Capriate in legno: tipologie, dimensionamento e verifica strutturale (+App Excel per il calcolo)

In quest’articolo vedremo come analizzare le capriate in legno, quali schemi statici utilizzare e come eseguire le verifiche di resistenza degli elementi strutturali che le compongono. Analizzeremo le tipologie costruttive più utilizzate, i dettagli costruttivi e gli errori progettuali più frequenti che si possono riscontrare nelle capriate in legno nuove ed esistenti.

Nel corso dell’articolo potrai scaricare gratuitamente due app sviluppate in Microsoft Excel per calcolare e verificare le capriate in legno. Buona lettura!

Scarica l’app Woody (xls di Microsoft Excel) per la verifica degli elementi strutturali di una capriata

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Capriate in legno: tipologie costruttive

Le capriate in legno possono assumere diverse configurazioni geometriche per consentire la copertura di luci considerevoli, anche fino ai 15 metri. Le principali tipologie di capriata sono:

• capriata semplice (per luci fino ai 7 metri), caratterizzata dalla presenza di due puntoni, una catena e un monaco;
• capriata palladiana (per luci dai 7 ai 12 metri), nella quale vengono introdotte le saette che riducono la luce di libera inflessione dei puntoni;
• capriata composta (per luci dai 12 ai 15 metri) è costituita da due puntoni, due sotto-puntoni, tre monaci, una catena e una sotto-catena.

Esistono poi configurazioni che prevedono l’utilizzo di tiranti metallici, come ad esempio la capriata Polonceau, ideata nella prima metà dell’800, che consente di coprire luci comprese fra i 20 e i 30 metri.

Dalla configurazione geometrica della capriata dipende lo schema statico da utilizzare nell’analisi statica, la distribuzione delle sollecitazioni e il modo in cui i singoli elementi lavorano a trazione o a compressione.

Nel seguito dell’articolo focalizzeremo l’attenzione esclusivamente sulla capriata palladiana, in quanto è la tipologia di capriata più diffusa negli edifici esistenti e la più utilizzata per la realizzazione di nuove costruzioni.

Capriate in legno: elementi costruttivi della capriata palladiana

La capriata palladiana prende il suo nome dall’architetto Andrea Palladio che la formalizzò nel suo trattato <<I quattro libri dell’architettura>> del 1570. La capriata palladiana ha una configurazione a triangolo isoscele ed è composta dai seguenti elementi:

• puntoni;
• catena (o tirante);
• monaco (anche detto ometto);
• saette (o contraffissi / saettoni);
• staffa di sospensione (o braga).

Analizzeremo ora ognuno dei componenti della capriata palladiana, mettendo in risalto le caratteristiche costruttive e la funzione statica che ciascuno di essi svolge.

Puntoni

Vengono chiamati puntoni le due aste inclinate disposte in contrapposizione fra loro, con inclinazione pari alla pendenza delle falde del tetto. Sui puntoni scarica l’orditura secondaria della copertura (arcarecci).

A dispetto del loro nome, i puntoni non sono sollecitati esclusivamente a compressione come accade nelle travature reticolari, ma lavorano prevalentemente a presso-flessione.

Nelle capriate il carico esterno agisce come un carico verticale uniformemente distribuito lungo l’asse del puntone.

La flessione è generata dalla componente del carico verticale ortogonale all’asse del puntone, la compressione assiale invece è generata dalla componente del carico verticale parallela all’asse del puntone.

Si avrebbe compressione semplice nei puntoni se il carico verticale fosse applicato esclusivamente nei nodi della capriata, come carico concentrato e non distribuito.

Catena

La catena è l’asta orizzontale alla base della capriata le cui estremità poggiano sui paramenti murari perimetrali. Assorbe le spinte orizzontali generate dai puntoni, evitando che si scarichino sulle murature di appoggio perimetrali, pertanto, é sollecitata a trazione pura in direzione parallela alle fibre.

E’ proprio grazie alla catena che le coperture a capriata non rientrano nella categoria delle coperture spingenti (te ne ho parlato in quest’articolo), causa molto spesso di dissesti negli edifici esistenti in muratura e di ribaltamento fuori piano delle pareti.

Nelle luci molto ampie (oltre gli 8-10 m) la catena può essere composta da due o più elementi uniti al centro tramite giunti di carpenteria ad ammorsamento (ad esempio il giunto a dardo di Giove) oppure tramite piastre d’acciaio imbullonate.

Monaco

È l’asta verticale centrale che passa per il nodo di colmo. La sua funzione è quella di migliorare l’innesto fra i due puntoni in corrispondenza del nodo di colmo.

Il monaco è dotato di opportuni intagli nei quali si vanno ad alloggiare le estremità dei puntoni opportunamente sagomate a dente. In presenza di saette il monaco lavora a trazione pura.

