Il Legno. Proprietà meccaniche e resistenza al fuoco

IL LEGNO COME MATERIA PRIMA

Materiale organico di origine vegetale, il legno è dotato di una serie di caratteristiche intrinseche che ne hanno da sempre consentito una vasta gamma di utilizzi.

In particolare per la notevole disponibilità e la facilità di lavorazione, associata all’elevata resistenza meccanica (in rapporto alla massa) e all’aspetto estetico, è da sempre molto apprezzato quale materiale da costruzione (rivestimento o struttura).

Tuttavia, trattandosi per sua natura di un materiale altamente combustibile, è spesso ritenuto nelle costruzioni, un materiale pericoloso, soprattutto per le attività di interesse pubblico.
Pertanto l’utilizzo del legno quale materiale da costruzione non può prescindere dal considerare la possibilità che ha di ardere e bruciare, fino alla completa demolizione.
Tale proprietà, pur non essendo certamente una caratteristica positiva, è influenzata sia da fattori intrinseci legati alla sua natura, sia alle condizioni ambientali di utilizzo.

Il professionista, al fine di ottimizzare al meglio l’utilizzo del legno nelle costruzioni, deve conoscere:

– il comportamento al fuoco del materiale nelle varie fasi di un incendio dall’innesco alla completa evoluzione;

– la resistenza intrinseca all’azione distruttiva delle fiamme;

– i mezzi più adeguati per migliorarne le prestazioni in caso di incendio.

COMPORTAMENTO AL FUOCO

Nell’ambito della prevenzione incendi intesa come tutela della vita umana e incolumità delle persone, e come conservazione e salvaguardia dei beni e dell’ambiente, due sono gli aspetti fondamentali da tenere in considerazione:

– la reazione al fuoco (che esprime il grado di partecipazione all’incendio);

– la resistenza al fuoco (attitudine di un elemento a conservare in tutto o in parte la resistenza meccanica
R, la tenuta E e l’isolamento termico I).

Per quanto riguarda la reazione al fuoco sia il legno massiccio, sia il legno ricostituito sottoforma di pannelli di fibre e/o particelle, presenta un alto grado di partecipazione al fuoco. Normalmente secondo le classi previste dalla normativa italiana, il legno si colloca tra la classe 3 e la classe 5, in funzione del tipo di essenza.

Per la resistenza al fuoco invece tutto dipende dalla combustione del materiale, fenomeno chimico/fisico che non avviene istantaneamente, ma procede dalla superficie esposta al calore verso l’interno della massa, con una velocità ben definita o comunque prevedibile, la cosiddetta velocità di carbonizzazione.
Tale caratteristica dipende essenzialmente dalla specie legnosa considerata, oltre che dai fattori ambientali e dalla ventilazione.

Legno Abete Larice         Pino      Faggio    Frassino Olmo Noce Pioppo
Peso specifico 560 620            530          740            750 700 700 490
(kg/m3)

Nella tabella 2 alla pagina seguente sono riportate a titolo indicativo le velocità di carbonizzazione di alcune specie legnose, così come indicate nel prospetto 3.12 dell’EUROCODICE 5 “Progettazione di strutture di legno – Parte 1-2: Regole generali – Progettazione strutturale contro l’incendio”.

 

Tipo di essenza lignea Velocità di carbonizzazione
ßo (mm / min)

a) Conifere
– Legno massiccio con una massa volumica caratteristica  290 kg/m3 ed una dimen- sione minima di 35 mm 0.8
– Legno lamellare incollato con massa volumica caratteristica  290 kg/m3 0.7
– Pannelli di legno con massa volumica caratteristica di 450 kg/m3 ed una dimensio- ne minima di 20 mm 0.9
b) Latifoglie, legno massiccio o legno lamellare incollato con massa volumi- ca caratteristica  450 kg/m3 e quercia 0.5
c) Latifoglie, legno massiccio o legno lamellare incollato con massa volumi- ca caratteristica  290 kg/m3 0.7

 

Nel ricordare che non è propriamente il legno che brucia, ma i vapori di legno nella giusta concentrazione con l’ossigeno contenuto nell’aria, e che prima di bruciare deve perdere completamente l’acqua in esso contenuta sottoforma di umidità, nella sezione lignea in avanzato stato di combustione, si possono individuare 3 strati (figura 1):
1) ZONA CARBONIZZATA
2) ZONA ALTERATA
3) ZONA INALTERATA

– La zona carbonizzata è la parte più esterna direttamente investita dal calore che corrisponde allo stato di legno ormai completamente interessato dal processo di combustione;
– La zona alterata è un tratto intermedio di qualche millimetro di spessore che rappresenta il fronte di avanzamento del processo di combustione, caratte- rizzato da un progressivo aumento della temperatura fino ad oltre 300° C.
– Infine la zona inalterata è lo strato più interno della sezione non ancora interessata da fenomeni di degradazione termica, e soggetto solo ad aumento
della temperatura fino a circa 100° C.

Se nella zona carbonizzata le caratteristiche di resistenza meccanica del legno risultano completamente annullate, nella zona intermedia l’aumento della temperatura poco prima della vera e propria combustione, altera progressivamente tali caratteristiche senza però annullarle completamente.

Nella zona inalterata, le caratteristiche meccaniche della sezione possono considerarsi praticamente invariate, infatti la loro diminuzione causata dall’aumento di temperatura è compensata dalla riduzione dell’umidità.

L’analisi termica di una sezione lignea interessata dal fenomeno della carbonizzazione, evidenzia un gradiente termico molto elevato tra la zona carbonizzata e la zona inalterata, gradiente che risulta indipendente sia dall’aumento della temperatura della sorgente fuoco, sia dal tempo di esposizione.

