Il contributo propone un sistema di retrofit integrato basato sull’installazione di un esoscheletro esterno indipendente in pannelli prefabbricati in CLT, ancorato a nuove fondazioni perimetrali. Questa soluzione consente di migliorare significativamente il comportamento sismico dell’edificio senza intervenire in modo invasivo sulla struttura esistente.

Dal punto di vista ingegneristico, l’esoscheletro agisce come un sistema di controventamento esterno, capace di aumentare la resistenza e la rigidezza globale della struttura e di controllare gli spostamenti sotto azione sismica. Allo stesso tempo, l’integrazione con strati isolanti e facciate ventilate consente di migliorare significativamente le prestazioni energetiche dell’involucro edilizio.

L’analisi di vulnerabilità condotta nel 2018 aveva evidenziato valori medio-bassi dei parametri meccanici del calcestruzzo armato e un comportamento sismico non conforme agli standard attuali, data l’assenza di dettagli costruttivi anti-sismici, di una concezione strutturale orientata alla gerarchia delle resistenze, la presenza di telai mono-direzionali, l’irregolarità in pianta e la distribuzione non uniforme degli elementi irrigidenti. L’obiettivo primario del progetto è stato pertanto l’adeguamento sismico dell’edificio, riducendo al minimo gli interventi invasivi all’interno per contenere costi, tempi e interferenze con le attività scolastiche e salvaguardare le finiture esistenti.

Obiettivi secondari ma integrati sin dall’origine sono stati:

• efficientamento energetico dell’involucro
• recupero del sottotetto mediante sostituzione della copertura esistente con una nuova struttura lignea
• soluzioni cantieristiche ad elevato grado di prefabbricazione e modularità
• restyling architettonico delle facciate.

Dalle esperienze storiche agli esoscheletri “diffusi” in legno

Le prime applicazioni di esoscheletri per il rinforzo sismico risalgono agli anni ’80 e si sono prevalentemente sviluppate con sistemi metallici esterni 2D (pareti di taglio addossate) o 3D (telai/nuclei), collegati alla struttura principale per incrementarne rigidezza, resistenza e, in taluni casi, capacità dissipativa. La letteratura recente descrive un’evoluzione verso soluzioni additive, reversibili e a basso impatto, in grado di combinare prestazioni sismiche con riqualificazione energetica e riordino architettonico dell’involucro. In tale ambito si collocano anche proposte con ossatura metallica dissipativa, telai e facciate prefabbricate in legno [1-2] e, più recentemente, esoscheletri in CLT come alternativa sostenibile alle soluzioni in acciaio [3-5]. L’impiego di materiali come il Cross-Laminated Timber (CLT) come “pelle strutturale” esterna consente infatti di realizzare pareti di taglio leggere, ad elevata resistenza e rigidezza nel piano, fortemente prefabbricate, integrabili con strati termoisolanti e rivestimenti, e capaci di ridurre drasticamente l’invasività all’interno degli edifici esistenti (figura 4). Studi applicativi evidenziano come tale soluzione possa fornire una risposta integrata (sismica, energetica ed architettonica) accompagnata da benefici ambientali e rapidità di cantiere (figura 5).

Strategia adottata per il caso in esame

Per il Liceo “G. Ancina” è stato concepito un esoscheletro tridimensionale costituito da pareti esterne in CLT applicate a tutte le facciate e vincolate a nuove travi di fondazione in c.a. ad anello. In corrispondenza dei setti più sollecitati, le nuove fondazioni poggiano su micropali, così da garantire adeguata capacità sia a compressione sia a trazione (uplift per effetti sismici) senza gravare sulle fondazioni esistenti adiacenti. L’esoscheletro dialoga con il telaio in c.a. della struttura esistente attraverso collegamenti puntuali distribuiti, trasferendo le forze di taglio di piano e contribuendo al controllo degli spostamenti d’interpiano. L’approccio consente di perseguire:

• leggerezza (minore massa sismica aggiunta)
• distribuzione diffusa dei rinforzi sul perimetro dei solai (evitando concentrazioni di sforzi)
• modularità (pannelli modulari, in grado di alloggiare i nuovi infissi)
• integrazione energetica (isolanti e facciate ventilate)
• sostenibilità (materiale rinnovabile, stoccaggio di carbonio).

