Interventi a secco per il rinforzo dei solai in legno

La crescente sensibilità nei confronti del tema del consolidamento strutturale ha portato negli ultimi anni alla ricerca di soluzioni tecnologiche in grado di garantire per quanto possibile l’autenticità e l’integrità del manufatto, la conservazione dei materiali e dell’impianto strutturale, la reversibilità o la minima invasività dell’intervento e la sua compatibilità con l’esistente, in accordo con i principi enunciati dalle Carte del Restauro [1][2][3][4].
Negli interventi di rinforzo strutturale del costruito storico uno dei problemi più ricorrenti riguarda il consolidamento dei solai in legno: in questi casi può essere necessario garantire un incremento dei carichi accidentali per un cambio di destinazione d’uso oppure più semplicemente incrementare la rigidezza per diminuire la loro deformabilità flessionale. Negli edifici in zona sismica è inoltre importante assicurare un comportamento scatolare globale della costruzione nei confronti delle azioni orizzontali e quindi gli impalcati devono garantire un effetto diaframma rigido nel piano ed essere connessi alle murature [5].
Una tecnica di rinforzo efficace e molto diffusa in Italia è basata sulla realizzazione di una sezione mista legno-calcestruzzo, costituita dalle travi in legno esistenti connesse ad una cappa di calcestruzzo di 4-5 cm di spessore, tramite connettori metallici o di altre diverse tipologie [6,7,8]. Si ottiene così un incremento significativo di rigidezza che consente di reggere carichi verticali più impegnativi e quindi anche variazioni di destinazione d’uso. Nel contempo la cappa in calcestruzzo, se adeguatamente connessa con i muri perimetrali, è in grado di creare un diaframma di piano e migliorare la resistenza globale degli edifici in muratura alle azioni sismiche.
La realizzazione della soletta in calcestruzzo consente di ridistribuire i carichi e fornisce un discreto isolamento acustico oltre alla protezione al fuoco. Per contro una soletta anche di modesto spessore incrementa i carichi permanenti e di conseguenza le azioni sulle fondazioni e l’entità dell’azione sismica di piano.
Recentemente altre soluzioni sono state proposte e studiate con lo scopo di sviluppare tecnologie reversibili e ancora meno invasive, basate per esempio sull’uso di solette di malta o sulla connessione con profili in acciaio. Particolare attenzione è stata dedicata nell’ambito della ricerca sperimentale a soluzioni a secco, basate sull’uso di elementi di rinforzo in legno. Alcune di queste proposte sono illustrate nel seguito.


1. Interventi legno-legno per incrementare la rigidezza flessionale.

L’incremento di rigidezza flessionale può essere ottenuto connettendo alle travi esistenti delle tavole in legno o dei pannelli a strati incrociati (XLam o CLT-Cross Laminated Timber), realizzando in questo modo una sezione a T composta, dove la trave esistente da consolidare costituisce l’anima e il pannello o le tavole l’ala.
Per tutte le tipologie di sezioni composte le caratteristiche meccaniche della connessione sono il fattore principale che influenza la risposta strutturale. Una connessione particolarmente efficace (completa) consentirebbe di considerare la risposta strutturale come se le due parti della sezione non avessero alcuno scorrimento relativo, mentre una connessione particolarmente debole riporta al caso di due travi semplicemente sovrapposte. Una connessione reale invece è deformabile e consente uno scorrimento relativo tra l’ala e l’anima.
Il progetto delle sezioni composte richiede quindi di considerare la deformabilità a taglio dei connettori. L’analisi può seguire le procedure del “Metodo ” indicato nell’Eurocodice 5 [9], dove la rigidezza flessionale della sezione composta è calcolata tenendo conto proprio dello scorrimento tra l’anima e l’ala. In letteratura [10] si trovano equazioni semplificate per valutare l’incremento della freccia, della curvatura e degli sforzi, rispetto al caso di connessione completa, in funzione del massimo scorrimento consentito all’interfaccia. Per esempio l’incremento della freccia centrale, per valori ordinari del rapporto L/H dove L è la lunghezza della trave tra gli appoggi ed H l’altezza della sezione, variabili generalmente per strutture esistenti antiche nell’intervallo 18-25, può essere stimata con:

  (1)

dove è l’incremento della freccia e è il massimo scorrimento all’interfaccia, che dipende dal tipo di connettori e dal loro passo.
Diversi sistemi di connessione sono stati proposti per la realizzazione di sezioni miste legno calcestruzzo, alcuni di questi sono stati analizzati e provati anche per sistemi legno-legno, mentre altri connettori sono stati proposti specificamente per questa nuova soluzione.

1.1. Sezione legno-legno e connessione con perni in legno

La tecnica proposta consiste nel connettere una tavola di grosso spessore a ciascuna trave esistente per mezzo di perni in legno di elevate caratteristiche meccaniche [11]. Con un corretto progetto della connessione delle travi ai muri perimetrali e tavole addizionali sulla superficie è possibile anche realizzare un diaframma di piano. La trave composta così ottenuta presenta una connessione deformabile tra l’anima e l’ala superiore. Il tavolato esistente può essere conservato e prove sperimentali hanno dimostrato che la sua presenza influenza favorevolmente la duttilità della sezione.