Infatti nell’ipotesi che non si verifichino distacchi dello strato carbonizzato, il calore penetra e si diffonde nella massa legnosa in maniera molto lenta e con una velocità che, anche se non ancora completamente definita, diminuisce all’aumentare dello spessore carbonizzato.

REAZIONE AL FUOCO

In base al D.M. 30.11.83 il “grado di partecipazione di un materiale combustibile al fuoco al quale è sotto- posto” è definito in funzione della propria natura chimica e delle effettive condizioni di messa in opera per l’utilizzazione.
Secondo il D.M. 26.06.84 “Classificazione di reazione al fuoco ed omologazione dei materiali ai fini della pre- venzione incendi” i materiali sono assegnati alle classi 0, 1, 2, 3, 4 e 5 con l’aumentare della loro partecipazione alla combustione; quelli di classe “ 0 ” sono incombustibili.
Per tutti i materiali classificati ai fini della reazione al fuoco vige il regime di OMOLOGAZIONE “procedura tecnico-amministrativa con la quale viene provato il prototipo di materiale, certificata la sua classe di reazione al fuoco ed emesso da parte del Ministero dell’Interno il provvedimento di autorizzazione alla riproduzione del prototipo stesso, per l’utilizzazione nelle attività soggette alle norme di prevenzione incendi”.
Per quanto riguarda i prodotti vernicianti ignifughi destinati ad essere applicati su materiali legnosi, ai sensi del D.M. 6.03.92 la loro classificazione ai fini della reazione al fuoco, deve essere fatta secondo le specifiche indicate nella norma UNI 9796/CN VVF/CCI. “Reazione al fuoco dei prodotti vernicianti ignifughi applicati su materiali legnosi. Metodi di prova e classificazione”. Spetta al produttore l’obbligo di garantire la conformità del materiale venduto al prototipo omologato.
La dichiarazione di conformità deve contenere i dati relativi al marchio di conformità e il periodo di validità dell’efficacia del prodotto, periodo che non può essere superiore a 5 anni dal momento dell’applicazione.
Il marchio di conformità è l’indicazione permanente ed indelebile dei seguenti dati:
dicitura “prodotto verniciante ignifugo”; nome o altro segno distintivo; anno di produzione; classe di reazione al fuoco; estremi dell’atto di omologazione.

RESISTENZA AL FUOCO

In base al D.M. 30-11-93 perché un elemento da costruzione (componente o struttura) possa resistere all’azione del fuoco, deve conservare, secondo un programma termico prestabilito e per un tempo determi- nato, in tutto o in parte: la stabilità ( R ), la tenuta ( E ), l’isolamento termico ( I ).
– la stabilità è l’attitudine di un elemento strutturale a conservare la propria resistenza meccanica sotto l’azione del fuoco;
– la tenuta è l’attitudine di un elemento da costruzione a impedire il passaggio di fiamme, gas e vapori caldi sul lato non esposto al fuoco;
– l’isolamento termico è l’attitudine di un elemento a ridurre, entro un dato limite, la trasmissione del calore. Pertanto con il simbolo ( REI ) è identificato un elemento costruttivo che deve garantire tutti i requisiti della resistenza al fuoco; con il simbolo ( RE ) un elemento costruttivo che garantisca la resistenza meccanica e la tenuta; con il simbolo ( R ) un elemento costruttivo che garantisca la sola resistenza meccanica.

Il requisito di resistenza al fuoco da attribuire ad un determinato elemento da costruzione, non è stabilito in maniera univoca dalla normativa, se non per particolari attività per le quali esiste una specifica regolamentazione ministeriale.
In generale il requisito è stabilito in base al carico di incendio secondo le indicazioni della Circ. 91/61.
Per gli edifici con struttura portante in legno, il D.M. 6.03.86 impone di considerare nel calcolo del carico di incendio il contributo del legno eventualmente presente nel compartimento, secondo la relazione:

q = Q + 12.5 S A

dove:

q = carico di incendio totale (kg/m2)
Q = Carico di incendio dei materiali combustibili contenuti nel locale, escluse le strutture portanti lignee
(kg/m2)
S = superficie esposta al fuoco delle strutture portanti in legno (m2) A = superficie orizzontale del locale (m2)

Il valore 12.5 che compare nella formula, consente di considerare come contributo all’incendio solo la parte superficiale del componente ligneo (crosta) dello spessore di 2,5 cm.
Le prestazioni di resistenza al fuoco possono essere valutate attraverso una metodologia sperimentale, oppure attraverso una trattazione analitica.

Per la valutazione di tipo sperimentale è necessario eseguire un test specifico normalizzato, presso un istituto autorizzato e riconosciuto dal Ministero dell’Interno.
In questo caso la classe di resistenza al fuoco ottenuta e riportata sul rapporto di prova sperimentale redatto dal laboratorio, è sempre riferita al solo campione testato, ed è altrettanto valida solo nelle condizioni del test o in situazioni più favorevoli.

La trattazione analitica è basata sui tradizionali criteri di verifica a freddo delle strutture e non può che fare riferimento al solo parametro “ R ” della resistenza al fuoco (capacità portante).
Nulla può essere verificato analiticamente per quanto concerne la tenuta ( E ) e l’isolamento termico ( I ). Ipotesi fondamentali per il suddetto calcolo sono:
– la carbonizzazione del legno sotto l’azione del fuoco procede perpendicolarmente alle superfici esposte dell’elemento, a velocità costante;
– il legno conserva inalterate le sue proprietà meccaniche nella parte non ancora raggiunta dalla carbonizzazione.