La demolizione della copertura esistente in latero-cemento e la realizzazione di una nuova copertura in legno lamellare consente di ridurre le masse globali, riducendo le azioni sismiche, e di ricavare nuovi spazi da adibire ad aule/laboratori.

Geometria e concezione generale

Avendo il fabbricato due interpiani e una copertura, e presentando aperture di 1,5×1,5 m circa, si è adottato uno schema modulare con pannelli verticali in CLT di larghezza massima 3,0 m e altezza fino a 13,0 m, ciascuno dimensionato per inglobare il foro serramento. Gli spessori sono differenziati:

• 120 mm sulle facciate con maggiori forometrie (figura 6)
• 160–200 mm per le facciate opache, con i setti maggiormente sollecitati (figura 7).

Al fine di trasferire la maggior parte delle azioni esterne di taglio ai setti principali, scaricando quelli secondari indeboliti dalla presenza di forometrie, e al fine di distribuire in modo uniforme gli elementi irrigidenti, considerando l’edificio irregolare in pianta, sono stati previsti due setti interni a tutta altezza, ricavati mediante semplice rimozione di un allineamento di elementi di alleggerimento dei solai esistenti in latero-cemento.

L’esoscheletro diffuso perimetrale incrementa la ridondanza dei flussi di taglio e trazione. Scelte come giunti verticali rigidi (connettore SLOT®) tra i pannelli verticali e connessioni continue esoscheletro-esistente a livello di solaio e in fondazione consentono un’efficace distribuzione delle azioni di taglio tra tutti gli elementi resistenti, evitando concentrazioni di sforzi in singoli elementi.

Criteri di modellazione globale (FEM) e scelta del metodo di analisi

Dato l’obiettivo di adeguamento sismico in zona a sismicità medio-bassa, la progettazione è stata condotta cautelativamente in campo elastico con fattore di struttura unitario e analisi dinamica modale con spettro di risposta. Nel modello globale 3D sono stati rappresentati:

• i telai in c.a. dell’edificio esistente (travi, pilastri, nodi)
• i solai in latero-cemento modellati come diaframmi infinitamente rigidi nel proprio piano per trasferire le forze di taglio di piano
• le pareti in CLT schematizzate secondo un telaio equivalente di maschi (verticali) e fasce (orizzontali) nelle zone con forometrie, e come setti a mensola per i tratti pieni (figura 8)
• i link sui bordi perimetrali dei pannelli in CLT per simulare il comportamento dei collegamenti (vincolo monolaterale a trazione per gli hold-down, taglio piano per le connessioni a scorrimento, rigidezze assiali/trasversali dei pannelli calibrate)

Poiché la rigidezza globale dei pannelli dipende in misura rilevante dalle connessioni (legno-legno tra pannelli, legno-acciaio, legno-c.a.), si è scelto di calibrare il telaio equivalente mediante modelli FEM dedicati dei singoli setti (o porzioni significative), dove (figura 9)

• il CLT è stato modellato come materiale ortotropo (proprietà elastiche in direzione parallela e perpendicolare alla fibratura, con attenzione al modulo di taglio e al “rolling shear” degli strati trasversali)
• i collegamenti sono stati rappresentati con molle non lineari (o bilineari) dotate di Kser (slip modulus) e resistenze secondo ETA/EAD o EN 1995-1-1

La rigidezza risultante (in piano) è stata poi “condensata” nel modello globale a telaio equivalente (maschi+fasce) mediante un processo iterativo (match curva forza-spostamento), al fine di ottenere i reali spostamenti della struttura.

Per le pareti forate, i maschi e le fasce sono stati considerati come aste reciprocamente incastrate, ottenendo un sistema accoppiato, incrementando così la rigidezza laterale e modificando la distribuzione degli sforzi rispetto al comportamento a mensola semplice.

