Alessandra Gubana - Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura, Università degli Studi di Udine

INTERVENTI A SECCO PER IL RINFORZO DEI SOLAI IN LEGNO Alessandra Gubana - Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura, Università degli Studi di Udine alessandra.gubana@uniud.it La crescente sensibilità nei confronti del tema del consolidamento strutturale ha portato negli ultimi anni alla ricerca di soluzioni tecnologiche in grado di garantire per quanto possibile l autenticità e l integrità del manufatto, la conservazione dei materiali e dell impianto strutturale, la reversibilità o la minima invasività dell intervento e la sua compatibilità con l esistente, in accordo con i principi enunciati dalle Carte del Restauro [1][2][3][4]. Negli interventi di rinforzo strutturale del costruito storico uno dei problemi più ricorrenti riguarda il consolidamento dei solai in legno: in questi casi può essere necessario garantire un incremento dei carichi accidentali per un cambio di destinazione d uso oppure più semplicemente incrementare la rigidezza per diminuire la loro deformabilità flessionale. Negli edifici in zona sismica è inoltre importante assicurare un comportamento scatolare globale della costruzione nei confronti delle azioni orizzontali e quindi gli impalcati devono garantire un effetto diaframma rigido nel piano ed essere connessi alle murature [5]. Una tecnica di rinforzo efficace e molto diffusa in Italia è basata sulla realizzazione di una sezione mista legnocalcestruzzo, costituita dalle travi in legno esistenti connesse ad una cappa di calcestruzzo di 4-5 cm di spessore, tramite connettori metallici o di altre diverse tipologie [6,7,8]. Si ottiene così un incremento significativo di rigidezza che consente di reggere carichi verticali più impegnativi e quindi anche variazioni di destinazione d uso. Nel contempo la cappa in calcestruzzo, se adeguatamente connessa con i muri perimetrali, è in grado di creare un diaframma di piano e migliorare la resistenza globale degli edifici in muratura alle azioni sismiche. La realizzazione della soletta in calcestruzzo consente di ridistribuire i carichi e fornisce un discreto isolamento acustico oltre alla protezione al fuoco. Per contro una soletta anche di modesto spessore incrementa i carichi permanenti e di conseguenza le azioni sulle fondazioni e l entità dell azione sismica di piano. Recentemente altre soluzioni sono state proposte e studiate con lo scopo di sviluppare tecnologie reversibili e ancora meno invasive, basate per esempio sull uso di solette di malta o sulla connessione con profili in acciaio. Particolare attenzione è stata dedicata nell ambito della ricerca sperimentale a soluzioni a secco, basate sull uso di elementi di rinforzo in legno. Alcune di queste proposte sono illustrate nel seguito. 1. Interventi legno-legno per incrementare la rigidezza flessionale. L incremento di rigidezza flessionale può essere ottenuto connettendo alle travi esistenti delle tavole in legno o dei pannelli a strati incrociati (XLam o CLT-Cross Laminated Timber), realizzando in questo modo una sezione a T composta, dove la trave esistente da consolidare costituisce l anima e il pannello o le tavole l ala. Per tutte le tipologie di sezioni composte le caratteristiche meccaniche della connessione sono il fattore principale che influenza la risposta strutturale. Una connessione particolarmente efficace (completa) consentirebbe di considerare la risposta strutturale come se le due parti della sezione non avessero alcuno scorrimento relativo, mentre una connessione particolarmente debole riporta al caso di due travi semplicemente sovrapposte. Una connessione reale invece è deformabile e consente uno scorrimento relativo tra l ala e l anima. Il progetto delle sezioni composte richiede quindi di considerare la deformabilità a taglio dei connettori. L analisi può seguire le procedure del Metodo indicato nell Eurocodice 5 [9], dove la rigidezza flessionale della sezione composta è calcolata tenendo conto proprio dello scorrimento tra l anima e l ala. In letteratura [10] si trovano equazioni semplificate per valutare l incremento della freccia, della curvatura e degli sforzi, rispetto al caso di connessione completa, in funzione del massimo scorrimento consentito all interfaccia. Per esempio l incremento della freccia centrale, per valori ordinari del rapporto L/H dove L è la lunghezza della trave tra gli appoggi ed H l altezza della sezione, variabili generalmente per strutture esistenti antiche nell intervallo 18 25, può essere stimata con: w 10 1

