Cenni sul Legno A cura del Prof. Ing. Andrea Bernasconi. Consulente del Politecnico di Graz (A). Professore di costruzioni in legno presso la Scuola di Ingegneria di Yverdon (CH). 1. La struttura portante lignea del progetto L'avvento della tecnologia XLAM (o dei pannelli di legno massiccio incollato a strati incrociati, o ancora dei pannelli di compensato di tavole), a partire dagli anni '90, ha permesso di realizzare elementi strutturali di legno piani e massicci di grandi dimensioni. Immediatamente applicata all'edilizia residenziale un po' ovunque in Europa, questa tecnologia permette di realizzare strutture scatolari con prestazioni meccaniche eccellenti. Gli edifici residenziali multipiano di legno sono quindi a pieno titolo parte integrante della realtà quotidiana in molte regioni europee. A fianco della quotidianità degli edifici con struttura di legno di 4 o 5 piani, la discussione scientifica descrive, al momento attuale l'edilizia di legno fino a 10 ‐ 12 piani come applicazione delle conoscenze, delle tecnologie e delle esperienze attualmente disponibili, riservando alle visioni di 14, 16 o anche 20 piani di struttura lignea il predicato di "ambizioso e sperimentale". Il sistema costruttivo e strutturale delle torri di via Cenni rappresenta l'applicazione di questi principi e di questo stato dell'arte. Può essere definito innovativo e all'avanguardia, perché si tratta del primo edificio di queste dimensioni realizzato in Italia e del primo edificio di questo tipo e di queste dimensioni realizzato in zona sismica. 2. Il progetto strutturale e il sistema costruttivo La torri del progetto di via Cenni, con i loro 9 piani fuori terra rientrano appieno nella definizione dell'edificio alto e come tali deve essere concepito e analizzato. La scelta del sistema costruttivo basato sulla tecnologia dei pannelli massicci di legno incollato a strati incrociati ‐ XLAM ‐ è il risultato di uno studio preliminare di fattibilità sulla base del progetto iniziale. Oggetto dello studio, oltre alle prime riflessioni sulla definizione della concezione strutturale dell'edificio, è stato lo stato dell'arte della costruzione in legno multipiano. Le dimensioni in pianta e il numero di piani elevato dell'edificio portano praticamente in modo automatico alla scelta di questa tipologia costruttiva, che permette la realizzazione di una struttura scatolare formata dalle pareti e dalle solette dell'intero edificio. Le pareti dell'edificio sono disposte in pianta su sette assi e formano elementi strutturali continui su tutta l'altezza dell'edificio, adattandosi all'architettura del progetto e permettendo la disposizione di finestre e aperture di dimensioni notevoli. La rigidezza e la robustezza strutturale sono ottenute dall'interazione delle pareti con le solette, anch'esse realizzate con pannelli XLAM. La struttura portante è formata dai pannelli XLAM di pareti e solette, permettendo di rinunciare all'impiego di pilastri ed evitando quindi elementi di discontinuità strutturale e la concentrazione delle forze agenti sulla struttura e sulle fondamenta in pochi punti. La discesa dei carichi avviene su tutte le pareti della struttura, distribuendo gli stessi in modo omogeneo e ottimale su tutta la struttura portante. Ne risulta una struttura più robusta e meno sensibile in caso di sollecitazioni sismiche. Particolare attenzione è stata riservata alla definizione dei collegamenti, quest'ultimi responsabili di assicurare la continuità strutturale dei singoli pannelli XLAM che compongono la struttura scatolare. Anche in questo caso le soluzioni costruttive adottate, pur essendo state sviluppate specialmente per questo progetto, rappresentano l'applicazione diretta delle tecnologie più moderne disponibili sul mercato. L'aspetto innovativo è rappresentato dall'applicazione di queste tecnologie in una struttura di dimensioni notevoli, realizzata esclusivamente in legno e apre le porte delle grandi strutture dell'edilizia abitativa alla costruzione in legno. Dal punto di vista della struttura portante di legno, questo edificio rappresenta, semplicemente, lo sfruttamento delle tecnologie attuali in modo ideale. I limiti delle possibilità attuali sono rispettati, come dimostra l'analisi strutturale eseguita. La struttura prevista rientra nel quadro normativo attualmente vigente; i materiali e le soluzioni impiegati sono di tipo normale, nessuna soluzione speciale o inedita è applicata. Il progetto di via Cenni può essere definito come applicazione delle tecnologie e dei materiali più moderni e ritenuto come al passo con lo stato attuale della scienza e della tecnica. Esso ‐ così come analizzato e nel rispetto delle condizioni indicate ‐ è da ritenersi a tutti gli effetti come un progetto esemplare anche in questi aspetti. 