La dilatazione termica dei materiali è l'aumento di volume, solitamente impercettibile, di un corpo all'aumentare della sua temperatura, a pressione costante. Questa espansione è spiegata dall'aumento dell'agitazione termica delle particelle che compongono il corpo. Sebbene la dilatazione termica sia di piccola ampiezza, essa sviluppa una forza molto grande, che quindi è necessario tenere in considerazione nelle costruzioni.
La dilatazione termica è uno dei fenomeni fisici più importanti da considerare nella progettazione e nella lavorazione dei materiali. Questo processo descrive l’espansione termica o la contrazione dei materiali quando sono soggetti a variazioni di temperatura. Nei solidi, questo fenomeno può influire sulla stabilità strutturale, sulle prestazioni e sulla sicurezza di componenti e strutture. La dilatazione termica si verifica a causa dell’aumento dell’energia cinetica delle molecole in un materiale. Quando la temperatura aumenta, le molecole vibrano con maggiore intensità, causando un allungamento termico. Questo fenomeno è osservabile in tutti i materiali, ma è particolarmente rilevante nei solidi, dove la variazione dimensionale può avere conseguenze significative.
Principi e Fattori della Dilatazione Termica
I fattori che determinano l’entità della dilatazione termica includono:
- Il materiale: Ogni materiale ha un coefficiente di dilatazione termica unico.
- La temperatura: Maggiore è l’intervallo di temperatura, più pronunciata sarà la dilatazione termica dei solidi.
- Lo stato fisico: I solidi presentano generalmente una dilatazione termica lineare.
Se il corpo è lungo, la sua espansione sarà particolarmente evidente in direzione longitudinale: allora si parla di dilatazione lineare. La dilatazione lineare descrive l’allungamento lineare di un materiale lungo una singola direzione. Questo fenomeno è particolarmente critico in strutture come ponti, binari ferroviari e tubazioni.
Il Comportamento Peculiare del Legno
Il legno, come tutte le sostanze, si dilata termicamente, ma questo fenomeno è molto meno importante delle variazioni dimensionali dovute al comportamento igroscopico del materiale. In pratica la dilatazione termica può essere trascurata senza problemi in molti contesti, mentre occorre tenere in considerazione le problematiche relative al ritiro ed al rigonfiamento dovuti alla variazione del contenuto di acqua all'interno del legno (umidità del legno). Il legno secco assorbe acqua se si trova nell’aria umida, infatti al variare dell’umidità fa registrare variazioni dimensionali di oltre il 4%. Così i serramenti esterni ad esempio si “muovono” continuamente con il variare dell’umidità atmosferica giornaliera.
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Un incremento di temperatura in un legno ad umidità superiori al 3% determina una dilatazione inferiore al ritiro causato dalla corrispondente perdita di umidità, per cui si ha nel complesso una diminuzione delle dimensioni. La dilatazione dovuta agli sbalzi termici è estremamente contenuta, addirittura quella effettiva è anche inferiore a quella teorica in quanto compensata dal ritiro dovuto alla diminuzione dell’umidità interna, conseguente all’aumento di temperatura.
Coefficienti di Dilatazione Termica del Legno e Normative
I coefficienti di ritiro e di rigonfiamento sono ben noti e sono comunque dipendenti dalle direzioni "anatomiche" del legno. Per esempio, le deformazioni longitudinali sono di un ordine di grandezza inferiori alle deformazioni nelle direzioni trasversali. Le deformazioni longitudinali sono quindi di un ordine di grandezza inferiori a quelle trasversali (radiali e tangenziali), pari a 1/10000 per variazione di un grado di umidità (questo significa una variazione di 0,1 mm su 1 m). Diverso è il caso delle deformazioni trasversali (radiali e tangenziali): nel caso di deformazioni radiali si ha circa 1/1000 - 2/1000 per variazione di un 1% di umidità (questo significa una variazione di 1-2 mm su 1 m).
In letteratura si trova il coefficiente di dilatazione termica del legno allo stato anidro, in funzione delle direzioni anatomiche: trasversalmente è di un ordine di grandezza superiore a quello assiale (le differenze in direzione radiale e tangenziale sono trascurabili). Questo comportamento può ricondursi al rapporto fra lunghezza e larghezza delle regioni cristalline della parete cellulare. I coefficienti trasversali sono correlati alla massa volumica (e quindi variano tra le specie legnose), mentre quelli assiali sono all’incirca costanti.
Le Norme Tecniche per le Costruzioni (NTC) specificano che i coefficienti di dilatazione termica si riferiscono al materiale legno in condizioni ideali anidre. Nelle condizioni reali di umidità (classi di servizio 1, 2, 3), tali valori dovranno essere valutati adeguatamente, tenendo presente che per gli elementi strutturali di legno o materiali derivati dal legno, le variazioni dimensionali per effetto termico sono generalmente trascurabili. Deve essere sempre considerato l'effetto del ritiro e/o rigonfiamento del legno causato dalle variazioni della sua umidità.
