Tecnologia Balloon Frame – Platform Frame

Tecnologia Balloon Frame – Platform Frame

Le tecnologie costruttive lignee a pareti portanti intelaiate sono giunte fino ai nostri giorni come sviluppo ed affermazione dei primi sistemi di prefabbricazione utilizzati fin dall’800 dai coloni e pionieri europei nei paesi dell’America del Nord per consentire la realizzazione di edifici a basso costo e rapida costruzione.

Grazie alla facilità di reperimento in loco del legname, all’evolversi delle tecniche di segagione e all’industrializzazione dei processi di produzione dei chiodi, nel 1800 nasce il sistema costruttivo ad ossatura lignea noto come “balloon frame” (struttura a pallone) che permetteva ad un solo uomo munito di sega e martello di erigere la struttura di una casa a due livelli, eliminando gli elementi strutturali troppo pesanti e lavorazioni troppo complesse, avvalendosi di elementi sottili lunghi per tutta l’altezza dell’edificio, posti ad interasse di 45 cm secondo un preciso schema di montaggio di semplice approccio e esecuzione.




Il “platform frame” si sviluppa come perfezionamento e maggiore capacità di prefabbricazione del “balloon frame” secondo un concetto di modularità che permetteva la costruzione di edifici a più piani sfruttando l’interposizione di solai lungo lo sviluppo in altezza dei pilastri.


Rispetto a questi sistemi costruttivi, strutturalmente poveri, oggi vengono sfruttate le peculiarità vantaggiose tipiche del legno:
– versatilità
– leggerezza
– eco-sotenibilità,
unite ai vantaggi economici che si possono trarre da:
– l’industrializzazione degli elementi base,
– la prefabbricazione del prodotto,
– la progettazione delle performances dell’involucro,
che si riflettono in termini di netto risparmio dei costi di realizzazione rispetto alle tecnologie di edilizia tradizionale, grazie alla
– possibilità di programmazione certa delle fasi di preassemblaggio in stabilimento e montaggio in cantiere, con previsione certa dei costi di produzione e di gestione del cantiere per manodopera e attrezzature;
– modularità degli elementi, leggerezza delle strutture e conseguente velocità di installazione, per la comprovata capacità ed esperienza delle squadre di montaggio interne;
– riduzione dei tempi di installazione, e dei costi connessi alla durata del cantiere necessità di opere provvisionali per tempi ridotti, e quindi minori costi di gestione del cantiere.
rendendo questi sistemi, leader nella gestione delle emergenze.

Possiamo considerare come evoluzioni delle tecniche tradizionali a montanti lunghi e a montanti corti i sistemi diffusi negli Stati Uniti denominati balloon frame e platform frame. Il sistema ballon frame si afferma intorno alla meta del XIX secolo (è del 1833 il primo edificio, una chiesa, realizzato con questa tecnica a Chicago) sostituendo i “vecchi” sistemi a telaio importati dall’Europa caratterizzati da travi, pilastri e controventi uniti tra loro da incastri talvolta anche molto complessi.

La penuria di carpentieri specializzati in grado di costruire strutture articolate, la diffusione di chiodi, bulloni, piastre metalliche a basso costo, resa possibile dall’industrializzazione del sistemi produttivi, unita alla necessità dei “pionieri” americani di erigere edifici in tempi brevi, autonomamente o con semplici squadre di montatori e quindi con tecniche elementari, sono gli elementi che hanno reso possibile la diffusione e il successo di questo sistema costruttivo.

Il sistema è caratterizzato da montanti e travetti di sezione ridotta, disposti a breve distanza e uniti tramite chiodi; i montanti sono continui per l’altezza di due piani (limite massimo di altezza dell’edificio); un corrente superiore sostiene l’ossatura del tetto, a lato dei montanti sono fissate le travi tramite chiodatura: i montanti e i travetti del solaio del piano terra poggiano su un corrente di fondazione. Il rivestimento è realizzato con tavole che assicurano l’irrigidimento e il consolidamento della costruzione; negli spazi vuoti tra i montanti viene inserito materiale isolante necessario a garantire l’adeguata protezione termica all’involucro edilizio, la controventatura è assicurata da aste inserite tra i montanti. E’ un sistema costruttivo basato sull’utilizzo di elementi di dimensioni standardizzate, prodotti industrialmente.

