Negli ultimi anni il legno è tornato protagonista nel settore delle costruzioni grazie a tecnologie innovative che ne valorizzano le proprietà meccaniche e ambientali. Oltre a essere un materiale rinnovabile, il legno consente oggi di realizzare edifici resistenti, sicuri dal punto di vista sismico, confortevoli ed efficienti dal punto di vista energetico. Tra i sistemi più diffusi e avanzati troviamo X-LAM (Cross Laminated Timber) e Platform Frame, due soluzioni diverse ma complementari che sfruttano la prefabbricazione e la progettazione ingegneristica del legno per creare edifici moderni, sostenibili e performanti. Sia X-LAM che Platform Frame rappresentano il futuro dell’edilizia sostenibile.
Comprendere la Struttura Portante di un Edificio
La struttura portante di un edificio può essere considerata come uno scheletro invisibile, una spina dorsale che ha lo scopo di sostenere e garantire la stabilità, la resistenza e la sicurezza dell’intera costruzione nel corso del tempo. La struttura portante di un edificio si riferisce all’insieme degli elementi strutturali, come travi, pilastri, fondazioni e altri elementi, che sono progettati per supportare i carichi agenti (tra cui il peso proprio della struttura, i carichi verticali, i carichi orizzontali, ecc.) al fine di garantire la stabilità, la resistenza e la sicurezza della costruzione nel suo complesso.
La struttura portante ha, quindi, lo scopo di sostenere il peso dell’edificio stesso, oltre ad eventuali carichi aggiunti, come persone, mobili, attrezzature, ecc. Inoltre, essa è responsabile della distribuzione delle forze e delle pressioni generate dal vento, dai terremoti, da azioni accidentali e da altri carichi esterni. Le principali componenti di una struttura portante includono:
- Le fondazioni: sono la parte inferiore della struttura e trasferiscono i carichi verticali al terreno.
- Le strutture portanti verticali (pilastri e colonne): includono gli elementi verticali che sostengono i carichi provenienti dai piani superiori dell’edificio e li trasferiscono alle fondazioni.
- Le strutture portanti orizzontali (travi e solai): includono gli elementi che si estendono orizzontalmente e collegano i pilastri o le colonne per distribuire i carichi orizzontali.
- I muri portanti: alcuni edifici possono avere muri che svolgono una funzione portante e contribuiscono alla resistenza e alla stabilità dell’edificio.
- Il sistema di copertura: è l’insieme degli elementi che servono a sostenere il peso del manto di copertura e hanno il compito di resistere all’azione dei carichi esterni.
Tipologie di Strutture Portanti in Edilizia e il Sistema Misto
Esistono diverse tipologie strutturali utilizzate nella costruzione degli edifici, ognuna delle quali presenta caratteristiche specifiche in termini di prestazioni strutturali, costi e flessibilità progettuale. È possibile raggruppare le numerose tipologie di strutture portanti in tre categorie principali, a seconda del sistema costruttivo adottato: struttura a pareti portanti, struttura a telaio e struttura mista.
La struttura mista si riferisce a una tipologia strutturale che combina le caratteristiche dei due sistemi visti in precedenza. In questo sistema, le pareti portanti lavorano in sinergia con travi e pilastri per creare una struttura resistente integrata. Questo sistema offre una combinazione di resistenza strutturale e flessibilità progettuale. I materiali utilizzati possono variare a seconda delle specifiche del progetto e delle prestazioni richieste. Il sistema misto è spesso impiegato in edifici di medie e grandi dimensioni, dove è necessario raggiungere un equilibrio tra stabilità strutturale e design architettonico.
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Le tecniche costruttive in legno più diffuse al mondo includono Blockbau, Platform Frame, travi e pilastri (telaio), CLT o X-lam. La progettazione delle strutture portanti di un edificio rappresenta uno degli elementi cruciali nella progettazione e costruzione degli edifici.
Il Sistema X-LAM (Cross Laminated Timber): Pannelli in Legno Massiccio
Il sistema X-LAM, o pannello in legno massiccio a strati incrociati, si basa su pannelli multistrato formati da tavole incollate con strati a fibre incrociate (solitamente 3, 5 o 7). L’alternanza ortogonale delle fibre conferisce al materiale stabilità dimensionale, resistenza bidirezionale e rigidezza nel piano. I pannelli vengono prodotti con macchine CNC ad alta precisione, già predisposti per aperture e passaggi impiantistici, riducendo tempi di posa e margini d’errore in cantiere. L’X-LAM è un prodotto ligneo di recente invenzione, un prodotto tecnologico vocato alla prefabbricazione.