Il monaco svolge anche la funzione di sostegno per la mezzeria della catena per evitarne l’imbarcamento dovuto al peso proprio. In presenza di saette, assorbe le spinte di compressione provenienti da questi elementi strutturali.

La testa e la base del monaco sono sagomate ad intaglio per consentire un perfetto innesto dei puntoni in testa e delle saette all’estremità inferiore.

L’estremità inferiore del monaco non tocca mai la catena. Deve sempre essere presente una distanza sufficiente dalla catena (solitamente 3-5 cm) per evitare che variazioni igrometriche o piccoli assestamenti trasformino il monaco in un’asta compressa che punzonerebbe la catena, modificando di fatto il comportamento statico del sistema.

All’estremità inferiore del monaco è solitamente presente una staffa metallica di sospensione (detta anche braga) la cui funzione è quella di sostenere la mezzeria della catena mantenendo lo “spazio di respiro” fra i due elementi.

La staffa svolge anche la funzione di vincolare il monaco nel piano della capriata, impedendo fenomeni di svergolamento fuori piano causati dall’instabilità di punta delle saette.

Saette

Sono le due aste diagonali interne, elemento fondamentale e caratterizzante della capriata palladiana. Lavorano a compressione pura. Collegano il punto medio (o il punto di maggior carico) di ciascun puntone all’estremità inferiore del monaco.

Di fatto le saette riducono notevolmente la luce di libera inflessione dei puntoni e di conseguenza il momento flettente massimo nel puntone. Sono sollecitate a compressione e generano uno sforzo di trazione nel monaco.

Dettagli costruttivi dei nodi delle capriate in legno: giunti e calettature

Un aspetto cruciale per il corretto comportamento statico delle capriate in legno è rappresentato dall’esecuzione dei nodi di collegamento tra i diversi elementi strutturali: puntoni, monaco, catena e saette.

Nelle capriate in legno i giunti fra i diversi elementi strutturali vengono realizzati mediante calettatura, ossia la creazione di sagomature e intagli eseguiti sulla massa del legno per consentire la trasmissione delle sollecitazioni da un elemento all’altro. Le unioni per calettatura possono essere anche accompagnate da elementi metallici di collegamento.

Vediamo nel dettaglio le caratteristiche delle diverse tipologie di nodi.

Nodo puntone-catena: la calettatura viene eseguita ad una distanza dalla testa della catena non inferiore alla sua altezza in modo tale che il materiale possa resistere agli sforzi di taglio che il puntone esercita su di essa. La profondità dell’intaglio sarà minore o uguale ad 1/3 dell’altezza della sezione della catena per non indebolire eccessivamente la sezione resistente.

Può essere realizzato mediante intaglio a dente semplice, doppio dente o intaglio frontale, spesso integrato con una fascia in ferro (cravatta) per evitare il fenomeno di scorrimento del tacco del puntone.

Nodo puntone-monaco: la calettatura verrà eseguita ad una distanza dall’estremità del monaco almeno pari alla sua larghezza e per una profondità non superiore di 1/4 della stessa.

Nodo saetta – monaco: realizzato con intagli a dente inclinato rientrante sulla base sagomata dell’estremità inferiore del monaco.

Nodo saetta – puntone: innesto a dente semplice centrato sul punto medio dell’asta di falda.

Un altro aspetto fondamentale per il corretto funzionamento statico della capriata è la posizione in cui viene collocato l’appoggio sui paramenti murari perimetrali. L’asse verticale dell’appoggio deve passare per l’intersezione fra l’asse del puntone e l’asse della catena. Il mancato allineamento può generare l’inflessione della catena.

L’eccentricità fra la reazione di appoggio delle pareti perimetrali e lo scarico verticale della capriata e la conseguente inflessione della catena che ne deriva è uno dei motivi alla base del collegamento fra monaco e catena, il cui scopo è proprio quello di ridurre l’inflessione di quest’ultima in caso di eccentricità.

Capriate in legno: come eseguire il calcolo strutturale [2 app Excel suggerite]

Per eseguire la verifica statica di una capriata esistente o il progetto e verifica di una capriata di nuova costruzione ti suggerisco due utili app del blog, implementate in Microsoft Excel, che ti consentiranno di elaborare un calcolo completo.

Per l’esecuzione dell’analisi statica di una capriata in legno puoi utilizzare Ca.Tel.2D, l’app implementata in Microsoft Excel che ti consente di analizzare schemi statici piani di qualunque configurazione. Potrai modellare lo schema statico della capriata composto da puntoni, tiranti, monaco e saette, assegnare i vincoli esterni e le cerniere interne, applicare i carichi esterni agenti sui puntoni e calcolare gli sforzi normali in tutte le aste e i momenti flettenti nei puntoni.

