Marco Boscolo Bielo LA PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE IN LEGNO

Marco Boscolo Bielo LA PROGETTAZIONE DELLE STRUTTURE IN LEGNO 1 a Edizione - Luglio 2014

Ringraziamenti Non nova sed nove L Autore desidera ringraziare: Concrete s.r.l. e in particolare l Ing. Luigi Nulli; Ternaria s.r.l. e in particolare l Ing. Enrico Nespolo; Rotho Blaas s.r.l. e in particolare l Ing. Franco Moar. Marco Boscolo Bielo è nato a Sottomarina di Chioggia (VE) il 27 Luglio 1967. Si è laureato con lode in Architettura presso lo IUAV di Venezia nel 1993. Nello stesso anno inizia a collaborare alla didattica nella Facoltà di Architettura di Venezia in qualità di assistente per diverse aree del settore della tecnica delle costruzioni. È autore di numerosi articoli in riviste specializzate nel settore dell Architettura e dell Ingegneria e si dedica alla stesura manuali tecnici e libri di storia dell architettura tecnica. Ha partecipato a convegni a livello nazionale e internazionale (IASS 96, XI-XII CTE, XVI BIBM, XV ANIDIS). Svolge attività di libero professionista nel campo della progettazione antisismica, architettonica, strutturale e nel restauro. Ha effettuato numerose docenze in relazione alle norme tecniche antisismiche, al restauro conservazione manutenzione di materiali edilizi storici, presso Università, Enti Pubblici e Privati, Ordini Professionali e per conto di Legislazione Tecnica e ANIAI. Per Legislazione Tecnica ha pubblicato inoltre: Progettazione Strutturale - Significato e prassi della nuova normativa antisismica (2010); Costruzioni antisismiche in muratura ordinaria e armata (2011); Crollo e ricostruzione del Campanile di San Marco (2012); Interventi su edifici esistenti Responsabilità dei progettisti, Diagnostica, Tecniche di progettazione (2012). Vulnerabilità sismica degli edifici industriali (2012); Vulnerabilità sismica degli edifici storici (2013); Progettazione antisismica con le NTC (2013). Copyright Legislazione Tecnica 2014 La riproduzione, l adattamento totale o parziale, la riproduzione con qualsiasi mezzo, nonché la memorizzazione elettronica, sono riservati per tutti i paesi. Finito di stampare nel mese di luglio 2014 da Stabilimento Tipolitografico Ugo Quintily S.p.A. Viale Enrico Ortolani 149/151 - Zona industriale di Acilia - 00125 Roma Legislazione Tecnica S.r.L. 00144 Roma, Via dell Architettura 16 Servizio Clienti Tel. 06/5921743 Fax 06/5921068 servizio.clienti@legislazionetecnica.it Portale informativo: www.legislazionetecnica.it Shop: ltshop.legislazionetecnica.it Il contenuto del testo è frutto dell esperienza dell Autore, di un accurata analisi della normativa e del contesto tecnico-scientifico di riferimento. Le opinioni contenute nel testo sono quelle dell Autore, in nessun caso responsabile per il loro utilizzo. Il lettore utilizza il contenuto del testo a proprio rischio, ritenendo indenni l Autore e l Editore da qualsiasi pretesa risarcitoria.

INDICE PREMESSA.................................................. 13 1. IL LEGNO NATURALE...................................... 15 1.1 Cenni sulle caratteristiche del legno naturale.............. 15 1.2 Conifere e Latifoglie................................... 21 1.3 Idealizzazione del materiale............................. 23 1.4 Il legno in natura e alcune caratteristiche meccaniche...... 25 1.5 Tipi di legname....................................... 27 1.5.1 Abete Bianco.................................... 28 1.5.1.1 Caratteristiche fisiche....................... 28 1.5.1.2 Resistenze e moduli elastici................. 29 1.5.2 Abete Rosso.................................... 31 1.5.2.1 Caratteristiche fisiche....................... 31 1.5.2.2 Resistenze e moduli elastici................. 32 1.5.3 Larice.......................................... 33 1.5.3.1 Caratteristiche fisiche....................... 33 1.5.3.2 Resistenze e moduli elastici................. 34 1.5.4 Pino Silvestre.................................... 36 1.5.4.1 Caratteristiche fisiche....................... 36 1.5.4.2 Resistenze e moduli elastici................. 37 1.5.5 Castagno....................................... 39 1.5.5.1 Caratteristiche fisiche....................... 39 1.5.5.2 Resistenze e moduli elastici................. 39 1.5.6 Ontano......................................... 40 1.5.6.1 Caratteristiche fisiche....................... 40 1.5.6.2 Resistenze e moduli elastici................. 41 1.5.7 Rovere......................................... 42 1.5.7.1 Caratteristiche fisiche....................... 42 1.5.7.2 Resistenze e moduli elastici................. 42 1.5.8 Tabella riassuntiva dei parametri meccanici di varie essenze legnose............................ 43 1.5.9 Tabella di parametri meccanici di varie essenze legnose applicabili nel caso di utilizzo di tensioni ammissibili...................................... 46 3

