Progetti di strutture in legno - appunti

Sommario

• L_02 Caratteristiche del legno ........................................................................................................................... 4
• Proprietà del materiale legno ........................................................................................................................ 4
• Cenni su costruzione e anatomia .............................................................................................................. 4
• Classificazione degli alberi ......................................................................................................................... 5
• Comportamento igroscopico ..................................................................................................................... 7
• Proprietà meccaniche ................................................................................................................................ 9
• L_03 Prodotti derivanti dal legno .................................................................................................................... 25
• Il legno lamellare incollato .......................................................................................................................... 30
• Classificazione e classi di resistenza ........................................................................................................ 30
• Fasi di produzione del legno lamellare .................................................................................................... 32
• Pannelli a base di legno ............................................................................................................................... 35
• L_04 Classificazione del legno e dei prodotti derivati ..................................................................................... 43
• Legno massiccio (capitolo 11.7.2 normativa) .............................................................................................. 44
• Legno lamellare incollato ............................................................................................................................ 46
• L_05 Verifiche agli stati limite: elementi lignei monodimensionali ................................................................ 47
• Verifiche agli stati limite ultimi .................................................................................................................... 53
• Trazione parallela alla fibratura ............................................................................................................... 54
• Compressione parallela alla fibratura (es. pilastro) ................................................................................ 55
• Trazione ortogonale alla fibratura ........................................................................................................... 55
• Compressione ortogonale alla fibratura .................................................................................................. 56
• Flessione .................................................................................................................................................. 56
• Taglio ....................................................................................................................................................... 57
• Torsione ................................................................................................................................................... 58
• Compressione inclinata alla fibratura ...................................................................................................... 58
• Tensoflessione (trazione + flessione) ...................................................................................................... 59
• Pressoflessione (compressione + flessione) ............................................................................................ 60
• Taglio e torsione ...................................................................................................................................... 60
• Verifiche di stabilità ................................................................................................................................. 60
• Stati limite di esercizio ................................................................................................................................. 67
• Verifiche di scorrimento dei giunti (sempre parte degli stati limite di esercizio) ................................... 69
• Verifiche di vibrazione (sempre parte degli stati limite di esercizio) ...................................................... 70
• L_06 Progettazione per stati di trazione e compressione perpendicolare alla fibratura ................................ 72
• Stati di sollecitazione di compressione ortogonali alla fibratura ................................................................ 73
• Appoggio travi e sistemi di rinforzo agli appoggi .................................................................................... 73
• Stati di sollecitazione di trazioni ortogonali alla fibratura .......................................................................... 85
• Travi con intagli o rastremazioni di estremità ......................................................................................... 85
• Travi con fori ............................................................................................................................................ 89
• Travi con carichi appesi ........................................................................................................................... 90
• Zone di apice di travi speciali ................................................................................................................... 95
• L_07 Progettazione delle connessioni ............................................................................................................. 98
• Tipi di connessione: tradizionali e moderne ............................................................................................... 98
• Modello di calcolo ..................................................................................................................................... 100
• Resistenza a rifollamento ...................................................................................................................... 101
• Momento di snervamento ..................................................................................................................... 103
• Resistenza della connessione ................................................................................................................ 103
• Modalità di rottura previsti dalla teoria di Johansen ............................................................................ 103
• Rope effect o effetto cordata ................................................................................................................ 105
• Connessione legno-legno 1 piano di taglio ............................................................................................ 105
• Connessione legno-legno 2 piani di taglio ............................................................................................. 107
• Connessione legno-acciaio 1 piano di taglio ......................................................................................... 107
• Connessioni legno-acciaio 2 piano di taglio .......................................................................................... 108
• Spaziature e distanze dal bordo ................................................................................................................ 108
• Numero efficace di connettori (domanda d’esame) ................................................................................. 109
• Regole aggiuntive ...................................................................................................................................... 110
• Rigidezza delle connessioni ....................................................................................................................... 110
• L_08 Xlam (o CLT Cross Laminated Timber) ..................................................................................................... 111
• Progettazione ............................................................................................................................................ 115
• Verifica a flessione semplice elemento monodimensionale ................................................................. 117
• Possibile utilizzo nella direzione debole ................................................................................................ 119
• Verifica a flessione – sollecitazione biassiale ........................................................................................ 119
• Verifica a pressoflessione – sollecitazione biassiale .............................................................................. 120
• Verifica a taglio ...................................................................................................................................... 120
• Verifica a deformazione......................................................................................................................... 122
• Verifica a vibrazione .............................................................................................................................. 123
• Verifica a schiacciamento perpendicolare alla fibratura ....................................................................... 124
• Verifica a taglio nel piano della lastra ................................................................................................... 125
• Deformabilità a taglio della lastra ......................................................................................................... 128
• Verifiche per forze assiali nel piano della lastra .................................................................................... 128
• Verifiche di stabilità ............................................................................................................................... 129
• Elementi di connessione ............................................................................................................................ 130
• ETA ............................................................................................................................................................. 130
• L_09 Progettazione al fuoco delle strutture in legno .................................................................................... 133
• Superfici non protette per tutto il tempo di esposizione al fuoco ........................................................ 139
• Superfici di travi e colonne inizialmente protette dall’esposizione al fuoco ........................................ 140
• Metodo di verifica ..................................................................................................................................... 142
• Comportamento al fuoco delle connessioni ............................................................................................. 143
• Unioni non protette......................................................................................................................... 143
• Unioni protette ................................................................................................................................. 145
• Unioni con piastre interne in acciaio .......................................................................................... 146
• Comportamento al fuoco delle strutture in Xlam ..................................................................................... 147

