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Progettazione di un edificio in legno di oltre 100 m: il futuro nasce 48 anni fa
Redazione INGENIO
La redazione di INGENIO ha trovato nel sito di SOM - Skidmore, Owings & Merrill - una interessante ricerca riguardante la progettazione e realizzazione di una torre in legno sviluppata attraverso un confronto con una torre in calcestruzzo di oltre 100 m e 42 piani, un edificio realizzato a Chicago e progettata da SOM, ma costruito nel 1966.

La ricerca  è disponibile per il download sul sito di SOM: www.som.com/ideas/research/timber_tower_research_project

L'obiettivo del progetto di ricerca è stato quello di sviluppare un sistema strutturale per edifici alti utilizzando il legno come materiale strutturale principale, minimizzando l'impatto ambientale dell'edificio.

La ricerca strutturale si è basata sullo studio di un edificio prototipo, basandosi come riferimento per il confronto, su un edificio in calcestruzzo esistente, il Dewitt - Castagna Apartments, 395 piedi di altezza e di 42 piani a Chicago, progettato da SOM e costruito nel 1966.

Il sistema proposto di SOM è il "Concrete Jointed Timber Frame".

Questo sistema si basa su un sistema misto legno-calcestruzzo: il legno per i principali elementi strutturali e il cemento armato supplementare nelle posizioni molto sollecitate della struttura: i giunti di collegamento.

Questo sistema utilizza i punti di forza di entrambi i materiali e consente all'ingegnere strutturale di applicare i fondamenti conosciuti dell'ingegneria. Il risultato è quello di poter ottenere una struttura efficiente in grado di competere con i sistemi di rinforzo in acciaio strutturale e calcestruzzo, riducendo l'impronta di carbonio della struttura di circa 60 - 75%.

Alla base del progetto di ricerca sta quindi l'esigenza di trovare soluzioni per uno sviluppo urbano sostenibile.  
Recenti proiezioni demografiche hanno stimato che l'attuale popolazione mondiale di 7,0 miliardi di persone aumenti a 11,0 miliardi di persone entro il 2050, e che il numero di persone che vivranno in città raddoppierà da 3,5 miliardi a 7,0 miliardi di persone, nello stesso lasso di tempo. Saranno quindi necessari edifici alti per ospitare la crescita demografica delle città, ma nel rispetto dell'impatto ambientale.

Gli ingegneri strutturisti attualmente hanno quattro materiali principali con cui progettare gli edifici: acciaio, calcestruzzo, muratura e legno. Ma per gli edifici alti attualmente si utilizzano quasi esclusivamente acciaio o calcestruzzo. Alla base di queste scelte vi sono principalmente due motivi: resistenza al fuoco e prestazioni meccaniche. Questo li rende una scelta naturale per gli edifici alti che richiedono il supporto di carichi molto grandi.

Questi fattori hanno generalmente limitato l'uso del legno agli edifici bassi. Recentemente però gli sviluppi della tecnologia del legno stanno superando queste sfide: l'uso del legno lamellare a strati incrociati (CLT) consente di realizzare pannelli lunghi fino a 40 piedi e oltre, e tali pannelli possono essere utilizzati come pavimenti e pareti di taglio con dimensioni strutturali necessarie per supportare un edificio alto in legno.

Pannelli in legno di queste dimensioni hanno poi una caratteristica altrettanto importante: hanno una buona resistenza all'incendio formando in superficie uno strato carbonizzato che protegge il materiale sottostante. Il comportamento strutturale durante l'incendio è quindi prevedibile e il legno continua a conservare una resistenza strutturale residua: per questo oggi la scelta del legno come materiale strutturale è diventata una scelta praticabile per edifici a più piani, come evidenziato da progetti realizzati in Europa (in particolare in Italia, Regno Unito, Austria) e in Australia e da molti altri progetti proposti in tutto il mondo.

