TIPI DI SOTTOSTRUTTURA

Le sottostrutture in legno, in particolare quelle che utilizzano il legno lamellare, restano la base di molte soluzioni architettoniche grazie alla loro resistenza, estetica e peso specifico relativamente contenuto. Il legno lamellare, o Glued Laminated Timber (GLT), è disponibile in diverse classi di resistenza, tra cui GL24h è una delle più diffuse. La lettera “h” nella marcatura GL24h indica un legno omogeneo, cioè realizzato con lamelle di resistenza uguale. Questo garantisce una distribuzione uniforme dei carichi e un comportamento prevedibile del materiale sotto l’azione di forze esterne. Lo standard EN 14080:2013 “Strutture in legno. Legno lamellare” definisce le caratteristiche tecniche di questo materiale.

I vantaggi del legno lamellare GL24h includono un’elevata capacità portante, stabilità dimensionale, resistenza alle deformazioni e una notevole resistenza al fuoco. A differenza del legno massiccio, il legno lamellare è meno soggetto a fessurazione e ritiro. La sua produzione prevede l’incollaggio di più strati (lamelle) di legno sotto pressione, il che permette di ottenere elementi di grandi dimensioni e forme diverse. Per confronto, il legno di classe GL28c (combinato) può avere lamelle esterne con resistenza maggiore, il che ne ottimizza il comportamento sotto carichi flessionali. Il controllo di qualità in tutte le fasi di produzione garantisce la conformità alle proprietà meccaniche dichiarate, il che è fondamentale per la sicurezza della struttura.

Le proprietà termotecniche del legno sono un altro vantaggio significativo, che permette di raggiungere elevati livelli di efficienza energetica. Il coefficiente di conduttività termica λ per il pino è di circa 0,12 W/(m·K), molto migliore rispetto a metallo o cemento. Questo riduce la necessità di isolamento aggiuntivo e favorisce un microclima confortevole nell’ambiente. L’uso del legno lamellare GL24h permette di progettare grandi campate e strutture spaziali complesse, in passato prerogativa dei sistemi metallici o in cemento armato. Maggiori dettagli su soluzioni simili sono disponibili nella sezione dedicata alle case in legno lamellare.

La progettazione con il legno lamellare richiede di considerare fattori come l’umidità del legno, le condizioni di esercizio e i potenziali rischi biologici. I moderni rivestimenti protettivi e le impregnazioni garantiscono durata e resistenza agli agenti esterni, inclusa la protezione da insetti, funghi e umidità. In Ucraina, l’uso del legno lamellare è regolamentato, tra l’altro, dalla norma ДБН В.2.6-160:2010 “Strutture in legno”, che stabilisce i requisiti per il calcolo e la progettazione di tali elementi. Garantire un adeguato livello di umidità del legno in fase di montaggio (10-14%) è fondamentale per prevenire deformazioni e preservare la capacità portante. È inoltre importante tenere conto della classe di servizio della struttura (secondo la norma EN 1995-1-1), che influisce sui valori di calcolo di resistenza e rigidità.

Le sottostrutture metalliche, in particolare in acciaio, sono indispensabili per gli immobili che richiedono grandi campate, elevata capacità portante e velocità di montaggio. Le strutture in acciaio, conformi alla norma ДБН В.2.6-198:2014 “Strutture in acciaio”, si distinguono per un elevato rapporto resistenza/peso, che permette di creare intelaiature leggere ma estremamente resistenti. I materiali tipici comprendono acciai delle classi S235, S275, S355, dove il numero indica il limite di snervamento minimo in MPa.

Uno dei principali vantaggi delle strutture metalliche è la loro omogeneità e prevedibilità delle proprietà. Vengono realizzate in stabilimento con elevata precisione, il che semplifica il montaggio in cantiere e riduce i tempi di costruzione. Gli elementi in acciaio mostrano inoltre un’elevata plasticità, importante per assorbire carichi dinamici e sismici. Tuttavia, le strutture metalliche hanno una bassa resistenza al fuoco senza protezione specifica. A una temperatura di circa 500-600°C, l’acciaio perde fino al 50% della propria capacità portante, il che richiede l’uso di vernici intumescenti, rivestimenti, pannelli o altre soluzioni costruttive per raggiungere le classi di resistenza al fuoco necessarie (ad esempio, R60, R90 secondo la norma EN 13501-2).