dove w è l incremento della freccia e è il massimo scorrimento all interfaccia, che dipende dal tipo di connettori e dal loro passo. Diversi sistemi di connessione sono stati proposti per la realizzazione di sezioni miste legno calcestruzzo, alcuni di questi sono stati analizzati e provati anche per sistemi legno-legno, mentre altri connettori sono stati proposti specificamente per questa nuova soluzione. 1.1. Sezione legno-legno e connessione con perni in legno La tecnica proposta consiste nel connettere una tavola di grosso spessore a ciascuna trave esistente per mezzo di perni in legno di elevate caratteristiche meccaniche [11]. Con un corretto progetto della connessione delle travi ai muri perimetrali e tavole addizionali sulla superficie è possibile anche realizzare un diaframma di piano. La trave composta così ottenuta presenta una connessione deformabile tra l anima e l ala superiore. Il tavolato esistente può essere conservato e prove sperimentali hanno dimostrato che la sua presenza influenza favorevolmente la duttilità della sezione. 1.2. Sezione legno-legno e connessione con viti da legno autofilettanti Tra i diversi connettori utilizzabili, le viti da legno autofilettanti, disposte con un angolo di inclinazione nel piano verticale rispetto all asse della trave, sembrano dare risultati promettenti sulla base di diverse campagne sperimentali realizzate su travi a sezione mista legno-legno realizzate con questa connessione [12,13,14]. Recentemente in un intervento di consolidamento di un solaio nel Castello Belasi a Segonzone (TN) [15,16] le travi esistenti sono state accoppiate con tavole in lamellare di classe GL 24, di 80 mm di spessore (Fig.1). E stata ottenuta così una sezione a T con flangia e anima separate da un nuovo tavolato di spessore pari a 30 mm che ha sostituito quello esistente. La connessione è stata realizzata con viti da legno autofilettanti in acciaio 10.9, inclinate nelle due direzioni con un angolo di 45.Le operazioni di collaudo su una parte del solaio hanno mostrato un buon comportamento e una buona concordanza tra i risultati sperimentali e i valori di progetto. Fig. 1 Particolari della trave composta legno-legno: a) sezione trasversale, b) sezione longitudinale, c) dettagli della geometria della connessione (i) interasse tra le travi; (ls) lunghezza delle vito; (s) distanza tra i connettori (tratto da [16]). 2

1.3. Sezione legno-pannelli XLam I pannelli a strati incrociati (XLam o CLT) vengono utilizzati per costruire pareti e solai in edifici nuovi con struttura portante in legno, ma si stanno rivelando efficaci anche negli interventi di restauro per ottenere un effetto diaframma di piano, connettendoli con le travi esistenti. I pannelli a strati incrociati consistono in una successione di strati di tavole, disposti in direzioni ortogonali, incollati gli uni agli altri. Prove sperimentali hanno evidenziato che possiedono una rigidezza nel piano sufficiente per garantire un comportamento a diaframma e per resistere alle forze di taglio generate dalle azioni sismiche. La sovrapposizione ed il collegamento dei pannelli alle travi esistenti può quindi sostituire la soletta in calcestruzzo come intervento meno invasivo, meno pesante e maggiormente reversibile [17]. I pannelli XLam sono generalmente realizzati da una serie di strati fino a raggiungere almeno 120 mm di spessore o spessori maggiori. In una recente campagna di ricerca sperimentale sono stati utilizzati pannelli speciali di 60 mm per poter essere impiegati specificamente in interventi di consolidamento, dove è importante non variare troppo le quote dei solai rispetto alla situazione esistente (Fig.2). I risultati sperimentali relativi alle prove di taglio nel piano sono illustrati in Fig.3, dove sono evidenziati i contributi resistenti dovuti ai meccanismi a taglio e a torsione tra le tavole di strati diversi. Fig. 2 Pannelli XLam a tre strati di spessore totale pari a 60 mm. (a) (b) Fig.3 Risultati sperimentali di prove a taglio su pannelli XLam in cui sono evidenziati i contributi resistenti dovuti ai meccanismi a taglio e a torsione tra le tavole di strati diversi. 3

