La verifica dei collegamenti nelle strutture in legno

Il legno è un materiale composito costituito da cellule vegetali di forma allungata disposte parallelamente all’asse del tronco, costituite principalmente da cellulosa e lignina, la prima ha buona resistenza a trazione mentre la seconda a compressione.
In funzione della struttura e della disposizione delle cellule si determinano le proprietà fisiche e meccaniche dei diversi tipi di legno.
Il legno, essendo un materiale anisotropo, possiede una resistenza agli sforzi che varia in funzione della direzione in cui questi agiscono rispetto alla direzione delle fibre, in generale si può affermare che si ha una resistenza maggiore se sollecitato parallelamente alla fibratura e una resistenza minore se sollecitato ortogonalmente alla fibratura.
Le strutture in legno offrono una buona resistenza meccanica, un forte potere termocoibente e una buona resistenza al fuoco nonostante sia un materiale combustibile.
Il legno per le costruzioni si divide essenzialmente in:
- Legno massiccio;
- Legno lamellare.
Il legno lamellare, ottenuto mediante l’incollaggio di assi di legno in modo da formare elementi strutturali, è un materiale industriale e pertanto si può intervenire per migliorarne le condizioni di esercizio e di sicurezza. Con l’utilizzo del legno lamellare non si riscontrano i difetti tipici del legno massello, ovvero deformazioni da ritiro e limitazioni dimensionali.
La tecnologia del legno lamellare ha permesso di superare le limitazioni dimensionali dei singoli elementi in legno massello, permettendo la copertura di grandi luci con strutture portanti leggere, con una buona resistenza meccanica e al fuoco.
La resistenza al fuoco si può definire come la capacità di un manufatto di svolgere la propria funzione dal momento in cui viene investito da un incendio.
La resistenza al fuoco non è una proprietà intrinseca del materiale ma è una prestazione di un elemento strutturale, o dell’intera struttura nei confronti dell’azione di incendio.
Le strutture in legno, nonostante la combustibilità del materiale, hanno un buon comportamento al fuoco se la sezione trasversale degli elementi strutturali non è di dimensioni ridotte. Sotto l’azione del fuoco e raggiunta la temperatura di carbonizzazione, la resistenza e la rigidezza del legno diventano nulle determinando così la riduzione della sezione resistente degli elementi strutturali. Generalmente si considera che le caratteristiche meccaniche della sezione lignea residua, ovvero quella sezione che non comprende la zona carbonizzata, ad una certa distanza dallo strato carbonizzato, non risultano ridotte rispetto alle condizioni standard.
Il quadro normativo di riferimento per le strutture in legno è rappresentato in Europa dall’Eurocodice 5 e in Italia dal Decreto Legislativo 14 Gennaio 2008 – “Norme Tecniche per le Costruzioni” (NTC 2008), con quest’ultimo l’Italia ha dettato le regole per le costruzioni in legno, per l’utilizzo di questo materiale e sulle caratteristiche che deve possedere affinché possa essere impiegato nelle costruzioni. I capitoli che trattano il tema delle costruzioni in legno sono:
- Capitolo 4.4 “Costruzioni civili e industriali - Costruzioni di legno”
- Capitolo 7.7 “Progettazione per azioni sismiche - Costruzioni di legno”
- Capitolo 11.7 “Materiali e prodotti per uso strutturale - Materiali e prodotti a base di legno”
Nonostante l’introduzione di questi capitoli, le NTC non sono sufficienti per la progettazione, e pertanto fanno spesso riferimento a normative di comprovata validità per quanto non espressamente specificato in detta norma.
L’Eurocodice 5, essendo il documento normativo più completo per la progettazione delle strutture in legno, è considerato come norma di comprovata validità e pertanto può essere utilizzato senza contrastare le prescrizioni delle NTC 2008, salvo l’utilizzo dei coefficienti di sicurezza che devono essere quelli indicati nella normativa italiana.
Il legno è un materiale di origine biologica e pertanto le sue caratteristiche fisiche e il suo comportamento meccanico sono strettamente legati all’anatomia della pianta di provenienza.
Le caratteristiche naturali del legno (presenza di nodi, inclinazione della fibratura, presenza di cretti, presenza di legno di reazione, …) possono rappresentare da un punto di vista strutturale dei difetti che vanno debitamente considerati procedendo ad una accurata selezione e classificazione e, ove possibile, contemplati nei calcoli.
La principale caratteristica fisica che influenza le prestazioni del legno è rappresentata dal comportamento igroscopico, connesso alla capacità di assorbire e rilasciare umidità all’atmosfera circostante.
Per quanto riguarda la durabilità, particolare attenzione verrà posta alla sensibilità del legno al biodegradamento, principalmente per azione di funghi ed insetti xilofagi.
La definizione degli stati limite, sia in condizioni ultime che nelle condizioni di esercizio, tiene perciò conto di tali specifiche caratteristiche del materiale.
I requisiti richiesti di resistenza, funzionalità e robustezza si garantiscono verificando gli stati limite ultimi e gli stati limite di esercizio della struttura, dei singoli componenti strutturali e dei collegamenti.
Il comportamento reologico del materiale ha un effetto diretto sulla resistenza e sulla deformazione del legno. A differenza di quanto accade per altri materiali da costruzione è quindi di fondamentale importanza tener conto della correlazione esistente tra il tempo di permanenza dell’azione sulla struttura e le caratteristiche di resistenza e deformabilità del materiale.