Le varie pareti e solai vengono tagliati e sagomati a misura, per poi essere trasportati in cantiere e lì soltanto assemblati. Il Cross-Lam (X-Lam) o Cross Laminated Timber (CLT) è fatto di pannelli in legno massiccio composto da strati incrociati di circa 2cm cad., sovrapposti ed incollati uno sull’altro affinché la fibra di ciascuno sia ruotata di 90° rispetto agli strati adiacenti (superiore ed inferiore). I singoli strati sono normalmente in tavole di conifera, selezionate se prive da difetti, essiccate per assicurare la loro stabilità meccanica e l’assenza di agenti biologici.
Vantaggi e Caratteristiche Principali del Sistema X-LAM
- Resistenza strutturale: I pannelli X-LAM lavorano come piastre portanti capaci di resistere a carichi verticali e orizzontali. Il comportamento statico non è paragonabile al calcestruzzo armato, ma le funzioni portanti risultano simili grazie al lavoro combinato tra pannelli e connessioni metalliche.
- Sicurezza antisismica: Le pareti X-LAM, collegate tramite angolari, hold-down e viti strutturali, formano un sistema scatolare in grado di dissipare l’energia sismica. La resistenza dipende dalla duttilità e capacità dissipativa delle connessioni, come previsto da EN 1998-1 e Eurocodice 5 - Parte 1-1. È un prodotto certificato antisismico.
- Comportamento al fuoco: Il legno massiccio mantiene la propria capacità portante in caso di incendio grazie alla formazione di uno strato carbonizzato che protegge il nucleo interno. La resistenza al fuoco si valuta secondo EN 1995-1-2, considerando una velocità di carbonizzazione di circa 0,65 mm/min. È resistente al fuoco. La carbonizzazione della superficie protegge gli strati interni dei pannelli cosicché la struttura collassa con tempi lunghi. Il legno non carbonizzato rimane efficiente dal punto di vista meccanico fino a quando la sezione si riduce talmente da non poter più assolvere alla sua funzione portante.
- Efficienza energetica: Il pannello X-LAM di per sé ha una bassa conducibilità termica, ma necessita di strati isolanti aggiuntivi (fibra di legno, lana minerale, ecc.) per ottenere alte prestazioni. Il sistema garantisce un’ottima tenuta all’aria e facilita la realizzazione di edifici NZEB (Nearly Zero Energy Building).
- Flessibilità progettuale: Consente la realizzazione di edifici multipiano e architetture complesse, con tempi di montaggio ridotti e alta precisione dimensionale. È ideale per edifici residenziali e commerciali di medio-grandi dimensioni, costruzioni multipiano e zone a elevata sismicità.
Il Sistema Platform Frame: Struttura a Telaio in Legno
Il sistema Platform Frame, o struttura a telaio in legno, è la tecnologia costruttiva più diffusa al mondo. Originario del Nord America e perfezionato in Europa, si basa su una ossatura di montanti e traversi in legno (massiccio o lamellare) disposti a interasse regolare (di norma 60-65 cm). Questa struttura viene irrigidita mediante pannelli strutturali (OSB, compensato, fibrogesso o MDF strutturale), che assicurano stabilità e resistenza ai carichi orizzontali.
Gli spazi interni tra i montanti vengono riempiti con isolanti termoacustici, integrando la funzione portante e quella energetica. Brevettato a Chicago nel 1833 da G.W. Snow, il balloon frame si diffuse dai primi dell’800 in Nord America. Il Platform frame, evoluzione del Balloon Frame, ha compiuto un ulteriore passo avanti, dove l’edificio viene realizzato un piano alla volta. Il sistema intelaiato è attualmente molto utilizzato in Nord America, in particolare il Canada.
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Vantaggi e Caratteristiche Principali del Sistema Platform Frame
- Leggerezza e duttilità: La struttura a telaio ha massa ridotta e comportamento flessibile, caratteristiche che la rendono adatta in zona sismica. La dissipazione dell’energia avviene attraverso le connessioni chiodate o viti strutturali dei pannelli di controventamento.
- Facilità impiantistica: Le cavità interne alle pareti consentono il passaggio di impianti senza interferire con gli elementi portanti.
- Prefabbricazione e velocità di montaggio: Le pareti possono essere prefabbricate in stabilimento e montate in cantiere in tempi molto ridotti, con ottima precisione.
- Prestazioni energetiche: L’intercapedine consente di ottenere spessori isolanti elevati, raggiungendo valori di trasmittanza molto bassi e un elevato comfort abitativo.
- È ideale per abitazioni su uno o più piani, edifici modulari, residenze sostenibili e ristrutturazioni leggere.
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Il Sistema Strutturale Misto in Legno: Integrazione e Flessibilità
Il telaio misto è di fatto un sistema ibrido, costituito da un’intelaiatura di travi e pilastri generalmente di sezione ridotta, che vengono irrigiditi con lastre lignee. In una struttura mista, i sistemi X-LAM e Platform Frame possono essere combinati per sfruttare al meglio le loro peculiarità, ad esempio, utilizzando pannelli X-LAM per solai e muri portanti in aree che richiedono maggiore rigidezza e resistenza a compressione, e strutture Platform Frame per pareti interne o partizioni che beneficiano della leggerezza e della facilità di integrazione impiantistica.
