STRUTTURE INNOVATIVE IN LEGNO LAMELLARE ARMATO

Claudio Cattich*, Luca Gottardi**, Maurizio Piazza***

*Trentino Legno SpA - ** Libero Professionista - *** Facoltà di Ingegneria di Trento
www.armalam.it

PREMESSA

La costruzione in legno lamellare incollato si è ormai da tempo affermata in Italia e, soprattutto nel settore delle grandi coperture, può vantare realizzazioni che, per dimensioni e valenza statica, sono del tutto paragonabili a quelle dei Paesi in cui la pratica costruttiva con il legno possiede esperienze più consolidate.
L’avvento del legno lamellare ha, senza dubbio, risolto alcune carenze tipiche del legno massiccio (limitazioni dimensionali e di forma, prestazioni meccaniche estremamente variabili, instabilità dimensionale, tendenza alla fessurazione, ecc.) ma non ha, ovviamente, rappresentato un punto di arrivo per la ricerca tecnologica e l’innovazione. Sono già state proposte, infatti, travi in legno lamellare armate, per esempio, con vari materiali, quali lamine metalliche, lamine di materiale composito, fibre plastiche, fibre di vetro, barre di acciaio, e simili, che, pur assicurando un certo miglioramento nelle prestazioni della trave con aumenti delle caratteristiche meccaniche del 10÷20%), si sono dimostrate non del tutto soddisfacenti dal punto di vista della loro produzione industriale e, talvolta, delle prestazioni in opera.
È stato recentemente proposto dagli Autori una nuova tecnologia di produzione di trave in legno armata, con la quale si riesce a fornire un metodo di produzione di una lamella armata realizzabile industrialmente in una produzione di serie e che assicura l’ottenimento di travi di legno armate, con un comportamento in esercizio analogo a quello del cemento armato (in regime non fessurato), di elevate prestazioni per quanto riguarda sia la rigidezza che la resistenza (incrementi dell’ordine del 100% rispetto alla trave non armata di identica sezione). Una trave armata di questo tipo presenta, infatti, una tensione ammissibile (equivalente) a flessione fino a 28 MPa ed un modulo elastico (equivalente) fino a 28 GPa, caratteristiche meccaniche queste che permettono un effettivo risparmio in altezza rispetto ad una trave equivalente in legno lamellare tradizionale con identica base (fino a circa il 40%) e che consentono, in pratica, di paragonare una trave armata a due travi affiancate in lamellare delle stesse dimensioni (Tabella 1).
La ricerca, sviluppata lungo le due direzioni dello studio teorico e della sperimentazione diretta, ha permesso di mettere a punto un modello analitico di comportamento, validato sulla base di un’ampia campagna di prove, e un metodo semplificato di calcolo in grado di porgere risultati sempre a favore di sicurezza rispetto a quelli registrati nella sperimentazione fisica e/o numerica.

Tabella 1 - Confronto tra sezioni di travi inflesse in legno lamellare (BS11 e armato), sulla base del modulo elastico equivalente (basexaltezza in cm).



ASPETTI PRODUTTIVI

In estrema sintesi, l’innovazione prevede il rinforzo del legno lamellare con l’inserimento di una o più barre di acciaio o di composito CFRP in apposite fresature praticate in alcune lamelle ed ad esse solidarizzate con un apposito adesivo epossidico, parte integrante della medesima tecnologia.

PRESTAZIONI DEGLI ELEMENTI DI LEGNO ARMATO

Le principali caratteristiche dell’elemento strutturale armato rispetto ad analogo elemento di legno lamellare o massiccio si possono così sinteticamente riassumere:

