ANALISI DETTAGLIATA DEL CALCOLO DEI NODI A TAGLIO E STRAPPO NELLE STRUTTURE LIGNEE IBRIDE

Il calcolo dei nodi delle strutture lignee a taglio è un compito fondamentale della progettazione strutturale, basato sui principi della meccanica dei materiali e della scienza delle costruzioni. Le forze di taglio si generano quando gli elementi tendono a spostarsi l’uno rispetto all’altro perpendicolarmente all’asse del fissaggio. Nelle strutture lignee, in particolare in legno lamellare (GL24h), la resistenza a taglio dipende non solo dalla resistenza dell’elemento di fissaggio (bullone, vite, chiodo, spinotto), ma anche dalla resistenza del legno stesso, perpendicolarmente e parallelamente alle fibre.

Secondo la norma ДБН В.2.6-161:2017 «Strutture di edifici e costruzioni. Strutture lignee. Disposizioni fondamentali» e l’Eurocodice 5 (EN 1995-1-1), il calcolo a taglio si basa sul «metodo dello stato limite di resistenza». Questo metodo prevede la determinazione della capacità portante del collegamento secondo diversi meccanismi di rottura, che includono: la deformazione dell’elemento di fissaggio, lo schiacciamento del legno sotto il fissaggio, il taglio dell’elemento di fissaggio, lo sfilamento dell’elemento di fissaggio e la spaccatura del legno. Per i collegamenti bullonati, ad esempio, il calcolo della capacità portante a taglio viene solitamente effettuato tenendo conto del «fenomeno di schiacciamento del legno e flessione del bullone». La formula di Yang per il calcolo della capacità portante a taglio del collegamento bullonato, che tiene conto di questo fenomeno, è fondamentale.

Nel calcolo a taglio è necessario considerare parametri critici: il diametro del fissaggio (d), lo spessore degli elementi collegati (t), la resistenza caratteristica del legno a compressione perpendicolare alle fibre (f_c,90,k) e parallela alle fibre (f_c,0,k), nonché la resistenza caratteristica a taglio del fissaggio (f_v,k). Per il legno lamellare di classe GL24h, la resistenza caratteristica a compressione f_c,0,k è di circa 24 MPa, mentre f_c,90,k è di circa 2,5 MPa. I coefficienti che tengono conto dell’angolo tra la direzione della forza e le fibre del legno sono obbligatori da applicare, poiché la resistenza del legno varia notevolmente in funzione di questo angolo. Ad esempio, la resistenza a taglio parallela alle fibre è notevolmente inferiore rispetto a quella perpendicolare.

Un’attenzione particolare va prestata ai collegamenti a più piani di taglio, dove l’elemento di fissaggio attraversa più strati di legno. In questi casi il calcolo si complica per la necessità di considerare la distribuzione delle forze tra i piani di taglio e la possibilità di una rottura progressiva. La progettazione di collegamenti efficaci nei vantaggi del legno lamellare richiede un approccio integrato che unisca conoscenze teoriche ed esperienza pratica, garantendo un’elevata affidabilità della struttura.

Inoltre, è importante il concetto di «lunghezza efficace di incollaggio» per le barre. Se una barra viene incollata nel legno, la sua capacità portante a taglio dipende dalla lunghezza di incollaggio e dalle proprietà dell’adesivo. L’Eurocodice 5, sezione 8.6, fornisce raccomandazioni dettagliate per il calcolo di tali collegamenti, incluso l’effetto della temperatura e dell’umidità sulla resistenza. È necessario tenere conto del fatto che le caratteristiche adesive delle resine possono diminuire con l’esposizione prolungata a temperature elevate o umidità, il che richiede l’applicazione di coefficienti aggiuntivi.

Il calcolo dei nodi a strappo (estrazione) non è meno critico di quello a taglio, in particolare per gli elementi soggetti a forze di trazione o ad azioni che tendono a estrarre il fissaggio dal legno. Questo è tipico dei sistemi di falda, degli sbalzi a mensola, nonché degli ancoraggi alla base. Nel contesto delle strutture ibride Fachwerk+SLT, dove si utilizzano elementi significativi in grado di sostenere grandi carichi di trazione, l’uso di barre incollate è una soluzione molto efficace.

