Strutture in legno e carichi estremi: il comportamento dell’X-LAM in caso di esplosioni e tornado
Dalla pratica consolidata a nuovi scenari: perché il legno entra nella progettazione strutturale per carichi dinamici
Nell’ingegneria strutturale, gli edifici destinati a resistere a carichi estremi, come esplosioni o trombe d’aria, sono stati tradizionalmente realizzati in acciaio o calcestruzzo armato. Questi materiali, infatti, presentano un comportamento ampiamente documentato sotto elevate velocità di deformazione e in condizioni di carico dinamico, e ciò li rende la scelta di riferimento per infrastrutture militari, industriali e ad alto rischio.
Negli ultimi anni, tuttavia, questa impostazione è stata messa in discussione. Le strutture in legno ingegnerizzato, in particolare X-LAM e glulam, vengono oggi rivalutati per la loro risposta strutturale sotto carichi dinamici. Il loro elevato rapporto resistenza/peso, unito alla capacità di dissipare energia attraverso le connessioni, apre nuove prospettive progettuali.
Secondo studi condotti in ambito accademico e militare, il comportamento dei materiali sotto carichi dinamici differisce da quello statico: in presenza di alte velocità di deformazione, è possibile osservare un incremento della resistenza e della rigidezza.
In questo contesto in evoluzione, Rothoblaas ha approfondito il tema con il professor Ghasan Doudak della University of Ottawa, tra i principali ricercatori sul comportamento delle strutture in legno soggette a esplosioni e relatore di riferimento al primo TEEW in Canada, previsto per ottobre 2026.
Professore, come nasce il suo interesse per la progettazione di edifici in legno resistenti alle esplosioni?
La motivazione iniziale della ricerca ha origine da una collaborazione con il settore militare. In quel contesto, il legno non era considerato un materiale idoneo per la progettazione di edifici soggetti a esplosioni, come infrastrutture strategiche militari o governative. La questione era, quindi, se le strutture in legno potessero offrire prestazioni adeguate sotto carichi estremi.
Il legno è di per sé un materiale leggero, facilmente trasportabile e rapido da assemblare. Nei sistemi in legno ingegnerizzato, come l’X-LAM e il glulam, a queste caratteristiche si aggiunge una buona resistenza a sollecitazioni orizzontali e impatti balistici. Tali vantaggi garantiscono un potenziale applicativo rilevante, soprattutto in contesti in cui velocità di realizzazione ed efficienza strutturale sono determinanti.
Un ulteriore aspetto riguarda il campo di applicazione: la resistenza alle esplosioni non è limitata al contesto militare. Gli stessi principi possono essere utilizzati per migliorare la sicurezza degli edifici civili esposti a eventi accidentali o carichi estremi.
La principale criticità è legata al comportamento del materiale. Il legno, intrinsecamente, non è duttile; per ottenere prestazioni adeguate è necessario combinare correttamente massa, pannelli ingegnerizzati e, soprattutto, connessioni strutturali in grado di dissipare energia. È grazie a queste ultime che la struttura acquista duttilità. Parallelamente, è fondamentale modellare con precisione la pressione generata dall’esplosione, che varia in modo significativo in funzione della distanza (contatto, campo vicino o campo lontano).
Avete condotto test su scala reale con esplosioni. Cosa è emerso in termini di comportamento del legno?
Uno degli aspetti più rilevanti riguarda gli effetti della velocità di deformazione (strain rate). Si tratta della variazione delle proprietà meccaniche di un materiale in funzione della rapidità con cui viene deformato. In presenza di carichi dinamici rapidi, come quelli generati da un’esplosione, il legno può mostrare una resistenza superiore rispetto alle condizioni statiche. Si tratta di un’osservazione significativa in quanto evidenzia come il comportamento del legno sotto carichi estremi non possa essere valutato con gli stessi parametri utilizzati nella progettazione tradizionale.
*Images reproduced from the academic thesis “Effect of Realistic Boundary Conditions on the Behaviour of Cross-Laminated Timber Elements Subjected to Simulated Blast Loads” by Cote Dominic
Il legno mostra buone prestazioni sotto carichi laterali come vento e sisma. Questo vale anche per le esplosioni?