3. Sicurezza antincendio: il legno brucia ‐ qual è la sicurezza delle costruzioni in legno in caso d'incendio? Il legno è combustibile, ma non brucia con facilità, anzi brucia molto lentamente. Soltanto elementi di legno estremamente sottili bruciano facilmente, come i fiammiferi. Elementi di legno di dimensioni più grandi sono difficilmente infiammabili e in caso di incendio bruciano lentamente. In caso di incendio, cioè con temperature di ca. 1000 gradi, il legno subisce la combustione, che carbonizza il legno (facendolo diventare nero) alla velocità di ca. 0,7 mm per ogni minuto. Ciò significa che ogni minuto la combustione avanza in profondità nel legno di 0,7 mm. La parte interna a questo fronte mantiene una temperatura di pochi gradi superiore a quella prima dell'incendio; questa parte mantiene anche intatte le proprie caratteristiche meccaniche e fisiche. Grazie a ciò in caso di incendio gli elementi strutturali di legno vedono ridursi lentamente la propria sezione (il proprio spessore) e perdono così con il passare del tempo la loro capacità portante. Prima del collasso della struttura, deve passare del tempo. Questo tempo può essere calcolato e verificato in fase di progetto; esso permette di mettere in salvo le persone e quanto altro debba essere salvato. Il legno, quindi, durante l'incendio mantiene anche per diverse ore la propria capacità portante, anche se questa si riduce lentamente con l'avanzamento della combustione. Il legno assicura dunque una naturale resistenza anche al fuoco, cosa che altri materiali non possono offrire. In presenza delle temperature già indicate, che in caso di incendio si sviluppano in pochi minuti, le strutture in acciaio ‐ se non protette ‐ vedono ridursi la resistenza e la rigidezza in modo tanto importante da provocare con certezza il crollo strutturale. Anche le strutture di calcestruzzo, in caso di incendio, se non protette, sono soggette a problemi importanti in tempi brevi. Si può concludere che il legno, pur essendo un materiale combustibile, manifesta la perdita di capacità portante ‐ e porta cioè al collasso strutturale ‐ in tempi lunghi (anche diverse ore), mentre altri materiali, fra i quali l'acciaio e il calcestruzzo, in condizioni simili, possono portare al collasso anche entro pochi minuti. Spesso le strutture in legno sono rivestite con materiale molto resistente in caso di incendio, che aumenta in modo notevole la protezione antincendio del legno e, quindi la sicurezza dell'edificio. Le costruzioni del progetto di via Cenni sono sistematicamente rivestite, sul lato interno, con pannelli di cartongesso, in modo da permettere l'applicazione delle finiture interne. Questo strato di cartongesso rallenta l'avanzamento dell'incendio verso il legno, ritardandone notevolmente l'inizio del processo di combustione e garantendo quindi un'ancora maggiore sicurezza della costruzione in caso di incendio. 4. Sostenibilità: il legno è una risorsa limitata ‐ Quanto materiale serve per costruire un edificio di legno? La costruzione di una abitazione di 100 m2 richiede l'impiego di 30 ‐ 40 m3 di legno e materiali a base di legno. Ciò equivale al taglio di ca. 120 abeti. Il medesimo quantitativo corrisponde alla crescita annua media di 7 ettari di foresta; cioè ciò corrisponde al quantitativo di legname che può essere prelevato da 7 ettari di foresta ogni anno, senza alterarne lo stato e senza metterla in pericolo. La superficie boschiva italiana è di 8,8 mio di ettari, e produce quindi ogni anno ca. 90 mio di metri cubi di legname, di cui la metà utilizzabile per realizzare materiale da costruzione. Ogni secondo le foreste italiane producono quindi ca. 3 metri cubi di legno. Per la produzione di un edificio di 100 m2 di superficie abitabile il bosco italiano impiega ca. 15 secondi. Il progetto di via Cenni prevede la costruzione di circa 6100 mc di pannelli. Per la produzione di una quantità equivalente di legno le foreste italiane impiegano quindi ca. 30 minuti. 5. Le nostre foreste: il legno è una risorsa limitata che rischio si corre di ridurre il patrimonio boschivo costruendo in legno? In Europa si sfrutta circa il 50% del legno prodotto dalle foreste; in Italia circa il 25%. Lo sfruttamento troppo ridotto del legno prodotto dalle foreste, come è il caso dell'Italia, impedisce la corretta manutenzione e gestione delle foreste e porta ad un impoverimento del patrimonio boschivo. Una gestione sostenibile del patrimonio boschivo richiede, pertanto, che si incrementi l'uso del legno in modo da evitare l'invecchiamento delle foreste, che ne provoca inesorabilmente anche il degrado. La costruzione in legno contribuisce quindi al mantenimento delle foreste e alla loro gestione sostenibile. Il legno usato per la produzione di strutture e costruzioni, in genere, è ricavato da legname e tronchi non di prima qualità, spesso già disponibili, che, non trovando altro impiego a valore aggiunto interessante, verrebbero trascurati o usati per la combustione. 