prof. Adolfo F. L. Baratta Percorsi Abilitanti Speciali Classe A016 Costruzioni, Tecnologia delle costruzioni e Disegno Tecnico Legni

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1 Percorsi Abilitanti Speciali Classe A016 Costruzioni, Tecnologia delle costruzioni e Disegno Tecnico Legni Roma, 11 aprile

2 Classificazione degli alberi Le foreste rappresentano il 29,6% della superficie terrestre: sebbene le foreste europee, esclusa la Russia, rappresentino solo il 5% di tutte le foreste mondiali, esse sono le più intensamente utilizzate per la produzione di legname. Dalle foreste europee proviene circa il 25% dell attuale produzione mondiale di prodotti forestali e circa il 30% dei pannelli a base di legno, carta e cartone. Anche se la domanda interna di prodotti forestali è in crescita e l Unione Europea è diventata uno dei maggiori esportatori di prodotti forestali, le foreste europee si stanno espandendo. Oltre 1 miliardo di ettari di foresta si estendono attraverso 44 paesi e la loro superficie continua a crescere di ettari l anno: con la conferma di tale trend il legno può essere considerato una risorsa inesauribile. Miste 40% Percentuale di superficie adibita di foresta. Latifoglie 18% Conifere 42% 02

3 Classificazione degli alberi Il legno è il materiale ricavato dalle piante (alberi ed arbusti) ed è quindi un materiale organico composto da circa il 50% di carbonio, dal 42% di ossigeno, dal 6% di idrogeno, dall 1% di azoto e per il restante 1% da elementi diversi. Il legno è costituito da fibre di cellulosa trattenute da una matrice di lignina. Gli alberi sono classificati in coniferi e latifogli. Nelle conifere o gimnosperme la massa legnosa è costituita essenzialmente da cellule allungate che costituiscono sia il sistema di sostegno, sia il sistema di conduzione dei succhi linfatici. Fanno parte di questa categoria il larice, il cipresso, il cirmolo e le varie specie di pini. Nel commercio internazionale sono chiamati Softwood. Larice Cipresso Cirmolo Pino domestico Pino 03

4 Prefabbricazione Nelle latifoglie o angiosperme la massa legnosa è costituita da due tipi distinti di cellule: le prime costituiscono il sostegno mentre nelle seconde scorrono i succhi linfatici. Fanno parte di questa categoria la betulla, il castagno, il faggio, il frassino, l ippocastano, il noce, l olivo, l olmo, l ontano, il pioppo, il platano, la robinia, la quercia e il tiglio. Nel commercio internazionale sono chiamati Hardwood, anche se tra queste essenze si trovano il pioppo e il tiglio che non sono propriamente dei legni duri. Olmo Quercia Ippocastano Frassino Castagno 04

5 Tronco Durame (parte vecchia del tronco) Alburno (parte giovane del tronco) Raggio midollare (serve al trasporto del nutrimento) Midollo centrale Zona centrale (alburno, durame, midollo) Specchio (raggi midollari) Cambio (tessuto vegetale nascente) Zona corticale (corteccia, libro, cambio) Libro (tessuto principale) Sfogliato di un tronco d albero. Corteccia interna viva Corteccia esterna morta 05

6 Legni utilizzati nel settore delle costruzioni Abete rosso Abete bianco Larice europeo Pino silvestre 06

7 Legni utilizzati nel settore delle costruzioni Quercia o rovere Frassino Robinia Castagno 07

8 Abbattimento e stagionatura Il legno durante il periodo vitale presenta un elevata quantità di acqua: una parte è libera nelle cavità cellulari (acqua di imbibizione) e una parte è legata alle sostanze che costituiscono le pareti delle cellule (acqua di saturazione). In taluni casi l acqua raggiunge il 75% del suo peso umido. L abbattimento, laddove le condizioni climatiche non sono proibitive, è consigliato nel periodo compreso tra i mesi di dicembre e marzo ovvero nel momento di stasi del ciclo vegetativo. Il tronco è lasciato integro o tagliato secondo moduli di 4,10-4,20 m. Ritiro assiale Ritiro tangenziale Dopo l abbattimento il legno inizia la perdita graduale di acqua fino ad arrivare ad equilibrare la propria umidità con quella dell ambiente (igroscopia). In passato la stagionatura avveniva sotto tettoie e durava anche 12 mesi per ogni centimetro di spessore; i sistemi moderni, per effetto dell impiego di celle a ventilazione forzata, si ottengono gli stessi risultati in 3-4 settimane. La stagionatura è fondamentale per conferire la necessaria stabilità morfologica: anche dopo la stagionatura il legno resta comunque un materiale igroscopico. Ritiro radiale Ritiro radiale, assiale e tangenziale. 08

