Valutazione non distruttiva del C-CLT

Il legno lamellare incrociato (CLT) è diventato uno dei prodotti in legno massiccio più popolari. Il suo comportamento complessivo è fortemente influenzato dalla stratigrafia del CLT e dalle proprietà degli strati. Gli approcci di calcolo esistenti riflettono questo aspetto attraverso calcoli semplici che utilizzano valori medi di rigidezza. Questo studio valuta la validità di tali semplificazioni per pannelli CLT realizzati con una stratigrafia eterogenea che include legno parzialmente di recupero. Sono stati prodotti pannelli CLT a cinque strati con frassino e douglas di provenienza olandese negli strati longitudinali e abete di recupero negli strati trasversali. Prima dell’assemblaggio dei pannelli, su ciascuna singola lamella sono state effettuate prove ultrasoniche non distruttive, ottenendo un dataset dettagliato dei moduli elastici longitudinali. Durante l’assemblaggio sono state registrate le posizioni delle lamelle all’interno del CLT. Sono stati generati modelli parametrici di analisi agli elementi finiti (FEA) mediante scripting Python in DIANA FEA, ed è stata eseguita un’analisi modale. Sono stati studiati tre approcci statistici e probabilistici per assegnare i moduli elastici alle lamelle e ai rispettivi strati all’interno del modello: (i) assegnare a ciascuna lamella il modulo effettivamente misurato, (ii) assegnare a ciascuna lamella un modulo casuale tratto dal dataset, (iii) utilizzare il valore medio globale per strato. I risultati delle analisi FEA sono stati confrontati con i risultati delle prove modali sperimentali. L’impatto di ciascuna strategia di assegnazione del modulo sulla risposta dinamica dei pannelli è stato valutato confrontando frequenze naturali, forme modali, indicatori statistici ed errori relativi.

Contesto e obiettivi dello studio sul CLT eterogeneo

Negli ultimi anni, il legno massiccio si è affermato come un materiale da costruzione sempre più utilizzato (Pajchrowski et al., 2014). La moderna edilizia in legno ha raggiunto un elevato grado di prefabbricazione e si distingue per tolleranze costruttive molto ridotte, fattori che contribuiscono a diminuire i tempi di montaggio e la quantità di rifiuti prodotti in cantiere (Sutkowska et al., 2024). Per le sue caratteristiche strutturali, il legno presenta una direzione resistente prevalente, corrispondente a quella parallela alla fibra, che lo rende particolarmente adatto alla realizzazione di travi e colonne (Senalik & Farber, 2021).

Il legno lamellare incrociato (CLT) è un elemento multistrato composto da più lamelle disposte in strati sovrapposti. La sua stratigrafia è generalmente simmetrica e costituita da un numero dispari di strati (≥3). L’orientamento delle fibre degli strati adiacenti viene normalmente alternato di 90°, permettendo così la realizzazione di pannelli di grandi dimensioni (fino a 30 × 3 m), dotati di rigidezza e resistenza sia nella direzione principale sia in quella secondaria del pannello (Swedish Wood, 2019). La Figura 1(a) mostra schematicamente un pannello CLT a cinque strati con orientamento alternato delle fibre.

Il CLT è generalmente prodotto con legno classificato per uso strutturale. Le classi di resistenza assegnate alle singole lamelle costituiscono infatti i parametri di base per la stima delle proprietà complessive del pannello. Attualmente, il CLT disponibile sul mercato è per lo più realizzato con legno di conifera, come ad esempio l’abete; tuttavia, i più recenti sviluppi della ricerca e dell’industria stanno prendendo in considerazione anche altri materiali per i singoli strati, tra cui prodotti di legno ingegnerizzato come il laminated veneer lumber (LVL) e l’oriented strand lumber (OSL) (Wang et al., 2017; Niederwestberg et al., 2018), il legno di latifoglia (Gong et al., 2015) e il legno di recupero (Stenstad et al., 2021; Llana et al., 2022; Vonk et al., 2024), ciascuno caratterizzato da specifiche proprietà meccaniche e da un proprio grado di variabilità. Il CLT realizzato con strati costituiti da materiali differenti è spesso definito C-CLT (Circular-Cross Laminated Timber).

L’elevata variabilità dei materiali impiegati rende complessa la stima delle proprietà meccaniche del CLT. In questo contesto, i metodi non distruttivi, come l’analisi delle frequenze proprie, possono rappresentare uno strumento utile per valutare le proprietà di rigidezza del pannello, in particolare la rigidezza flessionale nelle direzioni principale e secondaria (Gulzow, 2008; Giaccu et al., 2019; Llana et al., 2022). Allo stesso tempo, approcci di modellazione quali l’analisi agli elementi finiti (FEA) o la teoria dei compositi consentono di stimare le proprietà del pannello a partire da quelle delle singole lamelle, ricavate mediante metodi consolidati di classificazione non distruttiva.

