Figura 1: A sinistra Quercia / A destra Abete rosso

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1 INTRODUZIONE IL LEGNO COME MATERIALE DA COSTRUZIONE Caratteristiche e struttura del legno Nel comparto edilizio le opere in legno possono impiegare non solo componenti, prodotti o semilavorati in legno massiccio (o massello), cioè come viene naturalmente prodotto nella sua massa dall albero, ma anche in legno ricostruito (detto pure legno ricomposto o migliorato). Il legno è un materiale solido, naturale, organico e cellulare. Si tratta di un composto costituito da un complesso chimico di cellulosa, emicellulose, lignina ed estrattivi. Il legno è molto anisotropo: le fibre sono orientate in una direzione preferenziale e perciò il materiale reagisce alle sollecitazioni in maniera diversa in ogni direzione. Il legno si ricava da due grandi categorie di piante note sotto il nome di latifoglie (angiosperme) e conifere (gimnosperme, aghifoglie, resinose). Categorie del legno Figura 1: A sinistra Quercia / A destra Abete rosso L osservazione del legno ad occhio nudo mostra non soltanto differenze tra conifere e latifoglie e tra le diverse specie, ma anche differenze in uno stesso provino, per esempio alburno e durame, legno primaverile e tardivo, la distribuzione dei pori, e l aspetto del legno di reazione. Tutti questi fenomeni sono il risultato dello sviluppo e della crescita del tessuto legnoso. Conifere e latifoglie differiscono tra loro per il tipo di cellule. I fusti si formano per accumulo d anelli, ad ognuno dei quali corrisponde in genere, un anno di vita della pianta. Negli anelli annuali 3

2 si può distinguere una zona chiara più tenera, corrispondente alla stagione d accrescimento primaverile, ed una zona più scura e compatta, che si forma nella stagione autunnale, mentre nell estate e nell inverno l accrescimento è praticamente nullo. Accrescimento primaverile e autunnale Figura 2: Anelli d accrescimento Per le conifere la differenza tra queste due zone è molto marcata, mentre lo è meno per le latifoglie; inoltre il fusto delle conifere è percorso da canali che contengono la resina (essenze resinose). Naturalmente sulla crescita della pianta influiscono il tipo di terreno, l altitudine, il clima della zona; di conseguenza lo spessore degli anelli non è costante e la sezione trasversale del fusto mai perfettamente regolare. Il disegno seguente mostra una porzione di fusto legnoso sezionato,da cui si ricavano i seguenti elementi: Figura 3: Porzione di fusto legnoso sezionato 4

3 ZONA CORTICALE, che comprende la corteccia, il libro ed il cambio: 1) la corteccia è la parte esterna del corpo: non ha resistenza ed è sede di larve e parassiti pericolosi; 2) il libro è uno strato di piccolo spessore a contatto con la corteccia ed è formato da condotti nei quali discende la ninfa della pianta; 3) il cambio è un sottile strato formato da cellule che elaborano i tessuti dell alburno e del libro. ZONA INTERNA, o LEGNO propriamente detto, che comprende l alburno, il durame ed il midollo: a) l alburno è il legno di formazione, ricco di linfa e d amidi, di spessore variabile a seconda dell età e della specie della pianta; b) il durame è la parte più interna, più scura e perfettamente significata; c) il midollo è la parte centrale, di minore consistenza e d aspetto spugnoso. Legno giovanile e legno di reazione Il legno dei primi 5-20 anelli d accrescimento (legno giovanile) di qualsiasi sezione trasversale di un fusto mostra proprietà diverse da quelle della parte più superficiale del fusto (legno maturo). Pertanto il primo mostra tipicamente resistenza e rigidezza minori e ritiro assiale molto maggiore rispetto al normale legno maturo. Spesso il durame contiene tutto il legno giovanile, che è caratterizzato da qualità meccanica inferiore. Perciò, negli alberi giovani di specie a rapido accrescimento, con alta percentuale di legno giovanile, il durame può risultare peggiore dell alburno. Un albero reagisce alle forze esterne agenti sul fusto formando legno di reazione. Le conifere sviluppano legno di compressione nelle zone sottoposte a forte compressione, mentre le latifoglie formano legno di tensione nelle zone sottoposte a forte trazione. Mentre la presenza di legno di tensione è di secondaria importanza ai fini tecnici, il legno di compressione spesso crea problemi. Il legno di compressione appare formato da anelli più larghi e con maggiore percentuale di legno tardivo rispetto al legno normale. Inoltre, il contrasto tra legno primaverile e tardivo è meno netto che nel legno maturo. Il legname contente legno di compressione è soggetto a deformazioni eccessive durante l essiccazione. Il legno di compressione è di norma più denso, cosicché non si hanno riduzioni delle caratteristiche meccaniche, tuttavia allo stato secco esso tende a rompersi in modo fragile. La maggior parte delle regole di classificazione visuale secondo la resistenza pone limitazioni alla qualità di legno di compressione nelle categorie di più 5 Legno di reazione Legno di compressione