L_02 Caratteristiche del legno

Il legno è l’unico tra i principali materiali da costruzione a derivare da una risorsa rinnovabile ed essere sostenibile. Uno dei processi fondamentali alla base della vita sul nostro pianeta è rappresentato dalla capacità delle piante di assorbire energia solare attraverso le parti verdi, rompere molecole d’acqua e legare l’idrogeno all’anidride per formare così glucosio e liberare ossigeno (fotosintesi clorofilliana).

Per esporre le proprie parti verdi al sole, come le foglie e gli aghi, le piante devono portarle in alto; per questo, nel corso della loro evoluzione, hanno elaborato quel tessuto di sostegno che è il legno.

Proprietà del materiale legno

Cenni su costruzione e anatomia

Il legno o xilema è prodotto dagli alberi, che sono organismi viventi, ed è costituito da cellule, che già nell’albero in piedi sono per la maggior parte morte e lignificate; esso adempie principalmente alle funzioni di sostegno meccanico, di conduzione idrica, di accumulo di sostanze di riserva, di secrezione di sostanze utili alla vita dell’albero.

Le cellule legnose hanno forma allungata, con direzione longitudinale circa parallela all’asse del tronco; in effetti la maggior parte delle proprietà fisiche e meccaniche del legno sono determinate dalla sua struttura, che può essere analizzata a diversi livelli:

• Macrostruttura
• Microstruttura (tessuti legnosi)
• Struttura chimica

Il materiale legno trae origine dall’attività vegetativa degli alberi, attraverso un accrescimento primario e secondario, cioè in altezza ed in diametro del fusto. Questa attività contribuisce alla formazione, ad ogni stagione, di successivi cerchi concentrici di conoidi legnosi. Vengono definite tre direzioni principali:

• Longitudinale L (asse midollare)
• Radiale R
• Trasversale T

La sezione trasversale è ottenuta dal taglio del tronco ortogonalmente all’asse longitudinale e caratterizzata dalla presenza di cerchi concentrici degli anelli di accrescimento;

La sezione radiale corrisponde ad un piano contenente l’asse longitudinale e caratterizzata dalla presenza di linee all’incirca parallele all’asse longitudinale.

La sezione tangenziale corrisponde ad un piano longitudinale tangente agli anelli concentrici di accrescimento e caratterizzata da “fiammature” corrispondenti alla sezione di una conica.

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Classificazione degli alberi

Gli alberi si suddividono in conifere o gimnosperme (legni duri) e latifoglie o angiosperme (legni teneri).

