L'uso del sistema costruttivo CLT: dagli edifici in legno a quelli ibridi, sia nuovi che esistenti

Le strutture in legno garantiscono alti livelli di sostenibilità e velocità di realizzazione

Il legno è stato uno dei primi materiali da costruzione che ha permesso all’uomo di risolvere, per molti secoli, i più complessi problemi strutturali. Con l’avvento del conglomerato cementizio armato, l’uso del legno in edilizia ha avuto un significativo calo, ma oggi, grazie ai temi dell’ecologia e della sostenibilità, è tornato nuovamente protagonista nel settore strutturale.

Il settore delle strutture in legno è in forte crescita negli ultimi anni anche in Italia e questo trend positivo è associato a una serie di fattori: la sostenibilità, infatti i prodotti strutturali a base di legno generano meno inquinanti rispetto ai classici materiali da costruzione quali calcestruzzo e la muratura in quanto sono ottenuti da risorse naturali e rinnovabili; la velocità di realizzazione dell’edificio che è una caratteristica di questa tipologia costruttiva, infatti, gli elementi strutturali in legno vengono prefabbricati e poi assemblati rapidamente in situ; l'elevato rapporto resistenza/peso del legno che è un grande vantaggio per le strutture progettate in zona sismica in quanto limita la massa totale degli edifici e riduce l’azione sismica agente su di essi.

Attualmente, le prestazioni sismiche degli edifici in legno multipiano, sono al centro di numerosi progetti di ricerca. I primi studi sono stati condotti sulle strutture a pannelli Light-Frame Timber che rappresentano i sistemi costruttivi in legno più diffusi nel mondo. Solo di recente, il crescente interesse alla realizzazione di edifici alti, per i quali la richiesta di prestazioni sismiche è elevata, ha spostato l’attenzione verso la nuova tecnologia costruttiva, più massiccia, del Cross-Laminated Timber (CLT).

In Figura 1 si riportano, a titolo di esempio, alcune grandi opere in CLT già realizzate nel mondo.

I vantaggi del pannello CLT

Oltre alla caratteristica intrinseca di sostenibilità del legno che compone il pannello in CLT, ci sono ulteriori vantaggi nell’utilizzo di questo materiale che offre una maggiore libertà progettuale anche per gli edifici multipiano.

Il CLT presenta una elevata capacità portante nei confronti delle azioni verticali e orizzontali, come l’azione del vento e l’azione del sisma, garantisce una elevata resistenza al fuoco ed un ottimo isolamento termico ed acustico.

Un pannello in CLT può assolvere sia la funzione di lastra (parete) che la funzione di piastra (solaio), consente un alto grado di prefabbricazione e mostra una bassa permeabilità all'aria con la caratteristica capacità di immagazzinare umidità ed energia termica.

Ogni pannello in CLT è composto da strati di legno incrociati (in genere in numero dispari), incollati tra loro che lo rendono un sistema massiccio adatto a qualsiasi tipo di costruzione con una grande varietà di applicazioni.

L'uso negli edifici ibridi

Attualmente, il CLT sta guadagnando sempre più attenzione nel campo della ricerca e della pratica professionale come sistema costruttivo sostenibile e resistente per strutture mediamente alte, ma l’esigenza di costruire edifici sempre più alti sta spingendo la ricerca verso lo sviluppo di tecniche costruttive ibride ed innovative in cui le strutture intelaiate incorporano i pannelli in CLT.

Il concetto di edifici ibridi può essere potenzialmente esteso sia agli edifici di nuova costruzione, sia agli edifici esistenti con struttura intelaiata, in c.a. o acciaio, utilizzando gli innovativi pannelli in CLT come tamponamenti.

Bezabeh et al. hanno proposto un metodo di progettazione iterativo basato sul DBD (Displacement Based Design) per una struttura di nuova costruzione ibrida acciaio-legno che incorpora pannelli di taglio in CLT come tamponamenti.

Gli stessi autori nel 2017, al fine di integrare il codice edilizio canadese per una struttura ibrida legno-acciaio, hanno condotto delle analisi per lo studio della sovraresistenza e della duttilità utilizzando un approccio di valutazione del rischio di collasso.