UNI 9504
“PROCEDIMENTO ANALITICO PER VALUTARE LA RESISTENZA AL FUOCO DEGLI ELEMENTI COSTRUTTIVI DI LEGNO ”

Come già specificato in precedenza, limitatamente alla capacità portante (R), la norma UNI 9504 specifica una metodologia di calcolo per la valutazione analitica della resistenza al fuoco di singoli elementi di legno (massiccio o lamellare incollato), soggetti all’incendio normalizzato.
La norma può essere applicata sia nel caso di elementi non protetti sia nel caso di elementi trattati con adeguati prodotti ignifughi o rivestimenti aderenti.
Il calcolo prevede la determinazione sperimentale preventiva della velocità di penetrazione della carbonizzazione, la valutazione della sezione efficace ridotta dopo un certo periodo di esposizione al fuoco, e la veri- fica della capacità portante allo stato limite ultimo di collasso secondo il metodo semiprobabilistico agli stati limite nella sezione più sollecitata.
Nel caso specifico di elementi protetti la norma prevede la determinazione sperimentale dell’incidenza della protezione sulla velocità di carbonizzazione e/o sui tempi di ritardo della combustione.

Per quanto riguarda le azioni di calcolo (Fd) la norma prevede di considerare la somma dei seguenti contributi:
– azioni permanenti (Gk);
– azioni variabili di lunga durata (Q1k);
– una delle azioni variabili di breve durata (Q2k,j) tra neve, vento ed altre azioni rare;
secondo la seguente combinazione:

Fd = Gk + Q1k + 0,7 Q2k,j

In assenza di precise indicazioni sperimentali sulle proprietà meccaniche del legno e sulla velocità della carbonizzazione, si possono assumere i valori di calcolo indicati in tabella 3, valori ripresi dalla norma UNI 9504 (punto – 8.2.2.).

Proprietà

Tipo di legno

Tabella 3

Massiccio (N/mm2) Lamellare (N/mm2)
Resistenza a flessione 16 da 18 a 24
Resistenza a trazione parallela 10 da 15 a 19
Resistenza a trazione perpendicolare 0,3 0,4
Resistenza a compressione parallela 15 da 15 a 21
Resistenza a compressione perpendicolare 5,5 5,5
Resistenza a taglio 1,5 1,5
Modulo di elasticità flessionale 8000 da 900 a 10000
Modulo di elasticità tangenziale 500 500
Velocità di penetrazione della carbonizzazione 0.9 mm / min 0.7 mm / min

UNI ENV – 1 – 2
EUROCODICE 5 – Progettazione di strutture di legno
PARTE 1-2 : Regole generali – Progettazione strutturale contro l’incendio

L’Eurocodice 5 è una norma europea sperimentale (ENV) approvata dal CEN come norma per applicazione provvisoria in tutti gli stati membri della Comunità. Il periodo di validità iniziale, prima della trasformazione in norma Europea vera e propria (EN), è di tre anni.
La norma fa parte del complesso di regolamenti europei conosciuti come “Eurocodici strutturali” e contiene gli elementi aggiuntivi necessari per far si che le strutture lignee progettate in conformità a questo insieme di norme ed in particolare la ENV 1991-2-2 e la ENV 1995-1-1, possano soddisfare nel contempo i requisi- ti di resistenza al fuoco.
Nei metodi di valutazione (parag. 2.5) la norma propone ai progettisti tre differenti approcci per soddisfare le richieste di resistenza al fuoco delle strutture lignee da calcolare.

ANALISI STRUTTURALE GLOBALE

Tiene conto delle relative modalità di cedimento della struttura nel caso di esposizione all’incendio, delle proprietà e rigidezze del materiale in funzione della temperatura, e degli effetti dovuti alla dilatazione termica e alle deformazioni.
Per la prevista durata di esposizione al fuoco, si deve verificare che:

Efi,d   ≤  Rfi,d

dove:
Efi,d = valore di calcolo delle azioni permanenti in caso di incendio
Rfi,d = valore di calcolo della corrispondente resistenza in caso di incendio
E’ concesso di trascurare la dilatazione del legno.

ANALISI DI PARTI DELLA STRUTTURA

In alternativa all’analisi strutturale globale può essere eseguita un’analisi di parti della struttura o di sottostrutture. Le condizioni al contorno per questo tipo di analisi possono essere considerate indipendenti dal tempo durante tutta la durata dell’esposizione al fuoco. L’effetto delle azioni al contorno riferite alle condizioni iniziali (per es. forze e momenti interni) può essere ottenuto da un’analisi strutturale globale a temperatura ordinaria, utilizzando la seguente approssimazione:

Efi,d = 0,6 Ed

E’ concesso di trascurare la dilatazione del legno ma è opportuno considerare le dilatazioni termiche degli elementi di materiale diversi dal legno.

ANALISI DEGLI ELEMENTI

Consente l’analisi di singoli elementi strutturali assumendo che le condizioni iniziali al contorno, corrispondenti alle normali situazioni di servizio, siano valide per tutta la durata dell’incendio.
Per gli effetti delle azioni da assumere può essere utilizzata la stessa approssimazione della procedura descritta per l’analisi di parti della struttura. Anche in questo caso è concesso di trascurare la dilatazione del legno.

