Legno strutturale

Per legno strutturale si intende il legno usato per la costruzione di edifici. Il legno è il più antico materiale da costruzione utilizzato dall’uomo per la propria casa, come testimonia anche l’archeologia sperimentale.

Esempi significativi di edifici e costruzioni realizzate con questo prodotto della foresta e del bosco sono le terramare, i trabucchi, il Battistero lateranense, la cupola della chiesa di Santa Maria in Piazza dei Miracoli a Pisa, la Chiesa Madre Basilica di San Leone di Assoro, il Globe Theatre, la chiesa di Karlskrona, le case della Lessinia, di Bryggen e di Tomsk, il tetto a volta della Oude Kerk (Amsterdam), la Knochenhaueramtshaus di Hildesheim, il tetto del Castello di Donegal, lo stadio Lansdowne Road e il il ponte di Giulianova.

Moderne realizzazioni italiane sono l’Auditorium Parco della Musica di Renzo Piano a Roma, il PalaAlgida di Livorno, il Palasport della Spezia, il Nuovo Ponte Vecchio di Ponte San Giovanni (Perugia), la Nuova Fiera di Rimini, il nuovo stadio per l’atletica leggera Luigi Ridolfi di Firenze, il nuovo terminal crocieristico di Brindisi.
Gli strumenti tradizionali della lavorazione del legno strutturale

Storia
Una casa in legno blockbau

Il legno è stato utilizzato nelle costruzioni sin dall’epoca antica.

Uno dei più antichi metodi di costruzione delle case è quello definito blockbau, nel quale si sovvrappondono orizzontalmente tronchi o travi fino a formare delle pareti. L’aggancio è ottenuto sugli angoli, dove vengono ricavate delle connessione che permettono l’incasso, permettendo allo stesso momento un irrigidimento della struttura. La quantità di legna per realizzare questo tipo di abitazione è elevata.[1]

Evoluzione dell’uso del legno nelle strutture

L’uso del legno come materiale strutturale era prassi consolidata fino alla fine dell’Ottocento. La stazione ferroviaria Milano Cadorna, inaugurata nel 1879, aveva una struttura iniziale in legno, dall’aspetto di chalet. L’introduzione dell’acciaio e del cemento armato ne hanno segnato il progressivo regresso alla fine del XIX secolo, limitandone l’impiego a pochi campi come l’ingegneria naturalistica o ad applicazioni leggere come la serra o addirittura mortificandolo come cassaforma.

Tale declino è stato molto più marcato in Italia che nelle altre nazioni europee, addirittura in Scandinavia non è mai cessato, mentre nell’America settentrionale si è continuato ad utilizzarlo in maniera estensiva, specialmente nell’edilizia civile, come ad esempio a Venice.

Solo il recente sviluppo della progettazione architettonica e di nuove tecniche costruttive, nonché l’approfondimento dell’analisi strutturale e della resistenza alla combustione del legno, unitamente all’introduzione di nuovi prodotti preservanti dal degrado e dagli insetti sociali, ha consentito di riappropriarsi delle innumerevoli possibilità architettoniche, della straordinaria natura estetica e della totale compatibilità con i criteri dello sviluppo sostenibile che una struttura in legno può offrire.

Ogni famoso architetto si è sempre cimentato nell’uso del legno strutturale, da Renzo Piano a Frank Lloyd Wright, da Glenn Murcutt a Arne Jacobsen, da Peter Harrison a Arthur Erickson. Da sempre, l’ingegnere ne apprezza le particolari proprietà meccaniche, come nell’Universeum di Gert Wingårdh in Svezia. Walter Gropius nel 1921 progetta e costruisce a Dahlam (Berlino) Casa Sommerfeld, per un commerciante di legname che con i tronchi di una vecchia nave voleva costruirsi una casa. La casa in legno massiccio lo interessava particolarmente in quanto considerava il sistema blockbau essenza costruttiva di un materiale specifico, dove l’utilità costruttiva, la forma strutturale e l’architettura coincidono in un unico edificio.

Importanti istituti, come l’IVALSA del CNR, operano nel campo della ricerca scientifica per la valorizzazione del legno strutturale.

Le aziende italiane del settore, a parte alcuni casi significativi come l’Holzbau, l’Habitat Legno o l’ARCH Legno, appartengono tutte al ramo della piccola e media impresa.

L’associazione che in Italia raggruppa tutti i più importanti costruttori di strutture in legno è l’Assolegno.