L’ambito di applicazione delle sottostrutture metalliche comprende edifici industriali, centri commerciali, impianti sportivi, ponti, nonché complessi residenziali e per uffici in altezza. Grazie alla possibilità di prefabbricare gli elementi in stabilimento, è possibile ridurre notevolmente i tempi di costruzione in cantiere. L’uso di giunzioni saldate e bullonate permette di creare capriate e telai spaziali complessi, che distribuiscono efficacemente il carico. Le tecnologie moderne permettono di automatizzare i processi di saldatura e taglio del metallo, aumentando la qualità e la precisione di lavorazione.

Gli svantaggi delle sottostrutture metalliche sono la loro tendenza alla corrosione, che richiede una protezione anticorrosiva regolare, e l’elevata conduttività termica, che può causare la formazione di ponti termici. Per superare questi problemi si utilizzano rivestimenti speciali, zincatura a caldo o tagli termici. La conduttività termica dell’acciaio è di circa 50 W/(m·K), centinaia di volte superiore a quella del legno. Per questo l’integrazione di soluzioni isolanti efficaci è obbligatoria per raggiungere i parametri termotecnici normativi. Una progettazione accurata e l’esecuzione dei lavori di montaggio sono fondamentali per garantire la durata e la sicurezza delle strutture in acciaio.

Le sottostrutture combinate o ibride rispondono all’esigenza di ottimizzare le soluzioni costruttive, unendo le migliori caratteristiche di diversi materiali. L’esempio più evidente è l’integrazione di elementi in legno (ad esempio, legno lamellare GL24h o pannelli SLT) con componenti metallici. Questo permette di sfruttare la resistenza e la rigidità del metallo dove sono necessarie grandi campate o carichi elevati, e le proprietà di isolamento termico ed estetiche del legno in altre parti della struttura. Tali sistemi possono includere strutture Fachwerk, dove il telaio in legno si combina con collegamenti metallici, oppure, ad esempio, i vantaggi dei pannelli XLAM integrati con travi metalliche.

Una delle tecnologie ibride innovative è la combinazione di sistemi Fachwerk con elementi in Solid Laminated Timber (SLT). I pannelli SLT, simili al XLAM ma solitamente con un numero minore di strati e schemi di incollaggio diversi, possono essere utilizzati come strutture di tamponamento non portanti o parzialmente portanti, riempiendo lo spazio tra montanti e travi in legno o metallo. Questo crea una facciata solida, efficiente dal punto di vista termico ed esteticamente attraente. I nodi di fissaggio metallici, come piastre in acciaio, bulloni o ancoraggi, garantiscono un collegamento affidabile tra gli elementi in legno e in metallo, trasferendo forze e momenti tra di essi. Questo permette di raggiungere forme architettoniche complesse e una notevole capacità portante, ottimizzando al contempo i costi dei materiali.

La progettazione dei sistemi ibridi richiede una conoscenza approfondita della meccanica dei materiali e delle strutture, nonché la comprensione dell’interazione tra i diversi elementi. È necessario calcolare accuratamente le deformazioni termiche, il ritiro del legno e la differenza nei coefficienti di dilatazione termica del metallo, per evitare tensioni interne. I nodi di giunzione devono essere progettati in modo da garantire sia l’integrità strutturale che la durata, tenendo conto delle possibili variazioni di umidità e temperatura. Si utilizzano spesso guarnizioni ammortizzanti speciali o elementi di compensazione. L’uso della modellazione BIM permette di progettare efficacemente tali sistemi complessi, visualizzando ogni nodo e verificandone la conformità alle norme.

I vantaggi delle sottostrutture combinate includono una maggiore rigidità e stabilità, la possibilità di creare grandi spazi aperti, un involucro termico ottimizzato e una migliore acustica. Tali soluzioni permettono di bilanciare i costi dei materiali e del montaggio, oltre a raggiungere elevati livelli di efficienza energetica. Anche la resistenza al fuoco dei sistemi ibridi può essere migliorata combinando le proprietà dei materiali: il legno, che brucia formando uno strato protettivo carbonizzato, può essere integrato con elementi metallici protetti da rivestimenti ignifughi. Questo permette di raggiungere i valori normativi R30-R90.