PROFONDITA’ DELLA CARBONIZZAZIONE

Per l’esposizione all’incendio normalizzato la profondità di carbonizzazione deve essere calcolata secondo:

dchar = ßo t

dove:
ßo = velocità di carbonizzazione

Per legnami rientranti nelle classi di resistenza previste nei progetti di norma europea prEN 338 e prEN 1194, devono essere applicate le velocità di carbonizzazione indicate in tabella 2.
Per quanto riguarda il faggio le velocità sono le stesse del legno massiccio di conifere.
Per masse volumiche caratteristiche fra 290 e 450 kg/m3 di legno massiccio di latifoglie, possono essere ottenuti valori intermedi mediante interpolazione lineare.
Per legno massiccio di conifere, con una dimensione minima di 35 mm ed una massa volumica caratteristica minore di 290 kg/m3, la velocità di carbonizzazione deve essere moltiplicata per un coefficiente kp deter-
minato come:

Per pannelli di legno diversi dal compensato (e conformi alle EN 309, EN 313-1, prEN 300 e prEN 316) ed i pannelli di legno, con massa volumica caratteristica di 450 kg/m3 e spessore di 20 mm, è opportuno che siano applicate le seguenti velocità di carbonizzazione di progetto:
ßo = 1,0 mm/min per compensato;
ßo = 0,9 mm/min per i pannelli a base di legno.

Per altre densità e spessori le velocità di carbonizzazione devono essere calcolate come:

k è in kg/m3 e tp è in millimetri.

Per strati multipli strettamente sovrapposti, la velocità di carbonizzazione può essere assunta per lo spessore totale di tutti gli strati. Per strati singoli e multipli a stretto contatto con la superficie di un elemento ligneo, la velocità di carbonizzazione può essere assunta per lo spessore totale degli strati e dell’elemento ligneo.

La carbonizzazione deve essere considerata per tutte le superfici direttamente esposte all’incendio. Non è necessario considerare la carbonizzazione per superfici di elementi che sono protetti da altri elementi durante la durata di esposizione al fuoco, incluse le interfacce di elementi a stretto contatto se l’effetto di serraggio viene assicurato.

Non è necessario considerare la carbonizzazione per le superfici di elementi coperti da rivestimenti protetti- vi contro l’incendio in conformità a 3.2 quando:

dove:

tpr  tfi,req
tpr è il tempo di cedimento di una tavola protettiva o di altro materiale protettivo, cioè la durata della protezione efficace contro la diretta esposizione all’incendio;

tfi,req è il tempo di resistenza al fuoco richiesto nel caso di esposizione ad incendio normalizzato.

PROPRIETA’ MECCANICHE DEL LEGNO
Le proprietà meccaniche del legno esprimono la capacità di quest’ultimo di reagire
alle sollecitazioni applicate (forze o coppie).
Si riconoscono due aspetti diversi (anche se tra loro collegati):
– la deformabilità del legno sotto l’azione di una forza applicata che è espressa in
termini di moduli di elasticità e di coefficienti di scorrimento
– la capacità portante alle varie condizioni di carico (ad es. compressione,
flessione, taglio ecc.; carichi di breve, media o lunga durata) che viene espressa in
termini di resistenze (sollecitazioni che il legno può sopportare prima di
rompersi).
Il principio fondamentale è che il legno è anisotropo nei confronti di tutte le proprietà
meccaniche, che quindi variano con la direzione anatomica considerata.
Inoltre non è lecito attribuire ad un materiale non omogeneo quale il legno
caratteristiche costanti o quasi; pertanto i valori di resistenza forniti devono essere
intesi come “dati medi” largamente indicativi.
Un ulteriore punto da sottolineare è che le proprietà meccaniche di uno stesso provino
di legno variano in funzione della temperatura e soprattutto della sua umidità, mentre
provini diversi di uno stesso campione avranno proprietà meccaniche molto diverse
tra loro in funzione soprattutto della difettosità e della massa volumica.
Infine sono importanti anche le variazioni di deformazione e di resistenza legate alla
durata delle sollecitazioni applicate o delle deformazioni imposte, che inseriscono il
legno nel novero dei materiali a comportamento visco-elastico.
Concetti di sollecitazione e tensione
Si definisce forza “qualsiasi azione su un corpo dotato di massa che tenda ad alterarne
lo stato iniziale”. L’unità di misura della forza è il Newton (N), equivalente a 0,102 kp
(chilogrammi-peso).
In un corpo in quiete soggetto a sollecitazioni esterne, si instaurano i seguenti
equilibri:
sollecitazioni esterne (azioni+reazioni) Û deformazioni Û tensioni interne
In statica si definisce tensione “la forza che si trasmette attraverso una superficie
unitaria”. Dimensionalmente le tensioni sono assimilabili alle pressioni, per cui
vengono espresse in N/m², unità di misura che prende il nome di Pascal (Pa).
Dato però che le tensioni in un materiale come il legno possono assumere valori
elevati, si utilizza in pratica il Megapascal (MPa), pari a 106 Pa e cioè ad 1 N/mm²
(circa uguale a 10 kg/cm²):
1 MPa = 1 N/mm2 = 1 MN/m2 @ 10 kp/cm2
Esistono fondamentalmente due tipi di tensioni:
– le tensioni normali, indicate generalmente con la lettera greca s (“sigma”),
orientate perpendicolarmente all’elemento di superficie considerato;
– le tensioni tangenziali, indicate generalmente con la lettera greca t (“tau”),
orientate parallelamente all’elemento di superficie considerato.
Le s possono essere di trazione oppure di compressione; in una trave esse possono
essere generate sia da sollecitazioni di trazione o di compressione longitudinale (ed in
tali casi si possono considerare costanti in tutta la sezione), sia da sollecitazioni di
flessione (ed in tal caso sono distribuite in modo più complesso).
Le t possono essere provocate da sollecitazioni di taglio oppure torsione e tendono a
spostare il materiale in direzioni opposte, con l’elemento di superficie considerato che
rappresenta il piano di scorrimento relativo.
Quando si vuole caratterizzare un materiale, cioè determinarne sperimentalmente le
caratteristiche meccaniche, lo si sottopone a sollecitazioni accuratamente misurabili,
e tali da determinare tensioni quanto più possibili semplici e calcolabili con buona
precisione.
Diagramma tensioni-deformazioni per il legno
Per studiare quanto e come il legno si deforma sotto carico, si può esaminare un caso
semplice quale ad es. quello della compressione assiale, realizzata in laboratorio
mediante una macchina prova materiali.
Un provino di legno netto (cioè privo di difetti) a forma di parallelepipedo, con base rettangolare di
lati a e b, ed altezza (lunghezza) l, avente la fibratura parallela alla lunghezza viene collocato in
piedi tra due piatti di acciaio. Di questi uno è fisso (incudine) e l’altro è mobile (testa) e solidale allo
stelo di un pistone oleodinamico, a sua volta collegato ad una pompa. L’apparato di prova è
completato da un appoggio di contrasto per la base del pistone, da un sistema di rilevamento della
forza esercitata dal pistone (ad es. un dinamometro elettronico interposto tra testa e pistone, od
altro) e da un sistema di misurazione della lunghezza del provino (ad es. un comparatore al
millesimo di millimetro piazzato tra due riferimenti individuati sul provino in modo da essere
allineati in direzione perfettamente longitudinale, od altro).
L’olio messo in pressione dalla pompa spinge il pistone, il quale a sua volta comincia a comprimere
il provino di legno.
In conseguenza del carico, il provino si deforma accorciandosi.
Per ogni valore di carico raggiunto, si possono definire allora due grandezze correlate
alla deformazione subita dal provino :
– l’accorciamento assoluto Dl subito dal provino, espresso in mm;
– l’accorciamento relativo e (“epsilon”) che è una grandezza adimensionale definita
dal rapporto tra l’accorciamento assoluto Dl e la lunghezza iniziale l del provino:
ξ=Dl/l
e esprime, in altri termini, la deformazione per unità di lunghezza iniziale.
Per ogni valore di carico P è anche possibile il calcolo immediato della tensione di
compressione σc
la quale, uniformemente distribuita sulla sezione del provino, fa
equilibrio alla sollecitazione esterna; dalla definizione si ha infatti:

