La diagnostica applicata all’architettura storica rappresenta uno strumento fondamentale per il restauro e la conservazione degli edifici. Il legno strutturale è un prodotto da costruzione per sua natura non omogeneo, anisotropo e biodegradabile. La determinazione della capacità portante di una struttura di legno non è riducibile alla sola resistenza media del legno di cui sono fatti i suoi componenti, ma deve procedere dall’analisi delle caratteristiche originarie di ciascuno di questi ultimi e, in particolare, dei suoi difetti originari e delle alterazioni subite durante la vita in esercizio a causa di fattori biotici e abiotici, nonché di azioni esterne eccessive per intensità e/o durata.
Attraverso un approccio multidisciplinare, il nostro studio unisce analisi dei materiali da costruzione e indagini strutturali non distruttive, garantendo dati scientifici a supporto di progettisti, imprese e istituzioni. La nostra attività nasce dall’esperienza maturata al Dipartimento di Ingegneria Strutturale del Politecnico di Milano e si è progressivamente sviluppata nella libera professione. L’interesse principale è stato quello di approfondire le metodologie di diagnostica applicata agli edifici, con particolare attenzione al patrimonio storico. Nel tempo abbiamo definito due filoni principali: da un lato lo studio dei materiali da costruzione - pietre naturali e artificiali, malte, intonaci, legno - e dall’altro le indagini strutturali su edifici di diversa scala e valore storico, dalle cattedrali monumentali fino all’architettura vernacolare.
La presente pubblicazione prende spunto da sempre più frequenti richieste pervenute da parte di Clienti, spesso sotto forma di specifiche voci di capitolato, in cui, al fine di ottenere una conoscenza delle capacità strutturali di strutture lignee in opera, dello stato di conservazione del materiale costituente e delle sue caratteristiche meccaniche e fisiche, viene richiesta la quotazione di un certo numero di prove strumentali da eseguire.
L'Approccio Diagnostico per le Strutture Lignee
Un ambito di lavoro fondamentale è rappresentato dalle indagini sulle strutture in legno, regolamentate dalla norma UNI 11119. L’approccio si articola in due fasi: una prima ispezione visiva e una successiva valutazione strumentale. L’esigenza primaria è che ad eseguire la valutazione degli elementi strutturali sia uno specialista in tecnologia del legno strutturale. Egli eseguirà tutto quanto serve per fornire allo Strutturista le informazioni utili all'esecuzione delle verifiche della sicurezza strutturale degli elementi: sezioni effettivamente collaboranti, classificazione secondo le resistenze meccaniche, misure per la migliore conservazione del legno, ecc.
Nella migliore prassi, quindi, si lascia al tecnologo del legno strutturale la decisione se, nel caso specifico, un determinato numero di prove strumentali mirate dovranno essere eseguite per rendere le indagini complete ed esaustive.
Leggi anche: Applicazioni Travi Lamellari
1. Ispezione Visiva Preliminare e Rilievo Geometrico
L’ispezione visiva consente di rilevare geometrie, sezioni, interassi, tipologie costruttive e difetti anatomici del legno, come nodi, fibrature o deviazioni. Questi elementi, unitamente al riconoscimento della specie legnosa, permettono una classificazione strutturale preliminare.
Preliminarmente alla valutazione del degrado si esegue un rilievo geometrico che tiene conto della geometria generale della struttura (luce ed interassi) e delle unioni (nelle capriate), della forma e dimensioni delle sezioni e delle eventuali deformazioni.
- L’identificazione del materiale è sempre condotta mediante analisi macroscopica, se necessario abbinata a indagini microscopiche di laboratorio (esame dei caratteri anatomici dei tessuti legnosi). Di norma, comunque, una corretta identificazione rende possibile almeno l’inserimento dell’elemento ligneo portante in un raggruppamento di specie legnose sufficientemente caratterizzato, ai fini pratici, dal punto di vista fisico‐meccanico. Il riconoscimento microscopico richiede il prelievo di almeno un frammento di legno di piccole dimensioni, e pertanto deve essere consentito tale prelievo.
- Durante l’esame a vista della carpenteria lignea è possibile eseguire alcune indagini di tipo qualitativo che possono essere d’aiuto in una prima, speditiva, valutazione dello stato di fatto: la percussione con un martello, ad esempio, fornisce informazioni sulla presenza o meno di forme di degrado o di cavità nell’elemento indagato; tramite l’infissione e la successiva estrazione di un chiodo si può saggiare la consistenza del legno.
Particolare attenzione va posta nell’analisi degli appoggi di ogni elemento ligneo nella muratura, dove i fenomeni di degrado possono essere meno evidenti rispetto a quelli visibili in luce. È frequente la presenza di tali zone umide in corrispondenza degli appoggi di travi nelle murature intrise di acqua piovana oppure di umidità da risalita capillare; delle zone di infiltrazione di pioggia dai manti di copertura sconnessi; del piede di pilastri in contatto con il terreno; ecc. È comunque buona norma effettuare misurazioni di controllo in tutte le zone dell’elemento in cui si notino alterazioni di colore o segni di muffa.