Il sistema platform frame (telaio orizzontale) si può considerare l’evoluzione del balloon frame. Il principio è quello per cui il telaio orizzontale del solaio costituisce la superficie di appoggio per gli steli intelaiati (alti un piano) delle pareti perimetrali, dei tramezzi e dei tavolati. Questo sistema costruttivo ha permesso di superare l’altezza di due piani tipica dei sistemi a montanti verticali continui, rendendo possibile la realizzazione di edifici alti fino a sei piani.


Le pareti e il tetto (la cui struttura è realizzata analogamente alle pareti verticali), possono essere costruiti in cantiere oppure prefabbricati e successivamente trasportati in cantiere, sollevati con un argano (visto il peso relativamente ridotto) e montati piano per piano. La struttura dei pannelli di parete è costituita da due correnti, uno posto sopra e uno al di sotto dei montanti verticali di sezione ridotta disposti con un interasse multiplo di 30 cm; i montanti vengono inchiodati di testa ai correnti.


La funzione di controventatura necessaria alla tenuta statica dell’edificio è realizzata dal rivestimento della parete oppure da traversi diagonali. Il rivestimento con funzione di irrigidimento può essere realizzato da tavole di legno posate orizzontalmente o diagonalmente, attualmente anche da pannelli di compensato, da pannellature OSB o da pannelli di fibre. Su questo primo rivestimento si procede con diverse tipologie di finitura, il rivestimento interno e di solito costituito da lastre di gesso che garantiscono una discreta protezione della struttura da eventuali incendi. Tutte le connessioni necessarie al montaggio degli edifici che adottano questa tecnica sono realizzate unicamente da chiodi, scarpe e squadrette metalliche, sul corrente di fondazione appoggiano solo i travetti del solaio al piano terra e nessun montante.

Dal Balloon frame al Platform frame. Storia ed evoluzione delle costruzioni con intelaiatura leggera

Il Balloon frame nelle considerazioni dei carpentieri dell’800: “pallone volante sotto i colpi mortali del vento”
I primi coloni europei, soprattutto inglesi, trovarono nel Nuovo Mondo al di là dell’Atlantico, una grande abbondanza di alberi di conifere e di latifoglie. Scarseggiavano invece le braccia e gli strumenti per lavorarli. In tutto il Nord America i nuovi conquistatori applicarono, per costruirsi la casa, le medesime tecnologie della tradizione. La casa di Jonathan Fairbanks, a Dedham, nel Massachussets, ne è l’esemplare più antico: 1636.

Disegno e tecnologia costruttiva ricopiano fedelmente i sistemi inglesi dell’epoca riconoscibili persino nella struttura delle travi e dei giunti di controventamento e soprattutto dal piano superiore costruito su travi a mensola. Cercarono, in ogni caso, di semplificare le lavorazioni e l’organizzazione del lavoro basato sulla preparazione dei materiali in segheria prima che giungessero nei luoghi di cantiere sfruttando i fiumi e i corsi d’acqua ideali per il trasporto di tronchi pesanti.

Finché, alla fine del 1700, fu inventata in Nord America la prima macchina per la costruzione di chiodi di ferro ed è stata proprio questa la svolta tecnologica per la produzione in serie di componenti edilizi; infatti il chiodo a basso costo ha rivoluzionato il sistema costruttivo e ha dato nuovo impulso all’edilizia nord americana.

