L’X-Lam come materiale in zona sismica

L’X-Lam, o Cross Laminated Timber (CLT), è un materiale costruttivo di nuova generazione composto da tavole in legno massiccio disposte a strati incrociati, incollate insieme sotto grandi pressioni per formare un unico elemento massiccio piano, con capacità portante in entrambe le direzioni. L’X-Lam può essere definito a tutti gli effetti un materiale rivoluzionario. Sfrutta i vantaggi di un materiale naturale come il legno e ne migliora le caratteristiche meccaniche, raggiungendo prestazioni elevate. Proprio per le sue uniche caratteristiche, in questi ultimi anni l’X-Lam sta trovando grande impiego nell’edilizia. Gli edifici realizzati in X-Lam hanno destato grande interesse in giro per il mondo grazie al loro ottimo comportamento antisismico, tanto da rappresentare oggi la tecnica più utilizzata nelle strutture in legno multipiano. I grandi pregi dell’X-Lam come materiale in zona sismica sono però visibili solamente tramite le sperimentazioni a scala reale effettuati da gruppi di ricerca in giro per il mondo.

Questo perché l’X-Lam si è rapidamente diffuso come sistema costruttivo in tutta Europa, e ora sta trovando grande applicazione anche per gli edifici multipiano. Quello realizzato nel 2007 dal CNR rappresenta il test più importante e al momento uno degli unici in questo ambito per osservare le straordinarie caratteristiche di questo materiale.

X-Lam in zona sismica, il comportamento

L’X-Lam è un materiale costituito da tavole di legno incollate tra di loro a strati incrociati, in modo da formare un’uniformità di materiale che dà luogo ad un vero e proprio elemento piano. Gli strati sono sovrapposti e incrociati di loro, ovvero la fibratura di ogni strato è ruotata di 90° nel piano rispetto a quello adiacente. L’X-Lam si basa sull’uso di un unico elemento massiccio che assolve al suo interno le funzioni di piastra e lastra. Con questo materiale infatti sia le pareti verticali che i solai sono realizzati da pannelli di diverso spessore. L’X-Lam quindi introduce ed esalta la superficie come elemento strutturale.

La struttura in X-Lam è realizzata dall’assemblaggio di diversi pannelli uniti tra loro da opportuni collegamenti metallici, che hanno un ruolo fondamentale nel comportamento sismico dell’intera struttura. Gli elementi metallici di connessione, come piastre, angolari, viti, rappresentano la parte duttile della struttura. Essi infatti si snervano e si plasticizzano preservando la rottura dei pannelli, assorbendo l’energia sismica ed evitando il collasso della struttura.

Il grande punto di forza di una struttura in X-Lam è il suo comportamento scatolare, perché mobilita la resistenza nel piano di ogni pannello in ogni direzione, comportandosi in maniera compatta e omogenea e assorbendo l’azione sismica. Ma l’altro grande punto di forza di una struttura in X-Lam è proprio il materiale. Il legno infatti è un materiale molto più leggero rispetto ad altri come calcestruzzo o muratura, ed è quindi dotato di una massa molto inferiore. Poiché azione sismica è proporzionale alla massa della struttura, un edificio in X-Lam è soggetto quindi a forze di molto inferiori rispetto ad altri edifici e per questo è meno sollecitato.

Nella progettazione antisismica non è da sottovalutare anche il lato economico e pratico. Un edificio in X-Lam danneggiato è molto più facilmente riparabile rispetto a edifici in calcestruzzo e muratura. E’ possibile ripristinare il suo funzionamento solamente andando a sostituire le parti e le connessioni danneggiate con estrema facilità.

Le connessioni, come detto, hanno un ruolo fondamentale nel comportamento di una struttura X-Lam in zona sismica. Ne esistono di diversi tipi in base agli elementi da collegare e con diverse funzioni. Ma quelle più importanti in questo contesto sono sicuramente quelle che evitano il ribaltamento e lo scorrimento della struttura. Per evitare il ribaltamento dovuto alle azioni orizzontali si utilizzano piastre angolari allungate in acciaio, comunemente chiamate hold-down. Sono collegate alle pareti con chiodi o viti e alle fondazioni con barre filettate in acciaio inserite in fori sigillati con malta cementizia o epossidica. Lo scorrimento della struttura invece si evita utilizzando staffe angolari di acciaio ancorate alla fondazione tramite tirafondi in acciaio e alla parete con chiodi e viti.