3 LEGNO DIFETTI DEL LEGNO
2. Indagini Strumentali Approfondite
Qualora l’ispezione a vista non sia sufficiente a fornire tutte le informazioni utili alla progettazione, sarà lo specialista stesso a determinare il tipo, il numero e l’ubicazione spaziale e temporale (ordine cronologico) di eventuali prove strumentali integrative da effettuare. L’integrazione delle indagini attraverso prove strumentali più o meno sofisticate, infatti, può aggiungere qualità e affidabilità dei risultati solo in casi specifici, da valutare in situ. Sulla base delle risultanze ottenute, saranno eventualmente effettuate le prove strumentali che lo specialista riterrà effettivamente utili a chiarire al meglio il quadro conoscitivo.
Prove Resistografiche
Le prove resistografiche risultano tra le più significative per la valutazione dell'efficienza strutturale degli elementi lignei. Questo tipo di prova è utilizzata per determinare quantitativamente delle grandezze fisiche che possano essere correlate alla qualità strutturale del materiale in opera. Il sistema utilizzato, detto anche “metodo della foratura semplice”, si avvale di speciali trapani in grado di rilevare in continuità le variazioni dei parametri di rotazione e di avanzamento della punta nel legno, dovute alla presenza di anomalie e difetti, quali nodi, fessure, marcescenze.
Leggi anche: Acquista travi in legno a Primiero
I risultati della perforazione vengono poi raccolti in un grafico in cui in ascissa si riporta la profondità progressiva della penetrazione della punta all’interno della sezione, mentre in ordinata è mostrato un “indice delle resistenze” (in forma di parametro dimensionale, chiamato amplitudo), riscontrato durante il percorso della punta all’interno della massa legnosa.
Il primo presenta un “profilo tipo” privo di discontinuità: la successione ravvicinata di picchi massimi e minimi è legata alla densità degli anelli che costituiscono la struttura indagata. Il picco più alto è dovuto alla resistenza che la punta incontra nell’attraversare la parte di accrescimento autunnale dell’anello, mentre il picco più basso indica la penetrazione nella zona dell’anello formatasi in primavera. Questo andamento di picchi massimi e minimi del profilo viene ottenuto quando la punta del Resistograph® penetra nel materiale lungo una traiettoria perfettamente perpendicolare agli anelli (ortogonalmente alle fibre). Tale andamento muta nel caso in cui la punta dello strumento penetri anche nel midollo: il cambiamento di densità è evidenziato da una curva con picchi massimi e minimi più ravvicinati, caratterizzata da una resistenza media inferiore.
Il secondo profilo riportato nella figura soprastante presenta alcune discontinuità dovute alla presenza di nodi e fratture: nei nodi si riscontra una resistenza più accentuata, mentre la presenza di vuoti dovuti a fratture nel materiale causa un repentino abbassamento della curva tendente allo zero. Lo scopo di questa prova è quello di caratterizzare l’omogeneità del materiale in esame, o, se eseguita parallelamente alle fibre, dare un’indicazione sulla densità. Lo scopo di questa prova è quello di individuare le variazioni di densità tra legno sano e decomposto ed effettuare una diagnosi delle aree di decadimento interno dell’elemento in analisi.
Altre Metodologie di Prova
- Pilodyn: Lo scopo della prova è quello di stimare il modulo elastico del legno in base ad opportune correlazioni con la profondità di penetrazione di un punzone di forma cilindrica che viene “sparato” contro la superficie ad energia costante. Il Pilodyn viene appoggiato alla zona di misura e attraverso un grilletto a molla infigge un chiodo calibrato.
- Indagine tramite endoscopio: ha lo scopo di classificare dettagliatamente la consistenza e la natura del materiale costituente la struttura in esame, mediante rilievi visivi e fotografici.
- Indagine tramite igrometro: ha lo scopo di determinare la percentuale di umidità presente all’interno di un elemento ligneo. Generalmente, per impieghi all’esterno, è sufficiente arrivare a valori di umidità intorno al 15%, mentre se il legno viene utilizzato all’interno delle abitazioni occorre scendere al di sotto del 12%.
- Trapani strumentati (dinamometrici): Misurando in continua l’assorbimento di potenza di un trapano elettrico che fa penetrare nel legno una punta a lancia, del diametro di 3-4 mm, a velocità di avanzamento costante, si ottiene infatti un grafico che può essere correlato alle variazioni di densità del legno attraversato. È del tutto evidente che il risultato di una siffatta prova dipende in modo decisivo dalla scelta del punto da perforare e dalla direzione di perforazione.
- Estrazione di carotine: viene eseguita mediante il succhiello di Pressler, ovvero un carotatore manuale costituito da una trivella a doppia filettatura. Il foro lasciato nell’elemento avrà un diametro di 12 mm, mentre la carotina estratta avrà un diametro di 5 mm.
- Penetrazione statica: consiste nel far penetrare a una profondità di 5 mm dalla superficie legnosa una piccola sfera di acciaio dal diametro di 10 mm. Misurando la forza applicata è possibile risalire alle proprietà fisico-meccaniche del legno.