Le segherie (meccanizzate) del Nord America e la disponibilità di legname squadrato
Bisogna però attendere fino alla metà del 1800 quando sorsero lungo i fiumi dell’Est e del Nord America le prime segherie meccanizzate capaci di fornire tavole e squadrati in grandi quantità. A quel punto, i sistemi costruttivi europei ad intelaiatura di tronchi squadrati, con i riempimenti di pietre e mattoni apparvero ben presto inadeguati alle condizioni climatiche del Nord America. Pertanto, sia i tronchi di grosse dimensioni, sia i riempimenti, furono sostituiti da una intelaiatura leggera, tamponata all’esterno con assiti inchiodati ai montanti, posti ad embrice (con un lato sovrapposto al successivo) oppure disposti in diagonale, mentre la parete interna era rivestita con un assito più leggero.

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Ovviamente, la muratura intermedia per formare la camera d’aria non era più necessaria.


Il passo successivo fu la costruzione di un sistema formato da montanti, travi e tavole, composto come un insieme costruttivo solidale, ottenuto assottigliando le dimensioni della struttura portante e facendo collaborare le tavole di rivestimento alla stabilità dell’edificio. Infine, le tavole furono sostituite con i compensati strutturali e l’intercapedine riempita con materiale di protezione dal caldo e dal freddo.

Il Balloon frame
L’appellativo di “balloon frame” fu dato al nuovo sistema costruttivo leggero dai carpentieri di vecchia generazione abituati alla lavorazione dei tronchi e alle giunzioni manuali a maschio e femmina lavorate con l’ascia, letteralmente: “pallone volante sotto i colpi mortali del vento”.
Ma le nuove tecnologie non si fermano mai, soprattutto se abbassano i costi di produzione, pertanto a partire dal 1826 il sistema balloon frame prese piede molto velocemente, grazie anche al costo dei chiodi che scendeva precipitosamente con l’aumentare della produzione industriale.

Le aperture esterne restarono piccole e distanziate per non indebolire la struttura portante e per la difficoltà di procurarsi i vetri. Il riscaldamento invernale esigeva grandi camini di pietra e ancoraggi di metallo di un certo peso per sostenere sia la struttura, sia le scale costruite per salire al piano superiore.

Per difendersi dal caldo estivo comparvero infine portici e loggiati.

Nel frattempo, siamo nel 1812, nacquero le prime rudimentali sfogliatrici per tronchi che permisero la costruzione dei compensati. Il compensato fenolico a più strati incrociati apparve in Nord America nella seconda metà dell’800 destinato a sostituire l’assito di controventamento delle pareti ed a velocizzare il lavoro in cantiere, consentendo ad ogni singolo lavoratore di buona volontà di sostituire il carpentiere e costruirsi la casa con le proprie mani.

Il balloon frame è il sistema costruttivo consistente nell’impiego di montanti (pilastri) aventi l’altezza di due piani, senza interruzioni dalla piattaforma di base al suolo fino alla trave di gronda sulla quale poggiano i puntoni del tetto

Il platform frame è il sistema costruttivo che prevede i montanti (pilastri) che si interrompono alla soletta del primo piano, ideale per costruire il piano successivo.






Il Platform frame oggi
Attualmente il sistema più diffuso e utilizzato per la costruzione di edifici di legno è indubbiamente il platform frame, poiché il primo solaio serve come piattaforma per la costruzione del secondo e così via, incrementando il tasso di sicurezza in cantiere. Pertanto, le pareti sono costruite direttamente in opera e fissate sopra il rivestimento del solaio, oppure semplicemente costruite in stabilimento poi trasportate e assemblate in cantiere.

Il meccanismo di funzionamento
Il concetto è semplice: le pareti, i solai, i montanti e ogni altro componente formano telai a struttura scatolare che scarica sia i carichi verticali, sia i carichi orizzontali del vento e del sisma, alle fondazioni.

Le pareti del sistema costruttivo

Le pareti sono costruite con montanti verticali, di numero e sezione prevista dal progetto strutturale, fissati a travi orizzontali sia in basso che in alto, controventati da compensati fenolici certificati, oppure con lastre di OSB (Oriented structural board) di spessore adeguato, mediante chiodatura.

