Edifici multipiano con struttura portante in pannelli CLT: tecnologie realizzative e strategie di progettazione

Negli ultimi anni si è assistito ad un significativo aumento dell’utilizzo di pannelli di legno ingegnerizzato a strati incrociati tipo CLT (Cross Laminated Timber) per la realizzazione di edifici multipiano anche in zone ad elevata sismicità. Tale sviluppo è riconducibile principalmente ai numerosi pregi del materiale legno ingegnerizzato, tra tutti la sostenibilità, la prefabbricazione, la leggerezza e le ottime proprietà meccaniche del pannello ligneo.

Negli edifici multipiano in CLT, i sistemi di connessione impiegati per resistere alle sollecitazioni di trazione alla base indotte dai meccanismi di ribaltamento delle pareti controventanti governano sia la rigidezza che la resistenza ad azioni orizzontali del sistema strutturale. Tale problematica risulta particolarmente significativa per i sistemi strutturali a lame isolate per le quali si riscontra una concentrazione locale di sollecitazioni di trazione sulle connessioni di base in quanto l’effetto stabilizzante dei carichi verticali risulta modesto e a volte addirittura trascurabile.

Lo scopo del presente lavoro è quello di approfondire le problematiche sopra descritte sintetizzando i risultati dei principali studi scientifici condotti sul tema e riportando alcune esperienze di progettazione significative. Con riferimento al problema della localizzazione delle forze di trazione sulle connessioni alla base si analizzano delle soluzioni tecnologiche alternative alle connessioni standard tipo Hold-down tra le quali le più promettenti risultano essere quelle che prevedono l’impiego di sistemi del tipo Tie-down. I temi sopra descritti verranno approfonditi anche con riferimento alle tematiche della corretta modellazione strutturale e specificati nell’ambito di un caso di studio significativo di edificio multipiano.

 Vista globale dell’edificio in CLT

I vantaggi di progettare con il CLT (Cross Laminated Timber)

Il legno è un materiale naturale, che negli ultimi anni, grazie soprattutto all’introduzione di alcuni prodotti a base di legno ingegnerizzato come il Cross-Laminated-Timber (CLT) ha conosciuto nuovi ed importanti sviluppi. Le sue proprietà permettono infatti di realizzare edifici sicuri, efficienti e sostenibili. Il materiale legno è da sempre stato utilizzato per costruire fin dall’antichità, ma è negli ultimi decenni che il settore ha visto un nuovo rilancio e una costante crescita.

Questo fenomeno è legato ai pregi del legno ingegnerizzato, primi fra tutti la sostenibilità e la rinnovabilità della risorsa. Questi non sono gli unici vantaggi, in quanto si è dimostrato che i pannelli in CLT possono essere anche usati come sistemi resistenti alle forze sismiche [1] grazie alla loro elevata resistenza e rigidezza nel piano e alla possibilità di realizzare giunzioni pannello-pannello e pannello fondazione in grado di dissipare energia.

Le strutture realizzate in CLT riescono quindi a garantire ottime caratteristiche in termini di resistenza sismica, durabilità, prestazioni energetiche e sono veloci da costruire grazie all’elevato grado di prefabbricazione [2]. Tutti questi vantaggi fanno in modo che il sistema costruttivo CLT si presti bene alla realizzazione di edifici multipiano con architetture contemporanee anche in zone ad elevata sismicità [3]. In particolare, allo scopo di evitare un eccessivo consumo di suolo sono state proposte nuove soluzioni strutturali tali da favorire lo sviluppo in altezza delle costruzioni. Per questo il mondo della ricerca, ed in particolare il presente lavoro si pone come scopo quello di approfondire il tema degli edifici mutlipiano, realizzati interamente in CLT e controventati con un numero di pareti limitato, in modo da soddisfare le esigenze architettoniche di pianta libera.

Edifici in CLT e l'importante ruolo delle connessioni

Il comportamento strutturale degli edifici in CLT è governato dall’interazione tra pannello ed elemento di connessione. Alle connessioni meccaniche è infatti assegnato il compito di collegare tra loro i singoli pannelli impedendone il ribaltamento e lo scorrimento e garantendo la capacità di dissipare energia quando sottoposte ad azioni di tipo ciclico. Nella realizzazione di edifici multipiano in CLT, si utilizzano connettori tradizionali chiodati del tipo Hold-down e angular bracket, tali connettori sono stati originariamente pensati e progettati per altre tipologie costruttive (es. costruzioni a telaio leggero) e adattati alle strutture CLT con minime modifiche [4].
I connettori appena descritti, presentano limitate resistenze e rigidezze risultando, come dimostrato da numerosi studi disponibili in letteratura, non adatti alla progettazione di edifici multipiano [5] [6]. Va osservato infatti che, in edifici multipiano caratterizzati da un numero di setti sismo-resistenti limitato, le sollecitanti nei connettori resistenti a trazione risultano particolarmente elevate in quanto l’effetto ribaltante generato dalle forze orizzontali risulta essere predominante rispetto all’effetto stabilizzante dei carichi verticali. Un ulteriore aspetto significativo riguarda la deformabilità delle strutture in CLT quando sollecitate da azioni orizzontali. Tale deformabilità è imputabile principalmente ai fenomeni di rocking che sollecitano le connessioni resistenti a trazione poste alla base dell’edificio e a livello di interpiano. La limitata rigidezza di tali connessioni amplifica gli spostamenti laterali della parete controventante in particolare quando le pareti di controvento sono snelle.

