Considerazioni sulla tolleranza al danno degli edifici in Cross-Laminated Timber (CLT)

Il legno lamellare è dotato di un buon comportamento termico ed acustico

L'introduzione di prodotti in legno “ingegnerizzati” ad alte prestazioni, come ad esempio il legno lamellare, il Cross-Laminated Timber (CLT o X-lam) od il Microlamellare (LVL), unitamente alle ottime caratteristiche meccaniche e termiche del materiale di base, hanno fortemente incentivato la realizzazione di edifici in legno in tutt’Europa.

Le ottime proprietà del materiale di base legate alla bassa densità, alle sue prerogative di buon comportamento termico ed acustico e le buone caratteristiche di comportamento meccanico e deformativo dei pannelli in CLT, hanno reso gli edifici in CLT altamente competitivi sul mercato, tanto da posizionarsi come una valida alternativa rispetto ai tradizionali edifici in muratura o cemento armato.

La forte spinta proveniente dalle industrie a realizzare nuovi sistemi o soluzioni strutturali (in particolare per i collegamenti) ha, d’alto canto, accelerato lo sviluppo di sistemi costruttivi in legno rendendo (spesso) la ricerca scientifica non allineata rispetto al ventaglio di soluzioni tecnologiche reperibili sul mercato.

Dimostrazione di questo ne è il fatto che, sia a livello Nazionale che Europeo, per gli edifici in legno, si avverte una carenza di un quadro normativo completo che definisca regole di progettazione e soluzioni tecnologiche chiare e condivise, così come avviene per gli altri tipi di costruzioni. Nel panorama normativo Nazionale (ed Europeo), allo stato attuale, le Istruzioni CNR DT206 R1/2018 rappresentano sicuramente un documento avanzato e completo contenente regole e criteri di progettazione antisismica per edifici con struttura in legno (ovviamente in attesa dell’uscita della versione aggiornata degli Eurocodici 5 e 8).

Gli edifici tradizionali in CLT sono tipicamente realizzati con la tecnologia costruttiva detta plat-form: i solai (anch’essi in CLT) sono inseriti a mo’ di sandwich tra due pannelli verticali consecutivi, interrompendo la continuità verticale della parete.

Nella zona di contatto parete-parete e parete-fondazione sono inseriti i sistemi di collegamento meccanici realizzati con a) hold-downs, che sopportano le forze di trazione dovute al momento ribaltante e b) angolari, che assorbono le forze di taglio. Le forze di compressione, invece, vengono assorbite dal contatto legno-legno o legno-fondazione (Figura 1).

Come è noto, i collegamenti giocano un ruolo cruciale nella risposta sismica delle strutture lignee poiché rappresentano la principale fonte di dissipazione di energia. La resistenza delle connessioni viene valutata secondo i criteri di resistenza forniti dall'Eurocodice 5, dove la soglia di resistenza plastica del collegamento è calcolata con riferimento a meccanismi di rottura alla Johansen; questi ultimi prevedono che, sotto azioni cicliche, la rottura del collegamento con hold-downs o angolari avvenga per rifollamento del legno e/o snervamento ciclico dei connettori metallici (chiodi, viti, bulloni etc.). Nella sostanza si tratta di meccanismi con comportamento duttile, ma possono essere anticipati da modalità di rottura di tipo fragile qualora in fase di progettazione del collegamento non sono state rispettate le distanze dei connettori dai bordi o i loro interassi.

Ovviamente l’innescarsi di meccanismi di rottura fragili comporta un crollo significativo della capacità di dissipazione sismica dell’edificio.
Il punto delicato degli approcci progettuali e delle soluzioni tecnologiche attualmente utilizzate per gli edifici in CLT è che sotto azioni di natura sismica nelle zone di collegamento si innescano meccanismi di danneggiamento permanente che interessano pannelli lignei. Il danno può risultare più o meno diffuso a seconda del numero e della posizione dei collegamenti nelle zone di contatto parete-fondazione e parete-parete.