- fino a 2,5 volte più rigido e fino a 2,5 volte più resistente (il valore 2,5 non deriva da limitazioni teoriche ma dipende da motivate scelte progettuali e di possibilità produttive);
- resistenza al fuoco dell’elemento classe R 30 o R 60 (il risultato è ottenuto garantendo le adeguate distanze dell’armatura dai bordi di sezione);
- rottura a flessione con formazione di cerniera pseudo-plastica (caratteristica particolarmente interessante per applicazioni in zone sismiche);
- minore incidenza della difettosità del legno sulle caratteristiche meccaniche e conseguente minore variabilità delle caratteristiche meccaniche tra differenti elementi con identica sezione;
- limitato effetto delle variazioni di umidità e della durata del carico sul comportamento reologico globale;
- risparmio in altezza sulla sezione della singola membratura e risparmio complessivo di materiale;
- mantenimento dell’aspetto di trave in legno lamellare tradizionale, a fronte di resistenze e prestazioni molto superiori;
- armatura e relativo adesivo completamente inglobati nel legno, senza alcun contatto con l’ambiente.

I grafici riportati nelle figure evidenziano sinteticamente, ma con particolare efficacia, quanto appena affermato. Il diagramma mostrato in Fig. 1 riguarda il confronto effettuato, in termini di resistenza, sull’altezza equivalente di differenti travi al variare del tipo di armatura, essendo sempre presente la limitazione di 11 MPa per la tensione massima nel legno. Il diagramma di Fig. 2 riporta, invece, un analogo confronto, questa volta in termini di rigidezza cioè di modulo di elasticità equivalente, di una trave tipo armata con dimensioni 120 × 230 mm e differenti armature con una trave di medesima sezione in legno lamellare BS 11 (non armata).
A proposito del confronto in termini di rigidezza, nella figura le barre colorate a tratteggio riportano i valori desunti mediante elaborazione teorica, mentre quelle a colore pieno riportano i valori ricavati nella sperimentazione diretta. Si può, tra l’altro, notare come il valore reale risulta sempre superiore rispetto al valore teorico previsto, confermando anche la validità del metodo di calcolo semplificato proposto.
Durante l’ampia campagna di sperimentazione su travi armate con barre metalliche, si è potuto notare anche come la rottura delle fibre di legno in zona tesa non abbia mai portato al collasso immediato dell’elemento, grazie alla deformazione in campo non elastico delle barre. La fotografia riportata in Fig. 3 si riferisce ad una prova a flessione su una trave armata in fase prossima alla rottura.
Per completezza della ricerca sia teorica sia sperimentale, è stata presa in considerazione anche un’armatura costituita da “barre” di CFRP. Anche le risultanze sperimentali dei provini armati con barre in fibra di carbonio sono state assolutamente conformi alle previsioni teoriche fornite dal modello di calcolo che si presenterà nel seguito. Tuttavia, il tipo di rottura sicuramente fragile, la difficoltà attuale di reperire sul mercato barre CFRP con diametri elevati, nonché il costo (di gran lunga superiore rispetto alle barre metalliche) ne sconsigliano attualmente l’utilizzo: è però possibile che tali barre o altri materiali innovativi possano divenire – in un futuro non lontano – convenienti in applicazioni di legno armato.

Fig. 1 - Confronto di resistenza in termini di altezze equivalenti (mm) di una trave con differenti armature (barre con diametro di 14 mm), assumendo una tensione massima nel legno di 11 MPa.

ASPETTI PROGETTUALI

Per quanto riguarda gli aspetti legati alla progettazione di elementi di legno lamellare armato, si assumono innanzitutto le seguenti caratteristiche dei materiali componenti:

- lamelle in legno di abete di classe S 10 o superiore (secondo le vigenti normative Din);
- barre di acciaio ad aderenza migliorata, tipo FeB 44 k o simili;
- adesivo strutturale bicomponente a base epossidica appositamente formulato per questa tecnologia.
Le ipotesi fondamentali alla base della progettazione e verifica degli elementi di legno lamellare armato secondo il metodo semplificato di calcolo sono quindi:
- comportamento elastico lineare del legno e dell’acciaio, adesivo infinitamente rigido;
- perfetta aderenza tra legno e acciaio (garantita dall’adesivo epossidico bicomponente);
- trasferimento di sforzi di trazione/compressione tra acciaio e legno tramite tensioni tangenziali nell’adesivo;
- mantenimento delle sezioni trasversali piane;
- lunghezze di ancoraggio delle barre incollate tali da non produrre mai perdita di aderenza per rottura nell’adesivo; a questo riguardo, accurate e numerose prove sperimentali svolte sull’adesivo adottato hanno evidenziato che lunghezze di ancoraggio pari a circa 10 ÷ 12 volte il diametro della barra causano o l’inizio di snervamento dell’acciaio o lo sfilamento della barra associata ad una corona di legno.

