La moderna progettazione strutturale delle costruzioni in legno (PDF

La moderna progettazione strutturale delle costruzioni in legno
Bruno Calderoni*, Antonio Sandoli**
*Professore Associato di Tecnica delle Costruzioni – Dipartimento di Strutture per l’Ingegneria e l’Architettura Università di Napoli Federico II
** Ingegnere, Cultore della Materia “Costruzioni in Legno” – Dipartimento di Strutture per l’Ingegneria e
l’Architettura - Università di Napoli Federico II
Il legno (con la muratura) si può considerare come il materiale da costruzione più antico. Infatti,
per la sua capacità di resistenza a flessione è stato nel passato l’unico materiale con il quale si
potevano realizzare elementi strutturali, monodimensionali o piani, in grado di coprire “grandi
luci”. Però, con lo sviluppo negli ultimi due secoli della tecnologia dell’acciaio, prima, e del
calcestruzzo armato, poi, esso è stato quasi del tutto messo da parte, sostituito dai nuovi materiali
“artificiali”, che apparivano, all’epoca, sicuramente più affidabili e duraturi.
Pertanto, dopo un periodo di quasi totale abbandono, solo relativamente da poco, anche sulla scia
del rinnovato interesse (dopo i principali terremoti italiani degli ultimi 40 anni) per il recupero
delle costruzioni storiche, il legno sta riconquistando terreno anche per applicazioni strutturali
impegnative, superando il luogo comune di materiale di nicchia utile solo per la sostituzione di
elementi antichi irreparabilmente degradati.
A ciò hanno contribuito anche: - l’evidenziarsi dei “difetti” degli altri materiali più moderni, in
particolare la scarsa resistenza al fuoco dell’acciaio e la ridotta durabilità, almeno rispetto alle
iniziali aspettative, del cemento armato; - la consapevolezza della necessità di una maggiore
sostenibilità ambientale anche nel campo delle costruzioni; - lo sviluppo di nuove tecnologie per
un più razionale utilizzo della risorsa “legno” per applicazioni strutturali.
Un approccio moderno ed efficace alla progettazione delle strutture in legno richiede, però, da
parte del progettista, una chiara conoscenza delle caratteristiche specifiche del materiale e della
loro influenza sul comportamento degli elementi strutturali realizzati con esso.
Infatti, il legno, a differenza dei “classici” materiali strutturali (acciaio e calcestruzzo) con i quali
deve confrontarsi e con i quali tutti i progettisti strutturali hanno (o almeno dovrebbero avere)
ampia dimestichezza, è un prodotto naturale che deriva dall’albero. In natura esistono più di
cinquemila specie legnose, ognuna delle quali con caratteristiche differenti, che spesso variano
anche all’interno della stessa specie. Per la realizzazione degli elementi strutturali, però, sono
impiegate solo poco più di una decina di specie, principalmente l’abete, il pino, il larice e il
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douglass, della famiglia delle conifere, e il noce, il castagno, la betulla e la quercia, di quella
delle latifoglie.
L’essere un prodotto naturale, già disponibile e non realizzato dall’industria secondo procedure
codificate, comporta che il legno presenti una serie di intrinseche variabilità, che ne
condizionano fortemente la risposta. In particolare il comportamento del legno strutturale è
influenzato dalla presenza di difetti (nodi, deviazione della fibratura, cipollature, legno di
reazione ecc.), che derivano dalla natura stessa della pianta, nonché dalle condizioni in cui si è
formato il fusto arboreo, anche in relazione all’ereditarietà e ad altre azioni esterne.
I difetti riducono in modo non trascurabile la resistenza del legno (in particolare quella a
trazione), per cui occorre chiaramente distinguere tra il legno “netto” e il legno “strutturale” (o in
dimensioni di uso). Il primo (in piccole dimensioni) è quello privo di difetti macroscopici mentre
il secondo, essendo di dimensioni maggiori, necessariamente presenta dei difetti (in quantità
minore o maggiore in relazione alla sua qualità), che ne riducono le proprietà meccaniche e di
cui occorre tener conto per un utilizzo strutturale.
Ciò viene fatto mediante la “classificazione strutturale secondo la resistenza”, che consente,
applicando degli specifici criteri di selezione a vista o a macchina, ormai codificati in Norme sia
Europee (EN14080) che Nazionali (UNI11035-1), di assegnare ad ogni elemento di legno
impiegato per la realizzazione di componenti strutturali uno specifico livello di qualità. Tale
livello, in relazione poi alla specifica specie legnosa, si traduce in una classe di resistenza del
materiale ligneo, caratterizzata da un “profilo di resistenza” (vedi EN338 ed UNI11035-2), nel
quale sono contenute tutte le informazioni relative alle proprietà meccaniche di interesse per la
progettazione.
