Il legno lamellare rappresenta una soluzione costruttiva moderna e performante, ampiamente utilizzata nell'ingegneria strutturale. Per conoscere le caratteristiche e le basi tecniche di questo prodotto, è possibile fare riferimento alle schede del catalogo on-line www.dataholz.com, alla voce prodotti-travi di legno lamellare. I materiali disponibili sono suddivisi in 6 tipologie aventi caratteristiche diverse e riportate nelle apposite schede.
Classificazione e Profili Prestazionali del Legno Lamellare
Nelle moderne regole di classificazione del legno e dei prodotti a base di legno non si troveranno più espressioni come «carico di sicurezza», «carico ammissibile» oppure «tensione ammissibile». Ad ogni classe di resistenza vengono invece assegnati «profili prestazionali», ovvero tabelle in cui si riportano valori caratteristici di resistenza. Ad esempio, la classe di legno lamellare indicata come GL24 corrisponde ad elementi di legno caratterizzati da una resistenza caratteristica a flessione pari a 24 MPa (circa 240 kgp/cm2).
Il legno lamellare e il legno massiccio per uso strutturale presentano delle particolarità nella determinazione dei parametri di resistenza. In aggiunta, il valore della resistenza deve essere corretto per tener conto delle condizioni ambientali, della durata del carico e della dimensione della sezione.
Anisotropia e Resistenza
Il legno massiccio e il legno lamellare sono materiali strutturali caratterizzati da una spiccata anisotropia. Le resistenze a compressione e trazione in direzione ortogonale alla fibratura sono molto più basse rispetto alle corrispondenti resistenze in direzione parallela alla fibratura.
Fattori Determinanti per i Parametri di Resistenza
La dipendenza dei parametri di resistenza del materiale dalle condizioni ambientali avviene mediante tre classi di servizio definite dalla Normativa Tecnica NTC2018. Le condizioni ambientali e la durata del carico influiscono sui valori di resistenza del legno massiccio e lamellare, riducendoli o amplificandoli attraverso il coefficiente kmod definito dalla Normativa Tecnica.
Leggi anche: Materiali per scale esterne in legno
Le proprietà di resistenza del legno massiccio e del legno lamellare dipendono dalla durata del carico. Al crescere della durata del carico, diminuiscono le proprietà di resistenza del materiale. Le azioni di progetto devono essere assegnate ad una delle classi elencate sopra.
Se una combinazione di carico comprende azioni appartenenti a differenti classi di durata del carico si dovrà scegliere un valore di kmod che corrisponde all’azione di minor durata.
Classi di Servizio Ambientali
Le tre classi di servizio sono definite come segue:
- Classe di servizio 1: è caratterizzata da un’umidità del materiale in equilibrio con l’ambiente a una temperatura di 20 °C e un’umidità relativa dell’aria circostante che non superi il 65%, se non per poche settimane all’anno;
- Classe di servizio 2: è caratterizzata da un’umidità del materiale in equilibrio con l’ambiente a una temperatura di 20 °C e un’umidità relativa dell’aria circostante che superi l’85% solo per poche settimane all’anno;
- Classe di servizio 3: è caratterizzata da umidità più elevata di quella della classe di servizio 2.
Influenza della Dimensione della Sezione
La resistenza a flessione e a trazione del legno massiccio e lamellare dipende anche dalla dimensione della sezione. Se la sezione dell’elemento strutturale oggetto di verifica ha un’altezza minore rispetto all’altezza standard del provino, è possibile incrementare la resistenza a flessione e a trazione del materiale fino ad un massimo del 30% per il legno massiccio e del 10% per il legno lamellare. Tale incremento di resistenza avviene mediante il coefficiente kh prescritto dalla Normativa Tecnica.
Principi di Progettazione e Verifica Strutturale
Nell’analisi e verifica di elementi strutturali in legno, bisogna considerare un comportamento del materiale di tipo elastico-lineare fino a rottura. Il legno per uso strutturale presenta una particolarità per la verifica a flessione. Per tale verifica, una volta calcolata la tensione massima sollecitante analizzando la sezione in campo elastico, tale tensione andrà confrontata con un’apposita tensione resistente per flessione, determinata sperimentalmente e non con la tensione resistente a compressione in direzione parallela alla fibratura, come si potrebbe intuitivamente pensare.
Leggi anche: Scale a cavalletto in legno: istruzioni passo passo
L’analisi sismica della struttura che viene realizzata è del tipo dinamico modale.
L'Analisi modale spiegata in soli 4 minuti
Normative di Riferimento
Le Norme Tecniche per le Costruzioni, approvate con il D.M. 14 gennaio 2008 e in vigore dal 5 marzo 2008, forniscono le indicazioni da seguire per il progetto, l’esecuzione e il collaudo delle costruzioni. Da tempo si parla della possibile approvazione delle nuove Norme Tecniche per le Costruzioni: NTC 2012. Negli ultimi 12 mesi infatti il dibattito tecnico in Italia è stato ampio.