Le barre incollate sono barre di armatura in acciaio o tirafondi filettati, incollati in fori pretrapanati nel legno mediante resine epossidiche o poliuretaniche. La loro elevata capacità portante a strappo è dovuta a un’efficace trasmissione delle forze dalla barra al legno attraverso lo strato adesivo. Secondo EN 1995-1-1, sezione 8.6, il calcolo della capacità portante a strappo delle barre incollate si basa su diversi meccanismi di rottura: sfilamento della barra dal giunto incollato, rottura del giunto incollato, rottura del legno attorno alla barra e rottura della barra stessa.

Per determinare la capacità portante caratteristica a strappo (F_ax,Rk) si considerano i seguenti parametri: il diametro della barra (d), la lunghezza di incollaggio (l_ef), la resistenza caratteristica del legno a trazione parallela alle fibre (f_t,0,k), nonché le caratteristiche della colla e la geometria del foro. La formula generale include coefficienti che tengono conto dell’effetto scala, della durata del carico, della temperatura e dell’umidità. Ad esempio, per il legno di conifera (come per l’SLT o il legno lamellare) si utilizza spesso un valore f_t,0,k nell’intervallo 10-14 MPa. La lunghezza di incollaggio l_ef è critica e solitamente è pari a 8-12 diametri della barra per garantire la piena realizzazione della resistenza della barra e del legno.

Una delle prove più significative è la descrizione dettagliata del metodo di calcolo della capacità portante delle barre incollate con riferimento a EN 1995-1-1, sezione 8.6, che include l’effetto dell’angolo di carico e della geometria. Se il carico agisce con un angolo rispetto all’asse della barra, si genera una sollecitazione combinata di taglio e strappo, che richiede un calcolo più complesso, spesso utilizzando la teoria di Wood-Abramovich. Inoltre, un aspetto importante è garantire una qualità adeguata dell’incollaggio: la superficie del foro deve essere pulita, asciutta, e la resina deve riempire completamente lo spazio senza vuoti d’aria. Ciò garantisce la massima adesione e previene la rottura prematura.

Nella progettazione, l’integrazione dei pannelli SLT nei sistemi ibridi richiede un approccio particolarmente attento al calcolo dei nodi in cui i pannelli SLT si collegano agli elementi del Fachwerk, poiché qui possono generarsi carichi concentrati significativi che richiedono soluzioni ad alta affidabilità a strappo. Questi calcoli garantiscono che l’intero sistema funzioni come un unico elemento resistente ai carichi.

Accanto ai fissaggi moderni, come le barre incollate, i collegamenti lignei tradizionali, come i tenoni e la «coda di rondine», restano attuali per le strutture ibride Fachwerk+SLT, in particolare negli aspetti estetici e di sostenibilità ambientale. Questi collegamenti, che si basano sulla forma e sull’aderenza precisa degli elementi lignei, richiedono metodologie di calcolo a taglio e strappo specifiche, diverse da quelle per i fissaggi metallici.

I collegamenti a tenone e a «coda di rondine» funzionano efficacemente a compressione e taglio parallelamente alle fibre del legno, ma la loro capacità portante a strappo (trazione perpendicolare alle fibre) è limitata. Il calcolo della capacità portante di tali nodi a taglio comprende la valutazione dell’area delle superfici di taglio e della resistenza caratteristica del legno a taglio. Per i collegamenti a tenone, ad esempio, le sollecitazioni di taglio si concentrano alla radice del tenone, il che richiede di garantirne uno spessore e una larghezza sufficienti. È necessario considerare le possibili spaccature del legno lungo le fibre, che possono verificarsi in presenza di carichi di taglio eccessivi, in particolare se le fibre sono orientate con un angolo sfavorevole rispetto alla direzione della forza.

Un esempio di prova significativa è l’analisi comparativa dell’efficienza meccanica dei collegamenti a tenone, che include l’analisi della geometria e degli schemi di calcolo per i collegamenti a tenone (ad esempio «coda di rondine» o «tenone nascosto») a taglio. Solitamente, il calcolo del collegamento a tenone a taglio si effettua con la formula: F_v,Rd = (f_v,d * A_v_eff) / γ_M, dove f_v,d è la resistenza di calcolo del legno a taglio, A_v_eff è l’area efficace di taglio, γ_M è il coefficiente di sicurezza del materiale. Per la «coda di rondine» si considera anche la resistenza allo sfilamento grazie alla sua forma conica, ma ciò funziona solo in presenza di forze di compressione che mantengono unito il collegamento.

