Approfondimenti

La tecnica costruttiva a pannelli portanti si può a tutti gli effetti considerare come l’evoluzione del sistema platform frame con il quale ha in comune le fasi costruttive. Determinata dalla progressiva industrializzazione del processo produttivo che ha permesso lo sviluppo delle tecniche di prefabbricazione, questa può spingersi fino al completo assemblaggio in fabbrica dei setti portanti completi di isolamento, rivestimenti interni ed esterni realizzati con diverse modalità e materiali.

Il sistema si basa in sostanza su un’ossatura portante preassemblata in fabbrica, luogo nel quale avviene la maggior parte delle manovre di montaggio: l’ossatura è costituita, come nel sistema platform frame, da montanti corti disposti a una distanza di 62,5 cm (misura che permette di minimizzare lo scarto dei materiali di rivestimento interno, generalmente costituito da pannelli di legno, cartongesso o fibra-gesso, che hanno mediamente larghezza di 125 cm, e da materiali isolanti usati come tamponamento degli spazi liberi tra i montanti) e da un rivestimento esterno realizzato con lastre la cui funzione portante è tutt’uno con quella di tamponamento e di controventamento delle spinte orizzontali. Questo sistema costruttivo veniva già utilizzato nel dopoguerra per edificare architetture di modeste dimensioni, ma ha avuto il suo maggiore sviluppo in Francia e nel nord Europa negli anni ’80. I moduli costruttivi possono esser utilizzati come pareti interne ed esterne, solai e strutture di copertura. Le differenze principali con l’originario sistema platform frame stanno nelle dimensioni maggiori di montanti e traversi che costituiscono il telaio interno dei pannelli; queste si rendono necessarie a sorreggere rivestimenti più pesanti in relazione alle peggiori condizioni climatiche; vengono inoltre eliminati gli elementi diagonali necessari a trasmettere gli sforzi orizzontali e sostituiti da tavole diagonali o pannelli in multistrato o in legno ricomposto.

Il funzionamento a lastra dei pannelli è il tratto peculiare del principio strutturale di questo sistema costruttivo: pareti esterne, solai e tramezze interne (superfici bidimensionali) interagiscono tridimensionalmente tramite adeguate connessioni, realizzando così geometrie spaziali che oppongono adeguata resistenza alle spinte orizzontali scaricate dagli elementi edilizi esterni ai solai e alle pareti ad essi collegati. Un’altra caratteristica specifica del sistema costruttivo a pannelli portanti sta nel fatto che non utilizza alcuna connessione di carpenteria tra gli elementi prefabbricati implicando una notevole facilità esecutiva: le connessioni sono realizzate generalmente da zeppe di legno duro e ferramenta metallica quali viti e bulloni, piastre, chiodi, angolari, ecc., e devono esser adeguatamente realizzate e ben protette perché da esse dipendono in gran parte il comportamento statico, l’isolamento termo-acustico, la protezione dagli agenti atmosferici e la resistenza al fuoco dell’intero edificio. Il rivestimento esterno dei pannelli può, come già accennato, essere realizzato con diverse modalità: legno disposto in tavole orizzontali posate su un’armatura verticale, oppure assito verticale su armatura orizzontale, opportunamente forata per permetterne l’aerazione. Oppure con pannelli preparati per accogliere l’intonaco; in caso di rivestimento con intonaco questo viene posato su uno strato di isolante che realizza un cappotto esterno oppure su contro-pareti in laterizio, è possibile inoltre pensare al rivestimento esterno tramite pareti ventilate in laterizio, che necessitano delle adeguate aperture alla base e in sommità per permettere la ventilazione della facciata.

Il livello di prefabbricazione del sistema può raggiungere gradi differenziati: dall’utilizzo di elementi lignei di misure standard montati in cantiere, all’utilizzo di pannelli assemblati completamente in fabbrica.

Un’ulteriore evoluzione si è raggiunta con la produzione di vere e proprie cellule tridimensionali che permettono la riduzione del prezzo grazie ai limitati costi di trasporto e montaggio: in questo sistema i moduli tridimensionali sono interamente assemblati in fabbrica e costituiti da tutti gli elementi edilizi di un edificio: solai, tramezzi, tamponamenti, impianti: generalmente vengono realizzate in fabbrica anche le finiture. Le cellule tridimensionali vengono poi assemblate tra loro in cantiere e vincolate ad una struttura di fondazione in c.a.

