COME RIDURRE LA FRECCIA DELLA STRUTTURA

La freccia è la deformazione di un elemento strutturale sotto l'azione di un carico, misurata come spostamento verticale. Secondo la ДБН В.1.2-12:2008 'Costruzione nelle aree sismiche dell'Ucraina' e la ДБН В.2.6-98:2009 'Strutture di edifici e costruzioni. Strutture in calcestruzzo e cemento armato', le frecce ammissibili dei solai sono rigorosamente regolamentate. Per gli edifici residenziali e pubblici, di norma, la freccia relativa non deve superare L/250 o L/300, dove L è la luce della campata. Questo significa che per una campata di 6 metri (6000 mm) la freccia massima è di 20-24 mm. Queste norme tengono conto non solo della capacità portante, ma anche del comfort psicologico degli utenti, nonché della resistenza dei materiali di finitura alle deformazioni.

Nel calcolo della freccia si considerano fattori chiave come il modulo di elasticità del materiale (E), il momento d'inerzia della sezione trasversale (I), il tipo e l'intensità del carico (P o q), nonché lo schema di appoggio della trave (ad esempio, mensola, trave su singola campata o su più campate). Le formule per il calcolo della freccia sono relazioni integrali di questi parametri e richiedono una determinazione precisa di ogni variabile. Ad esempio, per una trave semplicemente appoggiata con carico uniformemente distribuito (q), la freccia massima è pari a (5 * q * L^4) / (384 * E * I). Da questa formula risulta evidente che aumentare il modulo di elasticità del materiale o il momento d'inerzia della sezione sono metodi efficaci per ridurre la freccia. È proprio su questo principio che si basa l'ottimizzazione delle strutture in legno lamellare, dove un elevato modulo di elasticità e una sezione efficace garantiscono deformazioni minime.

Il legno lamellare, in particolare della classe di resistenza GL24h, è una soluzione altamente efficace per ridurre la freccia nelle strutture dei solai. La lettera 'G' in GL24h sta per 'Glued', 'L' per 'Laminated Timber', e '24' indica la resistenza caratteristica a flessione di 24 MPa. Il suffisso 'h' (homogeneous) indica che le lamelle hanno proprietà simili in tutta la sezione, garantendo resistenza e rigidezza omogenee. Questo lo distingue dal legno eterogeneo (GL24c), dove le proprietà possono variare.

Il modulo di elasticità (E) per il legno lamellare di classe GL24h è generalmente pari a 11.500 MPa, un valore notevolmente superiore a quello del legno massiccio comune (circa 9.000-10.000 MPa). Un modulo di elasticità più elevato si traduce direttamente in una minore freccia a parità di carichi e geometria. Questo permette di progettare solai con campate maggiori o di utilizzare sezioni di trave più ridotte senza perdere capacità portante e rigidezza. Inoltre, grazie al processo di incollaggio sotto pressione, il legno lamellare presenta un numero di difetti (nodi, fessure) notevolmente inferiore rispetto al legno massiccio, il che garantisce proprietà meccaniche più prevedibili e una maggiore resistenza alle deformazioni. L'uso del legno lamellare contribuisce inoltre ad aumentare la resistenza al fuoco, poiché gli elementi lignei spessi si carbonizzano più lentamente, mantenendo la capacità portante più a lungo rispetto al metallo non protetto, secondo la EN 13501-2.

Un ulteriore vantaggio è la possibilità di realizzare elementi di grandi dimensioni e forme complesse, che permette di creare soluzioni architettoniche uniche senza compromettere l'integrità strutturale. L'impiego del legno lamellare GL24h è un investimento nella durabilità, nell'affidabilità e nella rigidezza della struttura, elementi chiave per l'edilizia moderna. Per saperne di più su questa tecnologia, potete consultare la pagina sulla costruzione in legno lamellare.

Oltre alle proprietà del materiale, i parametri geometrici degli elementi del solaio svolgono un ruolo decisivo nel controllo della freccia. I fattori principali sono l'altezza della sezione della trave, la sua larghezza e la lunghezza della campata. Dalla formula della freccia risulta che il momento d'inerzia (I) è l'indicatore chiave della rigidezza della sezione. Per una trave rettangolare, il momento d'inerzia si calcola come (b * h^3) / 12, dove b è la larghezza e h è l'altezza. Ne consegue che l'altezza della trave ha una dipendenza cubica dal momento d'inerzia, mentre la larghezza ha una dipendenza lineare. Questo significa che aumentare l'altezza della trave del 20% produce un incremento di rigidezza molto maggiore rispetto ad aumentare la larghezza dello stesso 20%.

