«Pen­sare in ter­mi­ni di­na­mici e oriz­zon­ta­li»

TEC21 – Signor Geiser, in Svizzera, nel dimensionamento pratico delle strutture in legno, i terremoti sono sottovalutati dal punto di vista della loro azione?
Martin Geiser – Non dovrebbe essere così. Secondo l'analisi nazionale dei rischi dell'Ufficio federale della protezione della popolazione, i terremoti sono uno dei cinque maggiori rischi e dal 2003 il tema viene trattato di conseguenza nel rispettivo manuale normativo. Tuttavia, tra molti ingegneri strutturisti osservo una tendenza a pensare in modo verticale e statico. E ciò vale indipendentemente dal materiale. Proba­bilmente conoscerà il classico compito assegnato agli studenti di ingegneria: costruire un ponte con i bastoncini dei gelati. La tenuta del ponte viene solitamente testata con un carico statico e verticale. Come noterà: questa immagine della presunta azione verticale e statica ci viene trasmessa fin dall’inizio. Dobbiamo pensare di più in termini dinamici ed orizzontali.

Come mai in Svizzera esistono così ­pochi edifici in legno alti?
Questo è dovuto alle prescrizioni antincendio in vigore in passato. Fino al 2003 gli edifici di altezza superiore ai 2,5 piani venivano approvati solo in casi eccezionali. La nostra Scuola univer­sitaria professionale di Berna (BFH), realizzata in legno, ne è un esempio. ­Gradualmente le prescrizioni sono state allentate. E non siamo il solo paese a essere alle prime armi quando si parla di torri in legno.

Sul legno come materiale per la costruzione in altezza, leggi La crescita degli edifici in legno di Charles von Büren

Quali sono le sfide nel dimensionamento sismico degli edifici in legno e come variano con l'altezza?
Una sfida importante è posta dagli edifici residenziali moderni con grandi locali e finestre. Spesso non vi è abbastanza spazio per posizionare bene le pareti di controvento. La sfida può essere affrontata al meglio, in una fase iniziale della progettazione, con il dialogo tra architetti e ingegneri.
Per quanto riguarda il dimensionamento, occorre essere consapevoli del fatto che i terremoti hanno un’azione determinante anche in edifici bassi a causa delle vibrazioni al suolo. Per strutture alte, e soprattutto per quelle snelle o leggere con grandi superfici esposte, spesso il vento ha una maggiore azione.
Inoltre, l'ancoraggio degli elementi di controventatura aumenta esponenzialmente con l'altezza. Nella costruzione in legno questo può comportare forze insolitamente elevate. In sostanza, però, si può dire che la snellezza è più determinante dell'altezza. Oltre un certo grado di snellezza, le oscillazioni dovute al vento possono porre un problema di efficienza funzionale.
Al dimensionamento sismico esiste un complemento: la nuova edizione della norma SIA 261 ridefinisce gli spettri di risposta. Di conseguenza, in futuro le proprietà dinamiche delle costruzioni in legno dovranno essere studiate o modellate con cura ancora maggiore. Un'assunzione semplificata del tempo di oscillazione di base nella regione dell'Altopiano, come è stata spesso fatta finora, potrebbe portare a un dimensionamento esageratamente conservativo.

Quali principi si applicano al dimensionamento sismico delle costruzioni in legno? In genere ci si avvale del dimensionamento di una struttura portante non duttile o del dimensionamento per capacità?
In genere, nella pratica ci si avvale del dimensionamento convenzionale, ossia non duttile. Si tratta di un modo del tutto conforme alle norme e perciò è consentito per tutte le costruzioni e porta in parte anche a soluzioni economiche. Secondo l’Eurocodice 8 le regole sono un po’ diverse: infatti, da una determinata accelerazione del suolo ci si avvale del dimensionamento duttile.
Il dimensionamento per capacità comporta un lavoro considerevolmente maggiore. Rispetto al dimensionamento convenzionale esso richiede infatti una concezione diversa e, in una certa misura, una «comunicazione» tra l’ingegnere strutturista e la costruzione, che deve definire una gerarchia della resistenza ultima dei singoli componenti. Tuttavia, un dimensionamento duttile impedisce una rottura fragile della costruzione, favorendone così la robustezza. E, finché il vento non ha l’azione decisiva, per costruzioni piuttosto compatte e con molta massa esso porta a soluzioni più economiche rispetto al dimensio­namento convenzionale. In tal caso, il lavoro supplementare per il dimensionamento può certamente valere la pena.