9 Abbattimento e stagionatura MJ/kg Salice bianco Pioppo nero Acero Quercia Frassino Faggio Olmo Castagno Larice Abete bianco Abete rosso Pino silvestre Pino strobo Il potere calorifero (quantità di energia massima che si può ricavare convertendo la massa in vettore energetico) è notevolmente influenzato dalla quantità d acqua presente nella specie della pianta. Legenda Latifoglie Conifere 09

10 Stagionatura L umidità anche in un legno stagionato che ha raggiunto un buon livello igroscopico, continua a intervenire sulla stabilità del materiale, attraverso il ritiro. Il legno tende a contrarsi e a dilatarsi in funzione delle variazioni di umidità nel suo interno, il ritiro o la dilatazione avvengono in modo differenziato secondo le sezioni principali ovvero: - ritiro massimo nella direzione tangente agli anelli di accrescimento (sezione tangenziale): 10-12%; - ritiro medio nella direzione dei raggi midollari (sezione radiale): 5-6%; - ritiro minimo secondo l asse del tronco (sezione longitudinale): 0,1-0,2%. Ritiro tangenziale Ritiro medio 10-12% Ritiro longitudinale Ritiro minimo 0,1-0,2% Ritiro radiale Percentuale di ritiro medio. Ritiro medio 5-6% 10

11 Stagionatura Sezione trasversale Sezione radiale Grevillea robusta (Australia e USA). Sezione tangenziale 11

12 Stagionatura Sezione trasversale Sezione radiale Cedro rosso gigante (Canada). Sezione tangenziale 12

13 Stagionatura Sezione trasversale Sezione radiale Mangrovia nera (Jamaica). Sezione tangenziale 13

14 Scortecciamento Un operazione da effettuare con particolare attenzione è quella dello scortecciamento, che consiste nella rimozione della corteccia esterna e interna. 14

15 Produzione: controlli di qualità Centrale termoelettrica a biomassa Stoccaggio Caricatore Linea di produzione Scansione raggi x Tronchi scartati Un impianto di lavorazione del legno. 15

16 Segazione Tipi di lavorazioni: - srotolatura, riduzione in fogli sottili; - taglio, riduzione in pezzi; - tranciatura, riduzione in piccoli pezzi Tipologie di taglio 1-3. carpenteria; 4. tangenziali, i più economici; 5. di quarto con mezzoni; 6. tangenziali con tavole a spigolo vivo; 7. radiali con mezzoni; 8. radiali; 9. di quarto a ventaglio

17 Processo di lavorazione Abbattimento Diagramma delle varie fasi di lavorazione del legno. Stagionatura Scortecciamento Srotolatura Stoccaggio Scarto Taglio Segazione Tranciatura Stoccaggio Commercio Catasta di legno pronto alla vendita. 17

18 Difetti I difetti più ricorrenti dei tronchi sono: 1. nodi. Sono dovuti all inserzione del ramo nel fusto; 2. torsione delle fibre. Si ha quando le fibre non sono parallele all asse del fusto ma hanno un andamento elicoidale; 3. cipollatura. Consiste nei distacchi parziali o totali fra due anelli contigui: è piuttosto diffusa nel castagno; Nodo fisso Nodo mobile Nodo a baffo Nodo. 18

19 Difetti Un nodo in un legno di abete rosso: il nodo morto è un nodo il cui materiale non riceve più linfa vitale. 19

20 Difetti 4. fusto ad asse variamente curvilineo. Può essere connaturato con il genere di pianta ma può dipendere anche da condizioni ambientali sfavorevoli; 5. tensione. Si verifica alla base del tronco in alberi posti su terreni in forte pendenza oppure soggetti a forti venti dominanti. Il legno di tensione non può essere utilizzato; 6. cuore eccentrico. È caratteristico per gli alberi che crescono lungo forti pendii: presentano anelli con spessori variabili; Legno in tensione. Cuore eccentrico. 20

21 Difetti 7. lunatura. Per effetto del gelo la parte interna dell alburno non si trasforma in durame riducendo la compattezza; 8. fenditure, spaccature e cretti. Di solito sono dovuti al gelo e riduco la resistenza. Possono essere diritte, oblique, angolari e a zampa di gallina; 9. canastro. Si verifica alla base del tronco ed è dovuto all eccesso di compressione dovuto al vento o a un peso; 10. marezzatura. Si tratta del perimetro sinuoso che ne rende difficoltoso l utilizzo: è tipico dell ulivo; 11. favoriti dalla presenza di umidità, il legno è per sua natura soggetto ad attacchi di diverso genere da parte di parassiti vegetali (muffe, funghi, ecc.) e animali (batteri, insetti xilofagi, ecc). I danni vanno dalla semplice macchia alla totale distruzione della pianta o della struttura. Canastro o legno di compressione. Marezzatura. 21

