Come garantire un corretto ancoraggio tra pareti in CLT e cordoli in c.a.: stato dell’arte e soluzione innovativa

In questo articolo si descrivono le principali soluzioni tecnologiche ad oggi utilizzate per l’attacco a terra degli edifici con struttura a pareti in legno, approfondendo i principali vantaggi e le criticità tipiche di ogni soluzione. Verrà inoltre presentata una soluzione innovativa per il nodo di base degli edifici in legno che si basa sull’utilizzo di un cordolo in cemento armato con sistema di staffaggi integrato, in grado di assicurare allo stesso tempo durabilità, efficienza energetica e efficienza strutturale del nodo di attacco a terra. Vengono infine presentati dei casi reali di applicazione del sistema.

Il collegamento tra pareti in legno e struttura di fondazione, comunemente chiamato “attacco a terra”, rappresenta una delle maggiori criticità degli edifici in legno. In particolare, il nodo di attacco a terra deve garantire allo stesso tempo durabilità, efficienza strutturale ed efficienza energetica senza andare a interferire con elementi dell’edificio quali impianti ed intercapedini tecniche. Per questo motivo una corretta progettazione e realizzazione in opera del collegamento legno-fondazione risulta essere di fondamentale importanza ai fini di assicurare la corretta coibentazione e la sicurezza strutturale dell’intero edificio. Al contrario, un’errata progettazione del nodo potrebbe causare l’innesco di fenomeni di degrado delle pareti in legno dovuto alla presenza di acqua e alla conseguente risalita di umidità capillare. In aggiunta alla problematica della durabilità, l’attacco della parete alla fondazione potrebbe portare a problemi di resistenza meccanica legati a una non corretta posa dei connettori impiegati per collegare le staffe metalliche (hold down e angolari a taglio) al cemento armato. Tra i connettori più utilizzati si possono elencare tasselli meccanici e barre filettate resinate, tali sistemi di ancoraggio presentano attualmente alcune criticità quali resistenze ridotte e la necessità di  un’accurata posa in cantiere che molto spesso è difficile da assicurare (non perfetta soffiatura dei fori laddove si utilizza l’ancorante chimico, possibile interferenza tra connettore e armatura della fondazione che comporta spesso difficoltà a forare il c.a. nella posizione indicata dal progetto, mancato rispetto delle distanze minime dai bordi causate dal non perfetto allineamento tra parete e fondazione ecc. ). 

La rapida crescita degli edifici in legno (soprattutto in CLT)

Negli ultimi anni il materiale legno ha conosciuto nuovi e importanti sviluppi nel mondo delle costruzioni. La rapida crescita di edifici con struttura in legno è riconducibile principalmente alle proprietà di questo materiale naturale, quali sostenibilità, rinnovabilità, leggerezza, resistenza meccanica e isolamento termico. Il legno è stato utilizzato fin dall’antichità ed ha accompagnato l’evoluzione del costruire nei secoli. Negli ultimi decenni, con l’introduzione di alcuni prodotti a base di legno ingegnerizzato (come i pannelli massicci a tavole incrociate incollate Cross-Laminated-Timber CLT), il settore ha visto un ulteriore rilancio e una costante crescita.

In particolare, gli edifici in CLT si sono mostrati strutturalmente resistenti e prestanti anche nel confronto delle azioni sismiche [1] [2] [3] grazie alle intrinseche proprietà dei pannelli a tavole incrociate incollate (elevata resistenza e rigidezza nel piano) e alla possibilità di realizzare giunzioni pannello-pannello e pannello fondazione in grado di dissipare energia [4]. L’introduzione del legno ingegnerizzato ha inoltre permesso una riduzione dei costi e dei tempi di realizzazione sfruttando il concetto di prefabbricazione [5].

Le varie criticità del nodo di attacco a terra

Nonostante tutte le caratteristiche positive appena elencate, la rapida crescita del mercato di edifici con struttura portante a pareti in legno ha evidenziato come il nodo di attacco a terra possa portare a delle criticità, spesso dovute a una mancanza di conoscenze dei progettisti e/o ad un’errata realizzazione delle aziende costruttrici. Una delle problematiche ricorrenti è direttamente collegata al comportamento igroscopico del legno a cui conseguono fenomeni di deterioramento laddove il contenuto di umidità interna superi il limite critico, fissato circa al 20%. Tali fenomeni possono alterare le caratteristiche fisico-meccaniche del legno (marcescenza) [6] che in poco tempo compromettono la capacità portante del sistema, come riportato in Figura 1. 

Figura 1: Esempi di fenomeni di degrado riscontrati alla base di edifici esistenti con struttura in legno.

Le parti interessate dal degrado materico del legno risultano difficili da ripristinare e richiedono nella maggior parte dei casi la sostituzione dell’elemento deteriorato con problemi tecnologici non indifferenti, evidente disagio per gli utilizzatori dell’edificio e notevole dispendio economico. 