• Le conifere sono piante vascolari a seme nudo; sono arboree, legnose e grandi. Hanno foglie sottili e appuntite definite aghi. Nelle conifere cellule fusiformi, dette tracheidi, svolgono contemporaneamente le funzioni di sostegno e conduzione (omoxilo). Abeti, pini e larici
• Le latifoglie sono piante vascolari a seme rivestito, generalmente sono caratterizzate da foglie larghe dalle forme diverse che in autunno cambiano colore e cadono. Nelle latifoglie le funzioni di sostegno e di conduzione dei liquidi sono svolte da cellule differenti: cellule cilindriche, dette vasi. Formano le vie di conduzione dei liquidi, mentre le fibre propriamente dette, dalla forma più o meno fusiforme, provvedono alla funzione di sostegno (eteroxilo). Castagno, quercia e frassino

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La funzione strutturale del fusto è affidata alle tracheidi nelle conifere, costituenti circa il 95% del volume totale del legno omoxilo, ed alle fibre nelle latifoglie, che possono arrivare fino al 50% del volume totale del legno eteroxilo.

Le fibre legnose sono assimilabili a prismi, organizzati nello spazio nel seguente modo:

La parete cellulare delle fibre legnose è divisa in parete primaria e parete secondaria ed è costituita da un’impalcatura di microfibrille di cellulosa che fa da sostegno, ed incrostazioni di sostanze diverse (come la lignina).

L’angolo di inclinazione delle microfibrille è il fattore che maggiormente influenza la rigidezza del materiale.

Le microfibrille sono dunque elementi strutturali elementari formati in realtà da lunghe catene di cellulosa impacchettate tra loro con diverso grado di reticolazione.

Nella parete primaria P sono presenti microfibrille di cellulosa disposte in maniera disordinata. La parete secondaria S è organizzata in strati differenti, ognuno risultante dall’insieme di lamelle distinte.

A livello molecolare il legno è composto da tre elementi:

• La cellulosa è l’elemento resistente costituito da lunghe molecole polimeriche orientate lungo la direzione longitudinale.
• La lignina è un materiale polimerico reticolato e serve da elemento cementante per le molecole di cellulosa.
• L’emicellulosa è un polisaccaride e funge da elemento compatibilizzante fra la lignina e la cellulosa.

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Comportamento igroscopico

Il legno è un materiale igroscopico, cioè mostra, sia in natura che nei manufatti, una spiccata affinità con l’acqua. La presenza di acqua è legata a fenomeni fisici di risalita capillare che consentono il ciclo vitale della pianta. Di conseguenza nel legno fresco (cioè ricavato dalla pianta appena abbattuta), il lume cellulare è completamente o parzialmente riempito d’acqua (dominio capillare di acqua libera).

Dopo l’abbattimento i lumi cellulari del legno tagliato cominciano a svuotarsi per evaporazione dell’acqua nell’ambiente esterno: tale processo può progredire fino allo svuotamento delle cellule e addirittura può perdere peso. In questo caso il processo di essiccazione coinvolge l’acqua che satura le pareti cellulari (dominio igroscopico di acqua legata). Il passaggio dal dominio capillare al dominio igroscopico viene indicato come punto di saturazione delle pareti cellulari.

Il processo di perdita dell’acqua legata si dice desorbimento. L’eliminazione quasi completa dell’acqua presente nella parete si può ottenere ponendo il materiale in stufa ventilata ad una temperatura di 103 °C per un tempo sufficiente al raggiungimento della costanza in massa: in questa condizione si parla di stato anidro del legno. − 0 = ∗ 100

L’umidità μ di un elemento ligneo in percentuale si misura come dove m è la massa 0 0 misurata allo stato secco.

Le variazioni di umidità all’interno del materiale ligneo sono da porre in diretta relazione con le condizioni climatiche, cioè con la coppia di valori temperatura/umidità relativa all’ambiente in cui è posto il materiale.

Si può infatti osservare che un elemento ligneo, qualsiasi sia la condizione di partenza, posto in un ambiente a temperatura e umidità relativa costanti, raggiunge, dopo un tempo sufficientemente lungo, un certo valore di umidità.

Il materiale raggiunge quindi un equilibrio igroscopico con l’ambiente