Ad esempio, se abbiamo una trave 100x300 mm, il suo I = (100 * 300^3) / 12 = 225 x 10^6 mm^4. Se aumentiamo l'altezza del 20% fino a 360 mm, I = (100 * 360^3) / 12 = 388,8 x 10^6 mm^4 — un aumento del 72%. Se invece aumentiamo la larghezza del 20% fino a 120 mm, I = (120 * 300^3) / 12 = 270 x 10^6 mm^4 — un aumento di solo il 20%. Pertanto, nella progettazione dei solai è opportuno sfruttare al massimo l'altezza delle travi, un metodo molto più efficace per raggiungere la rigidezza necessaria e ridurre la freccia. Per campate lunghe, questo può richiedere l'uso di travi di altezza considerevole o di soluzioni costruttive speciali, come capriate, travi composite o elementi precompressi. La ДБН В.2.6-161:2017 'Strutture in acciaio' e la ДБН В.2.6-14:2009 'Coperture di edifici e costruzioni' contengono inoltre raccomandazioni sul rapporto tra campata e altezza per i diversi tipi di strutture.

Comprendere i tipi di carico e il loro effetto sulle strutture è fondamentale per il controllo della freccia. Si distinguono carichi permanenti, carichi variabili di lunga durata e carichi variabili di breve durata. I carichi permanenti comprendono il peso proprio degli elementi strutturali (travi, solette, pavimenti, soffitti), nonché gli elementi non rimovibili (tramezzi). I carichi variabili di lunga durata sono, ad esempio, il peso di apparecchiature fisse, mobili. I carichi variabili di breve durata sono i carichi di esercizio dovuti a persone, apparecchiature mobili, carichi di neve e vento (per i tetti, che influiscono sui solai attraverso gli elementi verticali).

Secondo la ДБН В.1.2-12:2008, i valori normativi dei carichi, ad esempio per gli ambienti residenziali, sono pari a 1,5-2,0 kPa (150-200 kg/m²) per il carico variabile uniformemente distribuito. La freccia viene sempre calcolata tenendo conto sia dei carichi permanenti che di quelli variabili. È importante considerare anche i carichi dinamici, che possono derivare da vibrazioni di apparecchiature o dal passo delle persone. Sebbene la freccia statica possa rientrare nei limiti normativi, le oscillazioni dinamiche possono creare disagio e danneggiare le finiture. Per ridurre questo effetto, è necessario aumentare la rigidezza degli elementi (aumentare E*I) o applicare soluzioni smorzanti. Una corretta distribuzione dei carichi, garantire la rigidezza in entrambe le direzioni (tramite solette monolitiche o travi incrociate) e considerare gli scenari di esercizio permettono di minimizzare le deformazioni indesiderate e garantire l'affidabilità delle strutture.

La qualità delle giunzioni nodali è di importanza critica per l'integrità strutturale e la rigidezza del solaio in legno lamellare. Nodi eseguiti in modo errato o non sufficientemente rigidi possono portare a un significativo aumento della freccia, anche se le travi stesse sono calcolate con un margine di sicurezza. Per il legno lamellare sono diffusi i seguenti tipi di giunzione: piastre e bulloni in acciaio, chiavette, elementi di rinforzo in legno, oppure fissaggi metallici nascosti (ad esempio del tipo a 'coda di rondine' o connettori speciali).

Un esempio di nodo tipico è la giunzione tra la trave di solaio e la parete portante o la colonna. Se la trave semplicemente appoggia sul supporto, si crea una giunzione a cerniera, che non trasmette momenti flettenti, ma richiede una lunghezza di appoggio sufficiente per trasmettere il carico verticale e prevenire lo scorrimento. Secondo la ДБН В.2.6-16:2010 'Strutture lignee', la lunghezza minima di appoggio delle travi è di 100-150 mm. Per creare un nodo più rigido (parzialmente o completamente incastrato) si possono utilizzare squadrette in acciaio, staffe a U o giunzioni flangiate, fissate alla trave e all'elemento di supporto mediante bulloni ad alta resistenza o viti autofilettanti. Questo permette di trasmettere parzialmente o completamente i momenti flettenti dalla trave al supporto, riducendo efficacemente la freccia in campata. La progettazione di tali nodi richiede calcoli precisi a flessione, taglio e resistenza degli elementi di fissaggio, tenendo conto della concentrazione delle tensioni. Tutti gli elementi di fissaggio devono essere conformi allo standard EN 14592 per le strutture lignee.

La campata del solaio è il parametro geometrico più importante, che influisce direttamente sull'entità della freccia. Più lunga è la campata, maggiore è la freccia a parità di altre condizioni, poiché essa dipende dalla quarta potenza della lunghezza della campata (L^4), come abbiamo visto nella formula. Nelle condizioni dell'Ucraina, dove sono diffuse sia le case unifamiliari sia gli edifici multipiano, i requisiti per la freccia possono variare, ma i principi di base restano invariati.