2. LEGNO STRUTTURALE MASSICCIO.......................... 47 2.1 Generalità............................................ 47 2.2 Utilizzo di materiali e prodotti a base di legno............. 48 2.3 Parametri che influenzano il comportamento strutturale del legno massiccio................................... 49 2.3.1 I nodi e la deviazione della fibratura................ 50 2.3.2 Inclinazione della fibratura......................... 51 2.3.3 Massa volumica................................. 52 2.3.4 Conformazione degli anelli di accrescimento......... 53 2.3.5 Fessurazioni longitudinali da ritiro................... 53 2.3.6 Cipollatura...................................... 54 2.3.7 Conformazione del midollo e del legno giovanile...... 55 2.3.8 Legno di reazione................................ 55 2.3.9 Deformazioni.................................... 56 2.3.10 Degrado e lesioni............................... 57 2.3.11 Tabelle riassuntive di valutazione della classificazione secondo UNI 11035.............................. 57 2.4 Definizione dei parametri meccanici...................... 62 2.5 Il fattore k h........................................... 64 2.6 Classificazione........................................ 64 3. LEGNO LAMELLARE INCOLLATO............................ 69 3.1 Generalità............................................ 69 3.2 Il sistema di certificazione.............................. 70 3.3 La classificazione...................................... 71 3.4 Il fattore k h........................................... 73 3.5 Giunti a dita o a pettine............................... 74 3.6 Cenni sui collanti o adesivi............................. 75 4. PRODOTTI STRUTTURALI A BASE DI LEGNO................. 77 4.1 Legno tipo bilama o trilama............................. 77 4.2 Pannelli OSB......................................... 79 4.3 Pannelli di compensato................................. 82 4.4 Pannelli di legno massiccio............................. 85 4.5 Pannelli di fibre....................................... 86 4

5. PROCEDURE DI QUALIFICAZIONE E ACCETTAZIONE........... 89 5.1 Generalità............................................ 89 5.2 Oneri del Direttore dei Lavori............................ 90 5.3 Disposizioni specifiche per prodotti strutturali in legno o a base di legno..................................... 90 5.4 Identificazione e rintracciabilità dei prodotti................ 91 5.5 Forniture e documentazione di accompagnamento.......... 92 5.6 Prodotti provenienti dall estero........................... 92 6. LA SICUREZZA STRUTTURALE CON IL METODO SEMIPROBABILISTICO AGLI STATI LIMITE..................... 93 6.1 Considerazioni preliminari............................... 93 6.2 Modelli di valutazione della sicurezza..................... 95 6.3 Gli stati limite......................................... 98 6.4 Stati Limite di Esercizio (SLE)........................... 100 6.5 Stati Limite Ultimi (SLU)................................ 100 6.6 Valutazione della sicurezza.............................. 101 6.7 Le azioni elementari................................... 102 6.8 Combinazioni di carico................................. 104 6.9 Coefficienti parziali da assumere nelle azioni agli SLU...... 106 6.10 Coefficienti parziali da assumere per i materiali............ 107 6.11 Valori dei parametri meccanici di progetto................ 107 6.12 Classi di durata e carichi di servizio..................... 110 6.13 Classi di servizio...................................... 111 6.14 Ipotesi per le verifiche agli stati limite.................... 112 6.14.1 Stati Limite di Esercizio........................... 112 6.14.2 Stati Limite Ultimi................................ 112 7. TRAZIONE E COMPRESSIONE............................... 115 7.1 Generalità............................................ 115 7.2 Trazione parallela alla fibratura.......................... 117 7.3 Trazione perpendicolare alla fibratura..................... 120 7.4 Compressione parallela alla fibratura..................... 121 5

7.5 Compressione perpendicolare alla fibratura................ 121 7.6 Compressione inclinata rispetto alla fibratura............... 125 8. FLESSIONE, TENSOFLESSIONE, PRESSOFLESSIONE........... 127 8.1 Generalità............................................ 127 8.1.1 Flessione retta e deviata allo SLU.................. 128 8.1.2 Tensoflessione retta e deviata allo SLU.............. 133 8.1.3 Pressoflessione retta e deviata allo SLU.............. 135 8.2 Verifiche di freccia per gli SLE.......................... 135 8.2.1 Generalità....................................... 135 8.2.2 Valutazione dei moduli elastici (E, G) a tempo infinito. 135 8.2.3 Deformazioni istantanee e deformazioni a lungo termine.................................. 137 8.2.4 Limiti di freccia.................................. 139 8.2.5 Esempi di calcolo di frecce....................... 140 9. TAGLIO E TORSIONE...................................... 145 9.1 Generalità............................................ 145 9.2 Verifica a taglio per SLU............................... 146 9.3 Torsione.............................................. 148 9.4 Taglio e torsione...................................... 151 10. INSTABILITÀ EULERIANA E FLESSO TORSIONALE.............. 153 10.1 Concetti base relativi all instabilità per carico di punta...... 153 10.2 Verifiche a compressione per aste tozze.................. 157 10.3 Verifiche di instabilità per carico di punta di aste snelle..... 159 10.4 Cenni sull instabilità flesso torsionale...................... 162 10.4.1 Il momento critico M cr............................ 162 10.4.2 Lunghezza libera di inflessione Leff per instabilità flesso-torsionale................................. 165 10.4.3 Tensione critica di flessione sm,crit di instabilità flesso-torsionale................................. 166 10.5 Verifiche di instabilità flesso torsionale.................... 167 10.6 Instabilità di elementi soggetti a presso-flessione deviata.... 170 10.7 Instabilità di elementi soggetti a presso-flessione retta...... 171 6

11. COLLEGAMENTI........................................... 172 11.1 Generalità............................................ 172 11.2 Tipologie............................................. 172 11.2.1 Nodi di carpenteria.............................. 172 11.2.2 Chiodi......................................... 173 11.2.3 Bulloni......................................... 175 11.2.4 Viti............................................ 177 11.2.5 Spinotti........................................ 178 11.2.6 Anelli e caviglie................................. 180 11.2.7 Piastre dentate.................................. 181 11.2.8 Cambrette o graffe.............................. 182 11.3 Resistenza dei collegamenti di carpenteria................ 182 11.4 Resistenza dei collegamenti con mezzi di unione metallica a gambo cilindrico.................................... 185 11.4.1 Piani di taglio................................... 185 11.4.2 Meccanismi di rottura fragile...................... 186 11.4.3 Cenni sulla teoria di Johansen..................... 187 11.4.4 Capacità portante di unioni legno-legno e pannello-legno................................ 188 11.4.4.1 Collegamenti con un piano di taglio......... 188 11.4.4.2 Collegamenti con due piani di taglio........ 190 11.4.5 Resistenza al rifollamento e momento di snervamento del connettore.................................. 190 11.4.6 Capacità portante di unioni acciaio-legno........... 192 11.4.6.1 Collegamenti con un piano di taglio......... 192 11.4.6.2 Collegamenti con due piani di taglio........ 193 11.4.6.3 Collegamenti con più di due piani di taglio.. 195 11.4.7 Effetto fune..................................... 195 11.4.8 Unioni con chiodi................................ 196 11.4.8.1 Chiodi caricati lateralmente................ 196 11.4.8.1.1 Preforatura, momento di snervamento e resistenza a rifollamento........ 196 11.4.8.1.2 Disposizioni di serie di chiodi..... 198 11.4.8.1.3 Connessioni legno-legno con chiodi 199 11.4.8.1.4 Connessioni pannello-legno con chiodi 202 11.4.8.1.5 Connessioni acciaio-legno con chiodi 203 11.4.8.2 Chiodi caricati assialmente................. 203 11.4.8.3 Chiodi caricati sia lateralmente sia assialmente 205 7

