nelle zone in cui è previsto un controsoffitto di finitura, oppure nei casi in cui è possibile rivestire esternamente l'elemento ligneo.
Il Rinforzo con Lamine
L'intervento di rinforzo da eseguire mediante le lamine, prevede invece l'utilizzo di Kimitech PLATE. Il materiale di rinforzo viene quindi inserito all'interno di fessure appositamente prodotte per contenere le lamine stesse e consente quindi di ridurre al minimo l'impatto estetico dell'intervento. Per effettuare questa procedura occorre, nell'ordine:
- incidere lateralmente la trave;
- eseguire il pre-riempimento dell'intercapedine con resina;
- inserire la lamina;
- effettuare la successiva stuccatura con resina;
- a stagionatura conclusa, procedere con la verniciatura.
Questa procedura è stata eseguita con successo per l'intervento di consolidamento strutturale della Chiesa di Santa Maria della Pace a Chiusi, in provincia di Siena. In quel caso, come potrete vedere dalle immagini della nostra referenza, le travi del solaio, essendo decorate all'intradosso, dovevano essere mantenute a vista e la finitura non doveva essere alterata in alcun modo.
Metodi di Calcolo e Normative di Riferimento
Si può quindi procedere al calcolo con le regole di calcolo per le strutture composte a connessione cedevole (si veda l’appendice B dell’Eurocodice 5), ipotizzando per entrambi i materiali un comportamento elastico-lineare. Per quanto riguarda i profili resistenti degli elementi strutturali di legno si deve far riferimento alle norme UNI EN 338, UNI 11035 e UNI 11119, alle quali si rimanda per approfondimenti. Per quanto riguarda la valutazione delle caratteristiche meccaniche di elementi in opera si può far riferimento in particolare alla norma UNI 11119:2004.
La norma UNI 11119:2004 "Beni culturali - Manufatti lignei - Strutture portanti degli edifici - Ispezione in situ per la diagnosi degli elementi in opera" stabilisce procedure e requisiti per la diagnosi dello stato di conservazione e la stima della resistenza e della rigidezza di elementi lignei in opera nelle strutture portanti di edifici compresi nell’ambito dei beni culturali, attraverso l’esecuzione di ispezioni in situ e l’impiego di tecniche e metodologie di prova non distruttive. Tale norma precisa le deroghe ammissibili allo scopo di rendere applicabile agli elementi strutturali lignei in opera il metodo della classificazione secondo la resistenza, anche quando le condizioni operative sono significativamente diverse da quelle riscontrabili nella normale classificazione dei segati a piè d'opera. Ad esempio la UNI 11035 (parti 1 e 2) descrive una metodologia di classificazione applicabile anche a elementi strutturali in opera, purché siano soddisfatte tuttavia una serie di condizioni che non sempre è possibile riscontrare (in particolare la visibilità e accessibilità dell'elemento devono essere estese ad almeno 3 lati e ad una delle due testate).
Per quanto riguarda i valori Kser, si possono considerare quelli proposti dall’Eurocodice (tali valori possono essere calcolati moltiplicando per 2 il valore di Kser per connessioni legno-legno) e valori presenti in letteratura, come ad esempio quelli proposti da Gelfi e Giuliani al riguardo di pioli infissi a secco nel legno e saldati al piatto metallico.
Approcci Generali al Rinforzo delle Travi in Legno
Le travi in legno si prestano a svariati interventi di rinforzo. Gli interventi appena descritti vantano una certa complessità, ma oltre alle funi presollecitate e agli FRP, le opzioni includono:
- Applicazione di resina epossidica: Si tratta di una soluzione rapida e poco invasiva.
- Cerchiatura con elementi in acciaio: È una soluzione leggermente più invasiva in quanto consiste nell’applicazione di fascette di acciaio in corrispondenza delle eventuali fessurazioni.
- Aggiunta di nuove travi.
- Aggiunta di piastre di acciaio: Una soluzione consiste nell’installazione di piastre in acciaio allo scopo di aumentare la sezione della trave.
Partner e Soluzioni Innovative nel Settore
Il rinforzo strutturale travi in legno attraverso sistemi innovativi permette di ripristinare e incrementare la capacità portante degli elementi strutturali senza compromettere le caratteristiche estetiche e architettoniche dell'edificio. Le tecnologie moderne offrono soluzioni avanzate che combinano materiali compositi e resine strutturali ad alte prestazioni, consentendo interventi mirati e minimamente invasivi.
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