Un aspetto chiave dell’affidabilità di qualsiasi sottostruttura, in particolare ibrida, è la corretta progettazione ed esecuzione dei nodi di fissaggio. Nei sistemi combinati, dove si uniscono elementi in legno e in metallo, i nodi devono trasferire efficacemente diversi tipi di carico – compressione, trazione, taglio, flessione – e garantire la durata della struttura. È importante rispettare standard come EN 1995-1-1 (Eurocodice 5) per le strutture in legno ed EN 1993-1-1 (Eurocodice 3) per quelle in acciaio, che regolano il calcolo e la progettazione delle giunzioni.

Esistono diversi tipi principali di giunzione utilizzati nelle sottostrutture ibride: giunzioni bullonate, giunzioni con chiodi, piastre metalliche (perforate o saldate) e speciali connettori nascosti. Le giunzioni bullonate e con chiodi sono le più diffuse per collegare elementi in legno tra loro o legno con metallo. Garantiscono una certa duttilità, che può essere un vantaggio per compensare le deformazioni. Le piastre metalliche, fissate con bulloni o viti, vengono utilizzate per aumentare la superficie di contatto e distribuire i carichi. Come esempio si possono osservare le moderne case Fachwerk, dove tali nodi sono fondamentali.

I fissaggi nascosti, come speciali connettori integrati all’interno degli elementi in legno, stanno diventando sempre più popolari. Garantiscono un’elevata estetica, poiché gli elementi metallici non sono visibili dall’esterno, e aumentano anche la resistenza al fuoco del nodo, proteggendo il metallo dall’esposizione diretta alle fiamme. Esempi di tali sistemi sono le “GN-Plates” o i “connettori GSA”, che permettono di creare giunzioni rigide e affidabili. Nella progettazione dei nodi è importante tenere conto dell’influenza di umidità, temperatura e ambienti aggressivi, poiché possono causare la corrosione degli elementi metallici o la riduzione della resistenza del legno.

Un aspetto critico è anche garantire un’adeguata classe di resistenza al fuoco per i nodi. Secondo lo standard EN 13501-2, ogni elemento strutturale, compresi i nodi, deve mantenere la capacità portante (R), l’integrità (E) e la capacità di isolamento termico (I) per un determinato periodo di tempo (ad esempio, 30, 60 o 90 minuti). Per le giunzioni metalliche, questo si ottiene tramite rivestimenti ignifughi o il loro posizionamento nascosto. Per i nodi in legno è importante considerare la profondità di carbonizzazione, che per le conifere è di circa 0,7 mm/min. Una progettazione precisa dei nodi e la loro conformità ai requisiti normativi sono la garanzia della sicurezza e della durata delle sottostrutture ibride.

La resistenza al fuoco è uno dei parametri più critici per qualsiasi struttura edilizia. Lo standard EN 13501-2 “Classificazione dei prodotti da costruzione e degli elementi degli edifici in base alla reazione al fuoco” è il principale documento normativo in Europa, che stabilisce la metodologia per determinare e classificare la resistenza al fuoco. Questo standard definisce indicatori chiave come la capacità portante (R), l’integrità (E) e la capacità di isolamento termico (I), misurati in minuti (ad esempio, R30, REI60, R90).

Per le sottostrutture in legno, incluso il legno lamellare GL24h, la resistenza al fuoco dipende in larga misura dalla sezione degli elementi. Sotto l’azione del fuoco, il legno si carbonizza, formando uno strato protettivo che rallenta l’ulteriore combustione e preserva la parte interna intatta della sezione. La velocità di carbonizzazione per le conifere è di circa 0,65-0,7 mm/min. Aumentando quindi la sezione delle travi o dei pilastri in legno, si possono raggiungere classi di resistenza al fuoco più elevate (ad esempio, R30 o R60 senza protezione aggiuntiva). Questo effetto autoprotettivo è un vantaggio significativo del legno rispetto al metallo non protetto.

Le sottostrutture metalliche, come già menzionato, necessitano di una notevole protezione antincendio. Senza di essa, gli elementi in acciaio perdono rapidamente la propria capacità portante alle alte temperature. Le misure di protezione antincendio includono: vernici intumescenti, che si espandono al riscaldamento formando uno strato isolante; rivestimenti; rivestimento con pannelli in cartongesso, lana minerale o vermiculite; oppure riempimento delle cavità con calcestruzzo. La scelta del metodo specifico dipende dalla classe di resistenza al fuoco richiesta, dal tipo di struttura e dai requisiti estetici. Ad esempio, per raggiungere la classe R90 può essere necessario uno spessore di vernice ignifuga di 1-2 mm o un rivestimento con due strati di cartongesso da 12,5 mm ciascuno.