Le proposte di revisione delle NTC’08 sono ancora oggetto di discussione all’interno delle commissioni competenti in seno al C.S.ll.pp. e fanno riferimento ad una intensa attività dei gruppi di lavoro che hanno lavorato inizialmente come “Commissione Monitoraggio” e, a partire da marzo 2011, nella cosiddetta “Cabina di Regia”. Una attenzione particolare è stata rivolta al problema dei coefficienti di sicurezza relativi alle costruzioni in legno. Il coefficiente γM è stato oggetto di approfondita discussione e di confronto tra posizioni a volte contrastanti.
Ulteriori riferimenti normativi includono:
- UNI EN 1991-2:2005 01/03/2005 Eurocodice 1 - Azioni sulle strutture - Parte 2: Carichi da traffico sui ponti.
- UNI EN 1995-2:2005 01/01/2005 Eurocodice 5 - Progettazione delle strutture di legno - Parte 2: Ponti.
- UNI EN 1997-1:2005 01/02/2005 Eurocodice 7 - Progettazione geotecnica - Parte 1: Regole generali.
Il Dibattito sui Coefficienti di Sicurezza (γM)
È in discussione il concetto stesso di affidabilità delle strutture e di sicurezza. Continua su Ingenio il dibattito sulla necessità di aggiornamento delle Norme con le riflessioni di due illustri esponenti del settore in merito alla sicurezza delle strutture in acciaio, in c.a. e in legno.
Leggi anche: Rivestire le scale con il lamellare: tutto quello che devi sapere
Da una parte si sostiene l’esigenza che anche l’Italia, alla luce anche di un panorama normativo dedicato alla certificazione di prodotto sicuramente più strutturato rispetto al 2008, si allinei con gli altri paesi europei che hanno adottato per il legno massiccio e per il legno lamellare valori rispettivamente pari a 1,30 e 1,25. Contestualmente da altri componenti dei gruppi di lavoro viene sostenuta l’esigenza di conservare l’atteggiamento prudenziale contenuto nell’attuale versione della NTC’08 (valori rispettivamente pari a 1,50 e 1.45), tenuto conto che l’Italia si è aperta solo recentemente al mondo delle costruzioni in legno e pertanto progettisti, costruttori e operatori del settore non possono godere dell’esperienza necessaria.
Esiste poi una terza posizione di chi sostiene che una certa esperienza è stata maturata nel passato, soprattutto su costruzioni speciali a volte molto impegnative, e in tempi più recenti anche nell’edilizia residenziale e che pertanto è possibile ragionare su valori intermedi per tali coefficienti (1,45 e 1,35), ritenendo questo passaggio indispensabile per arrivare al completo allineamento di tali coefficienti alla situazione europea in una successiva revisione della norma. Il tema è tuttora oggetto di discussione in sede C.S.ll.pp.
Nel seguito si presentano alcune riflessioni atte a suffragare una progressiva riduzione del coefficiente γM e ad un suo rapido allineamento con i valori adottati in altre nazioni e nell’Eurocodice 5.
Osservazioni sull'Affidabilità delle Strutture
Ezio Giuriani presenta alcune osservazioni in merito alla sicurezza delle strutture in acciaio, in c.a. e in legno, affermando che la sicurezza delle costruzioni dipende solo in parte dal materiale ma che molti altri fattori possono influenzarla in maniera più pesante e che pertanto la sua valutazione risulta molto più complessa, non sempre esprimibile attraverso parametri e formulazioni matematiche che per loro natura sono in grado di esprimere e quantificare solo alcuni aspetti del problema.
Affidabilità nelle Strutture in Legno Lamellare
Nelle strutture in legno lamellare la resistenza delle singole tavole non ancora oggetto di un processo di classificazione secondo la resistenza presenta risultati indubbiamente più dispersi di quelli del materiale acciaio e del calcestruzzo confezionato da impianti di betonaggio. La geometria però, a differenza della strutture in c.a., è di elevato grado di precisione (tolleranze di qualche millimetro) su sezioni di dimensioni di due ordini di grandezza maggiori.
Si deve ricordare come il processo produttivo dedicato alla realizzazione di elementi in legno lamellare incollato preveda una classificazione con metodi a macchina o a vista. Tale procedimento di selezione avviene su ogni singola lamella e ha come logica conseguenza una diminuzione del coefficiente di variazione legata alla materia prima (ragione per cui anche per il legno massiccio è possibile ipotizzare un progressivo allineamento del coefficiente γM ai valori proposti dall’EC5). Inoltre le travi in legno lamellare non sono interessate da problemi di instabilità locali o dalle coazioni, come l’acciaio. In via semplicistica si può affermare che si assiste, al termine dei controlli attuati in sede di produzione, ad un effetto di omogeneizzazione tra e negli elementi finiti. Tutto questo quindi ha un'unica conseguenza: l’abbattimenti dei coefficienti di variazione.
