LEGNO: caratteristiche fisiche e meccaniche

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1 LEGNO: caratteristiche fisiche e meccaniche Alessandra Marini Università di Bergamo [email protected]

2 LEGNO Le prestazioni meccaniche del legno sono intimamente connesse all origine naturale del materiale La fibra legnosa può essere assimilata ad un composito con MATRICE (lignina) in cui sono disposti gli ELEMENTI FIBROSI ad alta resistenza meccanica (microfobrille) disposti parallelamente all asse delle fibre. 2

3 LEGNO STRUTTURA INTERNA Ref. [1] 3

4 LEGNO 4

5 LEGNO STRUTTURA INTERNA 5 Ref. [1]

6 LEGNO STRUTTURA INTERNA Ref. [5]

7 LEGNO CONIFERE E LATIFOGLIE Legno di conifera (pino) Legno di latifoglia (quercia) Ref. [3] Proprietà del materiale in funzione degli anelli di accrescimento: Conifera: anello ampio + legno primaverile materiale cedevole Latifoglia: anello ampio + legno tardivo materiale + resistente 7

8 LEGNO CONIFERE E LATIFOGLIE Legno primaverile Legno autunnale Conifera: pino marittimo Latifoglia: rovere Individuazione specie: colore, sezione e fianchi del segato con valutazione 8 della conformazione degli anelli di accrescimento.

9 LEGNO MATERIALE CON DIFETTI - Nodi (rami rimasti inclusi) - Cipollature (fessure anulari) - Deviazione fibrature (spiralate o torte a causa del vento) - Fessure da ritiro (per riduzione di umidità) - Tasche di resina (cavità schiacciate tra due anelli) Ref. [2]

10 LEGNO MATERIALE CON DIFETTI - Nodi (rami rimasti inclusi) - Cipollature (fessure anulari) - Deviazione fibrature (spiralate o torte a causa del vento) - Fessure da ritiro (per riduzione di umidità) - Tasche di resina (cavità schiacciate tra due anelli) Ref. [2] Ref. [5]

13 LEGNO CLASSIFICAZIONE Classificazione a vista (UNI EN 518) - dimensione e distribuzione nodi, cipollature, smussi e deformazioni - densità, spessore degli anelli, inclinazione fibratura Classificazione a macchina (UNI EN 519) - massa volumica - modulo di elasticità - ispezione a vista supplementare Ref. [3] 13

14 LEGNO CLASSIFICAZIONE Eseguendo prove su numerosi campioni di legno della stessa specie e provenienza si ottiene grande dispersione dei risultati. È allora fondamentale selezionare gli elementi migliori da quelli peggiori. In particolare si possono differenziare i campioni: peggiori (a), intermedi (b), migliori (c). 14

15 PROPRIETA DEL MATERIALE Per gli impieghi strutturali il legno offre: + Ottimo rapporto Resistenza/Peso specifico + Strutture leggere = buone prestazioni in zona sismica + Buona resistenza al fuoco +/- Resistenza funzione della durata del carico Si devono tuttavia considerare: - Variabilità delle resistenze anche per la stessa specie legnosa - Materiale ortotropo: proprietà meccaniche funzione dell orientazione delle fibre - Materiale igroscopico: risente di DMC e T, UR - Materiale fortemente viscoso: deformazione prodotta dai carichi permanenti cresce nel tempo - Durabile solo se ben protetto - Difficoltosa realizzazione delle giunzioni 15

16 PROPRIETA DEL MATERIALE Ottimo rapporto Resistenza (R w )/Massa volumica (r w ) Strutture leggere = Buone prestazioni in zona sismica Legno di conifera vs calcestruzzo: r w = 500 kg/mc (1/5 r cls ) resistenze paragonabili (il legno offre resistenza anche a trazione) R w / r w 5 (R cls / r cls ) R s / r s A parità di luci, carichi e schema statico: le sezioni di legno di hanno dimensioni paragonabili a quelle delle strutture in c.a., ed una massa totale paragonabile a quella della corrispondente struttura in acciaio. Modulo elastico E w = MPa = 1/3 E cls 16

17 PROPRIETA DEL MATERIALE Buona resistenza al fuoco: il legno è un materiale combustibile; tuttavia le strutture di legno possiedono resistenza e risultano meno vulnerabili al fuoco rispetto alle quelle di acciaio o di calcestruzzo armato. Ref. [5] - Il legno brucia lentamente, la carbonizzazione procede dall esterno verso l interno della sezione. - Il legno non carbonizzato è efficiente dal punto di vista meccanico anche se la sua temperatura è aumentata; - la perdita di efficienza di una struttura di legno avviene per riduzione della sezione e non per decadimento delle caratteristiche meccaniche.

