La risposta sismica degli edifici storici ed esistenti in muratura è sensibilmente influenzata dal comportamento nel piano degli orizzontamenti. La scarsa rigidezza dei solai lignei tradizionali, unita a connessioni spesso inadeguate con le pareti, favorisce meccanismi locali e collassi fuori piano, impedendo la formazione di un comportamento scatolare efficace. In passato, una soluzione diffusa è consistita nella realizzazione di diaframmi rigidi in calcestruzzo, capaci di ridistribuire efficacemente le azioni orizzontali sismiche, ma accompagnati da criticità note: incremento delle masse, incompatibilità con materiali antichi, scarsa reversibilità e potenziali effetti indesiderati sulla risposta globale.

Recentemente, studi di ricerca internazionali hanno esplorato soluzioni alternative basate sul legno, con l’obiettivo di migliorare la risposta sismica senza alterare la natura costruttiva degli edifici storici. A partire da tali risultati, nell’ambito della tesi di dottorato Seismic behaviour of masonry buildings with timber diaphragms, sviluppata presso la TU Delft (Paesi Bassi), si è indagata la possibilità di trasformare i solai esistenti in diaframmi dissipativi in legno, capaci di coniugare rigidezza, dissipazione energetica e leggerezza attraverso l’impiego di pannelli in compensato e connessioni meccaniche calibrate.

Il presente articolo riassume i contributi più rilevanti emersi durante questo percorso, in cui si è dimostrato che un solaio ligneo rinforzato con tale metodo può raggiungere rigidezze nel piano paragonabili a quelle dei diaframmi rigidi, potendo tuttavia contare su una capacità dissipativa superiore a fronte di un trascurabile incremento di massa. Il risultato è stato validato attraverso prove sperimentali su larga scala e analisi numeriche, ed è stato applicato con successo in due casi studio, documentati nella letteratura scientifica internazionale.

I solai lignei tradizionali presentano diverse caratteristiche che concorrono alla vulnerabilità degli edifici esistenti in caso di sisma:

• limitata rigidezza nel piano, dovuta alla frequente semplice orditura di travi e tavolato;
• collegamenti inadeguati o assenti con le murature, spesso limitati al semplice appoggio;
• frequente assenza di continuità tra gli elementi;
• deformabilità elevata, che impedisce la distribuzione uniforme degli sforzi orizzontali.

Questi aspetti favoriscono la formazione di cinematismi locali, in particolare il ribaltamento fuori piano delle pareti, uno dei meccanismi di collasso più pericolosi negli edifici storici. L’obiettivo degli interventi di rinforzo è quindi duplice: da un lato aumentare la rigidezza nel piano del solaio, dall’altro garantire un trasferimento efficace delle azioni orizzontali alle pareti.

Il sistema di rinforzo si basa su pannelli in compensato strutturale fissati intorno al loro perimetro al tavolato esistente e connessioni meccaniche (viti o chiodi) progettate per entrare in campo plastico, allo scopo di favorire scorrimenti controllati dei pannelli, generando così cicli isteretici stabili. L’idea alla base del diaframma dissipativo è quindi semplice ma innovativa: non irrigidire eccessivamente il solaio fino a renderlo quasi monolitico, ma controllarne la deformabilità e sfruttare in tal modo la dissipazione energetica generata dalle connessioni meccaniche calibrate. A differenza di altri sistemi di rinforzo, che puntano a massimizzare la rigidezza, il diaframma dissipativo mira ad un equilibrio tra rigidezza e duttilità, riducendo le accelerazioni trasmesse alle murature e preservando la compatibilità con l’edificio storico.

 

 

La validazione del sistema è stata condotta attraverso una serie di prove sperimentali su solai lignei a grandezza reale, comprendenti diaframmi non rinforzati, rappresentativi delle condizioni tipiche degli edifici storici ed esistenti, e diaframmi dissipativi rinforzati con pannelli in compensato. Sono state condotte prove cicliche quasi-statiche per valutare rigidezza, resistenza e dissipazione energetica, mediante le quali è stato possibile confrontare in modo diretto il comportamento dei diversi sistemi e quantificare i benefici del rinforzo dissipativo.

 

 

Il risultato più significativo emerso dalle prove è la capacità del solaio rinforzato di raggiungere rigidezze nel piano fino a 10–15 volte superiori rispetto alla configurazione originaria, avvicinandosi ai valori tipici dei diaframmi rigidi. A differenza di un rinforzo in calcestruzzo, tuttavia, il sistema in legno è in grado di attivare una notevole dissipazione di energia, grazie ai cicli isteretici generati dalle connessioni.

 

 

Tali risultati sono stati integrati da molteplici analisi numeriche, condotte allo scopo di valutare i principali benefici del rinforzo applicato a livello di intero edificio, osservando i seguenti vantaggi:

• incremento della rigidezza e della capacità di trasferimento e ridistribuzione delle forze orizzontali;
• dissipazione energetica significativa, con riduzione delle accelerazioni trasmesse alle murature;
• comportamento duttile e controllato degli orizzontamenti;
• trascurabile incremento di massa, a beneficio della risposta sismica.

 

 

Oltre alle prove sperimentali eseguite, ulteriori approfondimenti condotti sia nell’ambito della ricerca scientifica, sia nell’ambito della pratica professionale, hanno permesso di tradurre tali osservazioni in una soluzione progettuale completa per i diaframmi dissipativi, validata sperimentalmente e applicabile su larga scala. Sono stati pertanto sviluppati modelli analitici e numerici in grado di riprodurre il comportamento globale del diaframma rinforzato, prevedendone la rigidezza equivalente e simulando la risposta ciclica delle connessioni, a supporto della progettazione degli interventi. Per i casi più frequenti, sono stati inoltre sviluppati opportuni abachi e strumenti di calcolo speditivi per il dimensionamento, presentati alla scorsa edizione della conferenza mondiale dell’ingegneria sismica (World Conference on Earthquake Engineering 2024) tenutasi a Milano, e riassunti in una pubblicazione scientifica liberamente consultabile su Structures, la rivista dedicata alla ricerca scientifica dell’Institution of Structural Engineers.

