CARATTERIZZAZIONE MECCANICA DEL LEGNO IN OPERA: METODOLOGIA DI INDAGINE E APPLICAZIONI

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1 Venerdì 6 aprile 218 Centro Culturale Universitario Benedetto XIII Università degli Studi di Camerino CARATTERIZZAZIONE MECCANICA DEL LEGNO IN OPERA: METODOLOGIA DI INDAGINE E APPLICAZIONI Ing. Anna Marzo, ENEA SSPT-MET-ISPREV CON IL PATROCINIO DI: IN COLLABORAZIONE CON:

2 IL LEGNO STRUTTURALE.timber is as different from wood as concrete is from cement. (Borg Madsen, 1999) cellula legno netto legno strutturale

3 IL LEGNO STRUTTURALE DIFFERENZA TRA LEGNO NETTO E LEGNO STRUTTURALE trazione II compressione II Sollecitazione [N/mm 2 ] Legno netto Legno strutturale Trazione // alla fibratura Compressione // alla fibratura Trazione alla fibratura.5-.6 <.5 Compressione alla fibratura 5-1 <5 trazione compressione resistenza [N/mm 2 ] legno netto legno strutturale 6 Piazza, M., Tomasi, R., Modena, R. (25). Strutture in legno. Hoepli ed., Milano, Italia. 4 2 trazione II compressione II

4 IL LEGNO STRUTTURALE DIFFERENZA TRA CARATTERISTICHE NELLE TRE DIREZIONI PRINCIPALI: ORTOTROPIA CILINDRICA,9 9, , ,9,9,9 G 1 G 1 G 1 E 1 E E E E 1 E E E E 1

5 CARATTERIZZAZIONE MECANICA DEL LEGNO IN OPERA METODOLOGIA DI INDAGINE (NDT) CONOSCENZA DELLA STRUTTURA Anamnesi del complesso strutturale Indagine di I Livello Indagine di II Livello Indagine di I Livello Indagine di II Livello Indagine visiva: strumenti di uso comune Indagine strumentale: Igrometro, Resistograph, Ultreasuoni, Termografia Classificazione degli elementi strutturali in opera

6 METODOLOGIA DI INDAGINE (NDT) INDAGINE DI I LIVELLO: Visiva 1. RILIEVO GEOMETRICO E MECCANICO (dimensioni, collegamenti, interazioni, ecc.) 2. DETERMINAZIONE SPECIE LEGNOSA L'identificazione di una specie legnosa viene eseguita per fasi successive ed è basata sui seguenti criteri: - Identificazione macroscopica: identificazione basata sulla individuazione di caratteri del legno visibili ad occhio nudo, quali colore, venatura, eventuali caratteri anatomici, ecc.; - Identificazione microscopica: identificazione basata sull esame di caratteri anatomici del legno osservabili solamente mediante l ausilio di un microscopio; UN REQUISITO FONDAMENTALE PER UNA CORRETTA IDENTIFICAZIONE E L ESPERIENZA

7 METODOLOGIA DI INDAGINE (NDT) INDAGINE DI I LIVELLO: Visiva 3. RILIEVO E MAPPATURA DEI DIFETTI UNI 11119: Beni culturali. Manufatti lignei. Strutture portanti degli edifici. Ispezioni in situ per la diagnosi degli elementi in opera UNI : Classificazione a vista dei legnami secondo la resistenza meccanica UNI EN131: Legno tondo e segati - Metodo di misurazione delle caratteristiche NODI Tipologia Forma e Dimensioni Densità (presenza di raggruppamenti)

8 METODOLOGIA DI INDAGINE (NDT) INDAGINE DI I LIVELLO: Visiva 3. RILIEVO E MAPPATURA DEI DIFETTI DEVIAZIONE DELLA FIBRATURA Entità espressa in gradi rispetto all andamento rettilineo DEVIAZIONE DEL MIDOLLO LEGNO DI REAZIONE LESIONI, CIPOLLATURE Estensione in lunghezza; Profondità; Dimensione di apertura

9 METODOLOGIA DI INDAGINE (NDT) INDAGINE DI I LIVELLO: Visiva 3. RILIEVO E MAPPATURA DEI DIFETTI

10 METODOLOGIA DI INDAGINE (NDT) INDAGINE DI I LIVELLO: Visiva 4. RILIEVO E MAPPATURA DEL DEGRADO DANNI DA RADIAZIONI SOLARI DANNI DA VARIAZIONI IGROMETRICHE AMBIENTALI/INFILTRAZIONI AGGRESSIONI BIOLOGICHE (muffe, carie, funghi) AGGRESSIONI DA INSETTI Non solo tipologia ed estensione, ma anche cause, elementi catalizzatori ed elementi vulnerabili

