Nel panorama delle costruzioni moderne, la scelta dei materiali strutturali è un fattore determinante per la sicurezza, la sostenibilità e la performance complessiva di un edificio. Le norme tecniche per le costruzioni prevedono che i materiali e i prodotti, per poter essere utilizzati nelle opere, devono essere sottoposti a procedure e prove sperimentali di accettazione, definite in parti specifiche delle norme stesse per ciascun materiale. Quest'ultimo passaggio prevede sia l'acquisizione e la verifica della documentazione di identificazione e qualificazione, sia l'eventuale svolgimento di prove sperimentali di accettazione. Questa conclusione non può essere estesa al legno strutturale, che necessita di un approccio completamente diverso.
Oggi parliamo di travi lamellari e vediamo assieme cosa sono, quali sono le loro caratteristiche e perché preferirle alle classiche travi massicce, anche in contesti che potrebbero prevedere un'integrazione con altri materiali come il calcestruzzo, dando vita a soluzioni strutturali composite.
Il Legno Strutturale: Natura, Difetti e Classificazione
Per “legno strutturale” si intende il manufatto ligneo, il componente, l’elemento che svolgerà la funzione portante (o un lotto di essi). Fra “legno” e “legno strutturale” c’è una differenza concettuale simile a quella che sussiste ad esempio fra “acciaio” e “putrella”. Il “legno” è un tessuto biologico a struttura cellulare composita derivante dalla sintesi clorofilliana di piante arboree. La sua produzione è interamente naturale e le sue caratteristiche fondamentali non possono essere significativamente alterate dall’uomo, che si limita - nei casi più spinti - a blande pratiche colturali volte a limitare la nodosità dei tronchi (potature) e a favorire l’armonico sviluppo degli individui geneticamente migliori (diradamenti e sfolli) in attesa che si concluda il lento ciclo vitale delle piante (per l’Abete, circa 100 anni) e giunga il momento favorevole per l’abbattimento dei tronchi e la rinnovazione della copertura arborea.
Il legno strutturale massiccio è un elemento ligneo in un solo pezzo, senza giunti. Come tale, si porta dietro tutti i caratteri individuali del tronco d’albero da cui è stato ricavato, comprese tutte le forme fisiologiche di ottimizzazione strutturale che permettono agli alberi stessi di raggiungere dimensioni ragguardevoli e di resistere a un “collaudo in opera” continuato e molto intenso (vento e neve), lungo tutto il corso della loro vita. Gli elementi di legno strutturale massiccio possono essere travi, tavole, listelli, ma in ogni caso si tratta di pezzi ottenuti per segagione, fresatura e/o piallatura, cioè per asportazione meccanica di materiale dal tronco originale. Allo stato dell'arte non sono tecnicamente possibili altre fasi di lavorazione (ad esempio trattamenti fisici o chimici) attraverso cui le prestazioni meccaniche del segato finale possano essere artificialmente migliorate.
La Classificazione per le Prestazioni
Nel caso delle travi di legno, una condizione di "assenza di difetti" è materialmente impossibile. Al momento in cui rami e foglie sono asportati in segheria, nel legno rimangono inevitabilmente le tracce della loro presenza, sotto forma di nodi. Inoltre, il tronco di un albero svolge anche la funzione di trasportare acqua e sali minerali alle parti verdi e poi quella di distribuire la linfa a tutte la zone vitali. Quindi, è inevitabile che il legno appena abbattuto contenga elevate percentuali di acqua e che la successiva perdita di umidità (stagionatura, essiccazione artificiale), comporti variazioni di massa e anche di volume (ritiro), con conseguenti deformazioni e apertura di fessurazioni. Ancora, è ben difficile che l’accrescimento del tronco possa avvenire in modo perfettamente regolare, quindi è possibile riscontrare in molti alberi un andamento “a spirale” della fibratura del legno che può essere configurato come trascurabile per l’albero in piedi, ma come difetto nell’elemento strutturale ottenuto con la segagione.
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Tutte queste caratteristiche connaturate alla fisiologia degli alberi devono essere prese attentamente in considerazione, allo scopo di valutarne i possibili effetti sulle prestazioni finali delle travi. Di questo si occupa la “classificazione del legno strutturale secondo le resistenze meccaniche”, regolata da norme specifiche nazionali (per l’Italia vale la UNI 11035, per la Germania la DIN 4074, ecc.), tutte a loro volta soggette alle prescrizioni della norma armonizzata europea UNI EN 14081.
La classificazione secondo le resistenze meccaniche è un “filtro” attraverso cui gli elementi di legno strutturale massiccio vengono selezionati: quelli con eccessiva difettosità vengono scartati e non possono essere utilizzati in campo strutturale; i restanti vengono assegnati a categorie corrispondenti a prestazioni crescenti con il diminuire della difettosità. Le prestazioni strutturali sono espresse da profili di valori caratteristici di resistenza meccanica, rigidezza e massa volumica. Questi valori caratteristici corrispondono a valori di 5‐percentile delle distribuzioni di frequenza ottenute sottoponendo a prove di rottura campioni assai numerosi di provini in dimensione d’uso, raggruppati in base alla specie legnosa, alla provenienza geografica e alla categoria di classificazione.