Una serie di travi a sezione mista legno-xlam (Figg. 4 e 5) sono state testate fino a rottura: sei erano connesse per mezzo di perni metallici inseriti in fori calibrati (T1A T6A) e 4 mediante viti autofilettanti, inserite perpendicolarmente all asse della trave (T1B T4B). In Fig.6 è riportata la disposizione dei connettori lungo l asse della trave. Fig.4 Trave a sezione mista legno-xlam Fig.5 Sezione della trave mista in lamellare e XLam connessi con vite da legno disposta verticalmente all asse. Fig.6 Spaziatura dei connettori (tratto da [17,18]). 4

Load (kn) Le travi sono state testate caricandole in due punti a distanza pari ad 1/3 della luce. La prova è stata condotta a controllo di spostamenti. La strumentazione era costituita da 10 trasduttori potenziometrici con precisione di 1/1000 mm per monitorare la freccia in mezzeria, la rotazione e lo slittamento agli appoggi (Fig.7). Fig.7 Configurazione di carico per la prova e sistemi di misura (mm)(tratto da [17,18]). Come per tutte le sezioni composte il comportamento dipende dalla rigidezza della connessione e varia tra le due condizioni limite di sezione composta senza connessione (EJ) 0 e di sezione composta con rigidezza infinita (EJ). I diagrammi (Fig.8) mostrano un discreto incremento di rigidezza. L uso delle viti autofilettanti come connettori porta ad una rigidezza iniziale elevata rispetto a quella garantita dai perni inseriti con preforatura, in quanto non vi è uno scorrimento iniziale di questi prima di entrare in contatto con il legno circostante [17]. Inoltre si evidenzia un iniziale effetto di attrito che garantisce una rigidezza prossima a quella della sezione con connessione infinitamente rigida fino a valori del carico pari a circa il 10% del carico di collasso. 70 Load - Deflection 60 EJ EJ 0 50 40 30 20 10 0 0 20 40 60 80 100 120 Deflection (mm) T1-T2-T3-T4-T5-T6 A T1 -T2-T3-T4 B Fig.8 Diagrammi carico-freccia per travi composte legno-xlam. 5

1.4. Considerazioni Tutte le soluzioni proposte devono affrontare il problema dell altezza totale della sezione dopo l intervento, dato che nel restauro è molto importante non variare le quote esistenti, altrimenti possono sorgere problemi con le finestre, le soglie delle porte, i gradini delle scale o con eventuali decorazioni murarie. Da questo punto di vista l uso di pannelli XLam di soli 6 cm può rappresentare una soluzione interessante. Il coefficiente di efficienza della sezione composta è un parametro significativo per valutare la capacità della connessione di limitare lo scorrimento tra le due parti della sezione composta. L espressione del coefficiente di efficienza è data dalla formula seguente: (2) dove (EJ) è l effettiva rigidezza della sezione, (EJ) 0 è la rigidezza della sezione priva di connessioni, (EJ) è la rigidezza della connessione in caso di connessione completa. I risultati presentati in letteratura mostrano che valori tipici dell efficienza di sezioni miste legno-calcestruzzo ( = 0,4 0,7 [19]) possono essere raggiunti anche da soluzioni legno-legno: il valore massimo sperimentale in queste prove è stato pari a = 0,5, anche se con l uso di viti inclinate può arrivare a raggiungere valori maggiori ( = 0,74 [16]). Se le travi esistenti hanno frecce significative dovute a carichi permanenti e alla viscosità, si possono presentare alcuni problemi di esecuzione, in quanto l intradosso degli elementi nuovi e l estradosso di quelli esistenti possono non combaciare. In questi casi possono essere inserite delle tavole di compensazione o si può forzare verso l alto la deformata della struttura esistente. 2. Incremento della rigidezza nel piano usando elementi in legno o a base di legno. Un efficace effetto diaframma nei solai di edifici esistenti è particolarmente importante perché le forze dovute al sisma possano essere trasferite ai sistemi di pareti sismoresistenti. Uno dei primi documenti che proponevano l incremento della rigidezza flessionale dei solai in legno era stato emanato dalla Regione Friuli Venezia Giulia dopo il terremoto del 1976 [20], infatti allora le norme italiane non fornivano indicazioni sugli interventi da eseguire negli edifici in muratura danneggiati dal sisma. La tecnica suggerita consisteva nella sovrapposizione di un secondo strato di tavole sopra quello esistente, ma disposto in direzione ortogonale (Fig.9). Questa tecnica era comunemente diffusa negli edifici antichi presenti nelle aree storicamente sismiche della regione. Veniva sottolineata anche l importanza della connessione del solaio con i muri perimetrali con disegni di particolari di collegamenti degli impalcati ai muri perimetrali (Fig.10) e delle travi con i muri (Fig.11). 6