La progettazione di tali collegamenti nella progettazione di strutture Fachwerk richiede un attento controllo della qualità del legno, poiché difetti come nodi o fessure possono ridurre notevolmente la capacità portante del nodo. Anche l’umidità del legno svolge un ruolo chiave: un’essiccazione eccessiva può causare ritiro e indebolimento del collegamento, mentre un’umidità eccessiva può portare a marcescenza e riduzione della resistenza. Pertanto, è obbligatorio l’uso di legno essiccato all’umidità di esercizio (12 ± 3%).

Va notato che per migliorare la resistenza e la rigidità dei collegamenti tradizionali si applica spesso una loro combinazione con fissaggi moderni. Ad esempio, i collegamenti a tenone possono essere ulteriormente rinforzati con caviglie o chiavette, il che aumenta notevolmente la loro capacità di sostenere sia carichi di taglio sia di trazione, permettendo di raggiungere un’elevata affidabilità e durabilità. Questo approccio garantisce la migliore combinazione di tradizione e innovazione nell’edilizia in legno.

Con la comparsa di strutture ibride complesse, come Fachwerk+SLT, i metodi manuali di calcolo dei nodi a taglio e strappo diventano insufficienti per una modellazione precisa dello stato di sforzo-deformazione. Qui vengono in aiuto i software che implementano il metodo degli elementi finiti (FEM — Finite Element Method). L’analisi FEM permette di creare un modello virtuale dettagliato del nodo, tenendo conto della geometria complessa, delle proprietà anisotrope del legno e dell’interazione di materiali eterogenei (legno, acciaio, colla).

Una delle prove più significative è l’uso di software per l’analisi FEM, come Dlubal RFEM/RSTAB, Autodesk Robot Structural Analysis o Abaqus. Questi strumenti permettono agli ingegneri di modellare i nodi con elevata precisione, individuare le zone di concentrazione delle sollecitazioni, prevedere il comportamento del collegamento sotto diversi tipi di carico (statico, dinamico, ciclico) e ottimizzarne i parametri geometrici per raggiungere la massima efficienza. Per il legno, che è un materiale anisotropo, la modellazione FEM è estremamente preziosa, poiché permette di tenere conto con precisione della variazione delle caratteristiche di resistenza in funzione della direzione delle fibre.

Il processo di analisi FEM per un nodo a taglio e strappo comprende solitamente le seguenti fasi: creazione di un modello 3D del nodo con la geometria precisa di tutti gli elementi (legno, fissaggi, giunti incollati); assegnazione delle proprietà dei materiali tenendo conto dell’anisotropia del legno (moduli di Young e di taglio nelle diverse direzioni, coefficienti di Poisson); applicazione di carichi realistici; creazione della mesh a elementi finiti; ed esecuzione del calcolo. Il risultato è la visualizzazione della distribuzione delle sollecitazioni (in particolare di taglio e normali), delle deformazioni, nonché dei fattori di sicurezza per ogni componente del nodo. Ciò permette di individuare potenziali punti deboli e apportare le correzioni necessarie già in fase di progettazione.

È importante notare che la precisione dell’analisi FEM dipende in gran parte dalla qualità dei dati di input, in particolare dall’affidabilità delle proprietà dei materiali. Per il legno lamellare di classe GL24h e i pannelli SLT, i produttori forniscono caratteristiche dettagliate, che devono essere integrate correttamente nel modello. Inoltre, le proprietà non lineari del legno (ad esempio la sua plasticità sotto sollecitazioni elevate) e il comportamento dei giunti incollati sotto carico possono anch’essi essere considerati in modelli più complessi.

L’uso dell’analisi FEM accelera notevolmente il processo di progettazione iterativa e permette di raggiungere un’ottimizzazione quasi impossibile da ottenere con i soli calcoli analitici. Ciò è particolarmente importante per i kit casa prefabbricati innovativi e complessi, dove ogni nodo è un elemento di un unico sistema strutturale.