L’associazione che invece si occupa della diffusione culturale presso i progettisti è promo_legno. Secondo un recentissimo studio, tutte le aziende italiane del settore intervistate forniscono una stima positiva del mercato, con una crescita del 15%, sebbene in generale le costruzioni in Italia siano in rallentamento. I minori tempi di realizzazione, la sicurezza tecnica di prodotti ed elementi prefabbricati, il risparmio energetico e non per ultimo l’estetica del materiale, sono sicuramente argomenti a favore del legno, come conferma il 75% dei progettisti intervistati. Un quarto di questi è ancora però scettico soprattutto per la mancanza di una competenza progettuale adeguata. L’informazione portata avanti da promo_legno in questi anni rappresenta un contributo essenziale a questo trend positivo dell’utilizzo del legno in Italia. Nei circa 30 convegni e 20 corsi svolti sinora e in programma fino al 2008, migliaia di progettisti in tutta Italia sono stati e vengono informati sul tema del legno. I Membri di promo_legno sono le associazioni italiane Assolegno, Fedecomlegno, Edilegno, Assopannelli, Agelegno, oltre proHolz Austria e la federazione austriaca delle industrie di legno.

Le fiere di settore sono anzitutto il “SAIE” di Bologna, che si tiene ogni anno ad ottobre, con il padiglione dedicato a “Struttura Legno”. Poi “Legno & Edilizia” di Verona, con cadenza biennale. Infine Xylexpo/Sasmil, anch’essa di frequenza biennale, che si tiene a Milano ed è dedicata alle tecnolgie di lavorazione del legno.

I progettisti specializzati

A partire dagli anni ’40 del Novecento in Italia l’uso del legno per la realizzazione di elementi strutturali è andato prograssivamente diminuendo a causa della monocultura del calcestruzzo armato. Pochi sono stati i ricercatori che da allora si sono occupati del tema, fra questi il più importante è senza dubbio Guglielmo Giordano[2].

In tempi più recenti possiamo ricordare anche Ario Ceccotti, Franco Laner, Maurizio Piazza e Luca Uzielli; tra i massimi esperti nell’ambito del restauro di strutture lignee, ricordiamo invece Gennaro Tampone e ancora Franco Laner.

I liberi professionisti (ovvero progettisti che non siano dipendenti di aziende produttrici o professori universitari) che si occupano con competenza di progettazione strutturale di opere in legno sono pochissimi. Fino a pochi anni fa molto raramente i precorsi formativi universitari contenevano specifici corsi di insegnamento sull’argomento, pertanto i progettisti specializzati nell’uso del legno strutturale si sono spesso formati in quei paesi nei quali queste tecniche costruttive sono tradizionalmente più diffuse, come – ad esempio – Austria, Germania e Canada.

Prodotti in legno strutturale e loro utilizzo
Londra, Gran Bretagna. Il Globe Theatre

I prodotti e gli elementi costruttivi derivati dal legno utilizzati nelle opere da costruzione possono essere di vario tipo ma derivano tutti dalla segagione, dalla sfogliatura e tranciatura, dalla sminuzzatura o dalla sfibratura del fusto di alberi di abete rosso, di pino, di larice o di castagno, che rappresentano le specie arboree più utilizzate ai fini strutturali dell’arboricoltura italiana.

Dalla squadratura meccanica del fusto possono essere ricavati sia elementi monolitici con sezioni rettangolari aventi diversi rapporti di larghezza/altezza (con cuore o fuori cuore), sia elementi sottili come tavole, listelli o morali. Gli elementi sottili possono poi essere uniti fra loro con una specifica colla, con vite (meccanica) o con collegamenti realizzati in acciaio da carpenteria, per dar luogo ad un elemento monolitico ricomposto.

Assemblando più elementi è possibile costruire il telaio portante di una unità abitativa o di un intero edificio.

Va inoltre considerata la facile lavorabilità, perché tanto in stabilimento quanto in cantiere, può essere agevolmente forato, tagliato, fresato e piallato, e l’assemblabilità a secco, che migliora l’affidabilità ed economicità della posa in opera, oltre a garantire la pulizia esecutiva e del cantiere.

Aspetti normativi
Hildesheim. La Knochenhaueramtshaus

Come tutti gli altri materiali da costruzione, anche il legno strutturale è soggetto al rispetto delle normative tecniche vigenti in Italia, siano esse determinate a livello nazionale o recepite dalla Comunità Europea.