11 METODOLOGIA DI INDAGINE (NDT) INDAGINE DI I LIVELLO: Classificazione a vista Vantaggi Le prescrizioni e le regole di classificazione sono semplici e facili da mettere in pratica ed è possibile l applicazione senza l ausilio di apparecchiature specifiche In caso di buona esecuzione, la classificazione offre sufficienti garanzie di affidabilità ed efficienza Svantaggi La classificazione è soltanto parzialmente riproducibile, in quanto spesso il giudizio soggettivo del tecnico gioca un ruolo importante La classificazione a vista spesso può essere eseguita solo in modo parziale Il ricorso a tecniche di indagine strumentale di tipo non distruttivo (NDT) può rappresentare una possibile soluzione a completamento dell indagine

12 METODOLOGIA DI INDAGINE (NDT) INDAGINE DI II LIVELLO: Strumentale Prove Igrometriche Determinazione dell umidità del legno (1-12%) igrometro Tramex Professional principio della resistenza elettrica elettrodi a spina letture dell umidità: 7% - 4%; precisione.1% lo strumento è calibrato ad una temperatura ambiente di 2 C Prove Ultrasoniche Valutazione delle caratteristiche dinamiche del materiale e del grado di omogeneità Ultrasonic System CMS transducers TSG-2 RSG-55 prove longitudinali prove trasversali

13 METODOLOGIA DI INDAGINE (NDT) INDAGINE DI II LIVELLO: Tecniche Non Distruttive Prove Sclerometriche Stima della durezza e della consistenza superficiale del legno sclerometro Wood Pecker Prove Resistografiche Valutazione delle variazioni di densità e localizzazione di difetti interni resistograph IMLRESIF4 striscia di carta unità elettronica punta di acciaio temprato: f 2.5 mm; L =5 mm prove trasversali prove longitudinali prove longitudinali prove trasversali

14 ESEMPI APPLICATIVI: Le coperture di Villa dei Misteri 1. Anamnesi del complesso strutturale Indagine storica delle fasi realizzative Rilievo strutturale e dello stato di conservazione degli elementi lignei Analisi di campioni al microscopio (SEM) Indagine diagnostica ND sugli elementi lignei; Rilievi mediante telerilevamento a bassa quota con l utilizzo di droni Caratterizzazione sismica del sito mediante la misurazione delle vibrazioni ambientali

15 ESEMPI APPLICATIVI: Le coperture di Villa dei Misteri 2. Indagine di I Livello in sito Rilievo geometrico e meccanico Rilievo fotografico Rilievo e mappatura dei difetti e degli attacchi di insetti

16 ESEMPI APPLICATIVI: Le coperture di Villa dei Misteri 2. Indagine di I Livello (Peristilio) Materiale: Pitch pine (pinus rigida)

17 ESEMPI APPLICATIVI: Le coperture di Villa dei Misteri 2. Indagine di I Livello (Peristilio) Elemento Smussi Lesioni e cipollature Singolo Nodi Gruppo Inclinazione della fibratura (pendenza %) Fessurazioni d ritiro Classe elemento 63A-T32 II* I III I II III III 63A-T33 II* I III I II III III 63A-T34 II* I I I II III III 63B-T15 II* I II I II III III 63B-T16 II* I I I II III III 63B-T17 II* I I I II III III 63C-T9 II* I II I I II II 63C-T1 II* I I I I II II 63C-T11 II* I II I I N.C. * N.C.* 63C-T12 II* I III I II II III 63D-T12 II* I II I II II II 63D-T13 II* I I I II II II 63D-T23 II* I I I II II II 63D-T24 II* I III I II II III 63D-T25 II* I II I II II II * Non classificabile come legno strutturale ** la Classe II è dovuta all avanzato stato di degrado causato dalle infiltrazioni