Tavolato nuovo di irrigidimento Strato esistente di tavole Fig.9 Nuovo strato di tavole al di sopra dell esistente (tratto da [20]). Piatto metallico Tavolato nuovo di irrigidimento Chiodi Strato esistente di tavole Connessione alla muratura esistente Fig.10 Dettagli della connessione delle tavole con i muri perimetrali (tratto da [20]). Spaziatura dei chiodi Muratura Tavolato nuovo di irrigidimento Strato esistente di tavole Muratura Fig.11 Dettagli delle connessioni con la muratura esistente (tratto da[20]). 7

2.1 Prove sperimentali su solai irrigiditi a taglio con elementi in legno o a base di legno Anche le prove descritte in [21,22] dimostrano con chiarezza l incremento di rigidezza nel piano del solaio grazie alla sovrapposizione di tavole inchiodate. In Fig.12 sono riportati i risultati delle prove di rigidezza a taglio nel piano di 8 impalcati: 2 sono costituiti da travi in una direzione (campioni FMSB e FM), uno è stato consolidato con strisce metalliche diagonali (FMSD), due con un solo strato di tavole disposte a 45 rispetto all asse delle travi con bordo (FM SP(A) e FM SP(B)), uno con doppio strato di tavole inclinate (FM DP(A)), uno con tavole diagonali di rigidezza equivalente alle strisce metalliche (FMWD(D)) e uno con doppio tavolato di grosso spessore (FMWD(E)). Come evidenziato dai risultati sperimentali il campione di maggiore rigidezza è risultato quello con doppie tavole diagonali. Fig.12 Diagrammi forza- spostamento per campioni di solaio sollecitati a taglio con diversi tipi di rinforzi (tratto da [22]). Alcuni interventi di rinforzo a taglio con l uso di tavole e di pannelli XLam sono descritti in [23], dove 5 solai a grandezza reale sono stati provati per analizzare il loro comportamento nel piano: uno era realizzato con travi e tavolato (Fig.13 campione S), il secondo è stato irrigidito con un secondo strato di tavole ortogonali al primo (Fig.13 campione SS) e gli altri tre con due pannelli in CLT (Fig.13 campione CLT2) o tre pannelli (Fig.13 campione CLT3.1 e campione CLT3.2). Le prove hanno evidenziato un significativo incremento della rigidezza nel piano, fino a 5 10 volte quella del campione non consolidato. Le analisi numeriche hanno evidenziato che la maggiore influenza nella ris posta è dovuta al comportamento delle viti di connessione in direzione perpendicolare alle travi. Nella Fig.14 è riportato lo schema della prova dove si evidenzia che il campo di solaio è sollecitato da una forza orizzontale di taglio applicata in sommità. 8

Fig.13 Tipologia dei campioni provati con i diversi tipi di irrigidimenti di piano (tratto da [23]). Fig.14 Setup della prova di taglio sui pannelli (tratto da [23]). Altre prove sperimentali hanno riguardato interventi con pannelli in compensato collegati con chiodi o viti al di sopra del tavolato del solaio ligneo [24]. I risultati sperimentali hanno evidenziato un significativo incremento della resistenza, pari a 3 volte quella del solaio privo di irrigidimento, e della rigidezza. Il collasso è avvenuto per la rottura degli elementi di collegamento. 9