La stabilizzazione e il controventamento di una struttura sono aspetti di primaria importanza nella progettazione di una costruzione di legno, poiché intervengono in modo rilevante nella concezione strutturale del progetto oltre che nella sua caratterizzazione formale.
Nella maggior parte dei casi, si può affermare che una struttura di legno senza alcun tipo di accorgimento per la propria stabilità, se sottoposta a carichi trasversali anche di modesta entità, presenta deformazioni non accettabili. Gli accorgimenti che rendono la struttura rigida nei confronti di tali azioni sono comunemente definiti controventi o sistemi di controvento ed hanno, per l’appunto, la funzione di stabilizzare il sistema strutturale.

Mentre nelle costruzioni ad ossatura portante i carichi sono assorbiti da elementi di tipo lineare (montanti e travi orizzontali) nelle costruzioni intelaiate il sistema costruttivo è a lastra. Pertanto, gli elementi portanti sono strettamente connessi a quelli di controventamento e stabilizzazione.


Volendo essere più precisi, si può fare una distinzione tra stabilizzazione e controventamento, in funzione della natura delle azioni cui il sistema irrigidente è sottoposto. Infatti, parlando di controventamento, ci si riferisce in genere a sistemi pensati per resistere ad “azioni esterne”, generalmente orizzontali, che devono essere trasmesse alle fondazioni o ad altre parti dell’edificio; tra queste il vento (pressione/depressione sulle facciate e azione “radente” in copertura), il sisma, l’azione dei carri ponte, gli urti ecc.

Invece stabilizzare i singoli elementi strutturali, che possono essere soggetti a fenomeni di instabilità, significa prevedere dei sistemi in grado di resistere ad “azioni fittizie”: si tratta infatti di forze interne agli elementi che si sviluppano, ad esempio, in travi snelle soggette a fenomeni di flesso-torsionale o in elementi compressi soggetti a fenomeni di instabilità di tipo euleriano.

La copertura del platform frame
La copertura è costituita da capriate leggere di legno, posate in corrispondenza dei montanti. Oppure da un reticolo di travetti fissati in basso al dormiente superiore della parete e in alto ad una trave di colmo. Molto usato negli Stati Uniti il sistema di fissaggio con le piastre chiodate denominate “gang nail”.
Le capriate leggere possono essere acquistate dai rivenditori specializzati che le calcolano in funzione dei parametri indicati dal progettista-cliente.

Le intercapedini delle pareti sono riempite con materiali di coibentazione diversi, i cui valori dipendono dai requisiti richiesti per l’isolamento termico e per la resistenza al fuoco.

Il dimensionamento strutturale è lasciato al progettista, poiché il sistema di calcolo al carico di neve, al carico di vento e al sisma, varia notevolmente da Paese a Paese e addirittura da Regione a Regione, sia negli Stati Uniti, sia in Europa. Sono comunque comunemente utilizzate tabelle a disposizione del progettista che forniscono le capacità portanti in funzione della struttura della parete.

Cos'è il Balloon Frame
Il Balloon Frame (dall’inglese “struttura a pallone” in riferimento alla sua leggerezza) è un sistema costruttivo standardizzato, basato sull'utilizzazione di listelli provenienti direttamente dalla lavorazione industriale del legno, con lo scopo di realizzare edifici economici in poco tempo.
I sistemi costruttivi in legno, a differenza di quelli in pietra o laterizio, consentono di realizzare l'intero edificio anche se la loro applicazione rimane però limitata a costruzioni di modesta altezza.

Due tipici sistemi costruttivi in legno del passato sono:
la tradizionale costruzione a tronchi sovrapposti
la costruzione a ossatura.