Tali strumenti consentono ai progettisti di applicare la soluzione in modo affidabile e controllato, adattandola alle specifiche condizioni dell’edificio: sulla base dei tagli sismici di piano da trasferire stimati per ciascun solaio e delle deformazioni fuori piano massime ammissibili per i pannelli murari circostanti, è possibile calibrare il singolo intervento di rinforzo variando opportunamente le dimensioni e/o l’orientamento dei pannelli in compensato e i connettori utilizzati.

L’utilizzo dei diaframmi dissipativi in legno rappresenta un’ottima opzione nell’affrontare il consolidamento sismico degli edifici storici.
I principali vantaggi per la pratica professionale includono:

• compatibilità con le murature antiche, grazie alla deformabilità controllata;
• reversibilità e sostenibilità, in linea con i principi della conservazione;
• leggerezza, con relativi benefici dal punto di vista della domanda sismica;
• dissipazione energetica, a vantaggio della sicurezza globale dell’edificio;
• facilità e rapidità di posa, con interventi poco invasivi.

Queste caratteristiche rendono il sistema particolarmente adatto agli edifici storici situati in aree sismiche, dove la protezione del patrimonio costruito richiede soluzioni efficaci ma rispettose della materia originale, come avvenuto nelle applicazioni pratiche presentate nel seguito.

L’efficacia del sistema è stata verificata anche attraverso applicazioni pratiche, documentate in pubblicazioni scientifiche, grazie alla collaborazione con l’Ing. Arch. Andrea Gerardini, titolare dello studio professionale Gerardini Ingegneria Sismica di Collio Val Trompia (BS). In entrambi i casi studio, il rinforzo in legno ha dimostrato di essere una soluzione efficace, leggera e adeguata sia dal punto di vista strutturale, sia da quello della conservazione architettonica.

Caso studio 1 – Intervento di miglioramento sismico della chiesa di Sant’Andrea a Ceto (BS)
Nel primo caso studio, pubblicato sull’International Journal of Architectural Heritage, la chiesa di Sant’Andrea a Ceto, risalente ai primi del Settecento e realizzata in muratura di pietrame con coperture in legno, è stata oggetto di un intervento di miglioramento sismico. A questo scopo, si è realizzato il rinforzo statico e sismico dell’originale tetto in legno dei primi del Settecento tramite pannelli chiodati sul tavolato esistente e il consolidamento dei collegamenti con le murature. Nonostante le limitate risorse economiche disponibili, grazie ai costi contenuti dei materiali e alla rapidità dell’esecuzione del rinforzo, è stato possibile concludere efficacemente l’intervento limitando la spesa relativa al totale consolidamento strutturale intorno ai 50000 € (circa 100 €/mq), con la posa dei pannelli realizzata in un singolo giorno lavorativo. I risultati di un approfondito studio numerico hanno dimostrato un incremento significativo della rigidezza nel piano della copertura, unita alla possibilità di attivare una notevole dissipazione energetica, collaborando con le murature circostanti nel massimizzare le riserve di resistenza dell’edificio durante il sisma. Inoltre, l’intervento ha permesso di ridurre le deformazioni orizzontali della copertura, migliorare il comportamento scatolare, e mitigare sensibilmente il rischio di ribaltamenti fuori piano.

 

 

Caso studio 2 – Adeguamento e trasformazione dell’antica Segheria di Vallaro a Vione (BS) in museo territoriale
Il secondo caso studio, presentato alla conferenza mondiale sull’ingegneria del legno (World Conference on Timber Engineering 2025) tenutasi a Brisbane (Australia), ha riguardato la riconversione in museo territoriale di una segheria di fine Ottocento in precarie condizioni strutturali, composta da corpi in muratura e porzioni realizzate interamente in legno. Per resistere adeguatamente alle azioni statiche e sismiche di progetto, oltre al consolidamento delle originali capriate in legno esistenti e delle altre travi e colonne lignee, tutti gli orizzontamenti sono stati rinforzati con il metodo proposto, utilizzando pannelli in compensato e in legno lamellare incrociato (X-LAM), quest’ultimo necessario nel caso della copertura per far fronte al rilevante carico da neve atteso, dell’ordine dei 350 kg/mq. Dopo l’installazione dei pannelli, il tavolato originale restaurato è stato nuovamente chiodato su di essi, in modo da ripristinare l’aspetto originale della segheria. Nel complesso, l’intervento ha permesso di uniformare la risposta statica e sismica delle diverse porzioni di edificio, con un comportamento globale più regolare ed adeguato alla nuova destinazione d’uso, restituendo alle comunità locali questo importante esempio di architettura montana della zona.

 

 

Le ricerche condotte nell’ambito della tesi di dottorato sui solai lignei rinforzati con pannelli in compensato collegati al tavolato esistente dimostrano che è possibile ottenere diaframmi leggeri, sufficientemente rigidi e altamente dissipativi, capaci di migliorare in modo significativo la sicurezza sismica degli edifici storici senza ricorrere a soluzioni invasive. Le applicazioni pratiche confermano la validità del sistema e ne evidenziano il potenziale per una diffusione su larga scala, offrendo ai progettisti uno strumento innovativo, sostenibile e pienamente compatibile con le esigenze del consolidamento strutturale e della conservazione.