1.2. Sezione legno-legno e connessione con viti da legno autofilettanti

Tra i diversi connettori utilizzabili, le viti da legno autofilettanti, disposte con un angolo di inclinazione nel piano verticale rispetto all’asse della trave, sembrano dare risultati promettenti sulla base di diverse campagne sperimentali realizzate su travi a sezione mista legno-legno realizzate con questa connessione [12,13,14].
Recentemente in un intervento di consolidamento di un solaio nel Castello Belasi a Segonzone (TN) [15,16] le travi esistenti sono state accoppiate con tavole in lamellare di classe GL 24, di 80 mm di spessore (Fig.1). E’ stata ottenuta così una sezione a T con flangia e anima separate da un nuovo tavolato di spessore pari a 30 mm che ha sostituito quello esistente. La connessione è stata realizzata con viti da legno autofilettanti in acciaio 10.9, inclinate nelle due direzioni con un angolo di 45°.Le operazioni di collaudo su una parte del solaio hanno mostrato un buon comportamento e una buona concordanza tra i risultati sperimentali e i valori di progetto.


Fig. 1 Particolari della trave composta legno-legno: a) sezione trasversale, b) sezione longitudinale, c) dettagli della geometria della connessione (i) interasse tra le travi; (ls) lunghezza delle vito; (s) distanza tra i connettori (tratto da [16]).


1.3. Sezione legno-pannelli XLam

I pannelli a strati incrociati (XLam o CLT) vengono utilizzati per costruire pareti e solai in edifici nuovi con struttura portante in legno, ma si stanno rivelando efficaci anche negli interventi di restauro per ottenere un effetto diaframma di piano, connettendoli con le travi esistenti.
I pannelli a strati incrociati consistono in una successione di strati di tavole, disposti in direzioni ortogonali, incollati gli uni agli altri. Prove sperimentali hanno evidenziato che possiedono una rigidezza nel piano sufficiente per garantire un comportamento a diaframma e per resistere alle forze di taglio generate dalle azioni sismiche. La sovrapposizione ed il collegamento dei pannelli alle travi esistenti può quindi sostituire la soletta in calcestruzzo come intervento meno invasivo, meno pesante e maggiormente reversibile [17].

Fig. 2 Pannelli XLam a tre strati di spessore totale pari a 60 mm.

I pannelli XLam sono generalmente realizzati da una serie di strati fino a raggiungere almeno 120 mm di spessore o spessori maggiori. In una recente campagna di ricerca sperimentale sono stati utilizzati pannelli speciali di 60 mm per poter essere impiegati specificamente in interventi di consolidamento, dove è importante non variare troppo le quote dei solai rispetto alla situazione esistente (Fig.2). I risultati sperimentali relativi alle prove di taglio nel piano sono illustrati in Fig.3, dove sono evidenziati i contributi resistenti dovuti ai meccanismi a taglio e a torsione tra le tavole di strati diversi.

Fig.3 Risultati sperimentali di prove a taglio su pannelli XLam in cui sono evidenziati i contributi resistenti dovuti ai meccanismi a taglio (a sinistra) e a torsione (a destra) tra le tavole di strati diversi.

Una serie di travi a sezione mista legno-XLam (Figg. 4 e 5) sono state testate fino a rottura: sei erano connesse per mezzo di perni metallici inseriti in fori calibrati (T1A ÷T6A) e 4 mediante viti autofilettanti, inserite perpendicolarmente all’asse della trave (T1B÷T4B). In Fig.6 è riportata la disposizione dei connettori lungo l’asse della trave.

Fig.4 Trave a sezione mista legno-XLamFig.5 Sezione della trave mista in lamellare e XLam connessi con vite da legno disposta verticalmente all’asse.

Fig.6 Spaziatura dei connettori (tratto da [17,18]).

Le travi sono state testate caricandole in due punti a distanza pari ad 1/3 della luce. La prova è stata condotta a controllo di spostamenti. La strumentazione era costituita da 10 trasduttori potenziometrici con precisione di 1/1000 mm per monitorare la freccia in mezzeria, la rotazione e lo slittamento agli appoggi (Fig.7).


Fig.7 Configurazione di carico per la prova e sistemi di misura (mm)(tratto da [17,18]).

Fig.8 Diagrammi carico-freccia per travi composte legno-XLam.

Come per tutte le sezioni composte il comportamento dipende dalla rigidezza della connessione e varia tra le due condizioni limite di sezione composta senza connessione (EJ)0 e di sezione composta con rigidezza infinita (EJ)∞.
I diagrammi (Fig.8) mostrano un discreto incremento di rigidezza. L’uso delle viti autofilettanti come connettori porta ad una rigidezza iniziale elevata rispetto a quella garantita dai perni inseriti con preforatura, in quanto non vi è uno scorrimento iniziale di questi prima di entrare in contatto con il legno circostante [17]. Inoltre si evidenzia un’iniziale effetto di attrito che garantisce una rigidezza prossima a quella della sezione con connessione infinitamente rigida fino a valori del carico pari a circa il 10% del carico di collasso.

NELL'ARTICOLO COMPLETO GLI INTERVENTI A SECCO PER INCREMENTARE LA RIGIDEZZA FLESSIONALE E NEL PIANO.


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