Tra le costruzioni a ossatura di legno, rappresentano casi tipici i sistemi chiamati rispettivamente balloon frame e western frame (detto anche platform frame). Il balloon frame era costituito da listelli con un'altezza di due piani, disposto a interasse costante, in modo da ottenere una struttura "a gabbia", che veniva poi rivestita con tavolame interno ed esterno per formare le pareti, i pavimenti e la copertura. Questa tecnica si affermò tra i pionieri americani all'incirca a metà Ottocento, in coincidenza con il perfezionamento dei macchinari per segheria e lo sviluppo della produzione industriale dei chiodi, che iniziarono a essere prodotti in serie. Questo consentiva fra l'altro di accelerare notevolmente i tempi di costruzione dell'edificio e l'eliminazione della manodopera specializzata. Il Balloon frame era infatti un modo di costruire che facilitava notevolmente le operazioni di montaggio, tanto che si dice che un solo operaio potesse costruire ciò che prima richiedeva una squadra di carpentieri. In questo senso il balloon frame anticipa la costruzione standardizzata, i cui principi essenziali sono la tipizzazione degli elementi e la prefabbricazione.

Lo sviluppo dell'industrializzazione edilizia
Lo sviluppo dell'industrializzazione edilizia ha avuto tra le premesse fondamentali la necessità di soddisfare un fabbisogno sempre più pressante di abitazioni e servizi attraverso la realizzazione programmata, in tempi contenuti, di molti edifici con bassi costi di costruzione. A tali premesse si è aggiunta la rarefazione della mano d'opera edile e, in particolare, di quella più qualificata. Si sono così sviluppati sistemi costruttivi improntati a metodi di carattere industriale che si proponevano di ridurre i costi di costruzione tramite la produzione in serie di componenti edilizi e di interi edifici.


Le tecniche di costruzione del Balloon Frame
Il legno ha determinato il modo di edificare di intere regioni, prestandosi ottimamente alle esigenze costruttive grazie alle seguenti caratteristiche:
leggerezza, abbinata a notevole resistenza a compressione e a trazione e, soprattutto, ottimo comportamento a flessione;
agevole lavorabilità degli elementi della costruzione con attrezzi di uso comune, per eseguire operazioni di messa in opera mediante giustapposizione e incastro;
possibilità di smontaggio e di reimpiego di elementi, grazie alle particolari modalità di giunzione (incastro, chiodatura, etc.);
notevole resistenza agli agenti atmosferici.
Il balloon frame di fatto ha anticipato la costruzione moderna mediante sistemi costruttivi standardizzati e la costruzione industrializzata che permetteva di ridurre tempi, costi e utilizzare poca manodopera. Praticamente con travi e pilastri veniva montata e realizzata la struttura portante " a forma di gabbia" dove gli elementi provenienti dallo stabilimento già tagliati e segati venivano montati e fissati tra loro con chiodi da legno e colle, e poi venivano rivestite internamente ed esternamente le pareti e la copertura. Il balloon frame di fatto ha anticipato anche quella che oggi chiamiamo architettura sostenibile o bioedilizia, dove si costruisce con un materiale rinnovabile, rispettoso dell'ambiente, che tiene conto del risparmio energetico e (almeno una volta) un materiale locale. Inoltre gli elementi in legno si possono facilmente montare e smontare facilmente per essere riutilizzati.




Balloon Frame: Vantaggi e tecniche di prefabbricazione lignea
Il legno è assieme alla pietra il materiale da costruzione più antico che l'uomo abbia mai usato e ancora oggi il legno è utilizzato per moltissimi scopi in edilizia. Il legno infatti ha moltissimi vantaggi, estetici e funzionali, e ancora oggi viene utilizzato per esempio per realizzare interi edifici in legno anche se l'unico vero limite è che non si possono realizzare edifici troppo alti.

I principali vantaggi del balloon frame sono:
Posa in opera programmata e migliore organizzazione del cantiere;
Approvvigionamenti ben gestiti;
Tempi e costi del cantiere più bassi;
non serve manodopera altamente specializzata;
struttura portante leggera;
il legno è un materiale ecosostenibile.