6. Affidabilità e durabilità: quanto è affidabile una costruzione in legno? Quanto può durare? Edifici di legno costruiti oltre due secoli fa sono ancora esistenti e in servizio in molti paesi d'Europa. Anche in Italia le coperture dei casolari agricoli e degli edifici storici sono spesso di legno. Vicino a Berna c'è un ponte in legno dal nome "ponte nuovo". È stato ultimato nel 1535 ed è ancora oggi aperto al traffico dei veicoli leggeri. La struttura portante principale è quella d'origine del 1535. La manutenzione non prevede interventi su questi elementi. I moderni edifici in legno sono costruiti con un rivestimento esterno (una facciata e un pacchetto di coibentazione) che sono impermeabili all'acqua e impediscono al legno della struttura di assorbire umidità o acqua. In questo modo il degrado del legno non è possibile e nulla ne limita il suo invecchiamento senza limiti di tempo. Con una corretta manutenzione delle coperture e delle facciate ‐ quindi non del legno, ma dei materiali usati per questi strati esterni ‐ i figli dei figli dei costruttori potranno ancora vivere nel medesimo edificio di legno costruito nel 2012. Così come già lo fanno i discendenti di chi ha costruito le case di legno delle montagne alpine tre generazioni or sono. Ovviamente, una corretta progettazione ed esecuzione sono i presupposti per ottenere questi risultati, tanto per la costruzione in legno quanto per altri materiali. 7. Manutenibilità: quale manutenzione richiede l'edificio in legno ? La struttura portante dei moderni edifici di legno non richiede manutenzione. È però indispensabile che facciate e copertura siano mantenute in modo corretto e ciò vale però per tutti gli edifici indipendentemente dal materiale usato. 8. Convenienza economica: quanto costa un edificio di legno ? Il mercato mostra chiaramente che l'edificio di legno non è più costoso dell'edificio realizzato con altri materiali. Spesso il confronto è falsato dalla difficoltà di paragonare due edifici con caratteristiche uguali. L'edificio di legno offre sempre una capacità di coibentazione maggiore dell'edificio realizzato con altri materiali, in quanto il legno è di per sé un materiale isolante; pertanto, uno dei risparmi che permette tale sistema costruttivo è, a parità di prestazione, la riduzione degli spessori dei materiali isolanti. Un altro fattore da tener presente riguarda i tempi di costruzione. L'edificio di legno presenta tempi di cantiere pari a circa la metà di quelli necessari con le normali tecniche costruttive; considerando che il 40% del costo di costruzione è imputabile al costo della manodopera è evidente che i minori tempi di costruzione equivalgono a minori risorse necessarie per la manodopera e di conseguenza corrispondono a un risparmio nel costo della costruzione che va a bilanciare i maggiori costi di industrializzazione e trasporto del materiale. 9. Ecosostenibilità: quanto è ecologico un edificio di legno ? L'edificio di legno è costruito con materiale naturale e biologicamente degradabile. Il ciclo di vita del legno presenta un bilancio della CO2 neutrale; inoltre durante la sua vita il legno mantiene immagazzinato nell'edificio una notevole quantità di CO2 che non viene liberata nell'atmosfera. La produzione di legno richiede il solo impiego dell'energia solare; la sola energia usata per la produzione di materiali di legno è quella della lavorazione (taglio, levigatura, ecc.) del materiale. Il bilancio energetico dell'edificio di legno è quindi particolarmente interessante, specialmente per quanto concerne i materiali usati per la costruzione. 10. Ecosostenibilità: i materiali di legno moderni sono prodotti incollando più parti di legno fra loro ‐ che ne è degli aspetti ecologici e tossici ? La maggior parte dei prodotti di legno per uso strutturale utilizza collanti di tipo sintetico e chimico. Si tratta sempre più spesso di resine poliuretaniche, la cui tossicità viene meno non appena la reazione di indurimento è sufficientemente avanzata, di regola ben prima che il prodotto lasci lo stabilimento di produzione. La produzione dei collanti e del prodotto finito sono rigorosamente, severamente e costantemente controllate da parte di istituti esterni allo stabilimento di produzione. 