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Come posso calcolare la riduzione di resistenza meccanica di una trave antica in funzione del suo stato di conservazione?
Alessia Placidi, AQ (Ingegnere): Come posso calcolare la riduzione di resistenza meccanica di una trave antica di legno (castagno) in funzione del suo stato di conservazione (presenza di fessure da ritiro o lesioni)?
ultimo aggiornamento
05.11.2015 (04.09.2007)
Nr.: 7287
Risposta team esperti :
E’ bene precisare che le prestazioni meccaniche di un elemento strutturale in dimensioni d’uso generalmente sono legate ad una serie di fattori naturalmente presenti nella pianta in piedi (come i nodi, le deviazioni della fibratura, il midollo ed il legno giovanile, il legno di reazione, i cretti e le cipollature, le lesioni) e quindi riscontrabili sia nei segati che nelle travi in opera. Senza entrare nel dettaglio di queste »anomalie« (per adottare un termine utilizzato dai tecnologi), si vuole sottolineare che si tratta di difetti che si trovano già »a monte« della posa in opera del materiale, e che quindi non sono conseguenza dello »stato di conservazione« del materiale.
Altri fenomeni, come le fessurazioni da ritiro, si sviluppano in tempi successivi al taglio del tronco, e possono evolvere anche nel legno in opera (soprattutto se il materiale è stato posto in opera non perfettamente stagionato). La presenza di fessure da ritiro all’interno di un elemento di legno massiccio è un fenomeno prevedibile e normale, che dipende dalle variazioni dimensionali del legno che si osservano al variare della temperatura e del contenuto di acqua: il legno appena tagliato è »bagnato«, ovvero ha un alto contenuto di acqua che diminuisce significativamente nel legno in opera (legno stagionato). La variazione del contenuto di acqua è associata a fenomeni di ritiro, con valori differenziati in funzione delle differenti direzioni anatomiche: per esempio se analizziamo una sezione di un tronco osserviamo che il ritiro in direzione tangenziale agli anelli di accrescimento è maggiore rispetto al ritiro in direzione radiale. Questa anisotropia da ritiro determina l’inevitabile formazione di tensioni interne del materiale, che si possono scaricare con la formazione dei cretti da ritiro. Per le ragioni illustrate una trave sarà maggiormente soggetta alla presenza di fessure se la sezione contiene anche il midollo (si parla allora di trave con »cuore«); viceversa se la sezione non contiene il midollo (si parla allora di trave fuori »cuore«), la probabilità di avere fessure è minore (si ha quindi maggiore »stabilità dimensionale«). La presenza di fessurazioni da ritiro è un fenomeno inevitabile, ma non particolarmente pesante agli effetti della classificazione del materiale. Ad esempio, facendo riferimento a normative di classificazione europee come la DIN 4074 e la UNI 11035, la presenza di fessure da ritiro è ammessa in tutte le classi di resistenza, se queste fessure rispettano dei limiti dimensionali minimi (ad esempio, facendo riferimento alla DIN 4074, per le classi S7, S10 e S13 i limiti sono rispettivamente 3/5, 2/5 e 1/5 della lunghezza della fessura rispetto alla base della trave). Naturalmente la misurazione delle fessure non puo essere fatta sul legno umido o non completamente stagionato, quindi in questo caso il legno dovrebbe essere ricontrollato ed eventualmente riclassificato dopo la stagionatura.
Nel caso di »legno antico« occorre pensare che nel passato non esistevano criteri di classificazione analoghi a quelli moderni, ma solamente alcune »regole dell’arte« che imponevano di porre in opera materiale ben stagionato (stagionatura naturale di almeno tre anni), e con le fessurazioni da ritiro disposte parallele alla direzione di applicazione del carico (in caso contrario infatti se la fenditura dovesse attraversare completamente la sezione questa verrebbe ad essere composta da due parti con momento di inerzia totale minore rispetto al caso di due porzioni affiancate).
In ogni caso la sola presenza di fessure da ritiro non deve essere considerata di per sè un pericolo per la struttura, e quindi devono essere assolutamente evitati interventi non corretti volti ad »eliminarle«, per esempio inserendo colla nelle fessure. In questo modo si rischia di fare un danno maggiore, perché in seguito ad ulteriori fenomeni di ritiro del legno il materiale di riempimento (che non si muove al variare dell’umidità ), determina un »effetto cuneo« che causa ulteriori lacerazioni nel legno.