4 alta qualità. Inclinazione della fibratura Alcuni alberi crescono con un orientamento delle cellule tale da far decorrere queste ultime a spirale lungo il fusto. Questa fibratura elicoidale è comune per certe specie legnose e rara per altre, ed è particolarmente pronunciata negli alberi giovani. Il legname segato da questi alberi mostra spesso una deviazione della fibratura che pregiudica gravemente il suo impiego. In quasi tutte le regole di classificazione visuale secondo la resistenza sono compresi limiti all inclinazione della fibratura; tipicamente si accetta una deviazione pari a 1 a 5 o maggiori sono accettate per il legname di bassa qualità. Nodi I nodi sono parti di ramo incluse nel fusto principale dell albero. Il ramo laterale è collegato al midollo del fusto principale. Quando la circonferenza del tronco aumenta, i successivi anelli d accrescimento ricoprono in modo continuo il fusto ed i rami: una sorta di cono di legno di ramo (nodi sani o concresciuti) si sviluppa all interno del tronco. Questi nodi sono denominati nodi aderenti perché sono concresciuti al legno circostante. In certi punti il ramo può morire o spezzarsi. Allora i successivi anelli d accrescimento che ricoprono il fusto semplicemente inglobano il mozzicone di ramo e la parte morta di quest ultimo diventa un nodo morto. Quest ultimo non è concresciuto e spesso presenta la corteccia inclusa ed è chiamato per questo nodo cadente. I nodi costituiscono il tipo di difetto di gran lunga più importante nell influenzare le proprietà meccaniche. Nodi concresciuti Nodo cadente Figura 4: Rottura a trazione di una tavola causata dall'inclinazione della fibratura attorno ad un nodo 6

5 I nodi vengono definiti in base al loro aspetto rilevabile sulla superficie del legno. Figura 5: a) Nodo a baffo b) Nodo sul bordo c) Nodo passante d) Nodo di spigolo e) Nodo sulla faccia f) Gruppo di nodi Caratteristiche meccaniche del legno Le caratteristiche meccaniche del legno variano entro limiti amplissimi, che dipendono dall'essenza, dal peso specifico secco, dal grado d'umidità, dalla direzione delle fibre rispetto alla sollecitazione e dai difetti del legno stesso ( nodi, cipollature, ecc.). Le prove si effettuano su campioni ricavati da legno sano e senza difetti. Compressione assiale parallelamente alle fibre. Il carico di rottura viene determinato su provini di 2 x 2 x 3 cm, con umidità 12% risulta: Resistenza a compressione (UNI 2853/57) P σ r = (kg/cm 2 ) 4 Per ogni grado d umidità in meno ( o in più) il valore così ottenuto aumenta o diminuisce del 4% circa. L influenza d eventuali nodi sul carico di rottura è chiaramente evidenziata dalla figura seguente Figura 6: Influenza dei nodi sulla resistenza del legno 7

6 Compressione perpendicolare alle fibre. In questo caso i valori del carico di rottura sono molto inferiori a quello assiale; in genere si riducono ad un quinto, con variazioni notevoli in relazione al tipo di legno. Compressione inclinata rispetto alle fibre. I valori del carico di rottura variano moltissimo in funzione dell angolo α. Figura 7: Variazione della resistenza a seconda della direzione del carico In generale la resistenza a trazione risulta più grande di quella a compressione (almeno doppia), sempre riferita parallelamente alle fibre; se si fa il rapporto tra il carico di rottura ed il peso specifico, si rileva che il legno lavora quasi meglio dell acciaio. Tuttavia la resistenza a trazione è notevolmente ridotta dalla presenza dei nodi e dalle irregolarità della fibratura. Le prove si eseguono su provette che hanno le misure indicate nella figura seguente. Resistenza a trazione Figura 8: Forma e dimensioni della provetta per la prova 8