- Penetrazione dinamica: misurazione della profondità raggiunta da una punta sottile in acciaio infissa nella superficie legnosa da una molla tarata e caricata a mano.
- Resistenza all’estrazione della vite: tale prova consiste nel misurare la forza di trazione necessaria per estrarre dal legno una vite autofilettante. La prova è idonea a valutare lo stato di conservazione del legno in superficie.
Livelli di Conoscenza e Fattore di Confidenza per il Legno Strutturale Esistente
La verifica statica di elementi realizzati in legno strutturale esistente, massiccio o lamellare, richiede l’esecuzione di adeguate indagini e prove sul materiale per la caratterizzazione meccanica e tipologica del legno. L’esecuzione di indagini e prove è necessaria per definire il Livello di Conoscenza della struttura e il relativo Fattore di Confidenza (FC) per la riduzione delle proprietà meccaniche del materiale.
La Normativa Tecnica definisce tre Livelli di Conoscenza denominati come LC1, LC2, LC3. I livelli di conoscenza sono ordinati per informazioni crescenti sulla costruzione esistente. Al livello LC1 corrisponde una conoscenza minima della struttura esistente, al livello LC3 una conoscenza più approfondita. La Normativa Tecnica consente al progettista di adottare Livelli di Conoscenza della struttura differenziati per la verifica sismica globale della costruzione e per la verifica in condizioni statiche di singoli elementi costruttivi.
Leggi anche: Comfort abitativo con cartongesso
Al crescere delle informazioni disponibili sulla struttura esistente (da LC1 a LC3), diminuirà il fattore di confidenza FC (da 1.35 a 1.00) pertanto si ridurrà la penalizzazione della resistenza del materiale.
| Livello di Conoscenza (LC) | Descrizione | Fattore di Confidenza (FC) |
|---|---|---|
| LC1 | Conoscenza minima della struttura esistente | 1.35 |
| LC2 | Conoscenza intermedia della struttura esistente | 1.20 |
| LC3 | Conoscenza approfondita della struttura esistente | 1.00 |
Tipologie di Indagini Strumentali in base ai Livelli di Conoscenza
La Circolare 2019 definisce tre livelli di approfondimento per le prove da eseguire sul legno esistente, al fine di determinare le caratteristiche meccaniche, la specie legnosa e il livello di degrado:
- Prove limitate: si tratta di indagini basate principalmente su esami visivi delle superfici, che comprendano almeno tre facce e una testata di ogni elemento dell’orditura primaria e secondaria e che prevedano limitati controlli degli elementi costruttivi e delle connessioni. Sono previste rimozioni locali dello strato di protezione per procedere a una valutazione dello stato di conservazione.
- Prove estese: si tratta di indagini visive diffuse sulle superfici degli elementi e sui collegamenti, accompagnate da alcuni controlli strumentali. Sono previste rimozioni locali dello strato di protezione per procedere a una valutazione dello stato di conservazione. Come controlli strumentali, sono almeno da prevedere alcuni controlli dell’umidità del materiale in zone specificatamente individuate come particolarmente sensibili.
- Prove esaustive: si tratta di indagini visive diffuse e sistematiche, accompagnate da approfondimenti strumentali, eventualmente di tipo resistografico. Si prevedono analisi per l’identificazione della specie, la misura dell’umidità nel materiale e nelle zone di interfaccia con materiali diversi e l’analisi dei collegamenti, con valutazione dei fenomeni di degrado degli elementi di connessione. Tali analisi possono anche richiedere attività di laboratorio. Per gli elementi in legno è importante identificare l’eventuale degrado di tipo biotico, ovvero il degrado causato dall’aggressione di insetti e funghi xilofagi.
Ambiti di Applicazione e Casi Studio (Indagini a Pesaro e Dintorni)
Le indagini svolte nei lavori riguardano strutture di legno massiccio o in lamellare. Trattasi principalmente di coperture, solai e controsoffitti costituiti da orditure lignee composte da capriate, falsi puntoni, arcarecci, travi, travicelli/regoli, centine, elementi in lamellare ecc. L’ispezione ha lo scopo di rilevare lo stato di conservazione e le caratteristiche tecnologiche del materiale ed è svolta nell’ambito di interventi di restauro, ristrutturazioni, manutenzione, adeguamento, per le verifiche di sicurezza o in ambiti più complessi come la valutazione di vulnerabilità sismica di un edificio.
Gli edifici sui cui sono state eseguite le indagini sono pubblici e privati, in particolare:
- Edifici di proprietà comunale, provinciale o regionale (es. Scuola Primaria, Liceo Classico Statale)
- Scuole, palestre, impianti sportivi
- Appartamenti privati (es. Classificazione a vista secondo la resistenza meccanica di elementi lignei strutturali di copertura - Abitazione privata)
- Edifici di culto (es. Chiesa di S. Giovanni, Chiesa dei SS. Biagio e Andrea, Complesso Parrocchiale di S. Maria Assunta, Convento delle Suore Domenicane)
- Strutture ricettive (es. Hotel St. George)
Una diagnostica accurata è la base per conservare e valorizzare il patrimonio edilizio, anche nella provincia di Pesaro e Urbino.