22 Insetti xilofagi Tarlo dei mobili (Anobium punctatum De Geer) Specie sinatropa di 3,0-5,0 mm che infesta strutture, mobili, decorazioni: è in grado di aggredire cellulosa ed emicellulosa. Orologio della morte (Xestobium rufovillosum De Geer) Vive nel legno (latifoglie quali querce, olmo, noce, ontano, pioppo, salice) abbattuto o in opera e il suo ciclo si completa in un periodo variabile da 1 a 6-10 anni. Lyctus brunneus Stephens È una specie di piccole dimensioni (5,0 mm ca.) che predilige i legni molto porosi che distrugge in maniera irreparabile. Pioppo con fori prodotti da insetti xilofagi: all interno dei fori sono stati inseriti dei preparati nel tentativo di uccidere le larve. Cedro infestato dalla crittogama armillarla mellea: a causa del marciume è necessaria la distruzione della pianta, compreso gli apparati radicali, e l apertura di una buca (per almeno 1-2 anni) con somministrazione di disinfettanti al terreno. 22

23 Insetti xilofagi Neoclytus acuminatus È una specie estremamente diffusa ed è facilmente rinvenibile nel legno di latifoglie. Callidium violaceum È un vistoso ceramicide che attacca legno secco e stagionato di conifere. Capricorno delle case (Hylotrupes bajulus) Lungo fino a 20,0 mm, attacca legname in opera, specialmente di conifere (abete, larice, ecc.). Il ciclo di sviluppo può variare da 3 a 10 anni e i danni sono consistenti a causa delle notevoli dimensioni delle larve che rodono il legno fino a comprometterlo. Tèrmiti Sono gli isotteri più noti e diffusi: mastica e distrugge intere strutture in legno. Ne esistono circa specie (in Italia soltanto due). Gallerie di insetti xilofagi. 23

24 Insetti xilofagi Trave in legno distrutta da insetti xilofagi. 24

25 Alterazioni morfologiche Il fattore che influenza più di tutti il comportamento del legno è l'umidità. Le deformazioni, che in alcuni casi possono portare alla formazione di vere e proprie fessure strutturali, nel legno sono spesso dovute al differente tasso di umidità presente fra le zone centrali e quelle periferiche, fra zone esterne (durame) e zone interne (alburno) e, quindi, alla differente contrazione nelle varie direzioni. Se si impedisce al legno di ritirarsi e restringersi si spacca perché la sua resistenza alle sollecitazioni di trazione ortogonale alle fibre è pressoché nulla. Gli effetti più frequenti dovuti al ritiro del tavolame sono l imbarcamento (1), la falcatura (2), l arcuatura (3) e lo svergolamento (4): l imbarcamento e lo svergolamento sono i più frequenti. È importante sottolineare che il legno non teme la severità delle condizioni ambientali ma piuttosto le variazioni delle stesse. 1 2 Possibili alterazioni morfologiche dovute al ritiro del legno

26 Caratteristiche meccaniche Le caratteristiche meccaniche del legno variano entro dei limiti molto ampi che dipendono da specie, peso specifico secco, grado di umidità e difetti presenti. Inoltre, essendo il legno un materiale non omogeneo e, come già detto, anisotropo la sua resistenza meccanica dipende anche dalla direzione delle fibre rispetto alle sollecitazioni. Il legno sollecitato nella stessa direzione delle fibre presenta: - la massima resistenza a trazione; - una resistenza a compressione minore rispetto a quella a trazione ma comunque sempre elevata; - una resistenza a taglio con valori molto bassi. Il legno sollecitato in senso trasversale alle fibre presenta: - una resistenza a trazione praticamente nulla; - una resistenza a compressione ridotta, ovvero 1/3-1/15 rispetto a quella esercitata nella stessa direzione delle fibre; - una resistenza a taglio (rotolamento) con valori notevoli. Per quanto concerne la durezza, questa nel legno è funzione diretta del peso specifico e dell'età del legno: essa diminuisce notevolmente con l aumento dell umidità. La stessa cosa si può dire per l elasticità: anche questo tipo di resistenza, che in genere varia tra i diversi legni, dipende dall'umidità. 26