Nelle sottostrutture ibride combinate, la strategia di protezione antincendio si basa sull’integrazione di questi approcci. I nodi di fissaggio metallici nascosti, circondati dal legno, ricevono una protezione aggiuntiva dalla carbonizzazione. Gli elementi in legno possono essere trattati con impregnazioni ignifughe, che riducono la combustibilità e rallentano la propagazione della fiamma. Un approccio integrato alla protezione antincendio garantisce non solo la conformità alle norme, ma aumenta anche la sicurezza generale dell’edificio. Nella progettazione è importante coinvolgere specialisti di sicurezza antincendio per il corretto calcolo e la scelta delle soluzioni di protezione antincendio appropriate.

Per illustrare l’applicazione pratica delle sottostrutture combinate, esaminiamo il caso della costruzione di una moderna casa residenziale di 250 m² nella regione di Kyiv. L’immobile è stato progettato utilizzando un telaio ibrido, che combina elementi in legno lamellare GL24h e profili in acciaio. L’obiettivo era raggiungere grandi campate nel soggiorno e minimizzare il numero di appoggi interni, garantendo al contempo un’elevata efficienza energetica e attrattiva estetica.

Il telaio portante principale del primo piano è realizzato con colonne e travi in acciaio, il che ha permesso di creare uno spazio aperto di 8×12 metri. Questi elementi metallici sono stati protetti con vernice ignifuga fino alla classe R60, in conformità con i requisiti della norma ДБН В.1.1-7:2016 “Sicurezza antincendio degli oggetti di costruzione”. Il solaio tra il primo e il secondo piano è realizzato in legno lamellare GL24h con sezione 200×400 mm e passo 900 mm, il che ha garantito un’adeguata capacità portante e isolamento acustico. Per collegare le travi in legno alle colonne in acciaio sono state utilizzate mensole in acciaio nascoste e giunzioni bullonate, che hanno garantito la rigidità dei nodi e un’elevata estetica.

Le pareti del secondo piano sono realizzate con tecnologia Fachwerk, dove tra i montanti in legno lamellare sono stati integrati pannelli SLT di spessore 120 mm. Questa scelta ha permesso di montare rapidamente le strutture di involucro esterno, garantendo al contempo un elevato livello di isolamento termico. Il coefficiente di resistenza termica R delle pareti ha raggiunto il valore di 5,0 m²·K/W, notevolmente superiore ai requisiti minimi della norma ДБН В.2.6-31:2021 “Isolamento termico degli edifici”.

Particolare attenzione è stata dedicata alla tenuta all’aria della casa, raggiungendo un indice n50 = 0,8 ricambi/ora (secondo la norma EN 13829, Blower Door Test), un risultato eccellente per l’edilizia residenziale. Questo riduce notevolmente le perdite di calore per infiltrazione d’aria. Anche gli impianti tecnologici, come il sistema di ventilazione con recupero di calore, sono stati ottimizzati per la struttura ibrida, garantendo un’elevata qualità dell’aria ed efficienza energetica. Questo caso dimostra come le sottostrutture combinate permettano di realizzare progetti architettonici complessi, rispettando al contempo elevati standard di efficienza energetica e sicurezza.

La progettazione di sottostrutture ibride in Ucraina richiede un approccio integrato e una conoscenza approfondita sia delle norme edilizie nazionali che di quelle europee. I principali documenti normativi che regolano la progettazione di strutture in legno e acciaio sono rispettivamente la ДБН В.2.6-160:2010 “Strutture in legno” e la ДБН В.2.6-198:2014 “Strutture in acciaio”. Tuttavia, per i sistemi ibridi è spesso necessario applicare i principi degli Eurocodici europei (EN 1995-1-1 per il legno ed EN 1993-1-1 per l’acciaio), con successivo adattamento alle condizioni ucraine tramite allegati nazionali o condizioni tecniche speciali.

Una fase chiave è il calcolo della capacità portante e della rigidità di tutti gli elementi strutturali, nonché dei nodi di giunzione. Poiché legno e metallo hanno proprietà fisico-meccaniche diverse (modulo elastico, coefficiente di dilatazione termica, comportamento al fuoco), è necessario modellare con attenzione la loro interazione. Si utilizzano spesso complessi software per l’analisi agli elementi finiti (FEA), che permettono di tenere conto del comportamento non lineare dei materiali, delle tensioni di contatto e delle deformazioni. È inoltre importante considerare la natura prolungata dei carichi sugli elementi in legno, che può portare allo scorrimento viscoso (creep) del legno, richiedendo appositi coefficienti di ricalcolo.