..o come sistemi per il miglioramento sismico degli edifici in c.a.

Barbagallo et al. hanno studiato una tecnologia, denominata sistema e-CLT, che consiste nell’applicazione di pannelli in CLT sul lato esterno delle pareti esistenti, collegandoli alla struttura in c.a. tramite innovativi ammortizzatori a frizione.

Sulla base di questi risultati, il sistema e-CLT sembra essere uno strumento promettente per il miglioramento sismico di edifici con struttura in c.a. Li Cavoli et al. hanno presentato uno studio numerico volto ad indagare la risposta laterale di telai in c.a. nel caso di tamponamenti tradizionali in muratura e nel caso di tamponamenti realizzati con innovativi pannelli in CLT, in modo da analizzare il ruolo di questi ultimi e la loro capacità di migliorare le prestazioni strutturali dei telai in c.a. (Figura 2).

Sono state proposte due soluzioni di connessione tra i tamponamenti in CLT ed il telaio in c.a., una che prevede giunzioni con angolari tradizionali utilizzate per prevenire lo scorrimento orizzontale delle pareti di taglio in CLT, ed una soluzione che prevede l'utilizzo di una piastra in acciaio a scomparsa collegata con viti autoperforanti ad alta duttilità.

Le prestazioni strutturali di questi sistemi sono state confrontate con quelle dei tradizionali tamponamenti in muratura.

Il ruolo dei tamponamenti in CLT e la loro capacità di migliorare la risposta laterale di strutture intelaiate in c.a., nuove ed esistenti, sono stati studiati attraverso analisi pushover considerando diverse caratteristiche dei telai in c.a., ad una sola campata e a più campate.

I risultati delle analisi numeriche condotte in questo studio hanno mostrano che l'introduzione di tamponamenti con innovativi pannelli in CLT porta a prestazioni strutturali dei telai in c.a. superiori rispetto ai tradizionali tamponamenti in muratura.

Quanto sopra giustifica pienamente l’interesse crescente nei nostri giorni alla definizione di modelli matematici in grado di prevedere il comportamento sia di edifici alti in CLT che di telai con tamponamenti in CLT, anche al fine di individuare specifiche prescrizioni da introdurre nelle normative tecniche di riferimento. Essendo tale argomento di ricerca piuttosto recente, risultano ancora limitati gli studi teorici e sperimentali presenti in letteratura.

Questo lavoro intende mostrare alcuni dei risultati delle indagini sperimentali condotte su connessioni singole e su sistemi di pareti in scala reale presso il Centro di Ricerca L.E.D.A.-Laboratory of Earthquake Engineering and Dynamic Analysis dell’Università degli Studi di Enna Kore. Le attività sperimentali sono state sviluppate nell’ambito di finanziamenti industriali e pubblici.

L'attività sperimentale sulle strutture in CLT: dalle connessioni agli edifici

Il pannello in CLT presenta un'elevata rigidezza nel piano e un comportamento prevalentemente elastico-lineare quando soggetto a carichi orizzontali.

Queste peculiarità vengono attribuite alle caratteristiche fisiche dei pannelli in CLT e alle proprietà meccaniche degli ancoraggi metallici.

La risposta dinamica degli edifici in CLT dipende principalmente dalle connessioni utilizzate [14] che forniscono la necessaria resistenza, rigidezza e dissipazione di energia sotto carichi sismici [15].

La progettazione degli edifici in CLT si basa sulla progettazione delle pareti di taglio prendendo in considerazione le connessioni alla base e tipicamente, nelle strutture in CLT si utilizzano due tipologie di connessioni per connettere le pareti alla fondazione o al solaio:

• Gli Hold-downs (Figura 3a) che vengono utilizzati per contrastare il ribaltamento delle pareti;
• Gli angolari a taglio (Figura 3b) che vengono utilizzati per contrastare lo scorrimento delle pareti.

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Nel proseguo verrà riferito sulle campagne sperimentali presso il centro di ricerca L.E.D.A su connessioni e pareti.