Nella Figura 2 sono mostrati alcuni tipici meccanismi di rottura di connessioni tradizionali realizzate con hold-downs e angolari osservati durante prove sperimentali. È evidente che il rifollamento del legno produce un danno permanente nei pannelli verticali rendendo spesso impraticabile, o quanto meno costosa e laboriosa, la loro riparazione a seguito di un evento sismico. Al limite, un elevato e diffuso grado di danneggiamento potrebbe portare anche alla drastica soluzione di demolire la struttura o sue porzioni.

Ovviamente, sia la riparazione che la demolizione e ricostruzione comportano dei costi aggiuntivi rispetto al costo di costruzione inziale, fermo restando che nel caso in cui, a seguito di riparazioni o ricostruzioni, l’evento sismico si ripeta il problema del danneggiamento si ripresenta. Al danno strutturale si deve aggiunge un danno di impatto ambientale legato all’eventuale riciclo dei materiali e alla probabile demolizione e ricostruzione dell’edificio che incidono sul cosiddetto Life Cycle Assessment (LCA - valutazione del ciclo di vita).

I criteri di progettazione e la concezione del comportamento strutturale delle connessioni rappresentano uno snodo cruciale per lo sviluppo di un approccio progettuale razionale in grado di integrare aspetti relativi alla riduzione del danno, ai costi e al LCA per gli edifici CLT (Figura 3). Sarebbe quindi auspicabile che nella pratica ingegneristica si selezionassero criteri di progetto delle connessioni e sistemi strutturali orientati al controllo del danneggiamento sia dei componenti strutturali che non strutturali e, di conseguenza, alla riduzione dei costi di demolizione e al miglioramento del processo di Life Cycle.

Allo stato attuale, per gli edifici in legno, non sono stati ancora definiti approcci progettuali ottimizzati che tengano conto in maniera integrata del ruolo delle connessioni sul comportamento strutturale, sul danno atteso, sui costi e sulla sostenibilità. Pertanto, in questa breve memoria si riportano alcune riflessioni (o spunti di riflessione) sull’influenza del comportamento delle connessioni sulla tolleranza al danno, sui costi e sul LCA per edifici in CLT con lo scopo di attivare una discussione tra ricercatori e progettisti del settore.

Sistemi di connessione tolleranti al danno

Al fine di limitare il danneggiamento del legno nelle zone di collegamento, sistemi di unione sostitutivi dei tradizionali hold-downs o angolari sono reperibili nella letteratura scientifica. Lo scopo di questi collegamenti è quello di concentrare il danno nelle sole parti metalliche - siano esse barre o piastre di acciaio di forme particolari che snervano in maniera ciclica a trazione e/o a taglio - e di eliminare il fenomeno del rifollamento del legno.

Lo svantaggio di questi sistemi è che devono essere: (i) sostituiti a seguito di plasticizzazione dovuta ad azioni sismiche arrecando un conseguente danneggiamento ai pannelli anche solo per lo smontaggio ed il rimontaggio; (ii) eventualmente riposizionati in zone diverse rispetto alla posizione inziale, penalizzando il comportamento globale dei pannelli nell’assorbimento delle azioni indotte dal momento ribaltante (per assorbire la trazione la posizione ottimale è ai lembi estremi dei pannelli).
In effetti, i sistemi strutturali in legno a basso danneggiamento esistono da un po’, essendo stati introdotti per la prima volta in Nuova Zelanda nel 2005.

Si tratta di sistemi altamente performanti, la cui concezione strutturale è completamente diversa da quella tradizionale in CLT. La struttura è realizzata con pareti lignee post-tese (caratterizzate da un comportamento di rocking) collegate in fondazione mediante sistemi di connessione costituiti da un fusibile metallico (tipicamente barre) in cui si concentra tutto il danno plastico, proteggendo così il legno da eventuali concentrazioni di danno.

Queste barre possono essere tranquillamente sostituite a seguito del danneggiamento, ripristinando la condizione di partenza dell’edificio. Prendendo spunto da questa idea, sono stati sviluppati altri sistemi di connessione tolleranti al danno (riparabili) da utilizzare in sostituzione di hold-downs e angolari.

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