Un altro aspetto da non sottovalutare è legato alla corretta posa delle staffe di connessione tra pareti in legno e fondazione in c.a. (hold down e angular bracket) alle quali è assegnato il compito di evitare il ribaltamento e la traslazione dei pannelli pareti e di dissipare energia quando sottoposte ad azioni di tipo ciclico, come può essere il sisma.

Il punto critico del collegamento è rappresentato dai connettori (generalmente tasselli meccanici o barre filettate resinate) che rendono solidale la staffa in acciaio alla fondazione. Quest’ultimi, oltre ad avere resistenze ridotte, richiedono una posa accurata, non sempre possibile in quanto le tolleranze e precisioni tipiche delle strutture prefabbricate in elevazione non sono compatibili con quelle delle strutture in calcestruzzo realizzate in opera. A titolo esemplificativo in Figura 2 si riporta un’immagine dove è evidenziato un disallineamento tra cordolo in c.a. e parete in CLT che comporta il mancato rispetto della distanza minima tra bordo del cordolo e tassello meccanico.

Figura 2: Esempio di disallineamento tra parete CLT e cordolo in c.a. con mancato rispetto delle distanze minime dal bordo. Si noti come parte dell’ala inferiore della connessione a taglio legno-c.a. fuoriesca dal cordolo (archivio STP).

La posa in opera dei tasselli richiesti dalle staffe tradizionali è resa assai difficoltosa dalle interferenze che quest’ultimi possono avere con le armature di fondazione: la realizzazione del foro per ospitare il tassello è spesso complessa a causa della presenza delle armature inglobate nel getto. Questa problematica, oltre a essere difficile da gestire e da controllare in fase di realizzazione, può essere aggravata da soluzioni di posa improvvisate in cantiere come, ad esempio, l’accorciamento della lunghezza di infissione dei tasselli (lunghezza indicata dalle tavole di posa e necessaria al rispetto della resistenza richiesta da progetto) o il loro disassamento (vedi Figura 3). Queste criticità, se non correttamente gestite potrebbero comportare rotture fragili indesiderate per carichi molto inferiori a quelli di progetto.

Figura 3: Esempio di difficoltà a inserire un tassello in fondazione (sinistra, archivio STP) e possibili soluzioni improvvisate e inadeguate per risolvere il problema (destra).

Un’ulteriore tematica associata all’attacco a terra è l’efficienza energetica del dettaglio costruttivo “nodo a terra”, è infatti fondamentale riuscire a coibentare correttamente il nodo, in modo da evitare ponti termici e la formazione di condense interstiziali.

Tutte le tematiche appena trattate dimostrano il perché vi sia un forte interesse rivolto allo sviluppo di dettagli tecnici/costruttivi adeguati in grado di rispondere alle esigenze del mercato dell’edilizia in legno.

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In questo lavoro vengono presentate alcune delle tecnologie tradizionali attualmente disponibili in letteratura per il collegamento delle pareti lignee alla fondazione, si analizzano i dettagli costruttivi in grado di garantire la durabilità della parete e si riportano esempi di nodo alla base non correttamente eseguito. Inoltre, viene presentata una soluzione innovativa che si basa sull’utilizzo di un cordolo in cemento armato alto e di larghezza limitata con staffe inglobate, in grado di risolvere allo stesso tempo le problematiche di durabilità, efficienza energetica ed efficienza strutturale. Vengono presentati i risultati delle campagne d’indagine sperimentali e le simulazioni numeriche condotte per definire la resistenza e le prestazioni di conducibilità termica del sistema. Infine, vengono presentati alcuni casi di studio relativi all’impiego della soluzione proposta.

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Stato dell’arte: tecniche per l’attacco alla fondazione di pareti in legno

Il tema dell’attacco delle strutture in legno alle fondazioni in cemento armato è da tempo oggetto di discussione tra i tecnici del settore, diverse sono le soluzioni proposte e quelle attualmente più utilizzate sono le seguenti:

• Attacco diretto alla struttura di fondazione (platea o trave in c.a.)
• Attacco alla superficie superiore o laterale di un cordolo in c.a. con piastre metalliche tradizionali che prevendono l’utilizzo di tasselli meccanici 
• Attacco a travi innovative in alluminio posizionate tra parete e fondazione.

Attacco diretto alla struttura di fondazione

Nella prima soluzione elencata, la base della parete in legno è posizionata a livello della fondazione, al di sotto del piano finito interno ed esterno, come riportato in Figura 4.