Norme CEN riguardanti il legno strutturale:

* EN 14080 Glued laminated timber
* EN 14081 Strength grades structural timber with rectangular cross section
* EN 15228 Structural timber preservative treated against biological attacks
* EN 14250 Product requirements for prefab. structural members assembled with punched metal plate fasteners
* EN 14374 Structural laminated veneer
* EN 14732 Prefab. structural wall, floor and roof elements
* EN 14229 Wood Poles
* EN 14545 Connectors
* ETAG 007 Timber prefabricated building kits
* ETAG 011 Light composite wood-based beams and columns
* ETAG 012 Log prefabricated building kits
* ETAG 015 Three dimensional nailing plates

Norme già recepite in Italia:

* UNI EN 14080:2005 – Strutture di legno – Legno lamellare incollato – Requisiti.

La presente norma è la versione ufficiale in lingua inglese della norma europea EN 14080 (edizione giugno 2005). La norma specifica i requisiti per il legno lamellare incollato utilizzato nelle strutture portanti. La norma fornisce anche la metodologia per la valutazione di conformità e la marcatura del legno lamellare incollato.

* UNI EN 14081-1:2006 – Strutture di legno – Legno strutturale con sezione rettangolare classificato secondo la resistenza – Parte 1: Requisiti generali.

La presente norma è la versione ufficiale in lingua inglese della norma europea EN 14081-1 (edizione novembre 2005). La norma specifica i requisiti per la classificazione a vista e a macchina del legno strutturale con sezione rettangolare.

* UNI EN 14250:2005 – Strutture di legno – Requisiti di prodotto per elementi strutturali prefabbricati assemblati con elementi di collegamento di lamiera metallica punzonata.

La presente norma è la versione ufficiale in lingua inglese della norma europea EN 14250 (edizione novembre 2004). La norma specifica i requisiti di prodotto per elementi strutturali prefabbricati (capriate, travi ecc.) per l’utilizzo negli edifici e nei ponti costruiti con elementi strutturali di legno (con o senza giunti a dita) assemblati con elementi di collegamento di lamiera metallica punzonata. La norma specifica inoltre i metodi per eseguire la valutazione della conformità e la marcatura.

* UNI EN 14374:2005 – Strutture di legno – LVL – Requisiti.

La presente norma è la versione ufficiale in lingua inglese della norma europea EN 14374 (edizione novembre 2004). La norma specifica i requisiti per pannelli LVL per applicazioni strutturali. La norma fornisce i metodi da utilizzare per la valutazione della conformità e del contenuto della marcatura da applicare sui prodotti.

Marcatura CE

Con l’entrata in vigore definitiva del Decreto Ministeriale recante le nuove Norme Tecniche per le Costruzioni, a partire da aprile 2007, ogni elemento costruttivo derivato dal legno, come tutti gli altri prodotti strutturali, dovrà riportare un marchio CE (marcatura CE ai sensi della 89/106/CE) per poter essere immesso sul mercato italiano, ed europeo, e per poter essere accettato dal direttore dei lavori all’ingresso in cantiere.
Mandato CEN M/112 Legno strutturale M/112 Legno strutturale
Norma EN EN 14080:2005 EN 14081-1:2005
Titolo Strutture di legno –Legno lamellare incollato – Requisiti Strutture di legno – Legno strutturale con sezione rettangolare classificato secondo la resistenza – Parte 1: Requisiti generali
Requisiti Essenziali secondo il mandato 1,2,3 1,2
Sistema Attestazione di Conformità 1 2+
Entrata in vigore della norma Armonizzata (inizio marcatura CE volontaria) 01/04/2006 01/10/2006
Fine del periodo di coesistenza (inizio marcatura CE obbligatoria) 01/04/2009 01/10/2009
Norma UNI UNI EN 14080:2005 UNI EN 14081-1:2006
Data pubb. ott-05 apr-06
Hornburg. Case a telaio di legno strutturale

L’obbligo di marcatura CE non si pone per le travi giacenti in magazzino, purché rispondano ai requisiti previsti dalle specifiche norme. Comunque fino ad esaurimento scorte.