Fig.15 Irrigidimenti con pannelli di compensato (tratto da [24]). 2.2 Irrigidimento nel piano con l uso di nastri metallici. L incremento di rigidezza nel piano può essere ottenuto anche con l utilizzo di nastri metallici gang-nails (Fig.16) che riescono a prevenire il collasso a taglio [25]. Il comportamento a diaframma nel piano deve essere organizzato e vanno inseriti sul perimetro profili in acciaio per resistere al momento flettente di piano dovuto alle azioni sismiche. (a) (b) Fig.16 Vista schematica del solaio (a) ed elementi di gang nails che connettono le tavole (b) (tratto da [25]). 3. Interventi con profilati metallici per incrementare la rigidezza flessionale e nel piano. Gli interventi con tecnologia a secco maggiormente diffusi sono realizzati con profilati metallici connessi alle travi in legno all intradosso o all estradosso a seconda delle possibilità di ingombro geometrico. La realizzazione di una sezione mista trave in legno profilato metallico consente un notevole incremento della resistenza e della rigidezza per i carichi verticali. La realizzazione di una reticolare con lame in acciaio nel piano del solaio, correttamente connessa alle murature perimetrali, consente di fornire al solaio esistente la capacità di garantire un effetto diaframma e quindi un 10

comportamento scatolare all edificio esistente in muratura. Particolare attenzione deve essere dedicata alla verifica della deformazione della struttura reticolare affinchè questa possa garantire il comportamento rigido del piano. Di seguito si riportano alcune immagini di un intervento realizzato con questa tecnica a Cividale del Friuli [26] : il solaio cassettonato e decorato (Fig. 17) non consentiva la possibilità di interventi che non fossero a secco e quindi per incrementare la rigidezza flessionale sono state connessi alle travi esistenti, nello spazio superiore consentito dal cassettonato stesso, dei profili IPE 100 (Fig.18). Fig.17 Vista dal basso del solaio decorato oggetto dell intervento. Fig.18 Particolare della connessione all estradosso del profilo IPE 100 con la trave esistente. L effetto di irrigidimento nel piano, necessario in zona sismica, è stato ottenuto creando una struttura reticolare di piano a diagonali incrociate con lame in acciaio saldate ai profilati metallici e connesse alle murature esistenti. Lungo tutto il perimetro sono stati realizzati dei cordoli sempre con lame metalliche in modo da garantire la resistenza flessionale nel piano orizzontale (Fig.19). 11

Fig.19 Particolare della reticolare metallica di piano. 4. Conclusioni I numerosi articoli presenti in letteratura negli ultimi anni relativi al problema del consolidamento dei solai nel piano verticale ed orizzontale dimostrano che c è una crescente sensibilità verso il problema di mettere a punto delle tecniche di intervento reversibili o perlomeno sempre meno invasive. La maggior parte degli interventi più recentemente proposti per l incremento della rigidezza flessionale sono basati sulla realizzazione di sezioni composte a secco legno-legno, le cui basi teoriche per il calcolo e la verifica si rifanno all ampia letteratura relativa alle sezioni composte legno-calcestruzzo o acciaio-calcestruzzo. Negli anni sono stati messi a punto diversi tipi di elementi di connessione più adatti per queste realizzazioni, di cui si trovano legami costitutivi e prove sperimentali, dato che la risposta della sezione è sostanzialmente legata alla deformabilità della connessione. L importanza di una corretta valutazione delle proprietà di rigidezza nel piano dei solai in legno è invece oggetto di studi più recenti. Solo in alcune normative straniere sono proposte procedure analitiche semplificate per stimare la rigidezza nel piano, con formulazioni riferite a solai di nuova edificazione. Nell Eurocodice 8 [27] sono indicati i dettagli costruttivi da eseguire per ottenere un solaio in legno a comportamento rigido nel piano, mentre nella normativa neozelandese [28] sono indicate delle formulazioni per valutare le diverse componenti della deformazione di un diaframma orizzontale, che sono dovute principalmente alla deformabilità dei chiodi che connettono i pannelli al solaio e alle deformazioni flessionali e a taglio dei pannelli stessi. Il problema di incrementare e valutare la rigidezza nel piano degli impalcati negli edifici esistenti è di primaria importanza negli interventi di consolidamento del patrimonio storico costruito in una paese ad elevato rischio sismico quale l Italia. In questo campo sarebbero necessari ulteriori campagne sperimentali e studi analitici e numerici per consolidare le proposte di modelli semplificati di calcolo. Inoltre le prove presenti in letteratura si riferiscono a campioni e banchi di prova molto diversi tra loro e quindi risulta difficile confrontare i risultati per raggiungere un approccio di validità generale. 5. Riferimenti bibliografici [1] Venice Charter, Second International Congress of Architects and Technicians of Historical Monuments, Venice, May 25-31, 1964. [2] Krakow Charter, International Conference on Conservation Krakow 2000, Krakow, 2000. 12

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