σc =P/A=P/a×b        [N/mm2 ]

così ad es. se il provino ha dimensioni:
a = b = 20 mm, l = 40 mm
ed il carico gravante su di esso è P = 1500 N
la tensione di compressione sarà: σc= 3,75 N/mm2
(o Mpa),
equivalenti a circa 37,5 kp/cm2
(esattamente 38,2 kp/cm2
).
Riportando su un diagramma cartesiano ortogonale le coppie di valori e e sc
corrispondenti a diversi valori del carico P applicato, si ottiene il cosiddetto
diagramma tensioni-deformazioni.
La curva parte dall’origine degli assi e nel primo tratto OA è rettilinea, il che indica
una proporzionalità diretta tra tensione e deformazio ne del provino. In questo tratto
vale la cosiddetta legge di Hooke, che nel nostro semplice esempio unidimensionale
può essere scritta come:
σ = E × ξ
La costante di proporzionalità E è un’importante caratteristica del materiale e prende
il nome di modulo di elasticità o modulo di Young (nella letteratura anglosassone si
trova spesso la sigla MOE, acronimo di “modulus of elasticity”).
Geometricamente esprime la pendenza (cioè il coefficiente angolare) del tratto
rettilineo della curva tensioni-deformazioni.
L’interpretazione intuitiva del modulo di elasticità è semplice: quanto più E è elevato,
tanto più la retta iniziale si avvicinerà alla verticale e tanto più rigido sarà il legno
(per ottenere la stessa deformazione relativa occorrerà sollecitare il provino con una
forza maggiore).
Dalla relazione precedente si ha:
E =σ x ξ
Da cui si evince che E ha le stesse dimensioni di una tensione, e quindi viene
anch’esso espresso in N/mm².
Il punto A sulla curva individua il cosiddetto limite di proporzionalità del legno.
All’aumentare della tensione di compressione, la curva abbandona l’andamento
lineare per assumere quello di una curva in cui l’andamento della deformazione è più
che proporzionale all’incremento della tensione. La legge di Hooke in questo secondo
tratto non vale più ed un aumento della compressione comincia a causare
deformazioni permanenti nel provino: siamo dunque entrati in regime di plasticità.
Oltre il limite di plasticità, il comportamento del materiale diventa praticamente
imprevedibile, e si giunge (dopo un’eventuale breve fase analoga allo “snervamento”
dei metalli, che però nel legno non è tipica) al limite di rottura, oltre il quale il legno
cede e la forza applicata diminuisce rapidamente mentre la deformazione continua ad
aumentare fino all’interruzione della prova.
La tensione corrispondente al limite di rottura prende il nome di resistenza del legno
(ingl.: “strength”) a quel determinato tipo di sollecitazione: nel presente esempio si
tratta di resistenza a compressione assiale, ma a seconda dei casi si parlerà di
resistenza a trazione, resistenza a flessione ecc.