Esiste una correlazione, ma anche una differenza sostanziale. Sia le esplosioni sia il vento generano sollecitazioni laterali. Tuttavia, i carichi da esplosione agiscono generalmente fuori piano, mentre le azioni sismiche si sviluppano prevalentemente nel piano della struttura. Nonostante questa differenza, un principio rimane invariato: le connessioni sono determinanti. Nei sistemi in legno ingegnerizzato, il comportamento strutturale è progettato in modo che i pannelli principali mantengano una certa rigidezza, mentre le connessioni metalliche svolgano il compito di dissipare energia e ridurre il rischio di rotture fragili.
Questo approccio introduce anche un vantaggio operativo: dopo un evento estremo, le connessioni possono essere sostituite, consentendo un ripristino parziale della struttura con interventi limitati.
Il legno può competere con acciaio e calcestruzzo, in questi scenari?
Il confronto diretto è complesso e dipende dal tipo di applicazione. Se si considera il rapporto resistenza/peso, il legno può risultare competitivo, se non addirittura più performante rispetto ad acciaio e calcestruzzo in specifici scenari. Tuttavia, ogni materiale ha un proprio ambito di utilizzo. Il legno è particolarmente efficace quando sono richieste soluzioni leggere, rapidità di montaggio e sostenibilità. Il calcestruzzo rimane invece indispensabile per strutture interrate o con elevate masse, mentre l’acciaio fornisce la duttilità necessaria in molti sistemi strutturali. Nella pratica, le soluzioni più efficienti sono spesso ibride: il legno lavora molto bene insieme alle connessioni in acciaio, che permettono la dissipazione dell’energia.
*Images reproduced from the academic thesis “Investigation and Optimization of Connections in Timber Assemblies Subjected to Blast Loading” by Viau Christian
Ci sono differenze tra X-LAM e timber frame tradizionale?
Sì, e la differenza è significativa. Per resistere efficacemente a esplosioni sono necessari prodotti in legno ingegnerizzato come X-LAM e glulam, abbinati a connessioni progettate correttamente. Le strutture leggere a telaio non offrono lo stesso livello di prestazione in questo tipo di sollecitazioni. La continuità, la massa e il comportamento strutturale dei pannelli ingegnerizzati svolgono un ruolo determinante nell’assorbimento e nella ridistribuzione dei carichi.
Considerando eventi come i tornado, dove si concentra la principale vulnerabilità degli edifici in legno?
Nella maggior parte dei casi, la criticità non riguarda gli elementi in legno, ma i sistemi di connessione. Gli hold down sono spesso sottodimensionati o progettati in modo non adeguato. Allo stesso modo, le connessioni della copertura vengono frequentemente dimensionate solo per carichi verticali, senza considerare le azioni di sollevamento generate dal vento. L’adozione di viti strutturali progettate per resistere a trazione, in sostituzione di sistemi meno performanti come i chiodi, può migliorare significativamente la risposta dell’edificio.
Quali sono i principali interventi pratici per migliorare la resistenza del legno ai carichi dinamici?
La risposta è coerente in tutti gli scenari: le connessioni governano il comportamento strutturale. Con una progettazione adeguata è possibile aumentare in modo significativo la resistenza delle strutture in legno sia alle esplosioni sia agli eventi di vento severo. Questo implica:
selezionare i connettori più idonei;
progettare sistemi in grado di dissipare energia;
considerare tutte le direzioni di carico, incluse le azioni di sollevamento e gli effetti dinamici.
*Images reproduced from the academic thesis “Effect of Realistic Boundary Conditions on the Behaviour of Cross-Laminated Timber Elements Subjected to Simulated Blast Loads” by Cote Dominic
Il ruolo del sistema nella risposta ai carichi estremi
Le evidenze emerse dalla ricerca del Prof. Doudak mostrano un cambio di paradigma nella valutazione del legno in ambito strutturale. Quest’ultimo, se utilizzato come materiale ingegnerizzato e integrato con connessioni progettate correttamente, può rispondere in modo efficace a scenari di carico non convenzionali. Per progettisti e ingegneri, questo implica una considerazione chiara: le prestazioni sotto carichi estremi non dipendono dal materiale in sé, ma dal sistema strutturale nel suo insieme, e in particolare dalle connessioni. Comprendere questa interazione è fondamentale nel passaggio dalla progettazione standard a contesti ad alto rischio.
Approfondisci i principi di progettazione delle connessioni e il comportamento delle strutture in legno partecipando al TEEW e consulta la documentazione tecnica sui sistemi di fissaggio per carichi dinamici.
*Images reproduced from the academic thesis “Investigation and Optimization of Connections in Timber Assemblies Subjected to Blast Loading” by Viau Christian
Riproduzione riservata