Requisiti essenziali

1. Resistenza meccanica e stabilità (Ministero Infrastrutture)
2. Sicurezza in caso di incendio (Ministero Interno)
3. Igiene, salute e ambiente (Ministero Sviluppo Economico)
4. Sicurezza nell’impiego
5. Protezione contro il rumore
6. Risparmio energetico e ritenzione di calore

Norme Tecniche per le Costruzioni
Jawor, Polonia. Chiesa della Pace

Col decreto del 14 settembre 2005, che entrerà definitivamente in vigore nell’aprile del 2007, finalmente si contempla anche il legno come materiale strutturale e si dettano le modalità di calcolo, esecuzione, collaudo, con particolare enfasi alla certificazione e controllo della qualità. Finalmente dunque anche in Italia c’è una norma che legittima il legno ed i prodotti derivati per l’uso costruttivo. Le norme tecniche contengono molte interessanti novità anche sul piano scientifico, soprattutto in materia sismica e nell’impostazione semiprobabilistica della sicurezza.

Caratteristiche meccaniche del legno strutturale
L’aspetto di una casa tradizionale in legno strutturale

Il legno è leggero, perché il suo peso specifico è inferiore ai 500 kg/m³, contro, ad esempio, i 2.000-2.500 del cemento armato e i 7.800 dell’acciaio.

È resistente, perché l’efficienza prestazionale del legno ai fini strutturali ha qualità simili a quelle dell’acciaio. L’efficienza prestazionale può essere definita come il rapporto tra il modulo di elasticità E e un parametro di resistenza f (es. resistenza a compressione (meccanica)).
Materiale E/f
Calcestruzzo (Rck300, fck 25 MPa) 1250
Acciaio Fe430 (ft = 430 MPa) 480
Legno lamellare (BS 11 ÷ BS 18) 470
Alluminio (lega 7020, ft 355 MPa) 200

È economico, perché il suo ciclo di produzione ottimizza l’uso di una risorsa naturale di per sé povera, offrendo elementi altrimenti non utilizzabili in natura e limitati solo dalle dimensioni di trasporto. Il legno strutturale è anche affidabile, innovativo e di aspetto gradevole. È affidabile, perché l’intero processo produttivo segue una prassi normata e continuamente monitorata. Il risultato finale è un prodotto dalle prestazioni definite e certificate. È innovativo, perché le tecniche di progettazione, lavorazione, assemblaggio e giunzione sono in continua evoluzione e offrono sempre nuove possibilità sia in termini di fattibilità che di contenimento dei costi. È di aspetto gradevole, perché il materiale viene selezionato anche sotto l’aspetto estetico per essere presentato, in tutta la sua naturalezza, compatto e privo di difetti. Tra i suoi tanti vantaggi possiamo annoverare anche il fatto che sia

* un buon isolante termico, elettrico ed acustico;
* un materiale igroscopico, in grado quindi di assorbire le variazioni di umidità dell’ambiente;
* un materiale organico, composto da circa il 50% di carbonio, dal 42% di ossigeno, dal 6% di idrogeno, 1% di azoto e 1% di elementi diversi.

Un’altra grande opportunità di impiego del legno nelle costruzioni è oggi offerta dai centri di lavoro a controllo numerico. Tale tecnologie, veramente sofisticate e raffinate, proiettano il progetto col legno verso scenari fin’ora nemmeno immaginabili. Con tali macchine la lavorazione del legno supera il condizionamento del tempo – la lavorazione di taluni particolari costruttivi difficili e complicati viene eseguita in pochi secondi – e si potrà sempre più eliminare la presenza dell’acciaio, spesso fonte di patologie in molti componenti lignei.

Caratteristiche ambientali del legno strutturale

Tra le peculiarità del legno vanno evidenziati alcuni aspetti legati all’ambiente e alla sua tutela. Il legno, infatti, è un materiale naturale e una delle energie rinnovabili, richiede un basso contenuto di energia durante la fase di produzione ed è biodegradabile oltre che facilmente inseribile nel processo di rigenerazione. La coltivazione della materia prima aiuta il pianeta Terra. Infatti, per uso industriale, il legname viene sottoposto a segagione solo in fase di invecchiamento, mentre sono le piante giovani quelle che trasformano più anidride carbonica in ossigeno, attraverso la fotosintesi clorofilliana. A confronto con materiali metallici, plastici o cementizi, gli elementi strutturali in legno richiedono poca energia primaria per essere prodotti. Assumendo come unità di misura le MJ/ton: il valore per le strutture in legno è 1, per il cemento armato 4, per il laterizio 6, per il vetro 24, per l’acciaio 60, per l’alluminio 250, per il titanio 800 e per le fibre composite 4.000. Nel ciclo completo di vita di una costruzione, lo smaltimento e il relativo riciclaggio dei rifiuti di una struttura in legno costituisce un onere minore rispetto ad altre tecnologie costruttive, se non addirittura una risorsa, laddove è possibile riutilizzarlo in altre forme.

