La moderna progettazione strutturale delle costruzioni in legno (PDF
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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 1 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, 2 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 3 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 4 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. 5