Il comportamento complessivo della sezione mista legno – acciaio è così assimilabile a quella di una sezione (non parzializzata) in cemento armato, con barre di armatura “annegate” in una matrice lignea anziché cementizia. Il contributo del complesso barre di armatura – adesivo può essere quindi preso in considerazione tramite un adeguato coefficiente di omogeneizzazione n: il valore di n può essere assunto pari al rapporto tra il modulo elastico dell’acciaio e quello E0 del legno. In modo analogo potranno essere trattati anche altri materiali utilizzati come armature (ad esempio le barre in CFRP).
Dipendendo, in buona sostanza, le prestazioni meccaniche del legno armato dal rapporto tra i moduli elastici dei materiali oltre che, ovviamente, dalla percentuale di armatura, si evince che un elemento ligneo armato presenterà anche un migliore comportamento - rispetto ad un analogo elemento non armato - nei confronti delle variazioni di umidità e di carichi di lunga durata. In tali casi, infatti, il comportamento del materiale legno può essere “interpretato” mediante una riduzione progressiva del modulo elastico; il valore del coefficiente di omogeneizzazione n per la trave armata “appare” quindi aumentato, visto che il modulo elastico del materiale di armatura non varia.
Il metodo di calcolo semplificato proposto consiste quindi nella “soluzione” della sezione rettangolare composta legno – armatura, ricercando i valori equivalenti di area, momento di inerzia e modulo resistente omogeneizzati ad uno dei materiali componenti (usualmente il legno).
Sono utili, a questo punto, alcune precisazioni su dimensioni e disposizione delle barre nonché sul metodo semplificato di dimensionamento, affinché - soprattutto - i risultati ottenuti si mantengano sempre dal lato della sicurezza. É innanzitutto ragionevole, nello spirito della semplificazione, trascurare nel calcolo il contributo dell’inerzia propria delle barre e dell’adesivo che le avvolge e tenere ovviamente in conto la sezione di legno ridotta per la presenza dei fori. Nella disposizione in sezione delle barre di armatura è bene prevedere sempre un interferro e un copriferro laterale pari almeno a 2 ÷ 3 volte il diametro delle barre stesse. Si osservi pure che il copriferro all’intradosso della trave è imposto anche dalla eventuale resistenza al fuoco richiesta. Un possibile diametro ottimale della barra metallica individuato dagli Autori per la classica lamella di 33 mm è quello di 16 mm. Le cosiddette verifiche “sezionali” devono poi essere completate dai controlli sull’aderenza delle barre e sulle tensioni tangenziali massime nella parte lignea di sezione mista. A proposito di quest’ultima importante verifica, gli Autori hanno proposto alcuni criteri di disposizione e di limitazione dell’armatura in modo tale che l’usuale verifica della sezione sottoposta a sollecitazione tagliante mantenga significato (vale a dire sia dal lato della sicurezza) se effettuata sulla sezione di legno lorda, ignorando quindi l’armatura presente.

Fig. 2 - Confronto in termini di deformabilità: valoro E0 eq (MPa) ricavati sulla base di prove sperimentali (colori pieni) o elaborazioni teoriche (a tratteggio).
 
Fig. 3 - Comportamento tipico della trave in legno lamellare armata inflessa in fase di collasso.