Nella progettazione di sistemi ibridi è necessario prestare particolare attenzione ai dettagli dei nodi. Ad esempio, per collegare travi in legno a colonne metalliche, occorre prevedere giochi di compensazione o guarnizioni elastiche per minimizzare le tensioni causate dalla differenza nei coefficienti di dilatazione termica. Il metallo ha un coefficiente di dilatazione lineare di circa 12×10^-6 1/K, mentre per il legno questo valore è molto più basso e dipende dalla direzione delle fibre. Con grandi sbalzi di temperatura, questo può causare notevoli tensioni interne se non sono previsti adeguati compensatori.

La documentazione progettuale per le sottostrutture ibride deve essere il più dettagliata possibile, includendo disegni delle giunzioni, specifiche dei materiali, metodi di protezione antincendio e rivestimento anticorrosivo. Il coinvolgimento di ingegneri progettisti esperti, con pratica nel lavoro con sistemi complessi, è obbligatorio. I calcoli devono tenere conto di tutte le possibili combinazioni di carico, inclusi quelli permanenti, temporanei, da neve, da vento e sismici, secondo la norma ДБН В.1.2-2:2006 “Carichi e azioni”. Solo questo approccio garantisce la sicurezza e l’affidabilità dell’edificio per l’intera durata di esercizio.

Il futuro delle sottostrutture edilizie è indissolubilmente legato all’ulteriore sviluppo di materiali e tecnologie innovative, nonché all’aumento dei requisiti di sostenibilità ed efficienza energetica. Una delle direzioni chiave è l’ottimizzazione dell’uso delle risorse naturali e la riduzione dell’impronta di carbonio della costruzione. Le strutture in legno, come il legno lamellare e i pannelli SLT/XLAM, svolgeranno un ruolo sempre più importante in questo processo grazie alla loro rinnovabilità e capacità di accumulare carbonio. Le ricerche future si concentrano sull’aumento della durata del legno, della sua resistenza al fuoco e sullo sviluppo di nodi di fissaggio nuovi e più efficaci.

Lo sviluppo di sistemi ibridi apre anche nuove prospettive. L’integrazione di legno, metallo e materiali compositi permetterà di creare strutture che uniscono una resistenza straordinaria a leggerezza ed elevate caratteristiche termotecniche. Ad esempio, si sta studiando la possibilità di utilizzare profili metallici con riempimento interno in legno o materiale composito per creare travi leggere ma molto resistenti. Tali soluzioni potrebbero cambiare radicalmente gli approcci alla progettazione di edifici a grande campata e in altezza, garantendo al contempo la conformità agli standard più rigorosi. È importante che queste innovazioni siano supportate da un aggiornamento del quadro normativo, adattato alle sfide moderne.

La crescente popolarità dell’edilizia modulare influisce anche sullo sviluppo delle sottostrutture. I moduli, realizzati in stabilimento con elevata precisione, richiedono sottostrutture leggere, resistenti e a montaggio rapido. I telai ibridi sono ideali per questi scopi, permettendo di assemblare gli edifici in tempi ristretti. C’è da aspettarsi un ulteriore perfezionamento dei sistemi di giunzione, che permetterà di integrare i diversi elementi costruttivi in modo ancora più rapido e affidabile. Anche l’automazione e la digitalizzazione dei processi edilizi, incluso l’uso di sistemi robotizzati per il montaggio, contribuiranno all’ampliamento delle possibilità di applicazione delle sottostrutture innovative.

Infine, il concetto di “edifici a consumo energetico zero” (Zero Energy Buildings, ZEB) e di “edifici a bilancio energetico positivo” (Plus-Energy Buildings) stimola la ricerca di sottostrutture che non solo abbiano una bassa conduttività termica, ma favoriscano anche l’integrazione di fonti di energia rinnovabile, ad esempio tramite sistemi fotovoltaici integrati. Anche le ricerche nel campo dei materiali “intelligenti”, che cambiano le proprie proprietà a seconda delle condizioni esterne, promettono cambiamenti rivoluzionari. Tutti questi fattori indicano che il settore edile si trova sulla soglia di trasformazioni significative, in cui le sottostrutture svolgeranno un ruolo centrale.