11. Sicurezza: come si comporta l'edificio di legno in caso di terremoto ? Il legno riduce la massa di circa Il 70% rispetto ad un edificio tradizionale, riducendo quindi le forze provocate dall'azione sismica. Inoltre, il legno ha caratteristiche meccaniche di grande deformabilità, che permettono di ridurre ‐ in un certo senso di smorzare ‐ l'effetto dinamico del sisma sulla struttura. Non a caso in Abruzzo si è molto costruito in legno, durante la fase della ricostruzione, per esempio con il piano C.A.S.E. Gli specialisti italiani dell'IVALSA CNR hanno dimostrato in scala reale come si comporta un edificio multipiano in caso di azione sismica. Per fare ciò hanno costruito un edificio di 7 piani direttamente all'interno del più grande laboratorio di prove sismiche del mondo, in Giappone. La simulazione dei sismi più importanti noti fino a pochi mesi fa non ha permesso di danneggiare l'edificio. 12. Normativa: a che punto è l'Italia nella costruzione in legno? Dispone l'Italia degli strumenti adatti alla costruzione in legno ? L'Italia dispone di una normativa per la costruzione di legno che altri paesi europei possono solo invidiare: chiara e semplice. Inoltre l'Italia è al primo posto nella realizzazione di ricerca sperimentale in scala 1:1 per il comportamento sismico degli edifici di legno. Solo gli Stati Uniti hanno sfruttato le capacità della tavola vibrante (banco di prova sismica) più grande del mondo con una costruzione in legno, arrivando a lavorare sperimentalmente su edifici di dimensioni uguali (7 piani di altezza) a quello degli Italiani dell'IVALSA CNR. Inoltre le realizzazioni del piano C.A.S.E sono da considerare all'avanguardia e possono essere usate come esempio di realizzazione moderna anche all'estero. 13. Collegamenti: come sono collegati tra loro gli elementi strutturali in legno? I collegamenti degli elementi strutturali il legno sono metallici e si trovano a contatto diretto con il legno, o al suo interno. Il legno della struttura di un edificio è sempre all'interno del cappotto o delle facciate e, quindi, è sempre secco, o asciutto. In queste condizioni non c'è sufficiente presenza di umidità per innescare la corrosione del metallo dei collegamenti. La corrosione del metallo dei collegamenti all'interno della costruzione di legno non è possibile. 14. Acqua: Quali sono i rischi in caso di fuoriuscita di acqua in un edificio di legno ? Non si rischia che il legno marcisca irreparabilmente in caso di danno ad una tubatura o per un rubinetto aperto ? Nel caso estremo della rottura di una tubazione dell'acqua che non fosse riconosciuta e riparata immediatamente, una quantità di acqua importante si riverserebbe all'interno dell'edificio. Di regola l'acqua filtra sotto le porte e raggiunge la tromba delle scale, ma è anche possibile che prima di poter intervenire passi del tempo. I danni maggiori in questi casi sono quelli arrecati al mobilio, ai pavimenti, ai rivestimenti interni, e in alcuni casi agli impianti elettrici e simili. L'acqua che arrivasse a contatto con il legno degli elementi strutturali sarebbe meno preoccupante, in quanto dovrebbe prima di tutto essere assorbita dal legno il che necessiterebbe di un lasso di tempo di almeno diverse settimane. Si può affermare che un danno di questo tipo, che sia risolto entro due o tre settimane ‐ con l'eliminazione della perdita e con l'evacuazione dell'acqua eventualmente ristagnante nei locali ‐ non ha alcun effetto sugli elementi strutturali. Anche in caso di evento più importante o di più lunga durata l'assorbimento dell'acqua da parte del legno è un fenomeno reversibile, per cui una volta eliminato l'apporto di nuova acqua il legno ritornerà lentamente allo stato originale, senza conseguenze strutturali di rilievo. Non va dimenticato che la parete ‐ e la soletta ‐ di legno permette comunque la traspirazione dell'acqua. Il degrado e il marciume del legno richiedono condizioni di presenza di acqua per lunga durata. Una perdita di acqua in un immobile di legno abbandonato, della durata di diversi mesi, può essere causa di problemi seri. Anche per gli elementi metallici presenti all'interno della struttura di legno non sussistono pericoli di danno, in quanto sono tutti, sistematicamente, trattati contro la corrosione (per esempio con zincatura della superficie) e le condizioni di umidità elevata sono di breve durata. È quindi corretto affermare che in caso di fuoriuscita importante di acqua la struttura lignea non corre alcun rischio, mentre come al solito sono da aspettarsi danni ingenti ai rivestimenti interni, al mobilio e agli impianti. Lo stabile con struttura di legno non si differenzia quindi da stabili con struttura di altri materiali.