È importante ribadire che la determinazione dei valori caratteristici - a differenza di quanto avveniva con il “vecchio” sistema dei carichi di sicurezza e delle tensioni ammissibili, con valori che erano basati unicamente sull’esperienza e sulla tradizione - avviene su base sperimentale dopo che la classificazione è stata effettuata, cioè su lotti di segati tutti appartenenti alla medesima categoria. Tale accettabile incertezza è dello stesso ordine di grandezza sia per i segati classificati a vista (da operatori qualificati) che per quelli classificati a macchina. Entrambi i sistemi di classificazione sono ammessi dalla normativa europea.
Il Legno Lamellare: Innovazione per le Costruzioni
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. É costituito, essenzialmente, da legno naturale di cui mantiene i pregi (come elevato rapporto tra resistenza meccanica e peso, lenta combustione in caso di incendio) e 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 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.
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Le lamelle sono delle tavole di spessore 40mm, perfettamente essiccate, piallate e refilate che vengono incollate assieme per formare, appunto, la trave lamellare della sezione desiderata. Le fasi della produzione consistono nella riduzione del tronco in lamelle, generalmente di larghezza non superiore ai 20 mm. 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. Solitamente si utilizzano travi in abete ma, su richiesta, sono disponibili anche in larice o a micro-lamelle in faggio per lavori particolari.
La produzione del legno lamellare
Classificazione e Qualità delle Travi Lamellari
Esistono diverse qualità di travi lamellari, dove per qualità si intende il grado di resistenza, portata, della trave. Quelli che si usano solitamente sono i GL24H, dove: “24” indica la resistenza della trave (alla flessione) ed è definita dalla Normativa Europea di riferimento. Esistono, però, anche delle classi superiori (28, 30 e 32), che indicano travi che, a parità di sezione, hanno una portata maggiore e che quindi resistono maggiormente alle sollecitazioni.
“H”, che sta per “homogeneous” (omogeneo), indica che le lamelle utilizzate per realizzare quella trave hanno tutte la stessa portata (nel nostro esempio 24). Esistono infatti anche travi GL24C (es.) dove “C” sta per “combined”,(combinato) ovvero per realizzare la trave sono state utilizzate lamelle di classi (portata) differenti ma la cui media da comunque 24. La qualità delle lamelle viene valutata in base ai nodi, spaccature, fenditure, difetti. Meno difetti presenta la lamella, maggiore sarà la sua portata.
La tabella seguente riassume le caratteristiche principali delle classi di resistenza per le travi lamellari:
| Classe di Qualità | Resistenza alla Flessione (indicata dal numero) | Tipo di Composizione | Descrizione |
|---|---|---|---|
| GL24H | 24 | Omogenea (H) | Lamelle utilizzate per realizzare la trave hanno tutte la stessa portata. È la classe più usata. |
| GL24C | 24 | Combinata (C) | Per realizzare la trave sono state utilizzate lamelle di classi differenti ma la cui media da comunque 24. |
| GL28, GL30, GL32 | 28, 30, 32 | Variabile (generalmente H) | Classi superiori che, a parità di sezione, hanno una portata maggiore e resistono maggiormente alle sollecitazioni. Usate saltuariamente e per lavori particolari. |
La normativa europea che definisce la classificazione delle travi, fissa unicamente lo standard qualitativo per quanto riguarda la resistenza/portata che devono avere. Non valuta l’estetica della trave (che è intrinseca nella qualità) a meno che i difetti di quest’ultima non ne compromettano la portata. Ciò nonostante esistono due tipologie di travi lamellari: vista o industriali. Le travi lamellari qualità “vista” non devono presentare macchie, nodi scappati al disopra di un determinato diametro. Sono tollerate lievi fenditure, ma solo di pochi millimetri (non devono inficiarne la resistenza). Le travi lamellari qualità “industriale”, invece, devono semplicemente soddisfare i requisiti di legge relativamente alla portata.
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Vantaggi e Applicazioni del Legno Lamellare
La trave lamellare è qualitativamente e staticamente maggiore e migliore di una trave massiccia di pari sezione. Una trave lamellare non avrà spaccature (al massimo qualche piccola fenditura) né nel breve, né nel lungo periodo. Non ci saranno cali, torsioni, curvature, fenditure tipiche di una trave massiccia e, se inserita in un muro, nel tempo non si avrà un antiestetico e antiperformante distacco (come avviene nelle travi massicce) dovuto al restringimento della trave. La trave lamellare è stabile nel tempo, facile da lavorare e posare in opera. Non c’è un limite di sezione o lunghezza, si possono avere anche travi curve o a boomerang. Questo tipo di struttura ha permesso di operare su costruzioni in legno, un tempo impossibili.
I vantaggi del legno lamellare sono molteplici, sia dal punto di vista tecnico, sia da quello ecologico e strutturale:
- Resistenza a flessione e trazione: elevato rapporto tra resistenza meccanica e peso.
- 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: lenta combustione in caso di incendio.
Il Legno Lamellare nelle Strutture Miste
L’impiego del legno lamellare trova sempre più spazio nel campo delle costruzioni; in particolare, è largamente impiegato in costruzioni a grandi luci in quanto è l’unico materiale che unisce leggerezza, resistenza e versatilità. 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:
- 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
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. 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).
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.
Progettazione e Verifica Strutturale degli Elementi in Legno
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, è fondamentale affidarsi a strumenti specifici costantemente aggiornati, come i software di calcolo strutturale legno, con cui è possibile modellare coperture, porticati ed altri componenti in legno presenti anche in una struttura mista in cemento armato o in muratura.
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.
Verifiche agli Stati Limite Ultimi (SLU)
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.
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.
Nelle relazioni di calcolo, per ogni tipo di verifica e per ogni elemento interessato, 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. Nella 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.