In questo modo, si ottiene una combinazione di resistenza strutturale e flessibilità progettuale. La costruzione leggera si caratterizza per un ridotto uso di legno a favore di un più ampio impiego di isolanti, con componenti lignei esili e controventati, intervallati da strati isolanti per eccellenti prestazioni termiche invernali. Le costruzioni pesanti, invece, prevedono un più ampio ricorso al materiale ligneo, con strutture massicce e elementi di sezione, massa e volume maggiore.
Queste soluzioni consentono di realizzare edifici multipiano anche elevati, tra cui ricordiamo il celeberrimo grattacielo Mjøstårnet ad Oslo, ad oggi l’edificio in legno più alto del mondo.
Vantaggi Generali della Prefabbricazione in Legno
Il legno è un materiale naturale che viene utilizzato da molti secoli per costruire edifici. Per la costruzione delle strutture in legno, quest'ultimo rappresenta un materiale ideale, in quanto versatile, resistente e durevole. Gli edifici prefabbricati in legno sono strutture costituite di materiale ligneo prodotte industrialmente e poi assemblate in cantiere per ridurre tempi e costi di costruzione.
Vengono prodotti industrialmente e poi assemblati in un cantiere per ridurre tempi e costi di costruzione. I componenti del prefabbricato ligneo sono progettati e realizzati in modo standardizzato, così da ottimizzarne sia il processo di assemblaggio, sia le performance energetiche e strutturali. Ciò consente di erigere edifici rapidamente e con una maggiore precisione costruttiva, riducendo notevolmente i tempi di cantierizzazione rispetto ai tradizionali metodi di edificazione in opera.
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I vantaggi legati all’uso del legno rispetto a materiali come l’acciaio o il c.a. risiedono soprattutto nella sua leggerezza, flessibilità (caratteristica preziosa nella progettazione antisismica), facilità di lavorazione e impatto ambientale. Le strutture portanti prefabbricate si basano sull’utilizzo di elementi strutturali che vengono fabbricati in un luogo diverso dal sito di costruzione principale, per poi essere trasportati ed assemblati sul posto.
Questa metodologia offre numerosi vantaggi, come una maggiore velocità di costruzione, una riduzione dei costi e un migliore controllo della qualità. L’adozione di questa metodologia non solo accelera il processo di costruzione, ma contribuisce anche a migliorare la sicurezza sul cantiere e a ridurre gli sprechi di materiali.
| Caratteristica | X-LAM (Pannelli) | Platform Frame (Telaio) |
|---|---|---|
| Tipo di Elemento Base | Pannelli multistrato di legno massiccio | Ossatura di montanti e traversi in legno |
| Comportamento Strutturale | Piastre portanti, elevata rigidezza e resistenza bidirezionale | Struttura a telaio flessibile, massa ridotta, controventata da pannelli |
| Produzione | Prefabbricazione in stabilimento con macchine CNC ad alta precisione | Pareti prefabbricate in stabilimento, montaggio rapido in cantiere |
| Integrazione Impiantistica | Richiede tagli precisi nei pannelli, pre-predisposizione | Cavità interne alle pareti per passaggio impianti facilitato |
| Isolamento Termico | Bassa conducibilità intrinseca, necessita strati isolanti aggiuntivi | Intercapedini che consentono elevati spessori isolanti |
| Applicazioni Ideali | Edifici multipiano, strutture di medio-grandi dimensioni, zone sismiche | Abitazioni singole o su più piani, edifici modulari, ristrutturazioni leggere |
La Progettazione delle Strutture Portanti in Legno
Nella progettazione di una struttura portante, è fondamentale considerare una serie di fattori, tra cui i carichi verticali e orizzontali, nonché le forze sismiche e da vento che possono agire sull’edificio. L’utilizzo di appositi software per il calcolo strutturale riveste un ruolo cruciale nel garantire la precisione, l’efficienza e la sicurezza dell’intero processo. Questi strumenti consentono agli ingegneri di modellare le strutture in modo dettagliato e accurato, tenendo conto di tutti i carichi e le forze che agiscono sull’edificio.
In particolare, l’utilizzo di questo strumento offre diversi vantaggi: modellazione dettagliata, analisi dei carichi, simulazioni sismiche e di vento, risparmio di tempo e risorse. Il software di calcolo strutturale e antisismico TRAVILOG permette di progettare strutture in legno con metodo a telaio e X-LAM. Inoltre consente quindi di verificare in uno stesso modello di calcolo più materiali e soluzioni progettuali. Alcuni esempi sono la ristrutturazione di edifici in muratura con sopraelevazione o ampliamenti in legno, oppure il rinforzo di solai in legno in edifici storici.