È quindi fondamentale definire una corretta metodologia di modellazione per lo studio del comportamento sismico di edifici multipiano in grado di tener conto della deformabilità conferita alla struttura da ogni singolo componente, ed in particolare dagli elementi di connessione. 

Nell’abito di questo lavoro, si è analizzato in dettaglio il comportamento strutturale degli edifici multipiano valutando anche l’efficacia di tipologie di connessione alternative a quelle tradizionali e a quelle già disponibili in letteratura [7-10], che prevedono l’impiego di sistemi di tipo Tie-down (tiranti verticali). Tali soluzioni risultano essere più efficienti e prestanti rispetto ai connettori tradizionali tipo Hold-down e di più semplice applicazione e realizzazione rispetto ai sistemi complessi sopra citati. In particolare, si è verificata la capacità resistente dei sistemi a Tie-down e la loro funzione irrigidente in modo da renderne gli spostamenti della struttura compatibili con quelli degli elementi non strutturali (impianti, vetrate…). 

I risultati ottenuti nell’ambito di questo studio hanno dimostrato che l’impiego di una tecnologia di connessione tipo Tie-Down consente di realizzare delle lame di controventamento in CLT ad elevate prestazioni sia in termini di rigidezza che di resistenza alle azioni orizzontali. Questo ha una significativa ricaduta sull’impostazione progettuale degli edifici multipiano in CLT offrendo la possibilità di gerarchizzare il sistema di pareti sismo resistenti. Tale approccio di progettazione, alternativo a quello tradizionale che sfrutta tutte le pareti disponibili, prevede di individuare un numero di pareti controventanti limitato (possibilmente con una distribuzione regolare in pianta) mentre le restanti pareti devono resistere solamente alle azioni verticali. In quest’ottica è possibile ottimizzare il numero di connessioni inoltre, in seguito ad un evento sismico, è possibile effettuare il loro controllo ed eventuale sostituzione essendo limitato il numero di elementi da ispezionare.

Approccio progettuale tradizionale valido per edifici in CLT di medio-piccole dimensioni

Tipicamente la progettazione di strutture in CLT di piccole e medie dimensioni, con un numero indicativo massimo di 4 piani, ipotizza che tutte le pareti lignee non forate resistano ai carichi verticali gravitazionali che a quelli orizzontali quali vento o sisma. È quindi necessario disporre su ogni parete elementi di connessione in grado di resistere alle forze di trazione (Hold-down, generalmente disposti ai lati) e alle forze di taglio (angular bracket, disposti sul bordo inferiore) e di limitare gli spostamenti degli edifici in presenza di forze orizzontali come riportato in Figura 1. 

Fig. 1. Rappresentazione schematica connessioni tradizionali ed esempio di parete in CLT connessa in fondazione con Hold-down e angular brakets (foto archivio azienda STP)

Le numerose strutture realizzate negli ultimi anni hanno dimostrato come queste tipologie di connessioni, ideate inizialmente per edifici con struttura portante a telaio, siano in grado di stabilizzare e di conferire sufficiente rigidezza agli edifici caratterizzati da uno sviluppo in altezza limitato e con setti di controvento e dalla geometria tozza. Per rispettare le verifiche imposte dalla normativa in termini di resistenza e di spostamenti la tipologia di progettazione appena descritta necessita di un numero elevato di lame e di elementi di connessione per resistere ai carichi orizzontali. A titolo esemplificativo si riporta in Figura 2 un estratto del progetto strutturale e alcune viste di un edificio alberghiero multipiano, posto in zona a media sismicità e progettato secondo i criteri tradizionali.

Fig. 2. Estratto di progetto strutturale azienda STP e vista dall’alto delle pareti e dei sistemi di connessione utilizzati per il collegamento tra pannelli CLT-fondazione (sopra).