18 PROPRIETA DEL MATERIALE Buona resistenza al fuoco: il legno è un materiale combustibile; tuttavia le strutture di legno possiedono resistenza e risultano meno vulnerabili al fuoco rispetto alle quelle di acciaio o di calcestruzzo armato. Legno di conifera esposto al fuoco su tre lati: la porzione centrale è ancora integra Ref. [5]

19 PROPRIETA DEL MATERIALE RESISTENZA FUNZIONE DELLA DURATA DEL CARICO + resistenza funzione della durata del carico + migliori prestazioni per carichi dinamici - meno performante per carichi statici di lunga durata La resistenza del materiale varia al variare in funzione della durata del carico: se ne tiene conto considerando la CLASSE di DURATA DEL CARICO 19

20 PROPRIETA DEL MATERIALE MATERIALE ORTOTROPO Proprietà meccaniche funzione dell orientazione delle fibre Direzioni principali rispetto all orientazione delle fibre: - parallela alle fibre // - longitudinale (L) - ortogonale alle fibre - radiale (R ) - tangenziale (T o C) Ref. [3] 20

21 PROPRIETA DEL MATERIALE Modello cannucce affiancate: Compressione // e Trazione // e alle fibre Taglio Ref. [2] MATERIALE ORTOTROPO fibre - Le resistenze in direzione alle fibre sono molto più basse di quelle in direzione //. - Le verifiche devono essere svolte separatamente per le tensioni agenti nelle due direzioni ortogonali principali. - Occorre comunque tener conto dell inclinazione delle tensioni rispetto alla direzione delle fibre. - Le tensioni di trazione alla fibre sono da evitare. Qualora non si possano evitare, vanno considerate con attenzione e mantenute a valori molto bassi (ex: travi curve, a doppia rastremazione, fori, intagli agli appoggi).

22 PROPRIETA DEL MATERIALE 22

23 PROPRIETA DEL MATERIALE MATERIALE ORTOTROPO Legno NETTO (piccole dimensioni, scevre da difettosità) di conifera: Effetto SCALA (a) resistenza a trazione // e (b) a compressione // alle fibre; (c) resistenza a trazione e (d) a compressione alle fibre. Ref. [1] 23

24 PROPRIETA DEL MATERIALE INFLUENZA DELLE DIMENSIONI DEGLI ELEMENTI Legno per OPERE STRUTTURALI (incremento dimensioni) perdita di duttilità e resistenza. Ref. [1] 24 Ref. [5]

25 PROPRIETA DEL MATERIALE INFLUENZA DELLE DIMENSIONI DEGLI ELEMENTI Ref. [1] Legno massiccio: caratteristiche meccaniche in funzione delle dimensioni dell elemento strutturale. Resistenza a trazione e compressione apparente e duttilità penalizzate per la presenza dei nodi e difetti in generale. La NT2008 fa riferimento a un legame costitutivo elastico lineare fino a rottura. 25

26 PROPRIETA DEL MATERIALE MATERIALE IGROSCOPICO - Il materiale risente delle variazioni igrotermiche stagionali 6% (ANIDRO) < MC < < 22% (VERDE) condizioni standard: T=20 C, UR=65% MC=12% 26

27 Contenuto d acqua, MC [%] PROPRIETA DEL MATERIALE MATERIALE IGROSCOPICO - Condizioni di equilibrio igroscopico Umidità relativa ambientale [%] Ref. [1] 27