Macchine di prova
Lo studio delle caratteristiche meccaniche del legno richiede prove in cui pezzi
opportunamente sagomati (detti provini) vengono sottoposte a sollecitazioni orientate
secondo le singole direzioni anatomiche principali.
A seconda dello scopo che si vuole raggiungere, le prove possono essere condotte su
provini di tipo nettamente diverso:
– su provini piccoli e netti, accuratamente realizzati e selezionati in modo che
presentino la fibratura il più possibile diritta, siano esenti da legno anomalo ecc.,
quando è richiesta la caratterizzazione del materiale prodotto da una determinata
specie legnosa (eventualmente anche in funzione delle diverse provenienze,
trattamenti selvicolturali ecc.), senza includere la variabilità indotta dai difetti e
senza prefigurare una sua destinazione d’uso specifica;
– su provini in dimensione d’uso, campionati all’interno di una popolazione statistica
definita in base alla destinazione finale del materiale (popolazione che quindi non
è necessariamente limitata ad una sola specie legnosa, bensì può comprendere
l’insieme dei segati appartenenti a più specie, di data provenienza, classificati in
base ad opportune regole), contenenti pertanto tutti i difetti caratteristici di quella
stessa popolazione, quando è richiesta la determinazione della qualità del
materiale, ovvero della sua conformità ad una normativa di riferimento
predeterminata.
Le macchine dedicate alle prove sul legno vengono comunemente denominate
“macchine di prova universali”, in quanto ciascuna di esse è generalmente in grado,
opportunamente attrezzata, di effettuare tutte le principali prove (compressione,
trazione, flessione, taglio e durezza nelle diverse direzioni anatomiche) sfruttando
una sola direzione di applicazione della forza (quindi una sola testa mobile). La
versatilità di questo tipo di macchine ha raggiunto livelli considerevoli, avendo a
disposizione fondo-scala diversi per le diverse prove (a cui corrispondono
ovviamente risoluzioni inversamente proporzionali) e, nei modelli più recenti, la
possibilità di impostare sofisticati cicli di carico e scarico controllando
elettronicamente la velocità di spostamento della testa del pistone, oppure la velocità
di incremento del carico e registrando nella memoria di un elaboratore elettronico
tutti i parametri della prova, il diagramma carico-deformazione ecc.
Soltanto l’esecuzione di alcune prove, quali ad es. la torsione e la resilienza (rottura
dinamica o urto), richiedono macchine particolari.
Metodi di prova, resistenze
Per determinare sperimentalmente le caratteristiche fisico-meccaniche del legno e dei
prodotti derivati (ad es. pannelli), occorre definire chiaramente non soltanto le
proprietà in questione, ma anche i relativi metodi di prova; questi comprendono sia la
forma, la dimensione e l’orientamento (quest’ultimo rispetto alle direzioni
anatomiche) dei provini, sia le procedure da seguire per l’esecuzione delle prove (es.
la velocità e la durata delle varie fasi della prova), sia le attrezzature necessarie, sia le
modalità di calcolo dei risultati.
Tutto questo serve a garantire, nei limiti del possibile, l’obiettività e la riproducibilità
dei risultati, rendendoli ragionevolmente indipendenti dall’operatore e dal luogo dove
le prove vengono svolte.
Per il legno riveste particolare importanza l’influenza della sua umidità, cosicché a
livello internazionale è stato concordato di riferire le caratteristiche del legno a ben
precisi valori di umidità (in genere all’ umidità normale del 12%).
Essenziale importanza riveste anche il campionamento del materiale da sottoporre a
prova: se lo scopo è quello di ottenere valori rappresentativi della variabilità naturale
di una determinata specie legnosa o provenienza, occorrerà prelevare il materiale
seguendo particolari procedure che garantiscono l’affidabilità statistica dei risultati.
Tali procedure si riferiscono in particolare modo alla numerosità del campione, alle
modalità di estrazione degli assortimenti da cui i provini verranno tagliati ed infine
alla posizione del provino all’interno del pezzo.
Rottura a compressione assiale
La resistenza (o tensione di rottura) a compressione assiale viene definita come il
rapporto fra il carico ultimo e l’area della sezione trasversale.
Le modalità di rottura dei provini (di legno netto e stagionato) sottoposti a
compressione assiale, sono sostanzialmente due:
– il legno cede con una sorta di scivolamento secondo piani inclinati di circa 60°
rispetto alla direzione longitudinale, in corrispondenza dei quali le cellule del
legno evidenziano una doppia piegatura; questo scivolamento può avvenire
secondo uno o più piani e la rottura può assumere aspetti diversi ed essere
accompagnata o meno da fessurazioni longitudinali; in ogni caso, lo scivolamento
tende ad avvenire in direzione tangente agli anelli di accrescimento;
– il provino non manifesta rotture evidenti, ma esaminando attentamente si potrà
notare una sorta di sfrangiatura sul perimetro di una delle due testate; anche questa
modalità di rottura deriva dal ripiegamento per instabilità laterale ad alcuni fasci
di cellule.
Un’elevata resistenza a compressione assiale è utile negli elementi presso-inflessi
(colonne, controventature) e negli appoggi degli imballaggi (pallets, casse).
Rottura a compressione trasversale
In questo caso all’aumentare del carico F non si arriva mai ad un limite netto di
rottura, poiché il legno si schiaccia quasi subito e cede in modo progressivo,
ripiegandosi quasi a fisarmonica su se stesso. Pertanto viene definita una resistenza
limite convenzionale (detta anche resistenza al limite di proporzionalità) che viene
determinata in base alla variazione di forma della curva carico-deformazione.
Un’elevata resistenza a compressione trasversale è utile agli appoggi trave-colonna e
alle tavole nei pallets.
Rottura a trazione
Le prove a trazione assiale ed a trazione trasversale non presentano aspetti teorici
sostanzialmente differenti da quelli a compressione: si inverte soltanto il segno della
sollecitazione.
I provini per la prova di resistenza a trazione hanno forma molto diversa a seconda
che si voglia procedere a determinare la resistenza assiale oppure quella trasversale.
Una buona resistenza a trazione è importantissima per le catene delle capriate.

