Cedimento pianificato
Quando le travi cigolano e scricchiolano, di solito non è un buon segno. Ben diversa è la situazione nel laboratorio sperimentale dell’Empa: qui le crepe nel legno e il cedimento della costruzione sono pianificati. Alla fine di novembre, circa 20 presidenti di sezione di Holzbau Schweiz erano presenti alla prova di carico su un elemento con telaio in legno a due piani dotato di aperture per finestre.
Un edificio deve essere in grado di resistere a diverse sollecitazioni: in senso verticale a influire sono il peso proprio, la neve e il carico utile, mentre in orizzontale agiscono il carico dovuto al vento e le forze sismiche, che devono essere presi in considerazione nei calcoli statici. Per poter disporre in futuro di migliori basi di calcolo, la Scuola universitaria professionale di Berna, con il sostegno finanziario della Confederazione, dei Cantoni e del settore delle costruzioni in legno, sta studiando un metodo sperimentalmente convalidato per la modellazione, la misurazione e la costruzione di pareti con telaio in legno dotate di aperture per finestre, come parte del rinforzo degli edifici in legno a più piani. I risultati dei test mirano a ottenere una maggiore resistenza ultima, a ridurre gli ancoraggi e a diminuire le forze di ancoraggio, aumentando così l’efficienza del sistema di rinforzo orizzontale dell’edificio.
Presso la BFH di Bienne sono stati testati prima gli elementi delle pareti a un piano, a cui sono seguite le serie di test con le pareti a due piani all’Empa. Le pareti erano dotate di aperture per finestre di diverse dimensioni, da M a XL, e di differenti controventature trasversali come rinforzo contro le forze di compressione e contro le forze di trazione e di compressione. Sono stati testati anche elementi senza rinforzo trasversale ed elementi con montanti delle finestre più larghi per il rinforzo longitudinale. Le pareti con telaio in legno a uno e due piani sono state realizzate secondo un metodo di costruzione comune in Svizzera: con un modulo del telaio in legno lamellare (GL24h) con pannelli OSB per il rivestimento, con ancoraggio e cambre o chiodi come mezzo di giunzione. Nel corso della sperimentazione con il pubblico, sono stati applicati fino a 187 chilo-Newton (corrispondenti a 18,7 tonnellate) sulla parte laterale superiore del telaio in legno per circa un’ora, per simulare le forze che possono verificarsi in caso di terremoto. René Steiger, responsabile del progetto di ricerca presso l’Empa, e Nadja Manser, responsabile degli esperimenti, hanno illustrato al pubblico interessato i dettagli tecnici della serie di esperimenti, mentre l’elemento si deformava a poco a poco fino alla comparsa di grandi crepe nelle travi in legno.
L’essenziale in breve
- La fattibilità dell’approccio «pareti con aperture e rigidità adattiva» è stata studiata con l’ausilio di simulazioni FEM (metodo a elementi finiti) e test uno a uno su pareti con aperture, al fine di fornire dati sulla rigidità, il comportamento della struttura portante e la duttilità.
- Tuttavia, la rigidità adattiva si è rivelata inattuabile nella pratica. La dispersione è molto ampia, quindi le pareti con rinforzo sono il modo giusto per considerare le aree con aperture.
- Lo smorzamento degli edifici con telaio in legno è un altro punto importante nell’ottica di un rinforzo degli edifici in legno efficiente in termini di costi e resistente ai terremoti.
- È stato riscontrato che è possibile realizzare pareti con aperture e riprodurre bene la rigidità del pannello da parete in un modello FE.
Base di calcolo per grandi progetti
L’adozione di tecniche costruttive antisismiche è imprescindibile sul piano tecnico, normativo e legale. Uno studio condotto dalla Scuola universitaria professionale di Berna BFH sul tema della «Rilevanza della situazione di dimensionamento sismica nelle costruzioni in legno svizzere» ha dimostrato che, nonostante la sismicità da debole a media della Svizzera, la situazione di misurazione sismica è molto spesso determinante per gli edifici residenziali in legno e deve essere obbligatoriamente presa in considerazione ai fini del calcolo, come prescrivono anche le norme SIA sulle strutture portanti.
