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, riepilogate anonimamente in una tabella, oppure in un generico elenco.
Le esperienze professionali riguardanti l’ingegneria specializzata in indagini e prove sul costruito, nonché la diagnostica del legno strutturale, hanno permesso di assimilare le peculiarità e il fascino di un materiale da costruzione così interessante e “diverso” dagli altri.
Si è così ritenuta utile la divulgazione di una serie di indicazioni che sono da intendersi, soprattutto, come raccomandazioni al tipo d’approccio da osservare ogni qualvolta si abbia a che fare con la diagnostica delle strutture lignee, antiche o moderne che siano. Il legno si differenzia dagli altri materiali da costruzione in virtù della sua origine biologica.
Perché le Indagini sul Legno Strutturale sono Cruciali?
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 (specie legnosa) 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 (in genere, in peggio) subite durante la vita in esercizio a causa di fattori biotici e abiotici nonché di azioni esterne eccessive per intensità e/o durata.
Le indagini su legno consentono di determinare lo stato di conservazione e la funzionalità strutturale di questo materiale; infatti è in grado di fornire notevoli informazioni utili e legate alla qualità, alla resistenza del legno, alla presenza di danni meccanici e di degrado. Quest’ultimo può assumere sia caratteristiche di degrado strutturale (lesioni, distacchi, deformazioni eccessive, etc.) che di degrado biologico o biodegradamento (invecchiamento, porosità, attacchi di muffe e funghi della carie, attacchi da insetti xilofagi, etc.). 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.
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Il Ruolo dello Specialista in Diagnostica Lignea
Poiché le strutture lignee si degradano con modalità note e specifiche per ciascuna combinazione di specie legnosa e condizione di messa in opera, 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 etc.
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. 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.
Sulla base delle risultanze ottenute, saranno eventualmente effettuate le prove strumentali che lo specialista riterrà effettivamente utili a chiarire al meglio il quadro conoscitivo. Lo specialista affiancherà a questa anche numerose altre norme italiane e internazionali, utili per completare il quadro delle determinazioni necessarie a ottenere un quadro conoscitivo completo delle problematiche di ciascuna struttura lignea oggetto dell’ispezione a vista.
Indagini su Legno Strutturale Esistente: Necessità e Livelli di Conoscenza
Gli elementi costruttivi in legno sono spesso presenti in edifici esistenti: solai, coperture e architravi in legno in costruzioni esistenti in muratura, cemento armato o acciaio. Pertanto se ti occupi di analisi di vulnerabilità di costruzioni esistenti molto probabilmente dovrai eseguire indagini e prove anche su elementi strutturali esistenti in legno.
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.
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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. Esempio: analisi di vulnerabilità sismica di un edificio esistente in muratura con solai in legno. 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.
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Le Fasi delle Indagini Diagnostiche sul Legno
Le procedure delle indagini diagnostiche sul legno si eseguono su ciascun elemento strutturale e si articolano in quattro fasi:
- Ispezione visiva: attraverso la quale s’identifica la specie legnosa, si valutano i difetti e le anomalie presenti nel legno, si localizzano e quantificano le alterazioni subite nel tempo e si valuta lo stato dei collegamenti.
- Analisi strumentale: include prove non distruttive e semi-distruttive.
- Prelievi di microcarote in legno: vengono fatte mediante succhiello di Pressler, da destinare alle verifiche di laboratorio per l’individuazione degli agenti biodeteriogeni e xilofagi.
- Prove di laboratorio: sono utili a determinare: la resistenza a compressione parallela e perpendicolare alla fibratura e a flessione.
Ispezione Visiva e Identificazione del Materiale
Viene riportata qui di seguito una sintesi delle principali informazioni che sarà necessario acquisire a seguito di un’analisi visuale affinché, a seguito di questo preliminare e fondamentale passaggio, si abbia evidenza e sintesi dei dati minimi di cui disporre a completamento di questa fase d’indagine.
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 (nelle norme si fa in questi casi riferimento al tipo di legno strutturale). Deve essere pertanto assicurata tale condizione. Il riconoscimento microscopico richiede il prelievo di almeno un frammento di legno di piccole dimensioni, e pertanto deve essere consentito tale prelievo.
Un aspetto cruciale è l'individuazione di eventuali zone dell’elemento in cui l’umidità del legno supera localmente la soglia di sicurezza del 18÷20%, al di sopra della quale esiste un rischio di attacchi da parte dei funghi agenti della carie del legno. 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. Di norma ciò è possibile con sufficiente approssimazione senza il ricorso a esami microscopici. In ogni caso devono essere distinti gli attacchi di funghi da quelli di insetti distruttori del legno. Soltanto per questi ultimi sarà anche indispensabile identificare le specie, o gruppi di specie responsabili dell’attacco, ai fini della determinazione delle modalità di evoluzione nel tempo del medesimo.