Qualsiasi calcolo della capacità portante delle strutture edilizie, inclusi i nodi a taglio e strappo, deve rispettare rigorosamente i documenti normativi vigenti. In Ucraina i documenti principali sono le Norme Edilizie Statali (ДБН), in particolare la ДБН В.2.6-161:2017 «Strutture di edifici e costruzioni. Strutture lignee. Disposizioni fondamentali». Questa norma stabilisce i requisiti per la progettazione, il calcolo e la costruzione di strutture lignee, incluse le regole di calcolo dei collegamenti.

Parallelamente, nella pratica europea è ampiamente applicato l’Eurocodice 5 (EN 1995-1-1 «Progettazione delle strutture di legno – Parte 1-1: Regole generali e regole per gli edifici»). L’Eurocodice 5 è un documento più uniforme e dettagliato, che copre un’ampia gamma di tipi di collegamenti e metodologie di calcolo, incluse quelle relative alle barre incollate e ad altri fissaggi complessi. Le norme ДБН ucraine sono armonizzate con gli Eurocodici, il che permette di applicare le metodologie di EN 1995-1-1 con alcune appendici nazionali (NA) o coefficienti.

Una delle prove più significative è il dettaglio dell’applicazione dei coefficienti di sicurezza del materiale (γM) e del carico (γF) secondo la ДБН В.2.6-161:2017 e l’Eurocodice 5 (EN 1995-1-1) nel contesto del calcolo dell’esercizio a lungo termine dei nodi. Questi coefficienti sono di importanza critica per garantire la sicurezza e la durabilità della struttura. Ad esempio, per il legno il coefficiente di sicurezza del materiale γM viene solitamente assunto nell’intervallo 1,2-1,3, a seconda della classe di conseguenza e delle condizioni di esercizio. I coefficienti di sicurezza dei carichi γF variano a seconda del tipo di carico (permanenti, variabili, vento, neve) e possono essere compresi tra 1,0 e 1,5.

Inoltre, entrambi gli standard dedicano notevole attenzione alle condizioni di esercizio (classi di servizio 1, 2, 3), che influiscono sulle caratteristiche di resistenza del legno e dei fissaggi tramite l’umidità e la temperatura. Ad esempio, per la classe di servizio 3 (condizioni esterne o condizioni con elevata umidità) si applicano coefficienti riduttivi alla resistenza caratteristica del legno. Ciò richiede all’ingegnere una comprensione approfondita dell’effetto dell’ambiente sui materiali da costruzione e la loro corretta considerazione nei calcoli.

L’uso di queste norme nella progettazione garantisce che i collegamenti nelle strutture ibride saranno affidabili e sicuri, in grado di sostenere tutti i carichi di calcolo per l’intera durata di servizio dell’edificio. Ciò è particolarmente importante per le case in legno lamellare, dove le strutture a grande luce richiedono un’attenzione maggiore a tutti gli elementi.

L’ottimizzazione dei nodi a taglio e strappo nelle strutture lignee ibride, come Fachwerk+SLT, va oltre la semplice garanzia della capacità portante. Comprende l’aumento della rigidità dei collegamenti, di importanza critica per il controllo delle deformazioni e per garantire la stabilità dinamica dell’intera struttura, in particolare sotto l’azione di carichi da vento e sismici. La rigidità di un nodo è caratterizzata dalla sua capacità di resistere a deformazioni angolari e lineari sotto carico.

Per aumentare la rigidità dei nodi si applicano diversi approcci. In primo luogo, l’uso di elementi di fissaggio ad alta resistenza e rigidità, come bulloni in acciaio ad alta resistenza con pretensionamento o barre incollate rigide. Il pretensionamento dei bulloni permette di trasmettere il carico tramite forze di attrito, il che riduce notevolmente le deformazioni nel collegamento. Le barre incollate, grazie alla loro integrazione monolitica con il legno, garantiscono un’elevata rigidità iniziale.

In secondo luogo, l’ottimizzazione della geometria del collegamento ha grande importanza. Ad esempio, l’uso di rondelle di grandi dimensioni o di connettori speciali aumenta l’area di contatto e distribuisce le sollecitazioni nel legno in modo più uniforme, prevenendo lo schiacciamento locale e la spaccatura. Anche l’applicazione di collegamenti a tenone con un adattamento preciso contribuisce ad aumentare la rigidità, poiché il contatto diretto legno su legno garantisce un’efficace trasmissione delle forze.