18 63A- T32-A 63A- T32-B 63A- T32-C 63A- T33-A 63A- T33-B 63A- T33-C 63A- T34-A 63A- T34-B 63A- T34-C 63B- T15-A 63B- T15-B 63B- T15-C 63B- T16-A 63B- T16-B 63B- T16-C 63B- T17-A 63B- T17-B 63B- T17-C 63C- T9-A 63C- T9-B 63C- T9-C 63C- T1-A 63C- T1-B 63C- T1-C 63C- T11-A 63C- T11-B 63C- T11-C 63C- T12-A 63C- T12-B 63C- T12-C 63D- T12-A 63D- T12-B 63D- T12-C 63D- T13-A 63D- T13-B 63D- T13-C 63D- T23-A 63D- T23-C 63D- T24-A 63D- T24-C 63D- T25-A 63D- T25-C 63A- T32-A 63A- T32-B 63A- T32-C 63A- T33-A 63A- T33-B 63A- T33-C 63A- T34-A 63A- T34-B 63A- T34-C 63B- T15-A 63B- T15-B 63B- T15-C 63B- T16-A 63B- T16-B 63B- T16-C 63B- T17-A 63B- T17-B 63B- T17-C 63C- T9-A 63C- T9-B 63C- T9-C 63C- T1-A 63C- T1-B 63C- T1-C 63C- T11-A 63C- T11-B 63C- T11-C 63C- T12-A 63C- T12-B 63C- T12-C 63D- T12-A 63D- T12-B 63D- T12-C 63D- T13-A 63D- T13-B 63D- T13-C 63D- T23-A 63D- T23-C 63D- T24-A 63D- T24-C 63D- T25-A 63D- T25-C Humidity content (%) Penetration depth (mm) ESEMPI APPLICATIVI: Le coperture di Villa dei Misteri 2. Indagine di II Livello (Peristilio): Prove igrometriche e sclerometriche

19 63A- T32-A 63A- T32-B 63A- T32-C 63A- T33-A 63A- T33-B 63A- T33-C 63A- T34-A 63A- T34-B 63A- T34-C 63B- T15-A 63B- T15-B 63B- T15-C 63B- T16-A 63B- T16-B 63B- T16-C 63B- T17-A 63B- T17-B 63B- T17-C 63C- T9-A 63C- T9-B 63C- T9-C 63C- T1-A 63C- T1-B 63C- T1-C 63C- T11-A 63C- T11-B 63C- T11-C 63C- T12-A 63C- T12-B 63C- T12-C 63D- T12-A 63D- T12-B 63D- T12-C 63D- T13-A 63D- T13-B 63D- T13-C 63D- T23-A 63D- T23-C 63D- T24-A 63D- T24-C 63D- T25-A 63D- T25-C Mean Area (cm2) ESEMPI APPLICATIVI: Le coperture di Villa dei Misteri 2. Indagine di II Livello (Peristilio): Prove resistografiche

20 63A- T32-A 63A- T32-B 63A- T32-C 63A- T33-A 63A- T33-B 63A- T33-C 63A- T34-A 63A- T34-B 63A- T34-C 63B- T15-A 63B- T15-B 63B- T15-C 63B- T16-A 63B- T16-B 63B- T16-C 63B- T17-B 63B- T17-C 63C- T9-A 63C- T9-B 63C- T9-C 63C- T1-A 63C- T1-B 63C- T1-C 63C- T11-A 63C- T11-B 63C- T11-C 63C- T12-A 63C- T12-B 63C- T12-C 63D- T12-A 63D- T12-B 63D- T12-C 63D- T13-A 63D- T13-B 63D- T13-C 63D- T23-A 63D- T23-C 63D- T24-A 63D- T24-C 63D- T25-A 63D- T25-C Velocity (m/s) ESEMPI APPLICATIVI: Le coperture di Villa dei Misteri 2. Indagine di II Livello (Peristilio): Prove ultrasoniche dirette 2 Ultrasound (m/s)

21 ESEMPI APPLICATIVI: Le coperture di Villa dei Misteri RISULTATI DELLE INDAGINI (PERISTILIO) Elementi da sostituire Elementi da verificare

22 ESEMPI APPLICATIVI: LA TORRE DI MONTORIO 1. Anamnesi del complesso strutturale Costruzione realizzata sull Appennino Bolognese all inizio del XIII secolo come fortezza militare. Ha subito vari ampliamenti nel corso dei secoli e alla fine XVI secolo è diventata residenza privata e dal 191 è diventato Patrimonio Culturale. Il sisma del settembre 23 (M w 5.3) danneggiò gravemente la Torre. L ENEA ha seguito i lavori di ristrutturazione ed ha eseguito una campagna di indagine in sito e test di laboratorio su alcune travi rimosse.