28 PROPRIETA DEL MATERIALE MATERIALE IGROSCOPICO - Variazioni d acqua si traducono nella formazione di fenditure: a L = % a R = % a T = % Materiale stagionato Materiale NON stagionato NB: Le dilatazioni termiche sono poco rilevanti se confrontate con le variazioni dimensionali indotte da variazioni di MC. 28

29 PROPRIETA DEL MATERIALE MATERIALE IGROSCOPICO a L = % Ref [3] a R = % a T = % Poiché la contrazione tangenziale a T è maggiore di quella radiale a R, la distorsione subita dall elemento strutturale sarà differente in funzione del punto di prelievo Ref. [5] 29

30 PROPRIETA DEL MATERIALE MATERIALE IGROSCOPICO DV DVˆ (MC) u ˆ u (MC) E Ê(MC) Ref. [1] 30

31 PROPRIETA DEL MATERIALE MATERIALE IGROSCOPICO Resistenza funzione del contenuto d acqua (oltre che dell orientazione delle fibre e della durata del carico) Ref. [1] Ref. [3] La resistenza del materiale varia al variare del contenuto d acqua (MC): se ne tiene conto considerando la CLASSE di SERVIZIO 31

32 PROPRIETA DEL MATERIALE VISCOSITÀ Deformazione prodotta a lungo termine dai carichi permanenti. NB: Il legno non ha memoria : soggetto a significative variazioni del contenuto d acqua, la deformazione riparte come su materiale vergine. 32

33 PROPRIETA DEL MATERIALE VISCOSITÀ Se il legno è sollecitato a tensioni inferiori alla metà dei limiti consentiti da normativa, il problema della viscosità è meno rilevante. Ref. [3] se g se g il legno risente poco della viscosità grandi deformazioni viscose: possibili danni a divisori e pavimenti fragili. 33

34 PROPRIETA DEL MATERIALE VISCOSITÀ Se il legno è sollecitato a tensioni inferiori alla metà dei limiti consentiti da normativa, il problema della viscosità è meno rilevante. Per contenere la deformazione viscosa è consigliabile limitare gli sforzi in esercizio prodotti dai carichi permanenti. Il concetto, ripreso dalle Regles francesi, NON viene considerato dalle NT2008! se g se g Ref. [3] NB. Problema della viscosità delle connessioni che vedono la concentrazione degli sforzi! il legno risente poco della viscosità grandi deformazioni viscose: possibili danni a divisori e pavimenti fragili. La massima sollecitazione in esercizio può essere scelta in funzione della destinazione d uso e del sito (ex. Il carico da neve in montagna è carico permanente) 34

35 IL LEGNO NELLE STRUTTURE ESISTENTI 35

36 COPERTURE 36

37 COPERTURE 37

38 COPERTURE

39 COPERTURE nodo tra puntoni e monaco particolare dell appoggio nodo tra saettoni e monaco nodo tra saettoni e puntoni

40 IMPALCATI

41 CATENE 41

42 LEGNO E MATERIALI A BASE DI LEGNO

43 LEGNO e materiali a base di legno LEGNO MASSICCIO Ref [6] Ref [1]

44 LEGNO e materiali a base di legno LEGNO LAMELLARE Elementi costituiti da segati sovrapposti o affiancati (spessore in genere <50mm) che vengono uniti per mezzo di adesivi in grado di garantire resistenza e durabilità Elemento di trave lignea con difetto e sua ricomposizione casuale

45 LEGNO e materiali a base di legno LEGNO LAMELLARE Realizzazione di elementi a sezione variabile e/o curvi Giunti a dita Ref. [6]

46 LEGNO e materiali a base di legno CROSS LAMINATED PANELS (XLAM) Sono un estensione bidimensionale delle travi in legno lamellare. I pannelli sono ottenuti sovrapponendo incrociati e incollando diversi strati di assi di legno, in genere abete rosso. La disposizione incrociata delle lamelle longitudinali e trasversali permette di ridurre a valori trascurabili i fenomeni di rigonfiamento e ritiro del pannello, aumentandone notevolmente la resistenza statica e la stabilità dimensionale. Si possono raggiungere dimensioni notevoli: 3m x 16m con spessori di 250mm Diversamente dalle travi in legno lamellare, le tavole sovrapposte sono disposte perpendicolarmente una all altra. Le tavole possono essere incollate o giuntate con connettori metallici.