11.4.9 Unioni con cambrette............................ 205 11.4.10 Unioni con bulloni.............................. 207 11.4.10.1 Generalità su bulloni e rondelle.......... 207 11.4.10.2 Bulloni caricati lateralmente.............. 208 11.4.10.2.1 Connessioni legno-legno con bulloni: momento di snervamento, resistenza a rifollamento, numero efficace............. 208 11.4.10.2.2 Connessioni pannello-legno con bulloni: resistenza a rifollamento 210 11.4.10.2.3 Connessioni acciaio-legno con bulloni.................. 210 11.4.10.3 Bulloni caricati assialmente.............. 210 11.4.11 Unioni con spinotti.............................. 211 11.4.12 Unioni con viti................................. 211 11.4.12.1 Generalità............................. 211 11.4.12.2 Viti caricate lateralmente................ 212 11.4.12.3 Viti caricate assialmente................. 212 11.4.12.4 Viti caricate sia lateralmente che assialmente 215 11.5 Mezzi di unione multipli e numero efficace................ 215 11.6 Forze di connessione inclinate rispetto alla fibratura........ 216 11.7 Forze di connessione alternate.......................... 218 11.8 Connessioni con mezzi di unione a piastra metallica punzonata............................................ 218 11.8.1 Generalità: geometria e parametri di resistenza della piastra.................................... 218 11.8.2 Resistenza di ancoraggio della piastra.............. 220 11.8.3 Verifica di resistenza della connessione............. 220 11.8.3.1 Capacità di ancoraggio della piastra........ 220 11.8.3.2 Capacità della piastra..................... 222 11.9 Connettori ad anello e caviglie.......................... 223 11.10 Connettori a piastra dentata............................ 227 11.11 Rigidezza dei giunti e valori di K ser..................... 230 11.12 Collegamenti con elementi di acciaio incollati............. 232 11.12.1 Generalità..................................... 232 11.12.2 Resistenza di collegamenti con barre incollate...... 232 11.12.2.1 Generalità............................. 232 8

11.12.2.2 Collegamenti con barre soggette a sollecitazione parallela al proprio asse.... 232 11.12.2.3 Collegamenti con barre soggette a sollecitazione tagliante.................. 236 11.12.2.4 Verifiche di esercizio per barre incollate sollecitate a taglio...................... 239 11.12.2.5 Collegamenti con barre soggette a sollecitazioni combinate................. 239 11.12.3 Resistenza di connessioni con piastre metalliche incollate....................................... 240 11.12.3.1 Generalità............................. 240 11.12.3.2 Resistenza caratteristica................. 240 11.12.4 Disposizioni costruttive.......................... 240 11.13 Rottura a taglio nel legno e nello spinotto in connessioni multiple acciaio-legno del tipo a spinotto................. 241 11.14 Disposizioni costruttive dei collegamenti previste dall Eurocodice 8..................................... 243 12. CRITERI PER LA PROGETTAZIONE ANTISISMICA.............. 245 12.1 L accelerazione sismica attesa al suolo................... 245 12.2 Spettro di risposta elastico in accelerazione............... 248 12.3 Sistemi piani ad un grado di libertà...................... 250 12.4 Spettro di risposta per lo stato limite ultimo e fattore di struttura q................................. 252 12.5 Sistemi ad n gradi di libertà............................ 253 12.6 L impalcato infinitamente rigido.......................... 256 12.7 La regolarità delle costruzioni........................... 257 12.7.1 Generalità...................................... 257 12.7.2 Regolarità in pianta.............................. 258 12.7.3 Regolarità in altezza............................. 258 12.7.4 Precisazioni della Circolare 617/09 sulla regolarità... 259 12.8 La duttilità strutturale................................... 259 12.9 Considerazioni sul comportamento isteretico dei collegamenti con mezzi metallici..................... 262 12.10 Classi di duttilità e regole per i materiali................. 264 12.11 Tipologie strutturali e fattori di struttura.................. 266 12.12 Analisi strutturale..................................... 268 9

