LEGNO: caratteristiche fisiche e meccaniche · 2015-02-23 · il legno risente poco della...

Alessandra Marini Università di Bergamo

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LEGNO:

caratteristiche fisiche e meccaniche

LEGNO

2

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.

LEGNO

3

Ref. [1]

STRUTTURA INTERNA

4

LEGNO

STRUTTURA INTERNA

LEGNO

5 Ref. [1]

STRUTTURA INTERNA

LEGNO

Ref. [5]

CONIFERE E LATIFOGLIE

Legno di conifera (pino) Legno di latifoglia (quercia)

Proprietà del materiale in funzione degli anelli di accrescimento:

Conifera: anello ampio + legno primaverile materiale cedevole

Latifoglia: anello ampio + legno tardivo materiale + resistente

LEGNO

7

Ref. [3]

8

LEGNO

Conifera: pino marittimo Latifoglia: rovere

CONIFERE E LATIFOGLIE

Individuazione specie: colore, sezione e fianchi del segato con valutazione

della conformazione degli anelli di accrescimento.

Legno primaverile

Legno autunnale

Ref. [2]

- 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)

LEGNO

MATERIALE CON DIFETTI






LEGNO


Ref. [2] Ref. [5]






LEGNO


Ref. [2]

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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]

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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).

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

PROPRIETA’ DEL MATERIALE

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Ottimo rapporto Resistenza (Rw)/Massa volumica (rw)

Strutture leggere = Buone prestazioni in zona sismica

Legno di conifera vs calcestruzzo:

rw = 500 kg/mc (1/5 rcls )

resistenze paragonabili (il legno offre resistenza anche a trazione)

Rw / rw 5 (Rcls / rcls) Rs / rs

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 Ew = 8000÷13000MPa = 1/3 Ecls

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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.

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]

Legno di conifera

esposto al fuoco

su tre lati: la

porzione centrale

è ancora integra

RESISTENZA FUNZIONE DELLA DURATA DEL CARICO


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+ 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

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)

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Ref. [3]

Modello cannucce affiancate:


MATERIALE ORTOTROPO

fibre

Ref. [2]

Compressione // e

Trazione // e alle fibre

Taglio

- 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).

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Legno NETTO (piccole dimensioni, scevre da difettosità) di conifera:

(a) resistenza a trazione // e

(b) a compressione // alle fibre;

(c) resistenza a trazione e

(d) a compressione alle fibre.

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Ref. [1]

MATERIALE ORTOTROPO

Effetto

SCALA

Legno per OPERE STRUTTURALI (incremento dimensioni)

perdita di duttilità e resistenza.

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Ref. [5]

Ref. [1]

INFLUENZA DELLE DIMENSIONI DEGLI ELEMENTI

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Legno massiccio: caratteristiche meccaniche in funzione delle dimensioni

dell’elemento strutturale.

INFLUENZA DELLE DIMENSIONI DEGLI ELEMENTI

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.

Ref. [1]

MATERIALE IGROSCOPICO

- Il materiale risente delle variazioni igrotermiche stagionali

6% (ANIDRO) < MC < 10÷12÷14< 22% (VERDE)

condizioni standard:

T=20°C, UR=65% MC=12%

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27


Ref. [1]

Conte

nu

to d

’acqua, M

C [

%]

Umidità relativa ambientale [%]


- Condizioni di equilibrio igroscopico

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- Variazioni d’acqua si traducono nella formazione di fenditure:


aL= 0.1÷0.4%

aR= 3.0÷6.0%

aT= 6.0÷10.0%

Materiale stagionato

Materiale NON stagionato

NB: Le dilatazioni

termiche sono poco

rilevanti se

confrontate con le

variazioni

dimensionali indotte

da variazioni di MC.

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Poiché la contrazione tangenziale aT è

maggiore di quella radiale aR, la distorsione

subita dall’elemento strutturale sarà differente

in funzione del punto di prelievo

Ref [3]

aL= 0.1÷0.4%

aR= 3.0÷6.0%

aT= 6.0÷10.0%

Ref. [5]


30


Ref. [1]

)MC(EE

)MC(ˆ

)MC(VV

uu

DD


Resistenza funzione del contenuto d’acqua (oltre che dell’orientazione

delle fibre e della durata del carico)


31

Ref. [3]

Ref. [1]

La resistenza del materiale varia al

variare del contenuto d’acqua (MC):

se ne tiene conto considerando la

CLASSE di SERVIZIO

VISCOSITÀ

Deformazione prodotta a lungo termine dai carichi permanenti.

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NB: Il legno non ha

“memoria”: soggetto a

significative variazioni

del contenuto d’acqua,

la deformazione riparte

come su materiale

vergine.

VISCOSITÀ


se g il legno risente poco della viscosità

se g grandi deformazioni viscose: possibili

danni a divisori e pavimenti fragili.

Se il legno è sollecitato a tensioni inferiori alla metà dei limiti consentiti da

normativa, il problema della viscosità è meno rilevante.

Ref. [3]

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VISCOSITÀ


se g il legno risente poco della viscosità

se g grandi deformazioni viscose: possibili

danni a divisori e pavimenti fragili.

Se il legno è sollecitato a tensioni inferiori alla metà dei limiti consentiti da

normativa, il problema della viscosità è meno rilevante.

Ref. [3]

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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!

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)

NB. Problema della viscosità delle connessioni

che vedono la concentrazione degli sforzi!

IL LEGNO NELLE

STRUTTURE ESISTENTI

35

36

COPERTURE

37

COPERTURE

COPERTURE

nodo tra puntoni e monaco

nodo tra saettoni e monaco

particolare dell’appoggio

nodo tra saettoni e puntoni

COPERTURE

IMPALCATI

41

CATENE

LEGNO E MATERIALI A BASE DI LEGNO

LEGNO MASSICCIO

LEGNO e materiali a base di legno

Ref [6]

Ref [1]

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


LEGNO LAMELLARE

Realizzazione di elementi a sezione

variabile e/o curvi

Giunti a dita


LEGNO LAMELLARE

Ref. [6]

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.


TIPOLOGIE STRUTTURALI

Ref. [6]

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]

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]

PANNELLI DI FIBRE o PARTICELLE

MDF

Medium Density Fibreboard

(elementi non strutturali)

Il legno viene disaggregato in fibre o

particelle di piccole dimensioni

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


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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’

DURABILITA’

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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.

DURABILITA’

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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.

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