47 TIPOLOGIE STRUTTURALI Ref. [6]

48 LEGNO e materiali a base di legno MICROLAMELLARE O LAMINATED VENEER LUMBER (LVL) Sono ottenuti incollando fogli di legno di spessore compreso tra 2 e 4mm ottenuti mediante una sfogliatrice da tronchi ammorbiditi a vapore. Si possono ottenere elementi strutturali con buone proprietà perché i difetti sono piccoli e sparsi in tutto il volume. I difetti sono così un problema meno critico rispetto al legno massiccio. Ref. [6]

49 LEGNO e materiali a base di legno PLYWOOD (Legno compensato) Simile a LVL, ma i fogli sovrapposti vengono disposti in maniera che l andamento delle fibre di ognuno sia perpendicolare a quello del successivo. Nella disposizione incrociata, il limitato rigonfiamento longitudinale di un foglio impedisce il rigonfiamento nel piano trasversale dei fogli adiacenti (da cui l espressione compensato). Le caratteristiche del pannello dipendono dalla specie legnosa, ma anche dallo spessore e dal numero di fogli. A differenza del LVL, Il Plywood presenta caratteristiche meccaniche nel piano confrontabili nelle due direzioni. E principalmente usato per elementi piani, come impalcati e pareti portanti. Ref. [6]

50 LEGNO e materiali a base di legno PANNELLI DI FIBRE o PARTICELLE OSB Oriented Strand Board Costituiti da particelle/scaglie lunghe nella direzione della fibratura, da 100 a 150mm, larghe da 6 a 50mm e spesse 0.38 a 0.7mm MDF Medium Density Fibreboard (elementi non strutturali) Il legno viene disaggregato in fibre o particelle di piccole dimensioni

51 DURABILITÀ In relazione alla classe di servizio della struttura e alle condizioni di carico, dovrà essere predisposto in sede progettuale un programma delle operazioni di manutenzione e di controllo da effettuarsi durante l esercizio della struttura. Adottare nel progetto idonei provvedimenti per la protezione dei materiali. Protezione delle testate delle travi. Evitare contatto con materiali umidi. Applicazione di protettivi. DURABILITA 51

52 DURABILITA Funghi cromogeni: penetrano nel legno dove si nutrono di sostanze che si insediano nei raggi midollari dell'alburno di latifoglie e di conifere. Impartiscono al legno una colorazione blu nerastra. Non influenzano le proprietà meccaniche del legno ma riducono il suo valore commerciale. Si insediano su legno molto umido (MC > 30%). I funghi da carie demoliscono i costituenti principali della parete cellulare del legno. Un legno presenta modificazioni nel colore e nelle proprietà chimiche, fisiche e meccaniche. Riguardo al colore il legno può diventare chiaro (caso di carie bianca che attacca la lignina) oppure più scuro (carie bruna che attacca la cellulosa). Il legno attaccato diventa più leggero, può presentare fessurazioni sia in senso longitudinale che trasversale, diventare friabile al tatto o può disgregarsi in lamelle verticali. Attacchi da funghi da carie si riscontrano prevalentemente in travi di sotto tetti, a causa di infiltrazioni di acqua che hanno reso il legno idoneo allo sviluppo di questi organismi. 52

53 DURABILITA Gli insetti che si nutrono di legno vengono indicati come xilofagi. I più comuni sono: Tarlo (Capricorno delle case Coleotteri): Le larve svolgono la loro attività in gallerie di grosso diametro all interno del manufatto, a qualche cm dalla superficie. Se ne riconosce la presenza dalla comparsa di rosume attorno a fori di sfarfallamento perfettamente circolari. In alcuni casi il rosume rimane all interno delle gallerie, che si intasano. Il legno molto indebolito è in grado di spezzarsi e sbriciolarsi anche sotto l effetto di una minima pressione Termiti (Isotteri): Ataccano il legno primaverile. L attacco termitico viene di solito avvertito in ritardo poichè questi insetti, che rifuggono la luce, attaccano tutta la sezione del legno risparmiando la pellicola superficiale. 53