12.13 Disposizioni costruttive................................ 268 12.13.1 Generalità.................................... 268 12.13.2 Disposizioni costruttive per i collegamenti......... 268 12.13.3 Disposizioni costruttive per gli impalcati........... 268 12.14 Verifiche di sicurezza................................. 269 12.15 Regole di dettaglio................................... 269 12.15.1 Disposizioni costruttive per i collegamenti......... 269 12.15.2 Disposizioni costruttive per gli impalcati........... 270 12.15.3 Altezza massima dei nuovi edifici................ 270 12.16 Fondazioni.......................................... 270 13. ANALISI SISMICHE........................................ 272 13.1 Tipi di analisi......................................... 272 13.1.1 Generalità...................................... 272 13.1.2 Analisi lineare dinamica.......................... 272 13.1.3 Analisi lineare statica............................. 273 13.1.4 Analisi non lineare statica......................... 273 13.2 Generalità e ipotesi di base per l applicazione dell analisi lineare statica............................... 273 13.3 Esempio di analisi lineare statica........................ 276 13.3.1 Descrizione della struttura......................... 276 13.3.2 Caratteristiche della costruzione e del sito di riferimento................................... 278 13.3.3 Determinazione del periodo proprio di vibrazione T 1.. 279 13.3.4 Determinazione del fattore di struttura.............. 279 13.3.5 Diagrammi degli spettri di risposta orizzontali........ 279 13.3.5.1 Spettro di risposta elastico................ 279 13.3.5.2 Spettro di progetto in accelerazione per SLD. 281 13.3.5.3 Spettro di progetto in accelerazione per SLV. 282 13.3.6 Carichi verticali.................................. 283 13.3.7 Valutazione dell azione sismica (tagliante di base).... 284 14. ELEMENTI STRUTTURALI PARTICOLARI...................... 287 14.1 Travi rastremate....................................... 287 14.2 Travi a semplice rastremazione.......................... 291 14.3 Travi a doppia rastremazione............................ 293 14.4 Travi curve........................................... 296 10

14.5 Travi centinate........................................ 299 14.6 Travi composte a T.................................. 304 14.6.1 Generalità...................................... 304 14.6.2 Connessione a rigidezza nulla..................... 305 14.6.3 Connessione a rigidezza infinita.................... 306 14.6.4 Connessione a rigidezza finita (semirigida).......... 309 14.7 Solai composti legno-calcestruzzo........................ 312 14.7.1 Generalità...................................... 312 14.7.2 Profondità di infissione dei connettori............... 315 14.7.3 Resistenza e rigidezza di connessioni realizzate con denti di calcestruzzo......................... 316 14.7.4 Deformabilità della trave mista legno-calcestruzzo.... 317 14.8 Solai composti legno-legno............................. 317 14.9 Travi a I o ad H................................... 318 14.10 Efficienza dei connettori............................... 320 14.11 Travi incollate ad I.................................. 320 14.11.1 Travi incollate con anima sottile.................. 320 14.11.2 Travi incollate con ali sottili...................... 323 14.12 Vibrazioni nei solai................................... 325 14.12.1 Generalità.................................... 325 14.12.2 Frequenza fondamentale di solaio a pianta rettangolare................................... 325 14.12.3 Verifiche...................................... 326 14.12.4 Determinazione della velocità di risposta all impulso unitario............................. 327 14.13 Colonne composte.................................... 328 14.13.1 Generalità.................................... 328 14.13.2 Colonne composte da elementi non divaricati...... 328 14.13.2.1 Ipotesi di base....................... 328 14.13.2.2 Verifiche............................. 329 14.13.3 Colonne composte da elementi divaricati.......... 331 14.13.3.1 Ipotesi di base....................... 331 14.13.3.2 Parametri geometrici relativi alle sezioni resistenti 333 14.13.3.3 Verifiche............................. 334 14.13.3.4 Azioni sui mezzi di unione, sui distanziali e sui calastrelli....................... 336 14.14 Colonne a traliccio................................... 336 11

14.14.1 Ipotesi di base................................ 336 14.14.2 Capacità portante.............................. 338 14.14.3 Forze di taglio................................ 339 14.15 Elementi di controventamento compressi................. 340 14.15.1 Generalità.................................... 340 14.15.2 Forza stabilizzante minima per appoggi intermedi... 340 14.15.3 Rigidezza minima dei supporti intermedi.......... 342 14.15.4 Controventatura di sistemi di travi e/o capriate..... 345 15. ROBUSTEZZA E DURABILITÀ............................... 348 15.1 Robustezza........................................... 348 15.2 Durabilità............................................ 349 15.2.1 Requisiti di durabilità naturale dei materiali derivati dal legno...................................... 349 15.2.2 Resistenza alla corrosione........................ 350 APPENDICE A: ELENCO NORME UNI ED EUROCODICI............ 351 APPENDICE B: LINEE GUIDA DEL CONSIGLIO SUPERIORE DEI LAVORI PUBBLICI 13 MARZO 2012............... 355 APPENDICE C: ESEMPIO DI DICHIARAZIONE DI PRESTAZIONE..... 367 BIBLIOGRAFIA ESSENZIALE.................................... 368 12

PREMESSA In questo volume sono riportati i principi di calcolo e progettazione di strutture realizzate in legno e con prodotti a base di legno. L attuale normativa tecnica a disposizione del progettista offre una molteplicità di fonti che spesso possono renderlo incerto su quale sia la più opportuna da applicare. A volte i contenuti si discostano a seconda che ci si riferisca: agli Eurocodici, alle NTC, alle Istruzioni del CSLLPP o del CNR e via dicendo. Allo stato attuale le costruzioni in legno sono normate dal DM 14.01.08 Norme Tecniche per le Costruzioni (NTC), in vigore dal luglio 2009. Guardando la consistenza delle informazioni contenute in questo documento, per quanto concerne la parte dedicata alle strutture in legno, rispetto ad altre tipologie quali: calcestruzzo armato, acciaio e murature, balza subito all occhio che la parte relativa al legno è la più esigua, peraltro, mancante di alcune informazioni fondamentali (ad esempio le grandezze caratteristiche di resistenza). Stando così le cose, il ricorso ad altre fonti è indispensabile. Ma quali sono quelle più affidabili o, almeno, quelle più raccomandabili? Per scoprirlo occorre leggere il Capitolo 12 delle NTC, il quale così recita: Per quanto non diversamente specificato nella presente norma, si intendono coerenti con i principi alla base della stessa, le indicazioni riportate nei seguenti documenti: Eurocodici strutturali pubblicati dal CEN, con le precisazioni riportate nelle Appendici Nazionali o, in mancanza di esse, nella forma internazionale EN; Norme UNI EN armonizzate i cui riferimenti siano pubblicati su Gazzetta Ufficiale dell Unione Europea; Norme per prove, materiali e prodotti pubblicate da UNI. Inoltre, in mancanza di specifiche indicazioni, a integrazione delle presenti norme e per quanto con esse non in contrasto, possono essere utilizzati i documenti di seguito indicati che costituiscono riferimenti di comprovata validità: Istruzioni del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici; Linee Guida del Servizio Tecnico Centrale del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici; Linee Guida per la valutazione e riduzione del rischio sismico del patrimonio culturale e successive modificazioni del Ministero per i Beni e le Attività Culturali, come licenziate dal Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici e ss. mm. ii.; 13