Il legno in opera »invecchiando« puo acquisire determinate caratteristiche cromatiche, ma non perde necessariamente le proprie caratteristiche meccaniche (almeno ad un livello tecnologicamente significativo). Questo è vero fintanto che non insorgono alcuni fenomeni di »degradamento« del materiale dovuti sostanzialmente alla azione diretta delle intemperie (se posti all’esterno), ed attacchi biotici (funghi o insetti), favoriti dalla presenza di umidità (per esempio nelle testate delle travi inserite nella muratura). Le parti ammalorate tuttavia non sono sempre direttamente visibili (proprio perché molto spesso si trovano nascoste all’interno della muratura), quindi in questi casi è consigliabile la valutazione di un esperto che possa indagare lo stato di conservazione degli elementi anche attraverso prove non distruttive (per esempio con il Resistograph). In questi casi l’unica soluzione ammessa è la sostituzione delle parti ammalorate.
E' appena il caso di sottolineare che il castagno è in assoluto una delle specie "naturalmente" piö durabili, estremamente resistente agli attacchi dei funghi e degli insetti grazie anche alla presenza al proprio interno di sostanze come i tannini che conferiscono grande resistenza "naturale". La normativa europa classifica questa specie in classe 1-2 (molto durabile, durabile).
Per quanto riguarda invece la valutazione diretta delle caratteristiche meccaniche di elementi in opera, esiste una norma italiana di riferimento:
UNI 11119:2004. Beni culturali - Manufatti lignei - Strutture portanti degli edifici - Ispezione in situ per la diagnosi degli elementi in opera.
La norma stabilisce procedure e requisiti per la diagnosi dello stato di conservazione e la stima della resistenza e della rigidezza di elementi lignei in opera nelle strutture portanti di edifici compresi nell’ambito dei beni culturali, attraverso l’esecuzione di ispezioni in situ e l’impiego di tecniche e metodologie di prova non distruttive.
Tale norma precisa le deroghe ammissibili allo scopo di rendere applicabile agli elementi strutturali lignei in opera il metodo della classificazione secondo la resistenza, anche quando le condizioni operative sono significativamente diverse da quelle riscontrabili nella normale classificazione dei segati a piè d'opera. Ad esempio la UNI 11035 (parti 1 e 2) descrive una metodologia di classificazione applicabile anche a elementi strutturali in opera, purché siano soddisfatte tuttavia una serie di condizioni che non sempre è possibile riscontrare (in particolare la visibilità e accessibilità dell'elemento devono essere estese ad almeno 3 lati e ad una delle due testate).
La norma stabilisce che ogni elemento strutturale ligneo sia classificato secondo la resistenza. Tale classificazione deve basarsi su metodi di valutazione visiva dell'elemento ligneo, di misurazione non distruttiva di una o piö proprietà fisico-meccaniche, oppure su opportune combinazioni delle precedenti. La classificazione deve essere eseguita secondo le modalità operative riportate nella norma stessa.
In appendice la norma riporta, per elementi lignei di diverse specie legnose e categorie, classificati a vista secondo la norma UNI 11119:2004:
- le tensioni massime, che possono essere adottate per l'applicazione del metodo delle tensioni ammissibili;
- i valori medi di modulo elastico a flessione, che possono essere utilizzati per il calcolo di deformazioni della struttura in stati limite di esercizio.
Si tratta di valori tratti dal testo Tecnica delle Costruzioni in Legno di Guglielmo Giordano,
dove sono rimasti immutati nelle successive edizioni (prima edizione 1946 - quinta edizione 1999). Relativamente alla quercia si veda la tabella pubblicata a lato.
Come detto di tratta dei »carichi di sicurezza« e dei moduli di elasticità presenti sul testo del Giordano (a cui si rimanda).
La norma UNI 11035-2 riporta invece dei profili resistenti in termini di valori caratteristici, per elementi strutturali lignei classificati a vista secondo la procedura indicata in tale norma. In alternativa alla tabella di valori precedente si puo quindi far riferimento quindi alla UNI 11035-2, applicata secondo quanto previsto al punto 7.6 della UNI 11119:2004.
Relativamente ai valori caratteristici per il castagno/Italia - Categoria S (cioè idoneo ad usi strutturali):
Resistenza a flessione (valore 5 percentile): 28 MPa
Modulo di elasticità parallalo alle fibre (valore medio): 11000 MPa