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Livelli di Approfondimento delle Indagini secondo la Circolare 2019
Veniamo al punto chiave: quali prove e indagini eseguire per il legno strutturale esistente? 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.
| Livello di Approfondimento | Caratteristiche Principali | Controlli Strumentali Previsti |
|---|---|---|
| Prove Limitate | Indagini basate principalmente su esami visivi delle superfici (almeno tre facce e una testata di ogni elemento primario e secondario). Prevedono limitati controlli degli elementi costruttivi e delle connessioni. | Rimozioni locali dello strato di protezione per valutazione dello stato di conservazione. |
| Prove Estese | Indagini visive diffuse sulle superfici degli elementi e sui collegamenti. | Accompagnate da alcuni controlli strumentali. Rimozioni locali dello strato di protezione per valutazione dello stato di conservazione. Almeno alcuni controlli dell’umidità del materiale in zone specificatamente individuate come particolarmente sensibili. |
| Prove Esaustive | Indagini visive diffuse e sistematiche. Analisi per l’identificazione della specie, misura dell’umidità nel materiale e nelle zone di interfaccia con materiali diversi, analisi dei collegamenti e valutazione dei fenomeni di degrado degli elementi di connessione. | Accompagnate da approfondimenti strumentali, eventualmente di tipo resistografico. Possono anche richiedere attività di laboratorio. |
Principali Tecniche di Indagine Strumentale
La Circolare 2019 non specifica quali prove eseguire sul legno strutturale, ma prescrive genericamente l’esecuzione di controlli strumentali. Esistono diverse tecniche di prova non distruttiva delle strutture in legno.
- Trapani Strumentati (Resistografia): L’analisi strumentale e, in particolare, la resistografica, è una prova non distruttiva (Pnd) effettuata mediante strumento denominato Resistograph. Strumento in grado di far penetrare una punta di acciaio armonico, di lunghezza 40 cm e diametro 3 mm, all’interno del legno e di rilevare la resistenza che il legno oppone all’avanzamento. Da tale prova si ottiene il profilo resistografico, ovvero un grafico che mette in relazione la resistenza del legno con la profondità. Ad esempio, una delle richieste più comuni da parte dei progettisti è quella di effettuare una serie di prove a campione con il trapano dinamometrico. 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. L’obiettivo della prova con Resistograph è quello di misurare le variazioni di resistenza e, quindi, di densità presenti all’interno della sezione dell’elemento ligneo. Queste misure forniscono importanti indicazioni sulle caratteristiche del legno, come: i difetti, le anomalie e le alterazioni (danni di natura biotica derivanti dagli insetti xilofagi e funghi della carie, nodi, spaccature, slittamento di fibre, cipollature anulari, etc.). L’esigenza di disporre di un metodo di indagine rapido, economico ed affidabile, inizialmente rivolto alla diagnosi di pali in legno e di alberi in piedi, ha condotto allo sviluppo di una tipologia di strumenti in grado di rilevare lo stato di conservazione interna delle sezioni, misurando la resistenza offerta dal materiale alla perforazione di una punta di acciaio. Tale categoria di misuratori ha quindi trovato estesa applicazione anche nell’ambito dell’ispezione in opera di costruzioni storiche. I materiali ispezionabili riguardano tutti quegli elementi strutturali, a prescindere dall’anno di costruzione, realizzati in materiale ligneo. I tempi di esecuzione, per effettuare questo tipo di prova non distruttiva (Pnd), sono medi.
- Estrazione di Carotine: Viene eseguite 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. La rapida determinazione indiretta della densità del legno e la conseguente valutazione qualitativa sullo stato dell’elemento esaminato rappresentano per l’indagine sul cantiere una risorsa diagnostica orientativa ad eventuali ulteriori analisi nonche al ricorso a metodologie più sofisticate.
- 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. La ricerca di un legame correlativo esistente tra resistenza all’estrazione della vite, da un lato, e valori densità e resistenza meccanica, dall’altro, ha condotto allo sviluppo di tecnologie NDT con caratteristiche di maneggevolezza e semplicità d’uso per le specifiche esigenze di indagine in situ.
- Misurazione dell'Umidità (Igrometro): Un’altra prova non distruttiva, spesso utilizzata ma volta a determinare la percentuale di umidità presente nel materiale ligneo, è quella relativa all’utilizzo dello strumento denominato igrometro. Consente di rilevare la misura di peso dell’acqua in riferimento al peso dello stesso materiale che ne risulta privo.
Riferimenti Normativi
I riferimenti normativi sono: Norma UNI 11118:2004 (Identificazione delle specie legnose) e Norma UNI 11119:2004 (Strutture portanti degli edifici). Le procedure per la diagnosi di elementi di legno in opera sono descritte nella norma UNI 11119 "Manufatti lignei Strutture portanti degli edifici - Ispezione in situ per la diagnosi degli elementi in opera". Nel capitolo 7 della norma sono elencate e descritte le procedure per l'esecuzione dell'ispezione: Identificazione della specie legnosa, Determinazione dell'umidità del legno, Determinazione delle condizioni ambientali e della classe di rischio biologico, Descrizione generale e rilievo geometrico, Classificazione secondo la resistenza. Nella parte riguardante la classificazione secondo resistenza sono descritte le procedure e le regole per la classificazione del legno in opera.
Tutte le prescrizioni della Normativa Tecnica NTC2018 e della Circolare 2019 riguardanti i Livelli di Conoscenza, le indagini e le prove per il legno strutturale esistente sono raccolte in un unico documento PDF scaricabile gratuitamente.
Strumenti Utili per la Valutazione
Nel corso dell’articolo potrai scaricare gratuitamente l’app Woody, un’utile risorsa per l’esecuzione delle verifiche di resistenza sul legno strutturale esistente e un Focus Normativo PDF che raccoglie tutte le prescrizioni delle NTC2018 e Circolare 2019 sull’argomento. Woody è l’app per il progetto e verifica di elementi strutturali in legno massiccio e lamellare, nuovi o esistenti, implementata in Microsoft Excel. Esegui la verifica di resistenza e deformabilità di elementi strutturali esistenti in legno massiccio o lamellare. All’interno dell’app potrai selezionare il livello di conoscenza raggiunto e in automatico saranno ridotti i parametri di resistenza mediante il fattore di confidenza FC.