Interazione esoscheletro–struttura esistente

La trasmissione delle forze di taglio di piano avviene dal solaio in latero-cemento alle pareti di taglio in CLT tramite collegamenti puntuali diffusi tra la trave perimetrale in c.a. del solaio esistente e i pannelli in CLT. Il trasferimento a terra è demandato a una trave metallica a “C” interposta tra i pannelli e le nuove fondazioni in c.a. ad anello. Le connessioni verticali a trazione sono state realizzate mediante hold-down alle estremità delle pareti e, per i setti maggiormente sollecitati, mediante integrazione con un pilastro metallico HEA 200 solidale al bordo del pannello, finalizzato a distribuire le forze di sollevamento lungo tutto il bordo libero del pannello in CLT.

I setti in CLT, tramite le suddette travi metalliche a “C”, sono appoggiati a una trave di fondazione in c.a. ad “L” di nuova realizzazione, adiacenti alle fondazioni esistenti, poggianti su micropali in corrispondenza dei setti maggiormente sollecitati (caratterizzati da elevati uplift e sforzi di taglio).

Per garantire compatibilità di spostamento tra i pilastri in c.a. della struttura esistente (considerati secondari ai fini della resistenza sismica globale) e l’esoscheletro in CLT, si è verificata la capacità rotazionale e di spostamento dei pilastri, sulla base delle armature effettivamente presenti e della resistenza del calcestruzzo rilevata nella campagna di indagini condotte in situ.

Ogni singolo pannello CLT è stato verificato a presso-flessione, taglio ed instabilità, mentre la connessione dei giunti verticali, atta a garantire la monoliticità della parete, è stata realizzata con elementi estrusi in alluminio (SLOT® – Rothoblaas), installati in opera all’interno dei pannelli prefabbricati, in grado di trasferire per contatto elevati sforzi di taglio con minime deformazioni (figura 10).

Il trasferimento delle forze di taglio di piano dai solai in latero-cemento dell’edificio esistente alle pareti di taglio in CLT avviene mediante il collegamento della trave in c.a. perimetrale al pannello con barre filettate M24-8.8, installate nei prefori dei pannelli e resinate all’interno degli elementi in c.a. Particolare attenzione è stata posta nella regolarizzazione della superficie laterale della trave di bordo in c.a., preliminarmente scarificata, sulla quale è stata riportato uno spessore di 6-8 cm di calcestruzzo fibrorinforzato armato con rete elettrosaldata, connesso con spinotti resinate alla trave esistente, al fine di ottenere un piano verticale perfettamente allineato sul quale applicare e connettere le pareti di controvento in CLT.

Il collegamento in fondazione è stato pensato interponendo un elemento in carpenteria metallica a “C” tra le nuove strutture di fondazione in c.a. e le pareti in CLT, con l’obiettivo di ospitare le connessioni progettate ad hoc per trasferire gli elevati sforzi di taglio e trazione assorbiti dai setti controventanti. La connessione a trazione è realizzata con piatti verticali fissati alla parete con viti tutto filetto a 45° VGS 9×160 e rondelle tornite, mentre quella a taglio con piatti orizzontali fissati con viti a filetto parziale con sottotesta rinforzata HBSP 10×100 (figura 11). Le pareti maggiormente sollecitate, aventi uplift superiori ai 700 kN hanno richiesto invece, come già citato, l’inserimento alle estremità della parete di un pilastro metallico HEA200 a tutta altezza connesso in continuità al bordo della parete con coppie di viti tutto filetto a 45° VGS 11×300 e rondelle tornite e connesso inferiormente alla trave metallica di fondazione, opportunamente provvista di nervature di irrigidimento.

Per quanto concerne il collegamento a taglio alle strutture di fondazione in c.a., si è fatto ricorso a connessioni resinate con barre filettate M24-8.8 fissate all’ala inferiore del profilato metallico, dotata di costole di rinforzo. Gli elevati sforzi di trazione hanno invece richiesto l’adozione di una soluzione ad hoc, composta da tubi corrugati diametro 80mm pre-installati nella trave di fondazione in c.a. prima del getto, l’inserimento di barre di armatura B450C filettate all’estremità diametro 26-32mm, la sigillatura con malta strutturale ad alta resistenza anti-ritiro, e il bloccaggio delle stesse in fori asolati predisposti all’interno dell’ala inferiore della trave metallica.