Istruzioni e documenti tecnici del Consiglio Nazionale delle Ricerche (C.N.R.). Possono essere utilizzati anche altri codici internazionali, purché sia dimostrato che garantiscano livelli di sicurezza non inferiori a quelli delle presenti Norme Tecniche. Come è possibile notare, non esiste una precisa gerarchia fra le cosidette norme coerenti con i principi e/o di comprovata validità richiamate dal DM 14.01.08, se non quella che quest ultimo sta al di sopra di tutte le altre. Invero, resta al progettista la libertà di scegliere l utilizzo degli altri codici. Pertanto, in questo libro si è voluto offrire uno sviluppo coerente con il quadro generale posto dalla normativa tecnica italiana che vede le disposizioni contenute nelle NTC come preminenti e cogenti, integrandone via via i contenuti laddove queste manifestano carenze. In primo luogo si è scelto di dare priorità alle integrazioni offerte dagli Eurocodici (in particolare l Eurocodice 5: Progettazione delle strutture in legno e L Eurocodice 8: Indicazioni progettuali per la resistenza sismica delle strutture ). Tuttavia non mancano i riferimenti ad altri codici di comprovata validità (comunque sempre esplicitati in modo da rendere consapevole il lettore della fonte da cui si attinge). Questa operazione di sintesi può avere grande utilità, se non altro per il risparmio di tempo di cui l utilizzatore potrà giovarsi, in virtù del fatto che altri al suo posto ha preliminarmente vagliato una grande mole di possibili riferimenti tecnici, selezionandone i contenuti e riorganizzandoli in un modo coerente e consequenziale anche sotto l aspetto teorico e concettuale. Marco Boscolo Bielo 14

1 IL LEGNO NATURALE 1.1 CENNI SULLE CARATTERISTICHE DEL LEGNO NATURALE Il legno è un materiale naturale il cui costituente più importante è la cellulosa. Nella terminologia chimica il suffisso osio, da cui osa, denota uno zucchero, e per l appunto la cellulosa è lo zucchero associato alle cellule vegetali, o meglio alle pareti delle cellule vegetali. Il glucosio viene sintetizzato nelle foglie degli alberi dall azione della luce solare sull acqua e sull anidride carbonica con l aiuto di un catalizzatore: la clorofilla. Il glucosio passa quindi in soluzione attraverso la linfa e viene trasportato nelle zone di crescita della pianta. Lo studio del legno può essere condotto a vari livelli, come indicato in figura 1.1. Figura 1.1 - Vari livelli per lo studio del legno Analizzando una sezione trasversale di un tronco d albero possiamo distinguere varie zone (figura 1.2): la corteccia, divisibile in esterna ed interna (libro); il legno costituente la parte principale con l alburno ed il durame più o meno distinguibili (legno differenziato o indifferenziato), con gli anelli di accrescimento, con i raggi midollari ed altri tessuti; il midollo al centro. 15

Capitolo 1 - Il legno naturale Figura 1.2 - Tronco di legno e rappresentazione delle sezioni trasversale, radiale e tangenziale Com è noto, la crescita della pianta, oltre che in altezza (crescita primaria), avviene anche in direzione radiale del fusto (crescita secondaria), attraverso la generazione di successivi anelli. Nella pianta la zona del cambio, che si trova tra la corteccia e il legno, è riconoscibile solo a livello microscopico ed è responsabile della generazione di nuovi tessuti legnosi verso l interno (xilema), che hanno principalmente funzione di sostegno e di trasporto della linfa grezza dalle radici alla chioma e anche della crescita di tessuti legnosi verso l esterno (corteccia), quest ultima con funzioni di trasporto della linfa elaborata dalla chioma dell albero (corteccia interna o libro o floema), o con funzioni di protezione (corteccia esterna o ritidoma). Con l invecchiamento dell albero si generano l alburno e il durame (figura 1.3). L alburno circonda il durame ed è generalmente più chiaro. L alburno è costituito da cellule vive e fisiologicamente attive la cui ampiezza è molto variabile, inoltre esso è meno durevole e meno resistente del durame rispetto ad alterazioni biologiche indotte da funghi ed insetti. Il durame comprende le zone interne del legno e, pur essendo costituito da cellule morte, assolve a funzioni si sostegno dell albero contribuendo alla rigidezza e alla stabilità. Fondamentalmente si distingue tra: durame differenziato obbligatoriamente: immagazzinamento delle sostanze duramificanti nella parete cellulare (simile ad un impregnamento della parete cellulare - spesso maggior resistenza agli attacchi fungini); durame differenziato facoltativamente: immagazzinamento delle sostanze duramificanti sulla parete cellulare (scarsa resistenza agli attacchi fungini). Oltre alla maggiore durabilità del durame differenziato obbligatoriamente, il durame colorato (differenziato) possiede altre proprietà fisico-meccaniche diverse da quelle dell alburno: è di regola più scuro, più secco, più pesante, più duro e spesso più difficilmente impregnabile. 16