Rottura a flessione
La sollecitazione di flessione può essere indotta ad esempio applicando uno o più
carichi verticali su una trave appoggiata agli estremi o incastrata ad una sola
estremità.
Essa è sempre associata ad una deformazione curvilinea del provino, ove si può
senz’altro dire che dalla parte concava si è verificato un accorciamento del corpo,
mentre dalla parte della convessità esso si è allungato.
Tenuto conto che la flessione può essere sempre ricondotta ad un’opportuna
combinazione di sollecitazioni di trazione e compressione, nel legno privo di difetti
sottoposto a flessione statica, è il lembo compresso a cedere per primo, ma la rottura
visibile e decisiva avviene con inizio dal lato teso.
Orientativamente, il limite di proporzionalità è all’incirca pari al 25% del limite di
rottura, mentre il limite di elasticità è pari a circa il 50% del limite di rottura.
La resistenza a flessione è importante, in generale, dove il rapporto luce
libera/spessore del pezzo è elevato.
Rottura a flessione dinamica
La prova ad urto trasversale o flessione dinamica tende a determinare il lavoro
necessario alla rottura di un provino mediante una speciale macchina fornita di un
pesante martello a pendolo, chiamata “pendolo di Charpy”.
La resistenza a questo tipo di sollecitazione è importante, soprattutto, per i pezzi
sottoposti ad urti come le tavole sul fondo di un camion.

Rottura a taglio
La spiccata anisotropia del legno fa si che in tale materiale le rotture per taglio
possano avvenire soltanto secondo superfici parallele alla fibratura (taglio
longitudinale): sottoponendo un provino a sollecitazioni di taglio trasversale, esso si
deforma vistosamente per compressione trasversale e non si rompe a taglio.
La resistenza a questo tipo di sollecitazione assume particolare importanza per:
– i pannelli di legno compensato in cui possono sorgere sollecitazioni, dette di
“scorrimento trasversale”, ove una sorta di rotolamento delle fibre del legno (le
une sulle altre) può portare alla rottura;
– le travi che presentano cipollature, o intrinseca debolezza a taglio del legno (ad es.
in presenza di grossi raggi parenchimatici), quindi suscettibili a rottura per taglio
longitudinale;
– gli elementi dove il rapporto fra luce libera/spessore è basso ed i carichi sono
elevati.

Cedimento per carico di punta
Quando si comprime assialmente un elemento strutturale avente forma prismatica
molto snella ed allungata (in pratica quando il rapporto fra la lunghezza assiale l e la
minima dimensione trasversale d è maggiore di 11), anche se la sollecitazione viene
mantenuta perfettamente centrata rispetto alla sezione trasversale, in corrispondenza
di un certo carico critico l’elemento si inflette e si rompe ben prima che sia stato
raggiunto il limite di rottura a compressione assiale del materiale.
Questo tipo di comportamento riveste un notevole interesse poiché è tipico di molti
elementi strutturali tradizionali, quali i puntoni di una capriata, i pilastri di un edificio
ecc.

Rottura per spacco (fissilità)
La fissilità del legno esprime la tendenza del legno a spaccarsi in seguito all’azione di
un cuneo spinto nel materiale in direzione assiale. La lavorazione a spacco viene
utilizzata per ottenere legna da ardere, doghe per botti ecc. La fissilità è legata alla
presenza di una struttura cellulare ben ordinata, alla rettilineità della fibratura ed
all’eventuale presenza di grossi raggi midollari; ad es., legni molto fissili sono il
Larice e le Querce.

Modulo di elasticità
Solitamente si preferisce determinare il modulo di elasticità del legno sfruttando la
più sensibile deformazione ottenibile mediante la prova di flessione e derivando con
un’opportuna formula il valore di E (che, in prima approssimazione, è lo stesso sia a
compressione, sia a trazione, sia a flessione).
E =k—ΔF/Δw

dove DF è la differenza di carico tra due punti scelti nel tratto rettilineo della curva
carico-deformazione, Dw è il relativo incremento della freccia di inflessione, e k è
una costante che dipende dal dispositivo di prova e dalle unità di misura utilizzate.
Ai fini della determinazione di E oppure di altre costanti elastiche, al posto della
prova di flessione statica è possibile ricorrere a metodi dinamici, in cui viene studiata
la risposta del legno a sollecitazioni periodiche di piccola intensità che si propagano
al suo interno seguendo particolari leggi correlate appunto con l’elasticità del
materiale.
Una possibilità è quella derivante dallo studio delle vibrazioni, naturali oppure
forzate, longitudinali oppure flessionali, che possono ottenersi da un provino
eccitandolo in vario modo (ad es. mediante una percussione singola, oppure tramite
un’eccitazione sinusoidale di frequenza e ampiezza predeterminate). In base alla
determinazione delle frequenze di risonanza proprie del provino variamente vincolato
è possibile risalire al modulo di elasticità E anche senza sottoporre il provino ad un
carico statico e misurarne la freccia di inflessione conseguente.
Un’altra possibilità è offerta dallo studio del tempo di propagazione di onde d’urto
all’interno del legno: singoli “treni” di onde a frequenza sonica o ultrasonica (in
quest’ultimo caso, tipicamente comprese nell’intervallo fra 10 e 60 MHz) vengono
trasmessi ad una testata del provino mediante un opportuno eccitatore (ad es. un urto
ben calibrato, oppure il segnale di una sonda piezoelettrica emettitrice di impulsi
ultrasonici), per essere ricevuti da un trasduttore, posto ad es. all’ estremità opposta
del pezzo. Misurando con precisione il tempo che intercorre tra la partenza
dell’impulso ed il suo arrivo al trasduttore, si può calcolare il rapporto fra questo
tempo e la lunghezza del percorso effettuato, determinando così la velocità di
propagazione c dell’onda d’urto nel legno. Questa velocità, nel caso di barrette assiali
lunghe e sottili, è legata al modulo di elasticità E da una relazione semplice del tipo:
c=√E/Þ     ⇒ E = Þ× c2