Nella progettazione allo Stato Limite di Esercizio (SLS), le proprietà di rigidezza assumono un ruolo centrale. Lo SLS riguarda infatti la funzionalità dell’edificio e il contenimento dei danni non strutturali durante l’uso ordinario, nonché in presenza di eventi eccezionali, come i terremoti. Poiché la verifica allo SLS si basa principalmente su criteri di spostamento, una stima accurata della rigidezza globale risulta essenziale.

Il presente studio propone un’indagine sperimentale e numerica finalizzata alla determinazione delle proprietà meccaniche fuori piano di pannelli C-CLT. Mediante analisi modale, condotta con l’impiego di una griglia di accelerometri, sono stati determinati il modulo di rigidezza longitudinale, quello trasversale e quello torsionale di pannelli C-CLT a cinque strati. Prima della fabbricazione dei pannelli, le singole lamelle sono state sottoposte ad analisi modale. Successivamente, è stato sviluppato un modello FEA dei pannelli e sono stati considerati diversi approcci statistici per la selezione delle lamelle e l’assegnazione delle proprietà agli strati, al fine di valutare l’influenza delle ipotesi adottate.

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Materiali e metodi

Lamelle

Per assemblare pannelli C-CLT a 5 strati sono state utilizzate diverse specie legnose, vale a dire: frassino di provenienza olandese (Fraxinus excelsior), abete di recupero di 50 anni (probabilmente Picea abies, precedentemente utilizzato come rivestimento interno) e douglasia olandese (Pseudotsuga menziesii). I singoli pezzi sono stati giuntati a pettine fino a una lunghezza di 6 metri utilizzando un adesivo strutturale a base di melammina-urea-formaldeide (MUF). Successivamente, le lamelle sono state piallate fino a ottenere una specifica sezione trasversale (larghezza (w) e spessore (t)), riportata nella Tabella 1. Prima della fabbricazione dei pannelli, la rigidezza longitudinale (E_x) di tutte le lamelle è stata valutata mediante un Mobile Timber Grader (MTG 960, Brookhuis, Paesi Bassi).

L’MTG 960 eccita meccanicamente la trave e misura la risposta vibratoria per individuare l’eigenfrequency. In accordo con la norma EN 14081-2 (CEN, 2019), l’eigenfrequency, combinata con la densità e il contenuto di umidità (MC), viene utilizzata per determinare Ex. La densità è stata determinata gravimetricamente ricavando massa e dimensioni, mentre il contenuto di umidità è stato ottenuto mediante un misuratore capacitivo portatile di umidità (FMW, Brookhuis, Paesi Bassi). La densità (ρ), il valore medio di Ex, incluso il coefficiente di variazione (CoV), e il numero di lamelle testate (n) di ciascuna specie sono riportati nella Tabella 1. Il frassino presenta la rigidezza media più elevata, e l’abete di recupero risulta sorprendentemente superiore alla douglasia vergine. Da ciò deriva la stratigrafia del pannello CLT riportata nella Tabella 1.

C-CLT

Una rappresentazione schematica dei pannelli C-CLT è mostrata in Figura 1(a). In totale sono stati assemblati dieci pannelli C-CLT a 5 strati (L × W × H = 2980 × 1200 × 138 mm) con frassino negli strati esterni (strati 1 e 5), abete di recupero negli strati trasversali (strati 2 e 4) e douglasia nello strato centrale (strato 3). Questa stratigrafia è stata scelta per massimizzare la rigidezza flessionale del C-CLT, sulla base dei risultati ottenuti per le lamelle (Tabella 1). I pannelli C-CLT sono stati realizzati a partire da singoli strati incollati sul bordo, formati prima del processo di incollaggio di faccia. A causa della limitata disponibilità degli spessori dell’abete di recupero, è stato necessario adottare una configurazione asimmetrica, con gli strati 2 e 4 aventi spessori differenti.

Le lamelle sono state collocate casualmente all’interno di ciascuno strato e la posizione di ogni lamella è stata registrata. Per l’incollaggio sui bordi e sulle facce è stato utilizzato un adesivo strutturale MUF. Otto dei pannelli C-CLT sono stati testati con metodi non distruttivi, mentre due pannelli sono stati testati distruttivamente mediante flessione a quattro punti e taglio nel piano (pubblicati in una futura pubblicazione separata).

DI SEGUITO LA RELAZIONE INTEGRALE DI VITTORIA BORGHESE. 

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