Per completezza occorre poi osservare che negli impalcati lignei esistenti gli insuccessi sono generalmente attribuibili alle eccessive deformazioni nelle condizioni di esercizio. Difficilmente gli insuccessi sono attribuibili ad una insufficiente capacità portante ultima. Un aspetto non trascurabile della sicurezza delle travi in legno riguarda l’evidente preavviso del collasso: il collasso delle travi lignee infatti avviene in modo fragile, ma con un notevole preavviso dovuto alla vistosa deformazione flessionale.
Il Ruolo degli Errori Umani e il kmod
È necessario prendere coscienza che il concetto di “pubblica incolumità” è strettamente legato al concetto di filiera. Solo attraverso una progettazione attenta a evitare grossolani errori si potrà scongiurare la perdita di vite umane ed evitare tragedie. Gli esempi che si richiamano vogliono semplicemente dimostrare che imputare la sicurezza delle opere ai soli coefficienti di sicurezza “del materiale”, non garantisce la “sicurezza” delle opere ingegneristiche stesse. Questo a prescindere dal materiale utilizzato.
Come evidenziato in "Analysis of structural failures in timber structures: Typical causes for failure and failure modes" (Eva Frühwald Hansson, Engineering Structures, Vol. 33, 2011, pp. 2978-2982): “The most common cause of failure is related to weaknesses in or lack of strength design (41.5%), followed by poor principles during erection (14.1%), onsite alterations (12.5%) and insufficient or lack of design with respect to environmental actions (11.4%)”. Le conclusioni della medesima memoria, sottolineano che: “Majority of the failures compiled in the Nordic study could have been avoided if available knowledge had been utilised in a correct way. About half of the failures are caused by errors in design or lack of design. One quarter of the failures was due to errors made on the building site. The study more or less confirms the conclusion made by many others that for structures of all types of materials, almost all failures occur due to gross human errors. Failures due to human errors cannot be counteracted by increasing safety factors or safety levels in structural codes.”
A differenza di altri materiali quali l'acciaio, si deve inoltre precisare che il coefficiente di sicurezza applicato sul materiale legno è ulteriormente “amplificato” tramite un ulteriore fattore kmod che tiene conto di durata del carico e umidità del materiale, che può portare anche al raddoppio del valore di γM sotto azioni permanenti e “classe di servizio” gravosa. Quindi il coefficiente che si applica a una resistenza caratteristica per il legno lamellare non è γM =1,35 bensì, per tali tipi di azioni, γM/kmod=1,35/0,5=2,7. Questa è solitamente la condizione estremante di verifica agli SLU in presenza di valori elevati di azioni permanenti e quasi permanenti. In altri casi, il fattore kmod nella condizione estremante di verifica può essere 0,7 o 0,8, il che comporta comunque un coefficiente di sicurezza effettivo, sempre per il legno lamellare, di circa 1,7 ÷ 1,9. Giova infine precisare che, per materiali a base legno più “sensibili” alla durata del carico e all’umidità, il fattore kmod diviene via via sempre più piccolo (caso limite kmod=0,2, con un coefficiente di sicurezza aumentato quindi di 5 volte).
Certificazione e Strumenti di Progettazione
Oggi, le affermazioni sopra riportate assumono ben maggiore rilievo in quanto sia gli elementi di legno massiccio che gli elementi di legno lamellare devono obbligatoriamente seguire l’iter di certificazione secondo Norme Armonizzate il cui periodo di coesistenza è terminato. La marcatura CE obbligatoria implica quindi una derivazione dei valori caratteristici secondo quanto previsto dalla normativa di riferimento.
L'App Woody per il Calcolo Strutturale
Woody è l’app del blog per il progetto, calcolo e verifica di elementi strutturali in legno. Woody è l’app per il progetto e verifica di elementi strutturali in legno massiccio e lamellare implementata in Microsoft Excel. Al suo interno troverai un ampio database con numerose tipologie di legno massiccio e lamellare e i relativi parametri di resistenza da utilizzare nel calcolo. All’interno dell’applicazione troverai l’elenco delle principali specie legnose utilizzate per la realizzazione di elementi strutturali. I parametri di resistenza saranno calcolati in automatico, applicando tutti i coefficienti correttivi per durata del carico, umidità del materiale e dimensione della sezione. Puoi scaricare la versione gratuita dell’app compilando i campi qui sotto.
Parametri di Resistenza e Deformabilità
Ti riporto di seguito le tabelle contenenti i parametri di resistenza e deformabilità e il peso dell’unità di volume delle più comuni specie legnose per la realizzazione di elementi strutturali in legno massiccio e legno lamellare. Alla fine dell’articolo potrai consultare le tabelle che riportano i parametri di resistenza e deformabilità delle diverse tipologie di legno lamellare e legno massiccio. Potrai inoltre scaricare gratuitamente tutte le tabelle raccolte in un unico documento PDF.