Capitolo 1 - Il legno naturale Figura 1.3 - Differenziazione fra alburno e durame in vari tipi di essenze legnose In figura 1.4 si evidenzia una ulteriore distinzione che viene effettuata all interno dei singoli anelli di accrescimento fra legno primaverile e legno tardivo. Il midollo è il nucleo originario intorno al quale si è sviluppata la pianta ed è formato da un tessuto di cellule di parenchima primario con modeste caratteristiche di resistenza e di curabilità. Molto spesso nel midollo si riscontrano, inoltre, una elevata presenza di nodi e/o fessurazioni e in qualche caso fenomeni di marcescenza. Il legno giovanile, pur essendo costituito da tessuto legnoso (xilema), presenta particolarità anatomiche che lo rendono di minor qualità rispetto al legno normale, vuoi per la minor resistenza meccanica, vuoi per la maggior propensione a subire ritiri longitudinali. Esso è infatti composto da legno tardivo caratterizzato da cellule più corte, una maggiore angolazione delle microfibrille e una minor percentuale di cellulosa. Figura 1.4 - Differenziazione fra legno primaverile e legno tardivo 17

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2 LEGNO STRUTTURALE MASSICCIO 2.1 GENERALITÀ L attuale normativa tecnica 1 definisce le costruzioni a struttura portante lignea facendo la seguente distinzione: Costruzioni di legno strutturale (legno massiccio, segato, squadrato oppure tondo); Costruzioni con prodotti strutturali a base di legno (legno lamellare incollato, pannelli a base di legno). Per segato di legno massiccio si intende un singolo segato ottenuto da un tronco tramite lavorazione meccanica. Non sono compresi in questa definizione i prodotti incollati o assemblati (per esempio legno giuntato a dita sull intera sezione, legno lamellare, prodotti tipo bilama e trilama, pannelli di tavole incollate o assemblate con unioni meccaniche). Gli elementi strutturali così ottenuti appartengono a una specie legnosa, con riferimento alla singola specie botanica (ad esempio: abete, acero, faggio, castagno ecc) oppure ad un gruppo di specie (in accordo alla UNI EN 13556). Il tipo di legname viene, invece, definito da parametri quali la specie, la provenienza e la categoria. La provenienza coincide con l area geografica di crescita degli alberi dai quali si ottengono i segati, mentre la categoria è l insieme a cui viene assegnato il legname classificato a vista secondo la resistenza meccanica, in base ad una norma conforme alla UNI EN 14081-1. Ogni tipo di legname comprende assortimenti di varia sezione e lunghezza, i quali devono contribuire, tutti assieme, alla determinazione dei valori caratteristici. La produzione di elementi strutturali di legno massiccio a sezione rettangolare deve risultare conforme alla norma europea armonizzata UNI EN 14081 e recare la Marcatura CE. Qualora non sia applicabile la marcatura CE, i produttori di legno massiccio per uso strutturale, devono essere qualificati mediante attestazione rilasciata dal Servizio Tecnico Centrale del CSLLP. Il legno massiccio per uso strutturale è un prodotto naturale, selezionato e classificato in dimensioni d uso secondo la resistenza. I criteri di classificazione previsti dalle norme vigenti (DM 14.01.08, norme UNI 2 ) garantiscono all elemento prestazioni meccaniche minime statisticamente determinate e controllate, senza necessità di ulteriori prove sperimentali e verifiche. La classificazione può avvenire assegnando all elemento una categoria, definita in relazione alla qualità dell elemento stesso con riferimento alla specie legnosa e alla provenienza geografica. La classe di resistenza di un elemento è definita mediante uno specifico profilo 1 DM 14.01.08. 2 In particolare UNI EN 338-2004; UNI EN 338-2005; UNI EN 1912-2005; UNI 11035-2003. 47

Capitolo 2 - Legno strutturale e massiccio resistente unificato. Ad ogni tipo di legno può essere assegnata una classe di resistenza se i suoi valori caratteristici di resistenza, valori di modulo elastico e valore caratteristico di massa volumica, risultano non inferiori ai valori corrispondenti a quella classe. Per tipi di legno non inclusi in normative vigenti (emanate da CEN o da UNI), e per i quali sono disponibili dati ricavati su campioni, è ammissibile la determinazione dei parametri di cui sopra sulla base di confronti con specie legnose incluse in normative di dimostrata validità. Materiale da costruzione Legno da costruzione Settore d impiego Classi di servizio Requisiti secondo UNI EN 1995-1-1 asciutto, umido, 1, 2 e 3 esterno Altezza Dimensioni tipiche [mm] Larghezza 60 80 100 120 120 160 200 240 Lunghezze fino a 8000 mm Figura 2.1 - Segati di legno massiccio per uso strutturale di dimensioni commerciali Ad integrazione di quanto sopra, in appendice B si riportano le Linee Guida per la certificazione dell idoneità tecnica all impiego di materiali e prodotti innovativi in legno per uso strutturale emanate (2012) dal Sevizio Tecnico Centrale del Consiglio dei Lavori Pubblici. 2.2 UTILIZZO DI MATERIALI E PRODOTTI A BASE DI LEGNO Con l entrata in vigore delle NTC ormai tutti i prodotti per uso strutturale, nessuno escluso, debbono essere soggetti a procedura di: identificazione; qualificazione; accettazione. L identificazione e la qualificazione avviengono mediante applicazione, da parte del produttore, della Marcatura CE, qualora sia disponibile una norma armonizzata 48

