Metodi di rinforzo legno-legno per solai esistenti

Il rinforzo dei solai lignei esistenti negli edifici tradizionali in muratura rappresenta, dal punto di vista del progetto di recupero della struttura, una delle criticità più frequenti con cui i progettisti si devono interfacciare. Data la particolareggiata tradizione costruttiva che caratterizza il patrimonio esistente nazionale, esistono innumerevoli tipologie di orizzontamento che possono essere classificate come “solaio ligneo”. Prescindendo dal tentare di elencarle tutte, si può far riferimento al documento CNR DT201/2005 che isola due caratteristiche tipologiche fondamentali: l’ordito e l’impalcato:
“L’ordito è costituito da uno o più ordini di travi, tessuti in direzioni fra loro ortogonali (in genere, un’orditura principale, costituita dalle travi, ed un’orditura secondaria, costituita dai travetti). L’ordito ha la funzione statica di resistere alle azioni verticali dovute al peso proprio, al peso degli elementi di impalcato e delle parti di completamento all’intradosso e all’estradosso, nonché al peso di eventuali tramezzi ed all’azione dei sovraccarichi variabili. – L’impalcato è costituito nella sua configurazione più semplice, da un elemento piano realizzato da uno o più strati di tavole di legno tra loro accostate, o anche realizzato da pianelle di laterizio appoggiate ai travetti. L’impalcato ha la funzione statica di resistere ai carichi verticali che gravano direttamente su di esso e di ripartirli tra gli elementi dell’ordito; inoltre svolge la funzione di irrigidimento trasversale dell’ordito, trasmettendo le azioni orizzontali agli elementi verticali della struttura” [CNR DT201/2005].

La necessità di adeguare i diaframmi ai carichi d’esercizio suggeriti dalle vigenti normative, magari in presenza di un cambio di destinazione d’uso (specialmente nel caso di edifici storici di pregio), richiede il ricorso a delle tecniche in grado di incrementare sia la resistenza che la rigidezza fuori piano dei solai. Ovviamente un solaio che si presenta inadeguato a sopportare i carichi verticali, molto probabilmente risulterà carente anche per quanto riguarda il comportamento nei confronti delle azioni orizzontali.
È ormai assodato che il comportamento di piano degli orizzontamenti gioca un ruolo fondamentale nel determinare la performance sismica di un edificio in muratura, sia dal punto di vista della risposta globale che dal punto di vista dei meccanismi locali. Infatti, all’aumentare della rigidezza di piano, cresce il grado di collaborazione tra i sistemi di parete e la risposta dell’intero edificio si avvicina sempre più ad una risposta di tipo scatolare (ciò naturalmente presuppone un efficace sistema di collegamento tra elementi resistenti verticali e strutture orizzontali), dove gli orizzontamenti ridistribuiscono le azioni orizzontali ai vari maschi murari secondo la loro rigidezza e trasferiscono ai setti disposti parallelamente all’azione sismica il carico inerziale associato ai muri caricati ortogonalmente al proprio piano. Inoltre, un’adeguata rigidezza/resistenza membranale dei solai permette di limitare lo spostamento fuori piano dei setti ortogonali ed evitare così fenomeni di collasso locale per meccanismi di I modo.

  
(a)                                          (b)                                                               (c)
Figura 1 Alcune tipologie di solaio ligneo: a) solaio con travetti squadrati e tavolato semplice; b)/c) viste (estradosso/intradosso) di solai realizzati con la tecnica “malta paglia”