Contenuto di umidità del legno
Progetto del telaio in legno strutturale

Mentre, per motivi commerciali, le travi di legno massiccio non vengono più trattate in essiccatoio, le tavole e gli sfogliati impiegati per realizzare il legno lamellare e i compensati devono obbligatoriamente essere soggette al controllo dell’umidità del legno.

Il fenomeno più difficile da gestire, da un punto di vista estetico, e il punto di saturazione delle fibre legnose.

Catena di custodia
Jena, Germania. Esecuzione del telaio in legno strutturale di una casa

Essendo da sempre elemento di commercio, il legname va accuratamente selezionato in funzione della provenienza, per evitare la distruzione delle foreste dell’Amazzonia o dell’Asia. Pertanto è sempre bene controllare che sia soggetto a certificazioni di qualità PEFC o FSC (Forest Stewardship Council).

Edilizia sostenibile
Assemblaggio di pareti prefabbricate in legno strutturale

Per edilizia sostenibile si intende un’edilizia che soddisfi possibilmente ogni bisogno dell’attuale generazione senza limitare la capacità delle generazioni future di soddisfare le proprie. Si tratta di un processo che promuove lo sviluppo economico salvaguardando la salute dei singoli, della società e dell’ecosistema, senza sprecare risorse. Identifica il progressivo adeguamento al principio di sostenibilità del modo di costruire e di trasformare il territorio. Utilizzare il legno come materiale strutturale diviene una scelta naturale per una edilizia sostenibile. Infatti i principi generali su cui essa si basa sono:

* l’utilizzo di materiali rinnovabili, traspiranti e gradevoli al tatto e viceversa la riduzione del consumo di risorse non rinnovabili;
* la riduzione del consumo di energia in tutte le fasi del ciclo di vita dell’edificio: produzione, trasporto, costruzione, esercizio, demolizione e smaltimento;
* la minimizzazione dell’impatto su suolo, acqua ed aria in tutte le fasi del ciclo di vita dell’edificio;
* rendere facili le rimozioni, sostituzioni o integrazioni.
* minimizzare l’inquinamento dell’ambiente abitato e i possibili danni alla salute degli occupanti.

Il legno strutturale in edilizia è dunque un prodotto valido sia per tecnica di produzione che per rispetto ambientale ed ecocompatibilità.

Balloon frame

Balloon frame (letteralmente “struttura a pallone”) è una tecnica di costruzione inventata nei primi anni del 1900, utilizzata per la realizzazione di edifici in legno prevalentemente in Scandinavia, Canada e negli USA. È costituita da una serie di listelli in legno di dimensioni unificate, unite mediante chiodatura e ritmate da sequenze modulari. Tavole disposte diagonalmente ne assicurano il controventamento, mentre altre tavole disposte in orizzontale proteggono l’edificio dall’esterno formandone anche la facciata.

Si differenzia delle tradizionali strutture in legno, per l’assenza di elementi di principali e secondari. Tale tecnica costruttiva permette di velocizzare la fase di costruzione in cantiere permettendo di svolgere la maggior parte delle lavorazioni in officina.

Da tale sistema costruttivo deriva l’attuale sistema di prefabbricazione di edifici in legno ampiamente diffuso nel mercato residenziale extra urbano degli USA.

Terminologia
Progetto delle pareti in legno strutturale (balloon frame)

È possibile consultare un glossario in lingua italiana dei termini riferibili al legno strutturale.[1]

Esiste un glossario più completo, corredato da disegni esplicativi, in lingua inglese.[2]

Poiché l’attuale cultura sul legno strutturale è prevalentemente straniera, può essere utile un traduttore dei termini tecnici.[3]

Esempi
Progetto delle pareti in legno strutturale (sistema Balloon frame)

Prodotti: trave in legno massiccio monolitica; trave in legno massiccio giuntata; trave realizzata con tavole incollate; trave in legno lamellare; trave di piallacci stratificati; compensato di tavole; compensato di piallacci.

Elementi costruttivi: capriata, centina.

Opere da costruzione: solaio in legno strutturale, tetto in legno strutturale, copertura in legno strutturale, casa in legno strutturale, casa passiva, ponte in legno strutturale.
Da Wikipedia

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