Capitolo 2 - Legno strutturale e massiccio europea. In ogni caso è previsto il rilascio del Certificato di Idoneità Tecnica da parte del Servizio Tecnico Centrale del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici. La circolazione e l uso dei prodotti strutturali a base di legno dovrà pertanto essere conforme all uno o all altro criterio certificativo. La produzione, fornitura e utilizzazione dei prodotti di legno e dei prodotti a base di legno per uso strutturale, dovranno avvenire in applicazione di un sistema di assicurazione della qualità e di un sistema di rintracciabilità che coprano la catena di distribuzione dal momento della prima classificazione e marcatura dei singoli componenti e/o semilavorati almeno fino al momento della prima messa in opera. Ogni fornitura deve essere accompagnata, a cura del Produttore, da un manuale contenente le specifiche tecniche per la posa in opera. Il Direttore dei Lavori è tenuto a rifiutare le eventuali forniture non conformi a quanto sopra prescritto. Il Progettista deve indicare nel progetto le caratteristiche dei materiali secondo le indicazioni contenute nelle NTC che di seguito verranno illustrate. Tali caratteristiche sono garantite dai Fornitori e/o Produttori, per ciascuna fornitura, secondo le disposizioni applicabili di cui alla marcatura CE o equipollente. Il Direttore dei Lavori ha l obbligo di accertare la suindicata documentazione e resta sotto la sua esclusiva responsabilità l accettazione, in cantiere, del materiale e la sua applicazione per uso strutturale. Il Collaudatore ha, infine, l obbligo di verificare che la documentazione che accompagna la messa in opera del materiale sia conforme alle suindicate disposizioni. Sono abilitati ad effettuare le prove ed i controlli, sia sui prodotti che sui cicli produttivi, i laboratori di cui all art. 59 del DPR n. 380/2001 e gli organismi di prova abilitati ai sensi del DPR n. 246/93 in materia di prove e controlli sul legno. 2.3 PARAMETRI CHE INFLUENZANO IL COMPORTAMENTO STRUTTURALE DEL LEGNO MASSICCIO Le proprietà meccaniche del legno naturale risultano influenzate da molteplici parametri. Innanzitutto dal punto di vista microscopico possiamo indicare la conformazione delle fibre (lunghezza, inclinazione delle lamelle della parete mediana), oltre che lo spessore della parete cellulare. Dal punto di vista macroscopico, ovvero in condizioni di osservazione ad occhio nudo, si possono, invece, elencare le seguenti caratteristiche: i nodi; la deviazione della fibratura; l inclinazione della fibratura; la massa volumica; la conformazione degli anelli di accrescimento; le fessurazioni da ritiro; la cipollatura; la conformazione del midollo e del legno giovanile; la presenza di legno di reazione; la presenza di deformazioni; la presenza di degrado e/o di lesioni. 49

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8 FLESSIONE, TENSOFLESSIONE, PRESSOFLESSIONE 8.1 GENERALITÀ Com è noto il regime flessionale è generalmente governato da un duplice stato che cimenta le fibre in trazione e compressione. Nelle ipotesi di comportamento lineare e flessione semplice, il diagramma delle tensioni è rappresentato dal classico andamento a farfalla (vedi figura 6.8) che manifesta i valori massimi ai lembi estremi della sezione fino a valori nulli in prossimità dell asse neutro. In quest ottica, parte delle considerazioni viste al paragrafo 7.1, continuano ad essere valide e le condizioni di rottura possono dunque presentarsi con uno dei modi visti: compressione, trazione (e anche di taglio), ovvero come combinazione degli effetti dei medesimi (vedi figura 8.1). a) b) c) Figura 8.1 - a) Tipi di rottura su provette in legno di buone caratteristiche meccaniche (doussiè); partendo dall alto i primi due casi sono di rottura per urto, gli altri due per flessione. b) Rottura per prova a flessione. Partendo dall alto, le prime tre provette sono di legno in buone condizioni, le altre tre sono di legno attaccato da funghi, difettoso per nodi, difettoso per fibratura deviata. c) Rottura per urto. Partendo dall alto, le prime tre provette sono di legno in buone condizioni, le altre tre sono di legno attaccato da funghi, difettoso per nodi, difettoso per fibratura deviata. 127

Capitolo 8 - Flessione, tensoflessione, pressoflessione Gli algoritmi di verifica, riportati nel prosieguo dei paragrafi, derivano da teorie e/o modelli semiempirici mutuati ed elaborati a partire dal noto criterio di rottura della massima energia di distorsione di Huber Henky Von Mises e conducono a formulazioni dello stato tensionale pluriassiale. Lo stato tensionale dell elemento strutturale soggetto a flessione viene determinato considerando il comportamento elastico lineare del materiale e l ipotesi del mantenimento delle sezioni piane da cui deriva la nota formulazione: σ = M J y (8.1) e, per le massime tensioni ai lembi: σ max = M J y max = M W el (8.2) dove: con W el si intende il valore del modulo di resistenza in regime elastico. Ad esempio, nel caso di sezione rettangolare di base b ed altezza h, modulo di resistenza elastico rispetto all asse baricentrico parallelo alla base è il noto valore: W el = bh2 6 (8.3) 8.1.1 Flessione retta e deviata allo SLU Scelto un sistema di riferimento equivalente a quello indicato in figura 8.2, le verifiche allo SLU per flessione retta e deviata devono soddisfare entrambe le seguenti espressioni come indicato nel DM 14.01.08: σ m,y,d f m,y,d σ m,z,d + k m 1 f m,z,d (8.4) σ m,y,d f m,y,d σ m,z,d f m,z,d k m + 1 (8.5) 128

Capitolo 8 - Flessione, tensoflessione, pressoflessione Figura 8.2 - Sistema di riferimento Nelle (8.4) e (8.5) i simboli assumono il seguente significato: σ m,y,d e σ m,z,d sono le tensioni di calcolo massime per flessione rispettivamente nei piani xz e xy determinate assumendo una distribuzione elastico lineare delle tensioni sulla sezione; f m,y,d e f m,z,d sono le corrispondenti resistenze di calcolo a flessione, determinate tenendo conto anche delle dimensioni della sezione trasversale mediante il coefficiente k h, come definito nelle (2.3) e (3.1). k m è un coefficiente che tiene conto convenzionalmente della ridistribuzione delle tensioni e della disomogeneità del materiale nella sezione trasversale, e assume i seguenti valori di tabella 8.1. Tabella 8.1 - Valori di k m Tipo di sezione k m Rettangolare 0,7 Tutte le altre sezioni 1,0 Deve essere inoltre effettuata la verifica di instabilità allo svergolamento (flessotorsionale) per gli elementi inflessi, come definita al paragrafo 10.4. Volendo comprendere concettualmente il significato delle (8.4) e (8.5) si osservi che esse rappresentano l equazione di una retta espressa nella forma seguente (variabili y e z): y a z b + 1 y z + 1 b a (8.6) che, supponendo a > b, graficamente possiamo rappresentare nel diagramma di figura 8.3. 129