Possiamo considerare come evoluzioni delle tecniche tradizionali a montanti lunghi e a montanti corti i sistemi diffusi negli Stati Uniti denominati balloon frame e platform frame. Il sistema ballon frame si afferma intorno alla meta del XIX secolo (è del 1833 il primo edificio, una chiesa, realizzato con questa tecnica a Chicago) sostituendo i “vecchi” sistemi a telaio importati dall’Europa caratterizzati da travi, pilastri e controventi uniti tra loro da incastri talvolta anche molto complessi.

La penuria di carpentieri specializzati in grado di costruire strutture articolate, la diffusione di chiodi, bulloni, piastre metalliche a basso costo, resa possibile dall’industrializzazione del sistemi produttivi, unita alla necessità dei “pionieri” americani di erigere edifici in tempi brevi, autonomamente o con semplici squadre di montatori e quindi con tecniche elementari, sono gli elementi che hanno reso possibile la diffusione e il successo di questo sistema costruttivo.

Il sistema è caratterizzato da montanti e travetti di sezione ridotta, disposti a breve distanza e uniti tramite chiodi; i montanti sono continui per l’altezza di due piani (limite massimo di altezza dell’edificio); un corrente superiore sostiene l’ossatura del tetto, a lato dei montanti sono fissate le travi tramite chiodatura: i montanti e i travetti del solaio del piano terra poggiano su un corrente di fondazione. Il rivestimento è realizzato con tavole che assicurano l’irrigidimento e il consolidamento della costruzione; negli spazi vuoti tra i montanti viene inserito materiale isolante necessario a garantire l’adeguata protezione termica all’involucro edilizio, la controventatura è assicurata da aste inserite tra i montanti. E’ un sistema costruttivo basato sull’utilizzo di elementi di dimensioni standardizzate, prodotti industrialmente.

Il sistema platform frame (telaio orizzontale) si può considerare l’evoluzione del balloon frame. Il principio è quello per cui il telaio orizzontale del solaio costituisce la superficie di appoggio per gli steli intelaiati (alti un piano) delle pareti perimetrali, dei tramezzi e dei tavolati. Questo sistema costruttivo ha permesso di superare l’altezza di due piani tipica dei sistemi a montanti verticali continui, rendendo possibile la realizzazione di edifici alti fino a sei piani.

Le pareti e il tetto (la cui struttura è realizzata analogamente alle pareti verticali), possono essere costruiti in cantiere oppure prefabbricati e successivamente trasportati in cantiere, sollevati con un argano (visto il peso relativamente ridotto) e montati piano per piano. La struttura dei pannelli di parete è costituita da due correnti, uno posto sopra e uno al di sotto dei montanti verticali di sezione ridotta disposti con un interasse multiplo di 30 cm; i montanti vengono inchiodati di testa ai correnti.

La funzione di controventatura necessaria alla tenuta statica dell’edificio è realizzata dal rivestimento della parete oppure da traversi diagonali. Il rivestimento con funzione di irrigidimento può essere realizzato da tavole di legno posate orizzontalmente o diagonalmente, attualmente anche da pannelli di compensato, da pannellature OSB o da pannelli di fibre. Su questo primo rivestimento si procede con diverse tipologie di finitura, il rivestimento interno e di solito costituito da lastre di gesso che garantiscono una discreta protezione della struttura da eventuali incendi. Tutte le connessioni necessarie al montaggio degli edifici che adottano questa tecnica sono realizzate unicamente da chiodi, scarpe e squadrette metalliche, sul corrente di fondazione appoggiano solo i travetti del solaio al piano terra e nessun montante.

La tecnica delle costruzioni degli edifici X-Lam e la ricerca sul comportamento statico e sismico condotta soprattutto in Europa negli ultimi anni, consente ad oggi di stabilire delle regole di progettazione sia in campo statico che sismico.

Come spiegato in precedenza, un edificio X-Lam è sostanzialmente una struttura scatolare in cui le pareti e i solai sono formati da diaframmi costituiti da pannelli di legno massiccio collegati fra loro mediante collegamenti meccanici.

La concezione strutturale a scatola è quindi alla base della progettazione strutturale.

Nell’ipotesi di comportamento scatolare, quando l’edificio viene investito dall’azione sismica, questa viene trasferita dagli orizzontamenti, considerati rigidi nel loro piano, alle pareti di piano in funzione della loro rigidezza.