Quali sono gli insegnamenti tratti dalle sue ricerche? Verranno integrati nelle future normative?
Con le nostre ricerche abbiamo potuto contribuire di recente, per due aspetti, alla revisione parziale della
norma SIA 265: da un lato, per quanto riguarda le questioni della sovraresistenza e, dall'altro, per la duttilità degli elementi di fissaggio. Oltre alle norme, elaboriamo i con­tenuti per la serie Lignum «Lignatec» e una guida pratica per il dimensionamento di legno lamellare incrociato, fra cui anche quello sismico.

In quali ambiti è ancora necessario fare ricerca? Di quali temi si sta occupando?
Le ricerche sono necessarie nella determinazione delle proprietà di duttilità degli elementi di fissaggio. A differenza delle costruzioni in calcestruzzo armato, per il legno finora sono state svolte pochissime analisi su come il comportamento dell'acciaio utilizzato dopo il raggiungimento del punto di snervamento influenzi il comportamento portante dei giunti.
Nel nostro ultimo progetto, volto a determinare le proprietà dinamiche degli edifici con struttura in legno, abbiamo constatato che lo smorzamento è notevolmente superiore al consueto 5% rilevato nella pratica. Sebbene tale ipotesi sia stata considerata già da molto tempo, essa può però essere misurata solo con ampiezze elevate come quelle generate nei nostri test più recenti. Per il dimensionamento vi è un certo potenziale di ottimizzazione poiché con valori di smorzamento più elevati ed efficaci le forze derivanti dall'azione sismica si riducono. Ora stiamo pianificando un'altra serie di test con un edificio di prova in legno lamellare incrociato.
Inoltre, insieme a un partner industriale, stiamo sviluppando soluzioni per ancoraggi ad alte prestazioni nelle costruzioni in legno con collegamenti standard fino a 300 kN e ci stiamo dedicando al tema relativo ai muri con aperture, studiando come possano essere considerate per il calcolo le aree attorno alle finestre (architravi e parapetti).
Facciamo indagini su lastre di vetro di controventamento con comportamento duttile. Lo trovo interessantissimo: una volta compreso il dimensionamento per capacità, si può rendere duttile pure qualcosa di fragile come il vetro.

Dimensionamento sismico duttile e non duttile

Il dimensionamento non duttile per le azioni sismiche viene eseguito in modo convenzionale utilizzando la stessa procedura seguita per le altre azioni. Una volta superato il limite elastico, c'è il rischio di un cedimento della struttura portante fragile. Con questa procedura di dimensionamento si ottiene chiaramente solo una capacità di deformazione plastica ridotta. In questo caso, il coefficiente di comportamento normativo q = 1.5 considera soprattutto la sovraresistenza.

Nel dimensionamento duttile (dimensionamento per capacità), la struttura portante è suddivisa in aree elastiche e aree plasticizzate. Attraverso uno specifico dimensionamento degli elementi di fissaggio e la realizzazione costruttiva, sotto l’azione sismica, si crea un meccanismo plastico adeguato in cui le aree duttili (giunti) una volta raggiunto il limite elastico si deformano in modo duraturo, limitando così le sollecitazioni delle aree non duttili (componenti in legno) della struttura portante. Nelle aree plasticizzate, l'energia viene dissipata, il che consente co­efficienti di comportamento normativo di q > 1.5. Il dimensionamento per capacità migliora la robustezza della costruzione e, in determinate circostanze, può avere vantaggi economici.

Questo articolo è apparso nella pubblicazione speciale «Città in legno – Costruire in altezza, soprelevazioni, sicurezza sismica». Altri articoli sul legno sono raccolti nel dossier digitale.