La classificazione, con la conseguente introduzione dei profili di resistenza, ha rappresentato un
punto di svolta fondamentale nei riguardi dell’affidabilità e della semplificazione della
progettazione delle strutture in legno, eliminando quella alea di incertezza e di discrezionalità
che ha caratterizzato nel passato le costruzioni lignee. Infatti, se da una parte l’applicazione delle
procedure di classificazione rende il legno il materiale per uso strutturale più controllato (a
livello cioè di ogni singolo elemento e non di campionamento statistico), dall’altra, i profili di
resistenza consentono al progettista strutturale di definire, nelle fasi iniziali del progetto, una
classe di resistenza per il legno strutturale da utilizzare, alla stessa stregua di un normale
calcestruzzo o di un acciaio da carpenteria metallica.
L’introduzione delle moderne tecniche di incollaggio, con la conseguente tecnologia del legno
lamellare (ormai giunta a buona “maturazione”), hanno ancora più razionalizzato e migliorato
l’utilizzo del legno in campo strutturale. Infatti, la possibilità di eliminare le zone più difettose,
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unendo tra loro solo le porzioni di legno migliori, consente di utilizzare anche gli elementi lignei
di minore qualità (che altrimenti sarebbero stati scartati), mentre la possibilità di unire elementi
più piccoli a formare componenti strutturali più grandi (senza limiti teorici di lunghezza) libera
le costruzioni lignee, e quindi il progettista, dalle limitazioni, in passato insuperabili, connesse
alle “origini” naturali ed alle dimensioni dei tronchi.
In Italia lo sviluppo delle costruzioni in legno moderne è stato frenato anche dalla assenza di una
specifica normativa tecnica, che fornisse limiti di utilizzo ed affidabili indicazioni progettuali,
costringendo i progettisti a rivolgersi a normative straniere, in particolare alle famose DIN
tedesche. Solo recentemente un notevole passo in avanti è stato conseguito con le dettagliate
Istruzioni CNR DT 206/2007, che, con l’Eurocodice 5 del 2004, hanno costituito la base delle
prescrizioni sul legno strutturale contenute nelle ultime norme tecniche (D.M. 14/01/2008).
Quest’ultime hanno finalmente “sdoganato” il legno, consentendone un utilizzo completamente
riconosciuto come per gli altri materiali strutturali. In esse sono indicate le ipotesi
comportamentali di base, i criteri per la verifica di sicurezza degli elementi strutturali e le
indicazioni generali sui principali elementi e sistemi strutturali, rimandando alle Istruzioni CNR
ed agli Eurocodici per maggiori dettagli, come ad esempio per i profili di resistenza.
Non bisogna dimenticare, però, che i documenti Normativi costituiscono solo un supporto al
progettista e che il loro rispetto non è da solo sufficiente per arrivare a una corretta progettazione
di questo tipo di strutture. E’ indispensabile pertanto sensibilizzare il progettista strutturale sul
fatto che è possibile ottenere un buon prodotto progettuale solo se si conoscono
approfonditamente tutte le problematiche specifiche del materiale legno.
Prima fra tutte occorre considerare la natura ortotropa del materiale, che esibisce caratteristiche
meccaniche molto migliori in direzione parallela alla fibratura. Ciò comporta la necessità di
un’attenta definizione dei dettagli costruttivi, in particolare dei collegamenti, per evitare rotture
fragili connesse alla scarsa resistenza a trazione in direzione ortogonale alle fibre.
Allo stesso modo bisogna tener presente l’influenza delle condizioni ambientali sulle proprietà
meccaniche del materiale in opera (le quali in genere diminuiscono all’aumentare dell’umidità e
della temperatura dell’ambiente circostante) e l’effetto della durata del carico, al cui aumentare si
riduce contestualmente la resistenza. L’analisi di queste condizioni, che quasi mai devono essere
considerate per le strutture in c.a. o in acciaio, costituisce sempre il punto di partenza nella
progettazione delle strutture lignee. All’atto pratico se ne tiene conto modificando le varie
resistenze caratteristiche del materiale utilizzato mediante il coefficiente kmod, definito in base
alle condizioni ambientali di esercizio (rappresentate dalle classi di servizio) e alla durata dei
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differenti carichi agenti, i cui effetti a volte devono essere considerati separatamente per tener
conto di tempi diversi di permanenza sulla struttura.