Le pareti saranno pertanto caricate da azioni orizzontali nel proprio piano e soggette, per effetto di queste ultime, ad azioni di scorrimento e sollevamento per le quali andranno verificati i corrispondenti elementi di collegamento.

La deformazione di un sistema parete realizzato con pannello di legno a strati incrociati fissato con unioni meccaniche è causata principalmente dalla deformazione delle unioni meccaniche che in genere può essere nell’ordine del centimetro, mentre la deformazione a taglio del pannello resta sotto il millimetro, quindi ai fini pratici si può schematizzare il pannello infinitamente rigido nel proprio piano collegato con unioni meccaniche deformabili.

Si può considerare la rigidezza di ciascuna parete proporzionale alla lunghezza della parete stessa se le connessioni, sia quelle verticali fra i singoli pannelli che compongono la parete che quelle fra pareti e solai, sono uniformemente distribuite lungo tutte le pareti a ciascun piano.

Le sollecitazioni sismiche agenti sui vari elementi strutturali possono essere calcolate per edifici rispondenti ai criteri di regolarità strutturale in pianta ed elevazione enunciati dalle Norme Tecniche per le Costruzioni, secondo un’analisi statica lineare considerando l’azione sismica agente nelle due direzioni principali ortogonali e assumendo il primo modo di vibrare dell’edificio come una distribuzione di spostamenti che aumentano in maniera lineare al crescere dell’altezza dell’edificio.

Allo scopo di garantire il comportamento scatolare dell’intero organismo strutturale è necessario che non intervengano prima cedimenti per perdita di geometria locale o globale, cioè la scatola strutturale non si apra ma resti connessa.

Perciò alcune connessioni fra i diversi elementi strutturali devono essere dotate di adeguate riserve di sovraresistenza in maniera tale da rimanere sempre in campo elastico evitando eccessive deformazioni, in modo da consentire, in accordo col criterio della gerarchia delle resistenze, agli elementi e alle connessioni a comportamento duttile di dissipare l’energia trasferita dal sisma. Queste sono:

▪ la connessione fra i pannelli del solaio in modo da assicurare la pressoché totale assenza di scorrimento relativo e garantire l’ipotesi di diaframma rigido;

▪ la connessione fra solaio e sottostante parete in modo che ad ogni piano ci sia un diaframma rigido al quale le pareti risultano rigidamente connesse e che quindi faccia da cintura al piano;

▪ la connessione verticale fra pareti che si intersecano fra loro, in particolare agli spigoli dell’edificio, in maniera che la stabilità delle pareti e dell’intera scatola strutturale risulti sempre garantita.

Gli elementi che invece sono devoluti alla dissipazione di energia attraverso un comportamento duttile e che pertanto vanno progettati, garantendo sufficienti riserve di resistenza, per le relative azioni di progetto sono:

▪ le connessioni verticali fra pannelli-parete;

▪ le connessioni a taglio alla base delle pareti (se opportunamente realizzati);

▪ le connessioni a sollevamento (hold-down) all’inizio ed alla fine di ciascuna parete ed in corrispondenza delle aperture.

In accordo con il criterio della gerarchia delle resistenze è necessario che questi elementi siano progettati per resistere alle azioni sismiche di competenza, senza effettuare sovradimensionamenti. È quindi importante che la resistenza alle azioni orizzontali sia maggiore ai piani bassi e diminuisca ai piani alti proporzionalmente alla variazione in altezza al taglio di piano. In altre parole bisogna progettare in modo che, in linea teorica, a tutti i piani le unioni meccaniche si plasticizzino contemporaneamente.

Questi aspetto è importante sia al fine di garantire il necessario livello di duttilità e di dissipazione all’intero organismo strutturale, sia al fine di evitare sovradimensionamento di queste connessioni rispetto a quelle devolute al mantenimento del comportamento scatolare e che per questo motivo devono garantire una maggiore resistenza.

Prima di analizzare il comportamento sismico di questa tipologia di edifici occorre esaminare in dettaglio il processo costruttivo e le modalità di collegamento fra i vari componenti strutturali.

Le strutture di fondazione vengono realizzate o con una platea o con travi rovesce in c.a. Se viene utilizzata una platea di fondazione è comunque buona norma realizzare sopra di essa un cordolo in c.a. oppure in legno di specie durabile, di altezza massima pari a 100-120 mm, per evitare il contatto diretto delle pareti di legno con la platea stessa. Il cordolo può essere evitato se le strutture di fondazione fuoriescono dal livello del terreno. In tutti i casi tra la struttura di legno e la fondazione va interposto uno strato di guaina bituminosa per evitare le trappole di umidità.