Nel contesto di Fachwerk+SLT, l’integrazione dei pannelli SLT, che sono di per sé diaframmi rigidi, nel telaio del Fachwerk richiede un approccio particolare ai collegamenti. Garantire un collegamento rigido tra i pannelli SLT e gli elementi del telaio (ad esempio tramite collegamenti a vite completamente filettati o connettori speciali) permette di creare un sistema monolitico e altamente rigido, che distribuisce efficacemente il carico su tutta la struttura. Ciò si ottiene grazie a un calcolo accurato del numero e della disposizione dei fissaggi, nonché tenendo conto delle caratteristiche di deformazione di ogni materiale.

Inoltre, i moderni metodi di progettazione prevedono l’uso di software per la modellazione del comportamento non lineare dei nodi. Ciò permette di tenere conto della graduale riduzione della rigidità del collegamento con l’aumento del carico (fenomeno di plasticità o di scorrimento viscoso), particolarmente rilevante per l’esercizio a lungo termine. Tale ottimizzazione garantisce non solo la conformità alle norme, ma fornisce anche alla struttura un margine di resistenza e stabilità aggiuntivo. Per la progettazione in legno lamellare e i sistemi ibridi, questo è un principio fondamentale.

La progettazione e la verifica dei nodi a taglio e strappo nelle strutture lignee ibride è un processo articolato in più fasi, che richiede un approccio sistematico. Inizia con la progettazione concettuale e si conclude con una verifica dettagliata di tutti gli elementi del collegamento. Questa guida pratica copre i passaggi chiave per ingegneri e progettisti che lavorano con Fachwerk+SLT e altri moderni sistemi lignei.

Fase 1: Determinazione dei carichi e delle combinazioni. Il primo passo consiste nella raccolta di tutti i possibili carichi (permanenti, variabili, vento, neve, sismici) e delle loro combinazioni secondo ДБН В.1.2-2:2006 «Carichi e azioni» ed EN 1990. È importante considerare la natura dinamica di alcuni carichi, che possono causare fenomeni di fatica nei nodi.

Fase 2: Scelta del tipo di collegamento e dei materiali. In base all’entità e alla natura dei carichi, nonché ai requisiti architettonici, si sceglie il tipo di collegamento ottimale (barre incollate, bulloni, tenoni, ecc.). Si determinano i materiali: la classe del legno lamellare (ad esempio GL24h), il tipo di pannelli SLT, la classe dell’acciaio per gli elementi di fissaggio. Questa scelta è critica, poiché influisce direttamente sulle caratteristiche di resistenza.

Fase 3: Calcolo preliminare. Si eseguono calcoli analitici preliminari della capacità portante del collegamento a taglio e strappo, utilizzando le formule della ДБН В.2.6-161:2017 e di EN 1995-1-1. In questa fase si determinano le dimensioni indicative dei fissaggi e le distanze tra essi.

Fase 4: Progettazione dettagliata della geometria del nodo. Si sviluppa un modello geometrico dettagliato del nodo, comprendente tutte le dimensioni, i giochi e la disposizione dei fissaggi. Ciò può includere disegni 2D e modellazione 3D.

Fase 5: Analisi FEM (se necessaria). Per i nodi complessi o critici si effettua un’analisi FEM utilizzando software specializzati. Ciò permette di valutare con maggiore precisione la distribuzione delle sollecitazioni, individuare i concentratori e ottimizzare la struttura. L’uso di modelli non lineari dei materiali può essere qui molto utile.

Fase 6: Verifica di conformità alle norme. I risultati ottenuti vengono confrontati con i valori limite stabiliti dalla ДБН e dall’Eurocodice 5. Si verificano tutti i meccanismi di rottura: resistenza del fissaggio, schiacciamento del legno, taglio del legno, spaccatura, sfilamento. Si verificano anche le deformazioni del nodo e la sua rigidità.

Fase 7: Redazione della relazione di calcolo e dei disegni. Tutti i calcoli, le ipotesi, i dati di partenza e i risultati vengono redatti sotto forma di relazione di calcolo. Vengono elaborati disegni esecutivi dettagliati dei nodi, contenenti tutte le informazioni necessarie per la fabbricazione e il montaggio. Questo approccio sistematico è la garanzia di strutture affidabili e durevoli, conformi agli standard costruttivi moderni. È anche una fase chiave per i produttori di kit casa in legno lamellare.