Una volta note le sollecitazioni in tutte le aste strutturali della capriata, potrai eseguire la verifica di resistenza utilizzando Woody, l’app implementata in Microsoft Excel per la verifica di elementi strutturali in legno massiccio e legno lamellare.

Grazie a Woody potrai verificare i puntoni a pressoflessione e svergolamento, le saette nei confronti della compressione e dell’instabilità di punta, il monaco e la catena a trazione.

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Capriate in legno: l’inganno della falsa capriata

Quando si analizzano le coperture in legno esistenti, bisogna innanzitutto accertarsi che gli elementi strutturali del sistema costruttivo funzionino effettivamente secondo un comportamento statico a capriata, ovvero secondo lo schema statico di arco a tre cerniere.

Non tutte le coperture in legno composte da elementi strutturali disposti secondo uno schema triangolare funzionano come capriate, alcune non lo sono affatto.

Vediamo il caso abbastanza frequente della falsa capriata, ovvero di un sistema di copertura di forma triangolare che però, a dispetto della sua forma, non funziona come una capriata.

Nella falsa capriata la falsa catena si comporta come una trave appoggiata-appoggiata sulla cui mezzeria scarica il falso monaco, trasferendo lo scarico verticale trasmesso dalle estremità dei falsi puntoni in corrispondenza del colmo.

La falsa capriata può essere riconosciuta osservando i seguenti dettagli costruttivi:

• il monaco è a contatto con la catena e scarica su di essa un carico verticale concentrato in mezzeria;
• le calettature alle estremità dei puntoni sono tali da trasmettere solo lo scarico verticale, mediante una superficie orizzontale;
• la catena presenta un’inflessione, più o meno evidente a seconda della sua sezione.

Pertanto, in caso di falsa capriata, bisognerà verificare la catena schematizzandola come una trave appoggiata-appoggiata e non come un arco a tre cerniere.

Capriate in legno: controventi di falda e verticali (comportamento longitudinale)

Le capriate in legno sono un sistema costruttivo bidimensionale in grado di assorbire i carichi verticali agenti nel proprio piano e scaricarli alle murature di appoggio, eliminando le spinte orizzontali trasversali su queste ultime.

Ma cosa accade per le azioni orizzontali longitudinali, ossia le azioni orizzontali in direzione ortogonale al piano della capriate? Lo vediamo nel seguito dell’articolo.

Gli arcarecci e la trave di colmo, elementi strutturali che poggiano sui puntoni delle capriate, hanno la duplice funzione di sostenere il manto di copertura e di collegare le capriate tra loro.

La sola presenza degli arcarecci e della trave di colmo non impedisce però il ribaltamento “a domino” delle capriate sotto l’azione di forze longitudinali (es. vento sul timpano).

Per trasformare un sistema strutturale bidimensionale (la capriata) in un sistema strutturale tridimensionale stabile e resistente nei confronti delle azioni orizzontali longitudinali generate da vento e sisma si usano due tipologie di controventi:

• controventi di falda (croci di Sant’Andrea): tiranti metallici o travi disposte a “X” nel piano dei puntoni (le falde del tetto). Collegano due o più capriate consecutive, creando una trave reticolare piana che ripartisce le forze orizzontali;
• controventi verticali: elementi di irrigidimento posti verticalmente tra i nodi delle capriate per evitare la rotazione fuori piano della capriata, intorno all’asse passante per i nodi di appoggio inferiori.

I controventi di falda e verticali è molto raro trovarli in coperture esistenti, mentre è sempre bene disporli, in fase di progettazione strutturale, nelle coperture a capriata di nuova costruzione.

Conclusioni

Le capriate in legno, oltre ad essere molto frequenti negli edifici esistenti, rappresentano ancora oggi una valida soluzione costruttiva nella realizzazione di nuove costruzioni per la loro bellezza estetica ed il pregio architettonico: tettoie isolate, casolari rustici in muratura portante, elementi di copertura di grande luce per strutture in calcestruzzo armato o acciaio.

Conoscere gli elementi strutturali che compongono una capriata in legno, il comportamento statico sotto l’azione dei carichi agenti e le modalità di analisi e verifica statica rappresentano una competenza fondamentale per un progettista strutturale.

Tale competenza ritorna particolarmente utile di fronte alla necessità di eseguire l’analisi di vulnerabilità di edifici esistenti e lo studio dei dissesti in copertura e dei possibili interventi di rinforzo e ripristino per le coperture a capriata.

Spero che i contenuti di quest’articolo siano stati utili in tal senso. Se questo post ti è piaciuto, suggeriscilo ad un tuo collega su Linkedin o ad un tuo amico su Facebook cliccando sui tasti di condivisione social in fondo alla pagina.

Al prossimo articolo.

Marco

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Codice articolo: 284

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