I nuovi spettri di risposta introdotti nella norma SIA 261:2020 per la progettazione antisismica e la nuova zona sismica Z1b determinano in molti casi una forza sismica ancora maggiore per le costruzioni in legno. Con ampi spazi al piano terra e grandi aperture nelle facciate, l’architettura contemporanea rappresenta una sfida per le costruzioni in legno in termini di rinforzo.
Il progetto mira ad acquisire le basi necessarie e a dimostrare in modo convincente la fattibilità dell’approccio «pareti con aperture e rigidità adattiva» grazie alla relativa documentazione (simulazioni FEM e test uno a uno). L’obiettivo principale del progetto è promuovere l’uso del legno come materiale edile resistente ai terremoti e colmare le lacune nelle conoscenze legate a rigidità, comportamento delle strutture portanti e duttilità delle pareti dotate di aperture.
Conclusioni
Gli studi hanno dimostrato che è possibile realizzare pareti con aperture. È inoltre possibile riprodurre bene la rigidità del pannello in un modello FE (elementi finiti). Le pareti con pannelli di rivestimento in OSB a C si sono rivelate inadatte all’applicazione pratica per svariati motivi. Pertanto, le prestazioni delle pareti con pannelli a C senza rigidità adattiva a livello di design, in particolare in caso di aperture di grandi dimensioni, non sono abbastanza elevate. Inoltre, la rigidità adattiva si è dimostrata inattuabile nella pratica. La dispersione della previsione legata alla formazione di crepe nel pannello OSB è molto ampia. Di conseguenza, la resistenza residua non è più sufficientemente elevata, una volta accertata la frattura del pannello. Si deve inoltre tener conto del fatto che la dispersione della crepa del pannello sarebbe ancora maggiore se si prendessero in considerazione pannelli di diversi produttori per la determinazione del valore di frattura. Ne consegue che le pareti con rinforzo della struttura portante sono il modo giusto per considerare le aree con aperture. Come rinforzi si possono usare sia nastri forati sia listelli di legno lamellare impiallacciato. Per scegliere tra queste due opzioni occorre tener conto delle considerazioni relative alla valutazione in caso di incendio.
Il fissaggio di pareti dotate di aperture solo nei montanti laterali è fattibile nel rispetto di determinate disposizioni. La deformazione delle longarine impone la ricerca di un ancoraggio tangenziale che sia molto morbido per contrastare la deformazione verticale. Per ulteriori ricerche occorre tenere presente che durante le prove devono essere montati tutti gli ancoraggi. Nel caso di pareti con aperture, non è opportuno far coincidere la parete con la longarina per la trasmissione della forza di spinta. Per i modelli di calcolo confrontati mediante prove, la rigidità del tirante deve essere determinata in via sperimentale. Lo stesso vale per gli ancoraggi tangenziali da utilizzare. Occorre inoltre evitare lo scorrimento nel raccordo di trazione mediante una maggiore precompressione o altre misure appropriate.
Lo smorzamento degli edifici con telaio in legno è un importante punto di partenza per un rinforzo degli edifici in legno efficiente in termini di costi e resistente ai terremoti. Le indagini condotte nell’ambito di questo studio non hanno contribuito a definire con maggiore precisione lo smorzamento degli edifici con telaio in legno. Tuttavia, la questione richiederebbe ulteriori approfondimenti. Si sono potute formulare due raccomandazioni per i seguenti test di oscillazione. In primo luogo, è necessario sviluppare un nuovo meccanismo di sgancio. A tal fine sono particolarmente interessanti bulloni a strappo e di trazione. È necessario utilizzare un acciaio fragile, in modo che lo scollegamento avvenga senza eccessivi ritardi. Inoltre, a causa del breve periodo proprio di oscillazione, le strutture sperimentali lunghe e poco elevate non sembrano adatte a questo tipo di indagini.
Nelle indagini di follow-up si dovrà prestare particolare attenzione alla previsione del cedimento della struttura portante. Non è stato possibile fare alcuna dichiarazione sulla validità dei modelli FE per quanto riguarda la previsione della forza di cedimento della struttura portante. Ulteriori informazioni in merito al progetto sono consultabili sul sito.