Studi passati focalizzati sulla risposta dinamica di edifici in muratura [Tena Colunga e Abrams, (1996)] hanno dimostrato inoltre come la presenza di solai flessibili possa portare ad un incremento dell’accelerazione a cui sono sottoposti i setti disposti parallelamente all’azione del sisma, oltre ad una risposta disaccoppiata dei vari sistemi di parete; va tenuto conto però che ciò generalmente si accompagna ad una riduzione delle forze torsionali.
La necessità di una maggiore collaborazione tra i maschi murari divenne evidente in seguito ai terremoti del Friuli (1976) e dell’Irpinia (1980) dove si osservarono ingenti danni dovuti essenzialmente ad un comportamento indipendente dei vari sistemi di parete. La soluzione fu quella di cercare di rendere gli orizzontamenti, presenti nelle strutture esistenti, simili a diaframmi rigidi ideali. La soluzione più naturale sembrò quella di sostituire i solai lignei con solai in latero-cemento: “Qualora i solai siano avvallati e comunque deteriorati, sì da non possedere adeguata rigidezza nel proprio piano, essi devono essere sostituiti con solai in cemento armato ordinario o precompresso, ovvero in acciaio” [DM 2/7/1981].
Vent’anni dopo, il terremoto del Molise (2002) evidenziò seri limiti relativi a tale pratica. In murature di scarsa qualità meccanica e tessitura irregolare, la realizzazione di cordoli in breccia è infatti spesso causa di un pericoloso indebolimento locale con alterazione dei flussi di tensione legati ai carichi verticali [Borri, (2004)]. A ciò si unisce un possibile effetto "lama" esercitato dal solaio rigido sull’area indebolita dallo scasso (in special modo qualora il cordolo non sia ben vincolato con la muratura sottostante). Il passo successivo dunque, al fine di ottenere un rinforzo/irrigidimento che sia efficace sia nel piano che fuori-piano, è stato quello di realizzare una soletta in calcestruzzo resa collaborante con i travetti tramite l’inserimento di connettori di varia natura (barre resinate, connettori a piolo con base avvitata ecc.). Tale tecnica ha goduto e gode tuttora di ampio favore tra i professionisti del settore. Meno “invasiva” di una sostituzione del solaio ligneo con uno in latero-cemento, la soluzione della cappa collaborante comporta tuttavia un notevole incremento di massa (e dunque di carico inerziale) rispetto alla configurazione originaria.
Ecco quindi che le tecniche di rinforzo cosiddette “legno-legno”, grazie al peso specifico del legno che è minore di un quinto di quello del calcestruzzo, rappresentano una valida alternativa alla soluzione con soletta collaborante in conglomerato cementizio. Inoltre la possibilità di realizzare a secco, qualora si utilizzino viti, un intervento di rinforzo totalmente reversibile, rappresenta un sicuro punto di forza quando si tratta di intervenire su edifici soggetti a tutela.
"Nei casi in cui risulti necessario un consolidamento statico del solaio per le azioni flessionali, è possibile, con le tecniche legno-legno, conseguire contemporaneamente l’irrigidimento nel piano e fuori dal piano, posando sul tavolato esistente, longitudinalmente rispetto alle travi dell’orditura, dei nuovi tavoloni continui, resi collaboranti alle travi mediante perni anche di legno, irrigiditi nel piano del solaio con l’applicazione di un secondo tavolato di finitura." [Circolare 02 febbraio 2009 n°617/C.S.LL.PP]. I tavoloni possono essere realizzati in legno massiccio oppure si possono impiegare travi in legno lamellare disposte su un fianco (Figura 2a). Alternativamente è possibile fare ricorso a dei pannelli X-lam che, essendo più “stabili dimensionalmente” nei confronti di variazioni del contenuto d’acqua, possono essere posti in adiacenza ed assolvere così contemporaneamente alla funzione di irrigidimento fuori-piano e nel piano, senza necessità di un tavolato di rinforzo aggiuntivo (Figura 2b). Ovviamente in questo caso bisognerà garantire il trasferimento di sforzi di taglio all’interfaccia tra pannello e pannello tramite opportuni sistemi di connessione (ad esempio inserendo viti a tutto filetto incrociate).

         (a)                                                                                           (b)
Figura 2 Esempi di rinforzo legno-legno per azioni fuori dal piano e nel piano: a) rinforzo con tavoloni in lamellare sdraiato; b) rinforzo con pannelli in X-lam

