Progetto 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

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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 Tiber) ..................................................................................................... 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

2

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

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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. 4

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 5

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.

6

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 essicazione 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