Ai fini del calcolo in genere si può assumere quanto segue:
- il peso proprio e i carichi non rimovibili durante il normale esercizio della struttura, appartengono alla classe di durata permanente;
- i carichi permanenti suscettibili di cambiamenti durante il normale esercizio della struttura e i carichi variabili relativi a magazzini e depositi, appartengono alla classe di lunga durata;
- i carichi variabili degli edifici, ad eccezione di quelli relativi a magazzini e depositi, appartengono alla classe di media durata;
- il sovraccarico da neve riferito al suolo qsk, calcolato in uno specifico sito ad una certa altitudine, è da considerare in relazione alle caratteristiche del sito;
- l’azione del vento e le azioni eccezionali in genere, appartengono alla classe di durata istantanea.
La durata del carico e l’umidità del legno influiscono sulle proprietà resistenti del legno.
I valori di calcolo per le proprietà del materiale a partire dai valori caratteristici si assegnano quindi con riferimento combinato alle classi di servizio e alle classi di durata del carico.
Il valore di calcolo Xd di una proprietà del materiale (o della resistenza di un collegamento) è calcolata mediante la seguente espressione (§4.4.6 - NTC 2008):

dove:
Xd è il valore caratteristico della proprietà del materiale, come specificato al § 11.7 delle NTC, o della resistenza del collegamento. Il valore caratteristico Xk può anche essere determinato mediante prove sperimentali sulla base di prove svolte in condizioni definite dalle norme europee applicabili;
γM è il coefficiente parziale di sicurezza relativo al materiale, i cui valori sono riportati nella Tab. 4.4.III;
kmod è un coefficiente correttivo che tiene conto dell’effetto, sui parametri di resistenza, sia della durata del carico sia dell’umidità della struttura. I valori di kmod sono forniti nella Tab. 4.4.IV.
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.
Per tenere conto della particolare situazione italiana, che vede per la prima volta una regolamentazione delle costruzioni di legno, il coefficiente parziale di sicurezza relativo al materiale γM ed il coefficiente di correzione kmod, assumono valori più cautelativi rispetto a quelli previsti da analoghe normative europee.