DfMA per esoscheletri in CLT

L’approccio Design for Manufacturing and Assembly (DfMA) applicato agli esoscheletri in CLT consente di trasformare un intervento di retrofit in un processo industriale controllato, in cui rilievo, progettazione e posa vengono pensati come parti di un unico flusso. Tutto parte da un rilievo geometrico tridimensionale estremamente accurato, ottenuto tramite laser scanner e modellazione BIM. Questo permette di creare un “digital twin” dell’edificio, con tolleranze definite e coordinate condivise, utile per ridurre errori e imprevisti in cantiere.

La fase di modellazione BIM raggiunge livelli di dettaglio molto elevati (LOD 400), necessari per tradurre il progetto in file CNC destinati al taglio dei pannelli, alle fresature per l’alloggiamento dei connettori e ai prefori per le barre di ancoraggio. In stabilimento, i pannelli vengono già preparati con tutte le lavorazioni necessarie, sigillati e dotati di elementi integrati che semplificano l’assemblaggio. Ogni componente è codificato con un identificativo univoco e tracciabile, utile sia in fase di montaggio sia per la manutenzione futura (figura 12).

Il cantiere diventa quindi un luogo di montaggio più che di costruzione. I pannelli arrivano già imballati per sequenza di posa e movimentati con gru o piattaforme aeree secondo un piano logistico ben definito. Le connessioni – studiate per essere regolabili e reversibili – consentono di compensare le tolleranze del costruito e garantiscono una posa “a secco”, rapida e poco invasiva. Grazie a questo approccio è possibile ridurre i tempi complessivi, limitare i disagi per l’utenza scolastica e garantire standard di qualità elevati (figura 13).

Sostenibilità: LCA, carbonio stoccato e circolarità

Il CLT è un materiale rinnovabile in grado di stoccare carbonio per l’intero ciclo di vita dell’opera, con benefici climatici diretti rispetto a materiali più energivori. La letteratura internazionale evidenzia come i prodotti lignei concorrano alla mitigazione climatica grazie allo stock di carbonio e alla riduzione dell’energia incorporata nelle strutture, ferma restando la necessità di gestione forestale sostenibile e di scelte di fine vita compatibili (riuso/riciclo).

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L’esoscheletro in CLT, installato all’esterno e integrato con soluzioni per l’isolamento termo-acustico, consente inoltre di evitare demolizioni interne, ridurre rifiuti di cantiere ed emissioni nella fase di montaggio, abilitando un retrofit integrato (sismico + energetico) con minor tempo di ritorno ambientale (carbon payback) rispetto a interventi “tradizionali” più distruttivi ed invasivi.

Il progetto di adeguamento sismico del Liceo “G. Ancina” tramite esoscheletro in CLT dimostra come un sistema leggero, modulare e prefabbricato possa coniugare prestazioni sismiche elevate con ridotta invasività e miglioramento energetico-architettonico dell’edificio. La modellazione FEM a doppia scala (globale+locale) è risultata decisiva per calibrare le rigidezze effettive dei setti (tenendo conto della deformabilità delle connessioni) e per progettare i collegamenti critici (giunti verticali, ancoraggi ai solai, hold-down e angolari a taglio di base) nel rispetto delle norme tecniche vigenti.

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La realizzazione di fondazioni ad anello con micropali ha consentito di assorbire in sicurezza i sollevamenti e i tagli indotti dalle pareti controventanti, risolvendo le criticità di interfaccia con l’esistente senza interventi invasivi all’interno. La prefabbricazione e il montaggio a secco hanno garantito tempi rapidi, qualità controllata e coerente integrazione con il pacchetto energetico esterno.

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Dal punto di vista della sostenibilità, l’esoscheletro in CLT permette di ridurre l’impronta di carbonio dell’intervento e di stoccare CO₂ nel lungo periodo, con benefici documentati dalla letteratura tecnico-scientifica e dalle metodologie LCA, a condizione di approvvigionamento responsabile e fine vita appropriato.

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In sintesi, l’esoscheletro in CLT si propone come soluzione efficiente per l’adeguamento sismico del patrimonio esistente, specialmente per edifici scolastici e pubblici: sistema di controventamento esterno, compatibilità con lo svolgimento di attività interne all’edificio, integrazione energetica, rapidità e sostenibilità compongono un insieme di vantaggi che risponde efficacemente alle esigenze tecniche, economiche e ambientali del nostro tempo.