7 Una trave sottoposta a sollecitazione di flessione si deforma elasticamente, producendo sulle fibre interne uno sforzo di compressione ed uno di trazione, secondo il noto diagramma di Navier. Per il legno l andamento delle tensioni è rappresentato dalla figura seguente ed è diverso da quello teorico di Navier. Resistenza a flessione Figura 9: Comportamento del legno a flessione: a)deformazione della trave b)diagramma teorico delle deformazioni c)diagramma per il legno Nelle prove, eseguite su dei provini di 2 x 2 x 30 cm di lunghezza, la rottura avviene prima sul bordi compresso, poi su quello teso. Il carico di rottura si determina con la formula: σr = 3 Pr 24 n 2 A h dove n è un coefficiente di qualità proprio del legno, che in genere è inferiore a 2. La resistenza a flessione è influenzata dall umidità e dai difetti del legname; è bene scartare le travi con spaccature longitudinali e nodi posti nella zona tesa. Figura 10: Spaccature e nodi diminuiscono la resistenza del legno a flessione 9

8 Figura 11: La resistenza a flessione è pure influenzata dalla disposizione degli anelli rispetto alla direzione del carico Il legno sottoposto a flessione è soggetto al fenomeno del fluage ( termine francese per indicare un lentissimo scorrimento delle fibre del materiale nel tempo, nelle strutture sotto carico, e caratteristico anche di altri materiali, quali il ferro ed il calcestruzzo). Gli effetti del fluage nel legno si verificano con un aumento notevole della freccia di inflessione, che dopo vari mesi risulta più che raddoppiata. Nel caso di sollecitazione di scorrimento lungo le fibre, i valori di resistenza sono molto bassi da un minimo di 4 N/mm 2 ad un massimo di 12 N/mm 2. Per sollecitazione normale alle fibre la resistenza assume valori notevoli, da un minimo di 12 N/mm 2 ad un massimo di 40 N/mm 2. Le prove si eseguono su provini indicati in figura come da norme UNI 4144/58. Resistenza a taglio Figura 12:Prova di resistenza al taglio 10

9 Una trave in legno che nel tempo è soggetta ad un alternarsi di condizioni di carico, passando ciclicamente da un carico zero ad un carico massimo, è sottoposta al fenomeno di rottura a fatica (è tipico di molti materiali, che raggiungono la rottura anche per valori molto inferiori a quelli di rottura per carichi fissi). Per il legno la rottura a fatica si verifica dopo almeno un milione di cicli; il materiale si rompe per un carico unitario pari a circa il 35% del carico di rottura a flessione statica. Resistenza a fatica E una caratteristica importante per stabilire le difficoltà e le modalità di lavorazione del legno, che può essere spaccato, segato, forato, piallato, raspato, lisciato, ecc. La durezza è funzione diretta del peso specifico e dell età del legno, mentre diminuisce notevolmente con l aumento dell umidità. Durezza Caratteristica importante per tutti i materiali legnosi impiegati nelle pavimentazioni. La resistenza all usura è notevole per le essenze forti ad elevato peso specifico, come la quercia, il bosso, la robinia, il noce, l eucalipto, l ulivo, il teak. L usura si determina con una macchina rotante a superficie fregante; dopo un numero fissato di giri si misura la diminuzione di spessore del provino. Usura Il coefficiente di proporzionalità E (modulo di elasticità) è ricavabile, per il legno dalle prove di trazione o compressione ( si ottengono due valori quasi simili) oppure dalle prove di flessione, misurando con precisione le deformazioni dovute ai carichi. Il valore di E è influenzato dall umidità; in genere varia da legno a legno da un minimo di 7500 ad un massimo di N/mm 2. Elasticità Figura 13: Andamento della resistenza a compressione di un provino in legno 11

10 Il tecnico deve fissare, per i relativi calcoli statici, il carico che un dato elemento in legno può sopportare con sicurezza. I valori medi delle caratteristiche meccaniche del legno delle principali essenze sono tabulati ed i carichi di sicurezza riportati si possono assumere se il legname è ben stagionato, non sottoposto a gravose condizioni di lavoro in ambienti sfavorevoli. Si consiglia di tener conto: se i legnami sono posti in opera in ambienti molto umidi, si riduca il carico di sicurezza di 1/3 se il legname non è stagionato, riduzione di 1/3 per elementi inflessi, con carico costante nel tempo, riduzione di 1/3 per le strutture sottoposte a carichi ripetuti riduzione del 40%. Carichi di sicurezza 12