Una disposizione di pareti e di connessioni di questo tipo, oltre a risultare vincolante da un punto di vista architettonico, è particolarmente onerosa qualora fosse necessario un controllo ed una sostituzione degli elementi strutturali ad esempio in seguito ad un evento sismico. Un altro problema che si riscontra nelle strutture in CLT multipiano, è legato alle elevate forze di trazione che nascono alle estremità delle pareti. Tale problema si verifica in particolar modo in prossimità del collegamento tra parete e fondazione dove il momento ribaltante è massimo. In questo caso la soluzione adottata, qualora si vogliano utilizzare Hold-down tradizionali, consiste nell’andare ad affiancare più connettori facendoli lavorare in parallelo, come riporta la Figura 3.

 

Fig. 3. Rappresentazione schematica ed esempio di parete in CLT connessa in fondazione con Hold-down disposti in serie (foto archivio azienda STP)

La soluzione tradizionale è cosi efficace?
Da un punto di vista teorico la soluzione appena descritta consente di raggiungere resistenze elevate, andando a sommare il contributo di ogni singolo connettore. Da un’analisi attenta del sistema di collegamento si evince che tale soluzione è poco efficace in quanto: si verifica un’importante diminuzione del braccio di leva, non si sfrutta la resistenza di tutti i connettori ed infine si possono innescare rotture di tipo fragile a livello degli inghisaggi impiegati per connettere la piastra metallica alla fondazione in cemento armato. Un ulteriore aspetto da tenere in considerazione riguarda la metodologia di modellazione impiegata per la caratterizzazione del comportamento sismico degli edifici. Per quanto riguarda il calcolo delle strutture medio-basse, è consuetudine progettuale trascurare il contributo deformativo legato alle connessioni, andando a considerare i setti di controvento continui lungo la loro altezza e incastrati alla base. Tale approssimazione porta, per edifici con un numero di piani inferiori a 4, ad avere il periodo principale di calcolo della struttura sul tratto di plateau dello spettro sismico e risulta quindi a favore di sicurezza; l’approssimazione sopra descritta sottostima gli spostamenti della struttura in presenza di azioni orizzontali. Come verrà dimostrato dal caso studio presentato nei capitoli seguenti, saranno proprio le verifiche in termini di spostamenti a risultare particolarmente gravose all’aumentare del numero di piani dell’edificio. 

Approccio di progettazione basata sulla gerarchizzazione strutturale – valido per edifici multipiano in CLT

Nell’ambito di questo approccio di progettazione si individuano alcune pareti a cui si affida la funzione controventante dell’edificio. Per assicurare adeguata resistenza e rigidezza a tali pareti, in particolare per le sollecitazioni di trazione, si impiega una tecnologia di connessione basta su elementi di tipo Tie-down. Questa metodologia di progettazione assicura maggiore libertà architettonica e una maggior velocità nel controllo e nella eventuale sostituzione post-sisma degli elementi strutturali rispetto alla metodologia tradizionale. Gli elementi di irrigidimento sono costituiti da profili in acciaio (piatti o barre) che si sviluppano lungo l’altezza dell’edificio. Come mostrato schematicamente in Figura 4, sono state analizzate diverse soluzioni che prevedono:

• a) solo elemento Tie-down: l’elemento Tie-down viene caricato per contatto diretto tra piastra e parete CLT non appena il pannello inizia a ruotare.
• b) Tie-down + connessione tipo XRAD [11]: il connettore X-RAD assorbe l’aliquota di forza di trazione di piano e la trasmette direttamente al Tie-down al quale è collegato;
• c) Tie-down + piatti chiodati: i piatti chiodati devono resistere alla sola forza di trazione di piano che poi trasmettono direttamente al Tie-down al quale sono resi solidali tramite saldatura.

Fig. 4. Rappresentazione schematica elementi Tie-down: a) solo Tie-down, b) Tie-down + XRAD c) Tie-down + piatti chiodati

Nel caso in cui le forze sollecitanti nei Tie-down siano particolarmente elevate, è preferibile disporre quest’ultimi in maniera simmetrica rispetto alla parete (sia sulla faccia interna che esterna) del pannello in modo da annullare l’eccentricità tra sistema di connessione e pannello CLT. Ai fini di ottimizzare la quantità di acciaio impiegato, è possibile andare a rastremare la sezione del profilo metallico lungo l’altezza dell’edificio, in accordo con le forze di trazione agenti. Come già anticipato, tutte le soluzioni proposte sono in grado di resistere alle elevate forze di trazione incrementando notevolmente la rigidezza della struttura ed andando quindi a limitare gli spostamenti di interpiano e la deformabilità degli edifici permettendo quindi la realizzazione di costruzioni alte con intera struttura in CLT anche in zone ad alta sismicità. 

...l'articolo continua nel PDF con la descrizione di un caso applicativo.