I test su tavola vibrante

Dati i pochi edifici alti realizzati, al momento solo grazie a prove sperimentali su tavola vibrante è possibile verificare le prestazioni dell’X-Lam in zona sismica. Una delle sperimentazioni più importanti è quella portata avanti dall’Istituto per la Valorizzazione del Legno e delle Specie Arboree del CNR in collaborazione con il NIED (National Institute for Earth Science and Disaster Prevention, Giappone), volto alla valutazione del comportamento sismico e alla definizione del fattore di struttura q per i pannelli X-Lam. In questa ricerca sono state effettuate prove su tavola vibrante su un edificio di tre piani con dimensioni in pianta di 7x7m e 10 m di altezza totale, con copertura a due falde. Sono state testate tre differenti configurazioni delle aperture nelle pareti esterne parallele alla direzione di applicazione del terremoto e con tre diversi terremoti (Kobe, El Centro e Nocera Umbra) a due valori crescenti di accelerazione di picco al suolo, da 0,15g e 0,50g. I risultati fanno riferimento alla configurazione C, dotata di un’asimmetria nelle aperture.

I pannelli delle pareti e dei solai sono realizzati con legno proveniente dalla Val di Fiemme, tagliati e lavorati con macchine a controllo numerico. L’edificio è collegato alla tavola vibrante tramite un telaio in acciaio formato da profili ad H. Le pareti del piano terra dell’edificio sono collegate al telaio d’acciaio mediante piastre hold-down in corrispondenza degli angoli delle pareti e delle aperture delle porte. Piastre angolari d’acciaio sono diffuse lungo le pareti, entrambe collegate al telaio mediante bulloni e alle pareti mediante chiodi a rilievi tronco-conici.

Le pareti esterne hanno uno spessore di 85 mm. Mentre l’unica parete interna, parallela alla direzione Est-Ovest, ha lo stesso spessore ed è dotata di un’apertura di 2,55×2,25m al centro. I due solai d’interpiano sono realizzati anch’essi con pannelli XLam ma di 142mm di spessore, mentre i pannelli della copertura sono spessi 85mm. Le aperture esterne, due per parete, hanno dimensione di 1,1×1,2m. Le aperture al piano terra perpendicolari alla direzione del sisma hanno dimensione di 1,1×1,2m, mentre quelle parallele sono larghe 4 metri. Ciascuna parete è realizzata con tre pannelli connessi tra di loro, questo per essere più coerenti con le scelte progettuali più comuni.

I risultati della sperimentazione

L’edificio è stato sottoposto a 12 accelerogrammi di intensità da 0.15g fino a 1.20g. I risultati ottenuti hanno evidenziato che lo stato limite di “quasi collasso” è stato raggiunto con il terremoto di Kobe a 0.90g. A 0.80g, un’accelerazione già assolutamente impressionante, l’unico danno visibile dopo la prova sono state leggere deformazioni nelle viti dei giunti verticali fra i pannelli. Si è osservato un sollevamento massimo dell’hold-down di 10.7 mm e una deformazione interpiano al primo piano in media di 27 mm. Il collasso degli hold-down, con marcate deformazioni nelle viti dei giunti verticali fra i pannelli, si è osservato con l’accelerogramma di Kobe per una PGA di 0.90g. In questo caso il sollevamento da terra dei collegamenti ha raggiunto il valore di 25.5 mm. Mentre la deformazione interpiano ha raggiunto valori in media di 62 mm. Con l’accelerogramma di Nocera Umbra ed una PGA di 1.20g, l’unico danno osservato dopo la prova è stata una deformazione nelle viti dei giunti verticali fra i pannelli, con un sollevamento massimo dell’hold-down di soli 11 mm.

Questi risultati sono assolutamente sbalorditivi. Soprattutto osservando anche che al termine della prova gli edifici erano in grado di ritornare alla posizione originaria senza nessuna deformazione permanente. I danni osservati erano comunque tali da consentire la totale riparazione dell’edificio con pochi e semplici interventi, come la sostituzione delle piastre angolari danneggiate e la sostituzione delle viti deformate. Questa sperimentazione conferma la praticità delle strutture in X-Lam in zona sismica, che possono essere facilmente riparabili a seguito di danni. Ma mostrano con certezza l’elevata capacità che le strutture in X-Lam raggiungono in queste zone. Sperimentazioni su tavola vibrante di edifici più alti sono molto difficili dal punto di vista realizzativo. In questo caso, solo la realizzazione pratica di edifici in questi contesti potrà dare indicazione sul loro reale comportamento, che però sembra molto promettente.