Il collegamento del piano terra alle fondazioni deve svolgere una duplice funzione:

impedire che per effetto delle azioni orizzontali (vento o sisma), agenti nel piano stesso della parete e in generale su tutto l’edificio si possa verificare sia il ribaltamento che lo scorrimento rispetto alle fondazioni. Il ribaltamento viene solitamente contrastato con delle piastre angolari allungate, dette comunemente hold-down.

Gli hold-down vengono collegati alle pareti con chiodi o viti alle fondazioni in calcestruzzo con barre filettate in acciaio inserite in fori sigillati con malta cementizia o epossidica. Devono essere posizionati in corrispondenza dei limiti estremi delle pareti e in prossimità delle aperture. I chiodi (meglio se ad aderenza migliorata) e le viti di collegamento alla parete hanno diametri variabili di 3 ai 6 mm e le barre filettate dai 12 ai 18 mm a seconda del tipo di hold-down e dei carichi in gioco.

Lo scorrimento invece può essere contrastato in vari modi, a seconda del metodo di collegamento delle pareti alle fondazioni. Nel caso di presenza di cordolo in legno, deve essere previsto un doppio collegamento del cordolo di legno alle fondazioni, realizzato sempre con barre filettate, e della parete al cordolo in legno, garantito con viti auto-foranti inserite inclinate sui due lati della parete.

Nel caso invece di parete collegata direttamente al cordolo di fondazione solitamente si prevedono delle staffe angolari di acciaio collegate con chiodi o viti alle pareti e sempre con tirafondi in acciaio alle fondazioni.

Per quanto riguarda le pareti, se per esigenze di trasporto e facilità di maneggevolezza e montaggio, vengono suddivise in pannelli di larghezze variabili, sono collegate tra loro con la realizzazione di giunti verticali. Questi vengono solitamente eseguiti con l’interposizione di una striscia di pannello multistrato a base di legno inserita in apposite fresature internamente alla parete o su una sua faccia. Talvolta viene anche realizzato un giunto a mezzo legno a tutta altezza. Il collegamento avviene sempre mediante l’inserimento di viti auto-foranti o chiodi di diametro variabile in funzione dei carichi.

La sperimentazione scientifica finora effettuata ha dimostrato che edifici realizzati on pareti composte da più pannelli di larghezza massima fino a 3 m e collegati verticalmente con giunti meccanici, se progettati nel pieno rispetto del criterio della gerarchia delle resistenze, dimostrano un livello di duttilità maggiore rispetto a edifici formati da pareti intere e quindi una maggiore capacità dissipativa dell’energia trasferita dal sisma.

Il collegamento fra pareti ortogonali avviene sempre mediante l’inserimento di viti auto-foranti. Occorre fare attenzione nell’inserimento delle viti ad intercettare gli strati del pannello con direzione della fibratura verticale, diversamente, l’unione diventa totalmente inefficace. La cosa migliore è realizzare il collegamento con la vite infissa con asse leggermente inclinato rispetto alla direzione del piano della parete in modo da essere assolutamente sicuri di andare a intercettare gli strati di tavole a fibratura ortogonale.

Una volta montate le pareti del piano terra è possibile posare il primo solaio.

Anche per il solaio si preferisce il montaggio a pannelli, collegati fra loro con le stesse tecniche utilizzate per le pareti.

Una volta realizzato il primo solaio, il processo costruttivo si ripete: ossia il primo solaio fa da piattaforma per la realizzazione dei piani successivi. Le pareti del primo piano devono essere collegate al solaio sottostante sempre con mezzi di collegamento meccanico (piastre metalliche angolari, chiodi e viti) di presidio al sollevamento e allo scorrimento, con le stesse modalità del collegamento alle fondazioni. In alternativa agli hold-down possono essere utilizzate delle più pratiche bande forate da collegare esternamente alla parete esterna con chiodi sia alla parete del piano inferiore che a quella del piano superiore, come mostrato nelle figure.

La copertura può essere realizzata a pannelli oppure con metodo tradizionale, ovvero con travi principali, secondarie e sovrastante un tavolato a doppio strato incrociato o pannello a base di legno.