Per le case in legno lamellare, che stanno guadagnando popolarità in Ucraina, le campate tipiche dei solai possono variare da 3 a 9 metri. Per campate fino a 6 metri, le travi di solaio in legno lamellare GL24h possono essere sufficientemente efficaci, garantendo frecce ammissibili con dimensioni di sezione ragionevoli. Tuttavia, con l'aumento della campata oltre i 6-7 metri, la freccia può diventare critica, richiedendo un notevole aumento dell'altezza delle travi (il che può risultare scomodo dal punto di vista architettonico), oppure l'applicazione di altre soluzioni ingegneristiche, come: l'uso di capriate in legno lamellare, l'inflessione preliminare delle travi (pre-camber) in fase di produzione, la creazione di solai compositi (ad esempio, travi in legno con soletta monolitica in calcestruzzo sopra) o l'uso di travi ad altezza variabile. I calcoli devono essere effettuati secondo la ДСТУ Б В.2.6-14-97 (ГОСТ 20850-84) 'Strutture lignee incollate. Metodi di calcolo' e la ДБН В.1.2-14:2018 'Disposizioni generali per garantire l'affidabilità e la sicurezza strutturale di edifici e costruzioni'. Un esempio di realizzazione di queste soluzioni si trova nella pagina case in legno lamellare, dove sono presentati diversi progetti.

Oltre ai principi di base, l'edilizia moderna offre una serie di metodi innovativi per ridurre efficacemente la freccia, specialmente per grandi campate e carichi elevati. Uno di questi metodi è la precompressione. Nelle strutture in cemento armato, questa si ottiene tramite la tesatura dell'armatura, mentre per le travi in legno (incluso il legno lamellare) si può utilizzare una combinazione con tiranti o cavi metallici, tesati dopo il montaggio, che creano una forza opposta al carico. Questo permette di compensare gran parte della freccia ancora prima dell'applicazione del carico di esercizio.

Un altro approccio efficace sono le strutture composite. L'unione del legno lamellare con altri materiali, ad esempio con una soletta monolitica in calcestruzzo, crea un solaio composito con una rigidezza e una capacità portante molto superiori rispetto ai singoli elementi. La soletta in calcestruzzo, lavorando insieme alla trave, aumenta il momento d'inerzia della sezione e ridistribuisce le tensioni. Un aspetto importante è garantire un'adesione affidabile tra calcestruzzo e legno mediante connettori speciali o la profilatura della superficie. Vale la pena menzionare anche l'uso di capriate in legno lamellare. Le strutture a capriata, grazie alla loro geometria triangolare, distribuiscono efficacemente i carichi lungo l'asse degli elementi (trazione/compressione), permettendo di coprire campate significative con una freccia minima a fronte di un consumo di materiale relativamente contenuto. Queste soluzioni richiedono una progettazione altamente qualificata e un'esecuzione precisa, ma aprono nuove possibilità per le soluzioni architettoniche e l'ottimizzazione delle strutture, sottolineando il ruolo di un architetto e di un ingegnere qualificati.

Anche il progetto più accurato per la riduzione della freccia può essere compromesso da materiali di scarsa qualità o da errori durante il montaggio. Il controllo di qualità inizia già nella fase di produzione del legno lamellare. La classe di resistenza GL24h deve essere confermata da certificati di conformità EN 14081-1, che garantiscono le proprietà meccaniche dichiarate. In cantiere si deve verificare che il legno non presenti difetti visibili, come fessure, delaminazioni o deformazioni significative dovute al trasporto o a uno stoccaggio scorretto.

Il montaggio delle travi di solaio deve rispettare rigorosamente la documentazione progettuale. Gli aspetti chiave includono: l'allineamento preciso delle superfici di appoggio, il rispetto delle lunghezze di appoggio previste dal progetto, la corretta installazione e il serraggio di tutti gli elementi di fissaggio (bulloni, chiavette, piastre). Qualsiasi deviazione dalle soluzioni progettuali può portare a un cambiamento dello schema di carico e, di conseguenza, a un aumento della freccia. Ad esempio, un serraggio insufficiente dei bulloni nei nodi può causare 'giochi' e un aumento delle deformazioni sotto carico. È inoltre importante garantire un controventamento temporaneo delle travi durante il montaggio, per prevenirne le deformazioni prima del completamento dell'intera struttura del solaio. Una sorveglianza tecnica regolare e la documentazione di tutte le fasi di montaggio sono obbligatorie per garantire la conformità della struttura effettiva ai requisiti progettuali e minimizzare i rischi di freccia eccessiva, assicurando la durabilità degli edifici in legno lamellare.