Figura 4: Attacco diretto alla struttura di fondazione

Il dettaglio di Figura 4 può portare a problemi di durabilità: la funzione di evitare il contatto tra parete in legno e acqua è interamente demandata alla qualità dei sistemi di impermeabilizzazione, alla durabilità degli stessi nel tempo e alla perfetta realizzazione in cantiere delle guaine [7] [8]. È possibile che questa soluzione possa portare all’infiltrazione di acqua laddove la saldatura sulle giunzioni della guaina non vengano realizzate a regola d’arte oppure laddove la guaina venga inavvertitamente forata: in Figura 1 sono riportati alcuni esempi di degrado, concludendo, la soluzione in esame consente un corretto isolamento del nodo e buone resistenze strutturali, ma per le problematiche di durabilità fin qui evidenziate è altamente sconsigliata.

Attaco ad un cordolo in cemento armato interposto tra parete e fondazione

Un’altra soluzione che viene usualmente adottata prevede l’interposizione di un cordolo in cemento armato tra parete e fondazione. Quest’ultimo può essere basso e tozzo (Figura 5a) o alto e snello (Figura 5b). 

Figura 5: Attacco su cordolo in cemento armato con connessioni tradizionali. Cordolo basso (sinistra), cordolo alto (destra)

Pro e contro della presenza del cordolo 

Nel caso di cordolo tozzo, seppur l’efficienza strutturale ed energetica siano garantite, il fatto che il piano finito interno ed esterno sia ancora al di sotto della base della parete lignea fa sì che possano sorgere anche in questo caso problemi di durabilità. È corretto osservare come rispetto al caso di connessione diretta in fondazione, il cordolo rialzato tozzo consente un risultato migliore in quanto un’infiltrazione di acqua a livello della fondazione non genera problemi, essendo la parete in legno rialzata. In alcuni casi il cordolo in c.a. può essere sostituito da un dormiente in larice, ma i problemi di compressione perpendicolare alla fibra e il fatto che comunque anche il larice con il passare del tempo possa essere soggetto a fenomeni di degrado ne limitano l’uso.

Laddove si voglia evitare ogni problema di durabilità, la soluzione migliore è quella di utilizzare un cordolo alto in modo di tenere la parete in legno sopraelevata rispetto ai livelli di piano finito interno ed esterno. Allo stesso tempo, per garantire la coibentazione del nodo sul lato esterno in modo da evitare un ponte termico, tale cordolo deve avere spessore limitato così da permettere l’applicazione di uno spessore sufficiente di strato isolante. La planarità tra lato interno e parete in legno è invece importante per evitare interferenze con elementi quali impianti e intercapedini tecniche.

Questa soluzione risulta essere sicuramente la migliore e la più affidabile da un punto di vista della durabilità, ma penalizza in modo eccessivo la resistenza meccanica del nodo. Nel dettaglio, essendo lo spessore del cordolo limitato, i tasselli che si utilizzano per connettere la parete al cordolo hanno una lunghezza di infissione ridotta e di conseguenza resistenze basse, insufficienti ad esempio per la realizzazione di edifici multipiano, dove si riscontrano elevate forze di taglio e di trazione alla base delle pareti [9] [10]. In questa categoria possono rientrare anche i sistemi a cordolo prefabbricato in cemento armato, i quali sono stati sviluppati negli ultimi anni [11]. Quest’ultimi sono elementi lineari ad elevata precisione (essendo realizzati in fabbrica) che consentono una posa più rapida rispetto al cordolo tradizionale gettato in opera. Il collegamento tra cordolo prefabbricato e fondazione viene generalmente realizzato con delle barre resinate le quali richiedono una perfetta esecuzione e pulizia del foro, non facile da garantire. In fase di progetto va posta particolare attenzione allo studio della stabilità e rigidezza del sistema nella direzione ortogonale a quella della parete (rigidezza fuori piano) e al fatto che essendo le parti del cordolo slegate tra loro è difficile assicurare un comportamento scatolare.

Nella tabella sottostante sono riassunte le criticità e i punti di forza propri delle soluzioni descritte in precedenza che prevedono l’appoggio della parete in legno su elementi in cemento armato.

Attacco a travi in acciaio o su profili in alluminio posizionati tra parete e fondazione

Un’ulteriore soluzione è rappresentata dall’ancoraggio su travi in acciaio zincate a caldo (generalmente HE o IPE) o profili estrusi [12] [13] [14] in alluminio i quali vengono interposti tra la fondazione e la parete. 

Per quanto riguarda le travi in acciaio, esse richiedono l’impiego di piastre di connessione non commerciali e non risulta facile la saldatura delle guaine su tali profili.

I profili in alluminio invece sono caratterizzati da un’elevata leggerezza e grande facilità di movimentazione a cui consegue un’elevata velocità di posa in opera. Si sottolinea come quest’ultimi siano ad oggi sviluppati per resistere ai carichi verticali tipici di edifici a due o tre piani; l’altezza dei profili commerciali (massimo 15 cm) non è sufficiente a garantire l’appoggio della parete al di sopra della quota del pavimento finito. 

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