23 ESEMPI APPLICATIVI: LA TORRE DI MONTORIO 2. Indagine di I Livello in sito Rilievo geometrico e meccanico Rilievo fotografico Rilievo e mappatura dei difetti e del degrado Legend 1 US S - R US S R

24 ESEMPI APPLICATIVI: LA TORRE DI MONTORIO 2. Indagine di I Livello Trave Smussi Lesioni e Cipollature Singoli Nodi Gruppi Inclinazione fibratura (pendenza %) Fessurazioni da ritiro Classe elemento B1 III III I I II N.S. III B2 I III I I II III III B3 III III I I I III III B4 I III I I I III III B5 I III I I I III III B6 I III I I I III III Laboratorio di prove meccaniche Brasimone Materiale: Quercia

25 Elastic modulus (GPa) ESEMPI APPLICATIVI: LA TORRE DI MONTORIO 2. Indagine di II Livello: Prove sclerometriche in sito 15 Curva di correlazione p-em (DRC-Italia) 14 Quercia 13 8,4; 12, Mean penetration (mm) Em 13 GPa

26 Penetration depth [mm] ESEMPI APPLICATIVI: LA TORRE DI MONTORIO 2. Indagine di II Livello: Prove sclerometriche in laboratorio S LR S LL S TR S TM DT,mean = 1,4 mm S TL Beam 1 Beam 2 Beam 3 Beam 4 Beam 5 Beam 6 6 ET,mean = 11,84 GPa 4 2 Em 13 GPa TL TM TR

27 ESEMPI APPLICATIVI: LA TORRE DI MONTORIO 2. Indagine di II Livello: Prove resistografiche in sito Beam 1 Beam 2 Beam 4 La trave 4 è stata rimossa e sostituita con una nuova della stessa specie

28 ESEMPI APPLICATIVI: LA TORRE DI MONTORIO 2. Indagine di II Livello: Prove resistografiche dirette in laboratorio

29 Velocity [m/s] ESEMPI APPLICATIVI: LA TORRE DI MONTORIO 2. Indagine di II Livello: Prove ultrasoniche dirette in sito e in laboratorio A B End D C Beam 1 Beam 2 Beam 3 Beam 4 Beam 5 Beam 6 Osservazioni Trave 1: Valore elevato di velocità in accordo ai dati sclerometrici Trave 2: Perdita di segnale per presenza di cipollaure Trave 3: Perdita di segnale appoggio dx per elevato degrado Trave 4: Perdita di segnale all appoggio sx per eccessivo degrado TL TM TR

30 ESEMPI APPLICATIVI: LA TORRE DI MONTORIO 2. Indagine di II Livello: Indagini al microscopio Quercus Leucobalanus/Quercus Lepidobalanus

31 F [kn] ESEMPI APPLICATIVI: LA TORRE DI MONTORIO 3. Prove a flessione (UNI EN 48) Fasi di prova: h/2 a L - 2a F/2 F/2 a h/2 Cicli in campo elastico per la determinazione del modulo elastico Cicli a rottura per la determinazione della resistenza a flessione parallela e della tipologia di rottura F/2 L 1/2 L 1 /2 F/2 L 1 BDT: Beam D1 4 D2 35 D3 3 D4 25 D D [mm] Em = 7,37 GPa fm = 28 MPa D1 D2 D3 D4 L D5

32 Inquadramento normativo DIAGNOSI E CONSERVAZIONE UNI Beni culturali. Manufatti lignei. Criteri per l identificazione delle specie legnose, 24. UNI Beni culturali. Manufatti lignei. Strutture portanti degli edifici. Ispezioni in situ per la diagnosi degli elementi in opera, 24. UNI 1113 Beni culturali. Manufatti lignei. Terminologia del degradamento del legno, 24. UNI Beni culturali. Manufatti lignei. Strutture portanti degli edifici. Criteri per la valutazione preventiva, la progettazione e l esecuzione di interventi, 24. UNI Beni culturali. Manufatti lignei. Linee guida per la datazione dendrocronologia del legno, 24. UNI Beni culturali. Manufatti lignei. Linee guida per la conservazione, il restauro e la manutenzione, 25. CLASSIFICAZIONE DEL LEGNAME STRUTTURALE UNI EN Strutture di legno - Legno strutturale con sezione rettangolare classificato secondo la resistenza, 21 UNI Legno strutturale. Regole per la classificazione a vista secondo la resistenza e i valori caratteristici per tipi di legname strutturale italiani, 23. UNI EN 1912 Legno strutturale. Classi di resistenza. Assegnazione delle categorie visuali e delle specie, 22. UNI EN 338 Legno strutturale. Classi di resistenza, UNI EN 48 Strutture di legno. Legno massiccio e legno lamellare incollato. Determinazione di alcune proprietà fisiche e meccaniche, NTC 218: Norme tecniche per le costruzioni, DM (Cap. 4.4 Cap. 7.7 Par )

33 Inquadramento normativo NORMATIVE EUROPEE Eurocodice 5: Design of timber structures. Part. 1-1 General Common rules and rules for buildings, EN :24 Eurocodice 5: Design of timber structures. Part. 1-2 General Structural fire design, EN :24 Eurocodice 5: Design of timber structures. Part. 2 Bridges, EN :24

34 GRAZIE PER L ATTENZIONE anna.marzo@enea.it