Inoltre il legno ha dimostrato di essere più sostenibile di altri materiali perché richiede generalmente meno energia di produzione rispetto all'acciaio strutturale e al cemento armato. Questi aspetti fanno del legno un materiale interessante da cui partire per costruire le città sostenibili del futuro.

Lo studio di SOM
L'obiettivo primario di qualsiasi sistema strutturale è quello di realizzare un edificio commerciabile e prezioso per il proprietario e gli occupanti: deve inoltre avere una superficie libera adeguata e flessibile per il "layout spazio" utile per gli occupanti, con l'obiettivo di avere grandi open space, che permettono una varietà di configurazioni ampia e la massima flessibilità per le modifiche future, ma un layout piano aperto richiede che la struttura del pavimento abbracci l'intera distanza della superficie commerciale.
 
Questa distanza, nel "Benchmark edificio Dewitt " era di 28 piedi e 6 pollici, con un arco di 26 piedi e 3 pollici: il sistema più vantaggioso per realizzare questa distanza è un sistema in legno piatto. SOM ha individuato come soluzione un pannello di spessore di 13 ½ pollici. Questo spessore è stato pensato per competere con la soluzione in cemento armato ed essere economicamente sostenibile.
 
E' stato inoltre determinato il comportamento a vibrazioni generato dall'attività degli occupanti, in base alla Design Guida 11 dell'American Institute of Steel Construction. Dall'analisi si è arrivati a individuare e progettare le connessioni in cemento armato collegate al legno tramite sistemi di collegamento in acciaio e l'uso di resine epossidiche.
 
Questi giunti in cemento armato hanno dimostrato essere utili anche per altri aspetti strutturali tipici dell'edificio alto. La giunzione in calcestruzzo tra solati in legno e pareti in legno fornisce un collegamento tra pannelli singoli che crea un sistema sufficientemente rigido per le azioni laterali, prescrizione richiesta per un edificio alto. Lo studio ha anche determinato che le richieste prestazionali sulle travi di collegamento andavano oltre la capacità offeteda sistemi di collegamentoper travi in legnolamellare incollato. Il sistema composto dai giunti in calcestruzzo e dalle travi di collegamento in legno lamellare è utile nella progettazione per resistere alle azioni di sollevamento dovute ai carichi laterali.
 
Un confronto tra i materiali strutturali necessari per costruire l'edificio prototipo mostra che il sistema proposto è molto efficiente nel consumo di materiale e potrebbe essere competitivo con il cemento armato: l'obiettivo di ridurre al minimo i materiali strutturali utilizzati contribuirà a ridurre i costi e minimizzare nuove esigenze in materia di risorse forestali, richieste che diventeranno pressanti in seguito all'incremento della popolazione e della conseguente domanda.
 
Per questi motivi  SOM ritiene che il sistema proposto sia tecnicamente fattibile dal punto di vista dell'ingegneria strutturale, l'architettura, i layout interni e i servizi di costruzione. Ulteriori ricerche e sperimentazioni fisiche sono però necessarie per verificare le effettive prestazioni del sistema strutturale in relazione al comportamento teorico.
 
 
Per saperne di più: www.structuremag.org/article.aspx, un interessanto articolo scritto da:
  • Benton Johnson, P.E., S.E., is an Associate at Skidmore Owings & Merrill LLP, Chicago, IL. He is the Project Engineer on the Timber Tower Research Project and can be reached at benton.johnson@som.com.?
  • David Horos, P.E., S.E., LEED AP, is a Director at Skidmore Owings & Merrill LLP, Chicago, IL. Timber Tower Research Project and can be reached at david.horos@som.com.?
  • William F. Baker, P.E., S.E., F. ASCE, FIStructE is the Structural Engineering Partner for Skidmore, Owings & Merrill LLP. Bill has dedicated himself to structural innovation, most notably developing the "buttressed core" structural system for the Burj Khalifa, the world’s tallest manmade structure. He is a Fellow of both the ASCE and the IStructE and a member of the National Academy of Engineering.

 

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