27 Anisotropia Dal punto di vista strutturale il legno è assimilabile ad un fascio di tubicini: data la sua natura fibrosa si tratta quindi di un materiale spiccatamente anisotropo. Compressione parallela. Trazione parallela. Taglio. Compressione ortogonale. Trazione ortogonale. Taglio per rotolamento. 27

28 Classificazione dei legnami da costruzione In base alla loro conformazione, in particolare alla presenza di nodi, i legnami da costruzione vengono classificati commercialmente in tre categorie. Cat. Cipollature e lesioni Tasche di resina Deviazione fibre su asse Spessore degli anelli Resinoso Forte Dolce I NO NO 1/15 2,0 mm 7,0 mm 8,0 mm II NO < 3,0 mm 1/8 3,3 mm > 4,0 mm 3,0 mm III Non estese 3,0 mm 1/5 > 3,3 mm < 4,0 mm < 3,3 mm Il peso specifico del legno è funzione della densità e del grado di umidità del legno. Fissato un livello di umidità del 15%, il peso specifico delle varie essenze può variare tra 350 e kg/m 3. Tronco di legno in stagionatura. 28

29 Classificazione dei legnami da costruzione I legnami sono classificati anche rispetto alla durezza e alla densità apparente: la densità nel legno rappresenta il rapporto tra la massa legnosa e il suo volume (membrane cellulari e cavità) e condiziona tutte le altre caratteristiche fisico meccaniche. La densità varia in un campo molto ampio di valori rappresentabili da: - legno di balsa: 0,1 g/cm 3 ; - legno di guaiaco: 1,2 g/cm 3 ; - legno di ebano: 1,3 g/cm 3. Tenerissimi Pioppo, salice, tiglio Teneri Abete, ontano, cipresso Medi Platano, olmo, castagno Duri Noce, mogano, olivo quercia Durissimi Teak, ebano, bosso Classificazioni per durezza. Classificazione per densità apparente. Leggerissimi Balsa, sughero 0,1-0,3 Molto leggeri Pioppo nero 0,3-0,4 Leggeri Abete 0,4-0,5 Medi Castagno, noce 0,5-0,7 Pesanti Rovere, faggio 0,7-0,8 Molto pesanti Teak, ligustro 0,8-1,0 Pesantissimi Ebano 1,0-1,3 29

30 Conifere Larice 580 kg/m 3 Pino silvestre 500 kg/m 3 Abete bianco 440 kg/m 3 n. Prestazione σr σa Impieghi 1. Compressione p Travi, infissi e 2. Compressione o pavimenti. 3. Trazione Flessione Taglio Compressione p Travi, infissi e 2. Compressione o pannelli. 3. Trazione Flessione Taglio 60 8 Non è idoneo per le finiture (troppi nodi) ma, essendo molto resistente all umidità, può essere usato all esterno. 1. Compressione p Travi, capriate, 2. Compressione o infissi, mobili, pali e puntelli. 3. Trazione Flessione Taglio

31 Latifoglie Quercia o Rovere 680 kg/m 3 Castagno 620 kg/m 3 Pioppo nero 420 kg/m 3 n. Prestazione σr σa Impieghi 1. Compressione p Travi, infissi interni ed 2. Compressione o esterni,mobili, 3. Trazione pavimenti e 4. Flessione costruzioni subacquee. 5. Taglio Compressione p Travi, infissi 2. Compressione o interni ed esterni, mobili e 3. Trazione pali da 4. Flessione fondazione. 5. Taglio 80 7 Legname di eccezionale durabilità. 1. Compressione p Compensati e 2. Compressione o tavolame per ponteggi. 3. Trazione Flessione Taglio 40 5 Legname tenerissimo, facilmente lavorabile ma con modesta resistenza meccanica. 31

32 Caratteristiche generali Il comportamento meccanico del legno è funzione della specie, del grado di stagionatura, della direzione del carico e della presenza di difetti. Generalmente vale quanto segue: - i legni più compatti sono più resistenti; - maggiore è il peso specifico, maggiore e la resistenza meccanica; - maggiore è l umidità contenuta nel legno, minore è la resistenza; - i valori di resistenza a compressione (40-50 N/mm 2 ), resistenza a trazione ( N/mm 2 ) e resistenza a flessione ( N/mm 2 ) sono maggiori per carichi esercitati secondo la direzione delle fibre. Avorio Beige Marrone Per il legno la normativa di riferimento è l Eurocodice 5, Progettazione delle strutture in legno. Wengè Alcune colorazioni del legno. Grigio 32

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