Dilatazione Differenziale e L'Integrazione con il Calcestruzzo
L'unione di due materiali con coefficienti di dilatazione diversi, come il legno e il calcestruzzo, deve rispondere ad elevate sollecitazioni meccaniche. È quindi necessario tenere conto non solo delle prestazioni dei materiali ma anche della loro flessibilità. Tutti i materiali si espandono più o meno sotto l'effetto dell'aumento della temperatura. Il cemento armato, l'acciaio e il calcestruzzo hanno un'espansione abbastanza simile, ma differiscono dal legno in termini di coefficiente di dilatazione termica e, soprattutto, di comportamento igroscopico.
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Le dilatazioni termiche non uniformi tra materiali possono generare punti di debolezza, e se non adeguatamente gestita, la dilatazione dei corpi può provocare rotture improvvise e cedimenti strutturali. Consideriamo alcuni valori tipici dei coefficienti di dilatazione termica lineare:
| Materiale | Coefficiente (α) [x 10-6 °C-1] |
|---|---|
| Calcestruzzo | 10 |
| Acciaio | 12 |
| Alluminio | 23 |
| Legno (stato anidro) | 35 - 55 |
| PVC | 80 |
| PMMA | 80 |
Come si può notare, il coefficiente di dilatazione del legno allo stato anidro è più elevato rispetto a calcestruzzo e acciaio. Tuttavia, come già discusso, il comportamento igroscopico del legno tende a compensare o a rendere meno rilevanti le variazioni dimensionali puramente termiche in condizioni reali di umidità. Nonostante ciò, la combinazione di materiali con proprietà così diverse richiede attenta progettazione per evitare sollecitazioni interne che potrebbero compromettere l'integrità strutturale.
Soluzioni per Gestire la Dilatazione Differenziale
Nelle costruzioni, è necessario implementare soluzioni per mitigare gli effetti delle dilatazioni differenziali. Ad esempio, le rotaie ferroviarie non sono saldate insieme o tagliate ad angolo alle loro estremità, e le due estremità di un ponte non sono sigillate nella muratura, ma poggiano su di esse. Una soluzione fondamentale è l'adozione di giunti di dilatazione. Ci sono giunti di dilatazione tra gli edifici, e i giunti di dilatazione sono presenti ogni 25 ml nelle costruzioni di grandi dimensioni.
È opportuno evitare, per quanto possibile, gli stati di coazione longitudinali o trasversali alla fibratura. Per calcolare il range di movimento di un giunto, si usa la formula: ΔL = α · L₀ · ΔT. In altre parole, il range di moto del giunto (in m) è uguale al coefficiente di dilatazione del materiale α (in °C-1) moltiplicato per la dimensione iniziale del giunto (in m) e per la differenza tra la temperatura massima e minima (in °C).
Per l'integrazione del legno in strutture in calcestruzzo, si raccomanda che, in fase di progetto, particolare attenzione sia posta nella individuazione e nella definizione delle tolleranze di lavorazione, esecuzione e montaggio, soprattutto per le membrature sensibili a fenomeni di instabilità. Prima di essere utilizzato nella costruzione, si raccomanda che il legno sia stagionato fino al valore di umidità appropriato alle condizioni climatiche di esercizio della struttura finita.
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Sigillanti per Giunti di Dilatazione
I prodotti sigillanti devono rimanere a tenuta stagna nonostante le dilatazioni differenziali dei substrati da unire, ad esempio quando uno dei materiali è il calcestruzzo. Esistono diverse soluzioni di sigillatura dei giunti per affrontare questo problema di espansione. Tra queste, si citano ampie gamme di utilizzo per schiume impregnate, che si scelgono in base alla dimensione della guarnizione da sigillare.
La capacità di movimento totale del giunto viene calcolata dividendo l'intervallo di movimento del giunto per la larghezza del giunto (in %). Il prodotto sigillante da utilizzare per sigillare questo giunto deve resistere a questa percentuale di movimento. Ci sono sigillanti con capacità di movimento totale del 12,5% (per sigillanti plastici, solitamente acrilici) e sigillanti con capacità di movimento totale del 25% (per elastomeri come silicone, ibrido, poliuretano).
Le variazioni dimensionali non vengono assorbite solamente agli angoli della stanza (essendo i listelli incollati o inchiodati agli elementi sottostanti), ma attraverso le "fughe" del pavimento (anche grazie alla maschiatura dei listelli del parquet).
Vantaggi del Legno e Considerazioni Aggiuntive
Il legno offre diversi vantaggi strutturali. Ad esempio, nel contesto della resistenza al fuoco, il basso coefficiente di dilatazione termica limita notevolmente le spinte esercitate sui muri perimetrali e quindi i rischi di crollo. La perdita di efficienza di una struttura di legno avviene per riduzione della sezione e non per il decadimento delle sue caratteristiche meccaniche. Sotto lo strato carbonizzato il legno è ancora efficiente dal punto di vista meccanico.
Le strutture in legno garantiscono un'elevata durevolezza nel tempo, lo testimoniano i numerosi edifici storici disseminati nel mondo ed in tutto il nostro paese. L’elevata durevolezza significa anche ridotti costi di manutenzione, ordinaria e straordinaria, che sono invece molto importanti per le strutture in acciaio quali controlli della corrosione, trattamenti antiruggine e tinteggiature.
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