CAMPI DI APPLICAZIONE


Gli elementi strutturali in legno lamellare armato , essendo caratterizzati da elevati valori di resistenza e modulo elastico (apparente) oltre che da un comportamento a rottura in flessione con formazione di cerniera pseudoplastica (dissipativa), risultano vincenti, rispetto all’elemento di legno lamellare tradizionale o legno massiccio, nei seguenti casi:
- quando l’altezza di sezione dell’elemento portante debba essere il più possibile contenuta per esigenze progettuali, funzionali, architettoniche;
- quando lo spessore massimo dell’intero pacchetto strutturale risulti vincolato;
- quando ciascun elemento portante di solaio e/o di copertura debba garantire un efficace vincolo bilatero alle strutture verticali (solitamente di muratura) da stabilizzare;
- quando si operi in zona sismica, potendosi quindi sfruttare sia la presenza di barre metalliche per un efficace collegamento al cordolo perimetrale di solaio, sia il tipo di rottura (mai fragile) della membratura in legno lamellare armato;
- quando le strutture in legno siano destinate ad ambienti con umidità molto elevata e/o con forti variazioni della medesima ed inoltre siano soggette a notevoli azioni permanenti, casi nei quali il dimensionamento dell’elemento di legno lamellare tradizionale risulta molto più penalizzato rispetto all’utilizzo di legno lamellare armato.
Non si ha, al contrario, alcun vantaggio in termini di maggiori prestazioni meccaniche da una trave in legno lamellare armato quando il dimensionamento dell’elemento di legno è determinato dalla verifica per azioni taglianti (caso peraltro assai raro nella pratica costruttiva). Gli Autori, inoltre, sconsigliano l’uso di elementi lignei armati quando questi siano semplicemente compressi o l’utilizzo di elementi armati curvi, a meno che le configurazioni geometrica e di carico siano tali da provocare tensioni di compressione ortogonali alla fibra all’interfaccia barra - legno. Nel caso di elementi pressoinflessi, è ancora possibile utilizzare la trave in legno lamellare armato se la flessione risulta prevalente rispetto allo sforzo normale di compressione.
Le figure qui riportate illustrano alcune recenti realizzazioni nelle quali l’utilizzo di elementi in legno lamellare armato si è rivelato particolarmente appropriato.

Fig. 4 - Trave principale portante con limitazione dell'altezza di sezione.
 
Fig. 5 - Trave principale in legno armato di copertura..
Fig. 6 - Soluzione per l'appoggio di travetti armati di solaio in zona sismica..



I SOLAI IN LEGNO LAMELLARE ARMATO

L’utilizzo delle travi in legno lamellare armato, per le intrinseche caratteristiche di rigidezza e resistenza, si presenta infine particolarmente interessante per formare i solai negli edifici civili, sia in assenza che in presenza di soletta collaborante. Esse garantiscono un’elevata rigidezza del solaio con spessori strutturali ridotti rispetto a quelli ottenibili con normali travi di legno massiccio o lamellare. Inoltre, la maggiore rigidezza della trave in legno lamellare armato consente un dimensionamento economicamente più vantaggioso per la connessione: ci si può infatti affidare ai classici connettori per solai collaboranti (con adesivo oppure a secco) passanti attraverso il perlinato oppure, al limite, a semplici viti di collegamento rinunciando alla collaborazione statica travi - soletta. In ogni caso, è quasi sempre possibile posare il perlinato a correre direttamente sopra i travetti, senza necessità di lavorazioni particolari delle perline in corrispondenza di ogni travetto.
Una particolarità molto importante dei solai realizzati con elementi in legno lamellare armato, che può essere vantaggiosamente sfruttata nelle zone sismiche, è la possibilità di avere le barre di armatura sporgenti dalla testa di ciascuna trave ed opportunamente sagomate. Risulta così di semplicissima realizzazione il vincolo bilatero efficace tra le singole travi e le murature perimetrali (si veda la figura). Si noti che, in tal modo, il vincolo trave – muratura risulta intermedio tra il semplice appoggio e l’incastro: anche se in sede di verifica statica di resistenza è conveniente non tenere conto - in via prudenziale - di un vincolo diverso dal semplice appoggio, il beneficio in termini di rigidezza del solaio è notevole.