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A APPENDICE A: ELENCO NORME UNI ED EUROCODICI Codice UNI 9504 UNI EN 1075 UNI EN 14080 UNI EN 1195 UNI EN 12436 UNI EN 12512 UNI EN 1380 UNI EN 1381 UNI EN 1382 UNI EN 1383 UNI EN 14081-1 Titolo Procedimento analitico per valutare la resistenza al fuoco degli elementi costruttivi di legno. Strutture di legno - Metodi di prova - Giunti realizzati con elementi di collegamento di lamiera metallica punzonata Strutture di legno - Legno lamellare incollato - Classi di resistenza e determinazione dei valori caratteristici Strutture di legno - Metodi di prova - Comportamento di assiti portanti di solai Adesivi per strutture portanti in legno - Adesivi caseinici - Classificazione e requisiti prestazionali Strutture di legno - Metodi di prova - Prove cicliche di giunti realizzati con elementi meccanici di collegamento Strutture di legno - Metodi di prova - Giunti strutturali eseguiti mediante chiodi, viti, spinotti o caviglie e bulloni Strutture di legno - Metodi di prova - Giunti strutturali eseguiti mediante graffe Strutture di legno - Metodi di prova - Resistenza all estrazione di elementi meccanici di collegamento per legno Strutture di legno - Metodi di prova - Resistenza all attraversamento della testa di elementi meccanici di collegamento per legno Strutture di legno - Legno strutturale con sezione rettangolare classificato secondo la resistenza - Parte 1: Requisiti generali 351

Appendice A - Elenco norme Uni ed Eurocodici UNI EN 14081-2 UNI EN 14081-3 UNI EN 14250 Strutture di legno - Legno strutturale con sezione rettangolare classificato secondo la resistenza - Parte 2: Classificazione a macchina - Requisiti aggiuntivi per le prove iniziali di tipo Strutture di legno - Legno strutturale con sezione rettangolare classificato secondo la resistenza - Parte 3: Classificazione a macchina - Requisiti aggiuntivi per il controllo della produzione in fabbrica Strutture di legno - Requisiti di prodotto per elementi strutturali prefabbricati assemblati con elementi di collegamento di lamiera metallica punzonata UNI EN 14358 Strutture di legno - Calcolo dei valori caratteristici 5- percentile e criteri di accettazione per un campione UNI EN 14374 UNI EN 14545 UNI EN 14592 UNI EN 15736 UNI EN 15737 Strutture di legno - Connettori - Requisiti Strutture di legno - Elementi di collegamento di forma cilindrica - Requisiti Strutture di legno - Metodi di prova - Determinazione della resistenza all estrazione di elementi di collegamento di lamiera metallica punzonata, durante la movimentazione e la messa in opera di capriate prefabbricate Strutture di legno - Metodi di prova - Determinazione della coppia resistente, durante l avvitamento delle viti UNI EN 1995-1-1 Eurocodice 5 - Progettazione delle strutture di legno - Parte 1-1: Regole generali - Regole comuni e regole per gli edifici UNI EN 1995-1-2 Eurocodice 5 - Progettazione delle strutture di legno - Parte 1-2: Regole generali - Progettazione strutturale contro l incendio UNI EN 1995-2 Eurocodice 5 - Progettazione delle strutture di legno - Parte 2: Ponti EC 1-2008 Eurocodice 5 - Progettazione delle strutture di legno - UNI EN 1995-1-2 Parte 1-2: Regole generali - Progettazione strutturale contro l incendio (Errata corrige 1) 352

Appendice A - Elenco norme Uni ed Eurocodici EC 2-2010 Eurocodice 5 - Progettazione delle strutture di legno - UNI EN 1995-1-2 Parte 1-2: Regole generali - Progettazione strutturale contro l incendio (Errata corrige 2) UNI ENV 1998-1 UNI EN 26891 UNI EN 301 UNI EN 302-1 UNI EN 302-2 UNI EN 302-3 UNI EN 302-4 UNI EN 302-6 UNI EN 302-7 UNI EN 380 Eurocodice 8 - Progettazione delle strutture per la resistenza sismica - Parte 1: Regole generali, azioni sismiche e regole per gli edifici Strutture di legno. Assemblaggi realizzati tramite elementi meccanici di collegamento. Principi generali per la determinazione delle caratteristiche di resistenza e deformabilità. Adesivi fenolici e amminoplastici per strutture portanti di legno - Classificazione e requisiti prestazionali Adesivi per strutture portanti di legno - Metodi di prova - Parte 1: Determinazione della resistenza del giunto al taglio a trazione longitudinale Adesivi per strutture portanti di legno - Metodi di prova - Parte 2: Determinazione della resistenza alla delaminazione Adesivi per strutture portanti di legno - Metodi di prova - Parte 3: Determinazione dell effetto dell attacco acido alle fibre del legno, dovuto ai trattamenti ciclici di temperature e di umidità, sulla resistenza alla trazione trasversale Adesivi per strutture portanti di legno - Metodi di prova - Parte 4: Determinazione dell effetto del ritiro del legno sulla resistenza a taglio Adesivi per strutture portanti di legno - Metodi di prova - Parte 6: Determinazione del tempo di pressatura convenzionale Adesivi per strutture portanti di legno - Metodi di prova - Parte 7: Determinazione del tempo di lavoro convenzionale Strutture di legno. Metodi di prova. Principi generali per le prove con carico statico. 353

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C APPENDICE C: ESEMPIO DI DICHIARAZIONE DI PRESTAZIONE 367