COLLEGAMENTI IN LEGNO
Nelle strutture in legno i collegamenti rivestono un ruolo determinante per garantire un buon comportamento strutturale, una buona resistenza sismica e al fuoco.
Con riferimento al documento CNR-DT 206/2006 – Istruzioni per il progetto, l’esecuzione e il controllo delle strutture in legno, i collegamenti si distinguono nei due seguenti tipi:
- collegamenti di carpenteria lignea, realizzati per lavorazione delle superfici di contatto (carpentry joint), in cui le sollecitazioni vengono trasmesse direttamente tramite sforzi di compressione;
- collegamenti meccanici, nei quali la trasmissione degli sforzi avviene prevalentemente attraverso appositi elementi metallici e, eventualmente, con la presenza di adesivi (mechanical joint).
I collegamenti di carpenteria sono quelli tipici delle tradizionali costruzioni storiche, realizzati per lavorazione delle superfici di contatto. Di regola sono in grado di trasmettere solamente sforzi di compressione per contatto, e quindi in grado di esplicare unicamente la funzione di vincoli monolateri, a meno che non vengano considerati con altre tipologie di unioni.
I collegamenti meccanici sono caratterizzati dalla trasmissione delle sollecitazioni attraverso opportuni mezzi di unione, generalmente metallici, o mediante adesivi.
Le unioni meccaniche, in funzione della tipologia del mezzo di unione adottato, possono essere suddivise in:
- unioni con mezzi di unione metallici a gambo cilindrico (bullone, chiodo, spinotto o elemento simile, con superfici lisce o zigrinate);
- unioni con connettori metallici di superficie (caviglie, anelli, piastre dentate).
I metodi di calcolo per la valutazione della resistenza e della deformazione dei singoli mezzi di unione, per quanto indicato nel § 4.4.9 della Circolare n. 617/2009, devono essere convalidati sulla base di prove sperimentali eseguite nel rispetto di normative di comprovata validità; di conseguenza i collegamenti metallici a gambo cilindrico possono essere calcolati mediante la teoria di Johansen contenuta nel documento CNR-DT 206/2006.
La valutazione della capacità portante di collegamenti con mezzi di unione multipli, tutti dello stesso tipo e dimensione, terrà conto della ridotta efficienza dovuta alla presenza di più mezzi di unione.
La capacità portante di collegamenti con piani di taglio multipli va valutata con riferimento a una opportuna combinazione di quella per unioni con due piani di taglio.
Per i collegamenti meccanici realizzati con mezzi di unione a gambo cilindrico, come chiodi, bulloni, perni, viti, e cambre, la capacità portante dipende dal contributo della resistenza allo snervamento dell’acciaio, della resistenza al rifollamento del legno, nonché della resistenza all’estrazione del mezzo di unione. È sempre da evitare che prima del raggiungimento della resistenza dell’unione, si attivino meccanismi di rottura di tipo fragile come:
- spacco,
- espulsione di tasselli di legno in corrispondenza dei singoli connettori,
- strappo lungo il perimetro del gruppo di mezzi di unione.
La resistenza a trazione della sezione netta dell’elemento ligneo o dell’eventuale piastra metallica va comunque verificata.
Per i collegamenti meccanici realizzati con mezzi di unione di superficie, come anelli, caviglie, piastre dentate, la capacità portante è la minore tra la capacità portante del gruppo di mezzi di unione costituente il collegamento stesso, tenendo conto della loro disposizione e del loro numero, e la resistenza della sezione residua indebolita dalla presenza degli stessi elementi di unione.
Per i collegamenti meccanici realizzati con mezzi di unione di acciaio incollati, si utilizzano barre o piastre inserite in apposite sedi ricavate negli elementi di legno da unire e solidarizzate ad essi mediante adesivi strutturali. Tali unioni potranno essere impiegate per strutture in classe di servizio 1 e 2 su legno già in equilibrio igrometrico con l’ambiente. Particolare attenzione andrò posta nel garantire che le caratteristiche dell’adesivo e la sua adesione all’acciaio e al legno siano compatibili con la durabilità della struttura, sulla base di evidenze sperimentali o specifici test di laboratorio, nelle condizioni di temperatura e umidità che saranno presenti per tutta la vita in esercizio della struttura.
Le capacità portanti e le deformabilità dei mezzi di unione utilizzati nei collegamenti devono essere determinate sulla base di prove meccaniche, per il cui svolgimento può farsi utile riferimento alle norme UNI EN 1075:2002, UNI EN 1380:2001, UNI EN 1381:2001, UNI EN 26891: 1991, UNI EN 28970: 1991, e alle pertinenti norme europee.
La resistenza delle singole unioni dovrà essere valutata con riferimento a normative di comprovata validità.
Nel calcolo della capacità portante del collegamento realizzato con mezzi di unione del tipo a gambo cilindrico, si dovrà tener conto, tra l’altro, della tipologia e della capacità portante ultima del singolo mezzo d’unione, del tipo di unione (legno-legno, pannelli-legno, acciaio-legno), del numero di sezioni resistenti e, nel caso di collegamento organizzato con più unioni elementari, dell’allineamento dei singoli mezzi di unione.
È ammesso l’uso di sistemi di unione di tipo speciale purché il comportamento degli stessi sia chiaramente individuato su base teorica e/o sperimentale e purché sia comunque garantito un livello di sicurezza non inferiore a quanto previsto nelle NTC 2008.
Per connessioni a comportamento fragile si dovrà verificare che la capacità portante della connessione sia almeno pari a sei volte la sollecitazione di esercizio della connessione.
Per connessioni deformabili e duttili la resistenza ultima non potrà essere assunta superiore al valore di scorrimento della connessione che potrà effettivamente essere raggiunto in opera.
Perni e bulloni di diametro d superiore a 16 mm non devono essere utilizzati nei collegamenti legno-legno e legno-acciaio, eccezion fatta quando essi siano utilizzati come elementi di chiusura dei connettori e tali, quindi, da non influenzare la resistenza a taglio.
Il collegamento realizzato mediante spinotti o chiodi a gambo liscio non deve essere utilizzato senza accorgimenti aggiuntivi volti ad evitare l’apertura del giunto.
Nel caso di tensioni perpendicolari alla fibratura, si devono osservare disposizioni aggiuntive al fine di evitare l’innesco di fratture parallele alla fibratura (splitting).

All'interno dell'articolo la trattazione dettagliata del calcolo dei collegamenti.