Solai in legno: come funziona il rinforzo con trave di acciaio

Il consolidamento dei solai in legno rappresenta uno degli interventi più frequenti nel recupero del patrimonio edilizio esistente, soprattutto nei casi in cui le travi principali presentino fenomeni di degrado diffuso oppure non risultino più adeguate rispetto ai carichi derivanti da una mutata destinazione d’uso.

Tra le tecniche di intervento disponibili, il rinforzo mediante inserimento di travi di acciaio costituisce una soluzione tecnicamente efficace, capace di incrementare la capacità portante del solaio senza ricorrere alla completa sostituzione dell’orditura lignea esistente. L’intervento risulta applicabile sia in presenza di deterioramento strutturale sia quando si renda necessario migliorare le prestazioni statiche ed elastiche (contenimento della freccia) dell’impalcato.

Configurazioni di rinforzo con travi di acciaio

Le modalità di intervento variano in funzione della disposizione della trave metallica rispetto alla tessitura del solaio.

Travi disposte ortogonalmente all’orditura principale

In questa configurazione la trave di acciaio viene collocata all’intradosso delle travi lignee e può essere realizzata mediante:

• una singola trave in posizione centrale;
• più travi disposte simmetricamente rispetto alla mezzeria del solaio.

L’inserimento della putrella introduce un nuovo appoggio intermedio, modificando lo schema statico della trave lignea che assume il comportamento di trave continua su tre appoggi costituiti dai muri d’ambito e dalla trave metallica.
La forza trasmessa alla trave di acciaio coincide con la reazione d’appoggio generata dalle travi dell’orditura principale.

Travi disposte parallelamente alla tessitura del solaio

Il rinforzo parallelo può essere realizzato secondo due differenti soluzioni operative.

Trave di acciaio all’intradosso

La soluzione è adottabile quando l’altezza interna del locale sottostante consente la riduzione della luce libera tra pavimento e intradosso della trave metallica.

Trave di acciaio all’estradosso

In questo caso si rende necessaria la rimozione totale o parziale della sovrastruttura del solaio (riempimenti, sottofondi e pavimentazione).
La collaborazione tra trave lignea e trave metallica viene garantita mediante connettori metallici di collegamento.

Effetti sul comportamento statico del solaio

L’inserimento della trave di acciaio modifica favorevolmente il comportamento strutturale originario.

Nel caso di travi sovrapposte, legno e acciaio presentano la stessa curvatura deformativa mentre la rigidezza flessionale complessiva risulta pari alla somma delle rigidezze dei singoli elementi:

(EI)_t=E₁I₁+E₂I₂

dove:

• (EI)_t = rigidezza flessionale complessiva del sistema;
• E₁ = modulo elastico della trave di legno;
• I₁ = momento d’inerzia della sezione lignea;
• E₂ = modulo elastico della trave di acciaio;
• I₂ = momento d’inerzia della sezione in acciaio.

Il momento flettente viene quindi ripartito tra i due elementi in proporzione alle rispettive rigidezze flessionali.

Ai fini del dimensionamento, e in via cautelativa, si assume che l’intero momento flettente venga assorbito dalla trave di acciaio, considerando che le caratteristiche meccaniche delle travi lignee esistenti non risultano spesso completamente note.

Dimensionamento della trave metallica

Nel caso di trave semplicemente appoggiata, il momento flettente massimo in mezzeria è determinato mediante la relazione:

M_fmax=Q⋅l² / 8

dove:

• M_fmax = momento flettente massimo in mezzeria;
• Q = carico uniformemente distribuito agente sulla trave;
• l = luce libera della trave.

Il progetto elastico della sezione richiede che:

M_e=f_yd⋅W_el

da cui si ricava il modulo di resistenza necessario per la scelta del profilato metallico.

dove:

• M_e = momento resistente elastico della sezione;
• f_yd = tensione di progetto dell’acciaio;
• W_el = modulo di resistenza a flessione in campo elastico.

Successivamente si procede alla verifica in campo plastico, applicabile alle sezioni compatte, assumendo la completa plasticizzazione del materiale:

M_res=W_pl⋅f_yd

dove:

• M_res = momento resistente plastico della sezione;
• W_pl = modulo plastico di resistenza;
• f_yd = tensione di progetto dell’acciaio.

La verifica risulta soddisfatta quando il momento resistente supera quello agente, mentre analoghe verifiche vengono condotte nei confronti delle sollecitazioni di taglio.

Collegamenti tra trave di acciaio e trave lignea

Nel caso di trave collocata all’estradosso assumono particolare importanza i sistemi di connessione.

Le unioni tra trave lignea e trave di acciaio possono essere realizzate mediante viti da legno, elementi che possono risultare soggetti a:

• sollecitazioni laterali;
• sollecitazioni assiali.

Tra i principali criteri di verifica:

• profondità minima di infissione pari ad almeno 6 volte il diametro della vite;
• valutazione della capacità portante secondo la teoria di Johansen;
• verifica dei possibili meccanismi di rottura, tra cui estrazione, trazione della vite, strappo della testa o rottura del legno.

La capacità resistente della connessione viene assunta pari al minimo valore tra i diversi meccanismi resistenti considerati.

Esempio applicativo di rinforzo all’intradosso

Un esempio applicativo di verifica strutturale riguarda il consolidamento di un solaio ligneo degradato mediante trave di acciaio collocata all’intradosso, sviluppato secondo le NTC 2018.

I principali dati di progetto sono:

• luce della trave: 4,73 m;
• interasse travi: 1,80 m;
• carico di progetto: 1.305 daN/m;
• acciaio S235 con tensione di progetto pari a 223,81 N/mm².

Dal dimensionamento elastico risulta necessario un modulo resistente superiore a 163,07 cm³; viene pertanto adottato un profilato HEA 160, avente modulo resistente pari a 220,1 cm³.

Le verifiche effettuate evidenziano che:

• la sezione risulta verificata a flessione;
• la sezione risulta verificata a taglio;
• l’appoggio su muratura richiede l’incremento della superficie di contatto mediante piastra metallica di ripartizione al fine di evitare fenomeni locali di schiacciamento.

Considerazioni conclusive

Il rinforzo dei solai in legno mediante travi di acciaio consente il recupero strutturale di elementi degradati e l’incremento della capacità portante attraverso una modifica favorevole dello schema statico originario, assumendo la trave metallica quale principale elemento resistente nei casi in cui le caratteristiche meccaniche del legno esistente non risultino completamente determinabili.

Le metodologie illustrate rappresentano tuttavia solo una parte delle possibili tecniche di intervento: per un approfondimento sistematico dei criteri di calcolo, delle verifiche strutturali e delle soluzioni operative applicabili ai solai lignei esistenti è possibile consultare il volume Consolidamento dei solai di legno edito da GRAFILL Editoria tecnica.