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Alessandra Marini Università di Bergamo
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
- 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
Ref. [2] Ref. [5]
- 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
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
Ref. [2]
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]
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).
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
15
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
16
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.
PROPRIETA’ DEL MATERIALE
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.
PROPRIETA’ DEL MATERIALE
Ref. [5]
Legno di conifera
esposto al fuoco
su tre lati: la
porzione centrale
è ancora integra
RESISTENZA FUNZIONE DELLA DURATA DEL CARICO
PROPRIETA’ DEL MATERIALE
19
+ 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)
20
PROPRIETA’ DEL MATERIALE
Ref. [3]
Modello cannucce affiancate:
PROPRIETA’ DEL MATERIALE
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).
22
PROPRIETA’ DEL MATERIALE
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.
23
PROPRIETA’ DEL MATERIALE
Ref. [1]
MATERIALE ORTOTROPO
Effetto
SCALA
Legno per OPERE STRUTTURALI (incremento dimensioni)
perdita di duttilità e resistenza.
24
PROPRIETA’ DEL MATERIALE
Ref. [5]
Ref. [1]
INFLUENZA DELLE DIMENSIONI DEGLI ELEMENTI
25
PROPRIETA’ DEL MATERIALE
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%
26
PROPRIETA’ DEL MATERIALE
27
PROPRIETA’ DEL MATERIALE
Ref. [1]
Conte
nu
to d
’acqua, M
C [
%]
Umidità relativa ambientale [%]
MATERIALE IGROSCOPICO
- Condizioni di equilibrio igroscopico
28
MATERIALE IGROSCOPICO
- Variazioni d’acqua si traducono nella formazione di fenditure:
PROPRIETA’ DEL MATERIALE
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.
29
PROPRIETA’ DEL MATERIALE
MATERIALE IGROSCOPICO
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]
MATERIALE IGROSCOPICO
30
PROPRIETA’ DEL MATERIALE
Ref. [1]
)MC(EE
)MC(ˆ
)MC(VV
uu
DD
MATERIALE IGROSCOPICO
Resistenza funzione del contenuto d’acqua (oltre che dell’orientazione
delle fibre e della durata del carico)
PROPRIETA’ DEL MATERIALE
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.
32
PROPRIETA’ DEL MATERIALE
NB: Il legno non ha
“memoria”: soggetto a
significative variazioni
del contenuto d’acqua,
la deformazione riparte
come su materiale
vergine.
VISCOSITÀ
PROPRIETA’ DEL MATERIALE
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
PROPRIETA’ DEL MATERIALE
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]
34
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 e materiali a base di legno
LEGNO LAMELLARE
Realizzazione di elementi a sezione
variabile e/o curvi
Giunti a dita
LEGNO e materiali a base di legno
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.
LEGNO e materiali a base di legno
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.
LEGNO e materiali a base di legno
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.
LEGNO e materiali a base di legno
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
LEGNO e materiali a base di legno
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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.