Un altro problema per le strutture lignee è connesso alla deformabilità delle membrature,
condizionata dal comportamento viscoso del materiale e quindi dalla durata del carico, ma anche
dalle condizioni ambientali e dalle corrispondenti variazioni di umidità e temperatura. Di
conseguenza, come per le strutture in acciaio, le verifiche di deformabilità (in esercizio) spesso
condizionano il dimensionamento degli elementi strutturali e devono essere condotte tenendo
conto, mediante il coefficiente kdef fornito dalle norme, dell’effetto combinato dell’umidità
interna e della viscosità.
Una volta considerate le specificità del materiale, la progettazione, intesa come
dimensionamento e verifica delle membrature, non presenta sostanziali differenze rispetto alle
tradizionali procedure utilizzate per le altre tipologie strutturali. Anzi, il processo di verifica si
semplifica ulteriormente: essendo il legno strutturale (a causa dei difetti che non consentono la
valorizzazione delle capacità deformative plastiche in compressione) un materiale a
comportamento elastico-lineare praticamente fino a rottura, le verifiche allo Stato Limite Ultimo
possono condursi a livello di tensioni, confrontando la massima raggiunta nella sezione con la
resistenza di progetto relativa alla sollecitazione (trazione, compressione, flessione etc.) in
questione.
D’altra parte la progettazione strutturale non può trascurare i problemi di durabilità del legno: il
materiale può essere soggetto a degradi biologici (attacchi di funghi e insetti) strettamente
connessi alle condizioni ambientali ed in particolare al livello di umidità interna e quindi al
contatto ed alle infiltrazioni d’acqua. Pertanto, particolare attenzione deve essere posta nella
protezione, che può essere ottenuta sia tramite trattamenti specifici di impregnazione che, più
opportunamente, attraverso lo studio e la cura dei dettagli costruttivi.
Uno degli aspetti specifici del legno, che in genere appare negativo agli occhi del profano, è che
esso, diversamente dall’acciaio e dal calcestruzzo, è combustibile e, in quanto tale, partecipa
direttamente all’eventuale incendio. Ma questo non lo penalizza rispetto agli altri materiali
strutturali; anzi le strutture in legno resistono all’incendio senza protezione molto meglio di
quelle in acciaio. Mentre nelle membrature metalliche le elevate temperature producono un
notevole decremento delle proprietà meccaniche (in particolare del modulo elastico),
conducendo rapidamente al collasso, nel legno questo processo è molto più lento e quasi assente:
il fuoco, infatti, induce la combustione e la carbonizzazione dello strato superficiale del materiale
esposto, che però funge da protezione per il nucleo interno che continua a conservare le
originarie proprietà meccaniche. La resistenza al fuoco dell’elemento strutturale è quindi
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dipendente dalla velocità di carbonizzazione (circa 0.6-0.7 mm/min) e corrispondente al tempo
occorrente per ridurre la sezione trasversale a dimensioni tali da non possedere più una
sufficiente resistenza ai carichi esterni.
Per quanto riguarda gli schemi strutturali tipici, esiste in genere una ovvia e significativa
somiglianza con quelli pendolari controventati delle strutture in acciaio, anche se lo sviluppo di
nuove tipologie di elementi (come i pannelli massicci a tavole incrociate) sta spostando
l’attenzione verso schemi più rigidi a pareti portanti, piuttosto simili a quelli degli edifici in
muratura ma dotati di ben altre capacità resistenti in particolare alle azioni orizzontali sismiche.
A tale proposito occorre evidenziare che il legno si sta dimostrando un ottimo materiale per la
realizzazione di strutture sismo-resistenti, grazie soprattutto alle sue doti di leggerezza e di
resistenza. Viceversa la fragilità intrinseca del materiale (connessa alle modalità di rottura a
trazione) non ne penalizza la risposta simica, in quanto è possibile utilizzare le elevate capacità
deformative in campo plastico di cui sono dotati i sistemi di collegamenti metallici delle
membrature se progettati in maniera opportuna, che costituiscono zone concentrate o diffuse (a
seconda della tipologia strutturale adottata) di dissipazione energetica.
In definitiva la moderna progettazione strutturale delle strutture lignee, svolta tenendo conto
delle proprietà specifiche del materiale, ne valorizza adeguatamente gli aspetti positivi e
minimizza l’impatto degli aspetti negativi, sia mediante una opportuna scelta degli schemi
strutturali che attraverso lo studio consapevole ed attento dei dettagli costruttivi. In tal modo si
possono realizzare, anche in zona sismica, strutture staticamente efficienti, durature e funzionali,
spesso competitive rispetto alle tradizionali costruzioni in cemento armato o in acciaio, sia dal
punto di vista architettonico che della sostenibilità ambientale ed economica.
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