Presso il Laboratorio di Prove Sperimentali dell'Università di Trento, sono stati condotti dei test per valutare l’efficacia di tali tecniche legno-legno. In particolare, l’attenzione è stata rivolta alla risposta fuori piano della soluzione con rinforzo in lamellare sdraiato. Sono stati testati quattro “campioni” di luce 7.5 m, costituiti da una trave in legno lamellare GL24h di sezione b×h (150×200 mm2) sopra la quale è stato sistemato un tavolone di sezione b×h (500×80 mm2) sempre in legno lamellare GL24h. Tra la trave ed il tavolone era presente un tavolato costituito da tavole in abete di sezione b×h (180×30 mm2). Sono stati presi in considerazione quattro diversi sistemi di connessione con viti autofilettanti (Figura 3). La prima configurazione ha visto l’uso di coppie di viti a doppio filetto (diametro 8.2 mm, con tratto centrale liscio) in disposizione incrociata a 45°. Nella seconda configurazione, sono state utilizzate le stesse viti della configurazione 1, sempre inclinate a 45° ma in modo da “lavorare” esclusivamente a taglio-trazione. Nella terza configurazione la disposizione dei connettori è analoga a quella della configurazione 1. Le viti doppio filetto sono state però sostituite con viti a filetto continuo o tutto-filetto del diametro di 9 mm. L’uso di viti con un filetto continuo, dalla punta alla testa della vite, fa sì che in configurazione 3 non si generi quella componente verticale di compressione presente nelle altre configurazioni. Nell’ultima configurazione, sono state utilizzate viti standard a filetto singolo (diametro 10 mm) inserite con un angolo di 90° rispetto all’orizzontale. Il passo delle viti (mantenuto costante per tutte le tipologie di rinforzo) è stato determinato in base alle verifiche in configurazione 4.
Dopo aver eseguito delle prove elastiche volte a determinare le caratteristiche meccaniche delle varie componenti, tutti i solai sono stati portati a rottura applicando quattro forze concentrate con un interasse pari ad un quarto della luce (la prima forza si trovava ad un ottavo della luce dall’appoggio).
Per tutte le configurazioni è stato registrato un notevole incremento di rigidezza rispetto ai test eseguiti sui campioni con l’elemento di rinforzo in posizione ma senza la presenza dei connettori (Figura 4). In particolare, dal grafico riportato in Figura 4, si osserva come le prime tre tipologie di rinforzo abbiano prodotto lo stesso effetto in termini di rigidezza pur con differenti valori di carico a rottura (il solaio 2 ha raggiunto un valore decisamente più elevato). Il provino rinforzato con le viti poste a 90° (solaio 4), invece, dopo un tratto iniziale con rigidezza paragonabile a quella degli altri solai, ha mostrato un calo di rigidezza che ha portato ad un carico di rottura decisamente inferiore a quello degli altri provini. Per tutti i provini, la rottura è avvenuta al lato teso ossia al lembo inferiore della trave. Al momento della rottura lo scorrimento registrato alle testate era all’incirca di 1 mm per i solai 1,2 e 3 e di circa 6 mm per il solaio 4 (si consideri che lo spostamento ultimo per connessioni a taglio realizzate con la stessa tipologia di viti usate nella configurazione 4, registrato sperimentalmente presso l’Università di Trento, è ampiamente superiore a 50 mm). L’efficienza del sistema di connessione (η), misurata in termini di freccia in mezzeria è risultata superiore al 94% per tutte le configurazioni (almeno nel tratto iniziale) denotando un comportamento molto simile a quello di un sistema composto ideale in cui lo scorrimento tra gli elementi accoppiati è nullo.

Figura 4 Prova di carico a rottura

 interessante notare come la risposta iniziale del solaio 4 sia stata significativamente più rigida di quanto ci si aspettasse da un calcolo teorico. Infatti, mentre le singole coppie di viti in configurazione 1, 2 e 3 hanno una rigidezza pari rispettivamente a 30102 N/mm, 36493 N/mm e 33028 N/mm, in configurazione 4 la rigidezza è pari a 5383 N/mm. La ragione è da cercarsi nella forza di attrito che si crea all’interfaccia per effetto della compressione dovuta al “tiro” esercitato dalle viti. Una volta superata tale forza di attrito, si osserva un brusco calo della pendenza della curva forza Vs. spostamento in mezzeria con i connettori più esterni che entrano in campo nonlineare.
Si è visto come l’utilizzo di viti in configurazione inclinata/incrociata, sfruttando la notevole rigidezza assiale dei connettori permetta di ottenere sistemi di connessione estremamente efficienti. Allo stato attuale però, mancano ancora indicazioni normative esaustive (specialmente per quanto riguarda la rigidezza) su come calcolare questa particolare tipologia di connessioni. In letteratura fortunatamente esistono dei modelli di calcolo [Tomasi et al. (2010)] che permettono di stimarne il comportamento con buona precisione (la differenza tra freccia sperimentale e freccia teorica per i primi tre solai è risultata attorno al 5%).
Molto spesso, quando si tratta di recuperare solai lignei esistenti, ci si trova nella situazione di avere a disposizione spazi limitati per l’inserimento del rinforzo e dove la verifica di freccia risulta essere la verifica più vincolante. Dunque la possibilità di imporre una controfreccia iniziale può rivelarsi fondamentale nel contenere lo spessore del rinforzo. A questo scopo, all’Università di Trento, è stato proposto un metodo innovativo per applicare una monta iniziale ai travetti senza necessità di alcun sistema di puntellamento o di accedere al solaio dall’intradosso.

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