Questo tipo di prove sono frequentemente impiegate per la determinazione di E su
elementi strutturali in opera, oppure per determinare in modo relativamente semplice
il grado di anisotropia elastica di determinate specie legnose, o ancora per identificare
zone di alterazione e degradamento del legno non visibili dall’esterno (il materiale
alterato presenta infatti una notevole riduzione dei valori tipici delle varie costanti
elastiche).
In genere, il modulo E determinato con metodi dinamici ha valori maggiori di quello
determinato con la prova di flessione statica.
Durezza (Janka, Brinell, Chalais-Meudon) e prova di impronta per pavimenti
La durezza (ingl.: “hardness”) è un indice della resistenza che il legno oppone alla
penetrazione da parte di un punzone di acciaio di forma appropriata. Questa
definizione dipende quindi dal metodo di prova usato e rende sostanzialmente non
confrontabili i risultati ottenuti con metodi di prova diversi.
La durezza è una proprietà che sintetizza in sé caratteristiche importanti per vari
impieghi del legno, quali pavimentazioni, attrezzi sportivi ecc.
I metodi di prova più usati sono tre:
– durezza Brinell: viene espressa, in N/mm2, in funzione del diametro d
dell’impronta lasciata nel legno da una sfera di acciaio del diametro D di 10 mm,
sotto l’azione di un carico F di circa 500, 1000 oppure 2000 N (esattamente di 50,
100 oppure 200 kp, rispettivamente per legni teneri, normali e durissimi), tramite
una relazione che esprime il rapporto tra forza applicata e superficie della calotta
sferica dell’impronta;
– durezza Janka: è data dal carico necessario per far penetrare nel legno, per una
profondità pari al suo raggio, una sfera di acciaio avente area diametrica pari ad 1
cm2 (ovvero diametro pari ad 11,284 mm); viene espressa in N;
– durezza Chalais-Meudon (o durezza Monnin): detta anche “durezza di fianco”,
consiste nel trasmettere al legno, attraverso un cilindro coricato sul fianco avente
raggio di 15 mm e lunghezza pari alla larghezza del provino, un carico costante di
circa 1000 N (esattamente di 100 kp) per ogni cm di larghezza del provino e per la
durata di 5 secondi; la durezza viene espressa in funzione della profondità t di
penetrazione del cilindro, che per motivi pratici viene calcolata in base alla
larghezza dell’impronta lasciata sulla superficie del provino (resa più evidente ad
es. interponendo un foglio di carta carbone tra punzone e legno) mediante la
relazione seguente.
La durezza Chalais-Meudon viene espressa come l’inverso della profondità di
penetrazione (in modo da avere valori crescenti al crescere della durezza):
Correlate almeno in parte alla durezza sono anche altre prove che in realtà cercano di
evidenziare l’idoneità di una specie legnosa a determinati impieghi finali, qua li ad es.
la prova di usura con il metodo Taber (viene misurato il consumo di legno dovuto al
passaggio ripetuto di una mola rotolante unificata), la resistenza all’impronta (con la
cosiddetta “prova del tacco a spillo”, in cui viene misurata l’impronta rimasta nel
legno dopo 24 ore dal momento del rilascio di un particolare punzone -avente
appunto la forma di un tacco a spillo- mantenuto premuto contro il legno con una
forza e per un tempo prestabiliti), la resistenza alla penetrazione dinamica (in cui si
misura il diametro delle impronte lasciate sul legno da una sfera di acciaio di 25 mm
di diametro lasciata cadere da un’altezza di 500 mm) ecc.
Fattori che influenzano le resistenze meccaniche del legno
Per uno stesso provino; coefficienti correttivi
In un determinato provino possono essere riscontrati valori significativamente diversi
delle caratteristiche meccaniche in funzione delle condizioni del materiale. In
particolare i parametri essenziali sono:
– la temperatura: si può in generale affermare che ad un aumento di temperatura
corrisponde (a parità di tutto il resto) una diminuzione di resistenza; anche la
durata dell’esposizione ad una temperatura elevata (ad es. un trattamento termico)
può sortire effetti negativi sulla resistenza del materiale: a 200 °C si ha un
peggioramento delle caratteristiche meccaniche dopo pochi minuti, a causa del
parziale degradamento chimico di alcuni costituenti della parete cellulare, ma già a
partire da 65 °C si possono avere effetti negativi permanenti in seguito a lunghe
esposizioni (ad es. cicli di essiccazione prolungati); il legno saturo d’acqua e
congelato appare più resistente a flessione, ma meno duro del legno stagionato
all’aria a temperatura normale;
– la durata del carico: se per portare a rottura un provino in 5 minuti occorre un
carico uguale a 100, per portare quello stesso provino a rottura in 1 solo minuto
sarà necessario un carico pari a 107, mentre per portarlo a rottura in 1 giorno
basterà un carico pari a 82;
l’umidità del legno: è questo il parametro in funzione del quale si registrano le più
sensibili variazioni di resistenza in uno stesso provino; in generale, le variazioni
sono in diminuzione all’aumentare dell’umidità e viceversa, cosicché le massime
caratteristiche meccaniche del legno (ad eccezione della resislienza) si riscontrano
allo stato anidro, mentre quelle minime si rilevano allo stato fresco. In primissima
approssimazione, fatta uguale a 100 la resistenza di un pezzo ad umidità normale,
per lo stesso pezzo possiamo trovare una resistenza pari a 130÷190 allo stato
anidro, e pari a 40÷60 allo stato fresco. Per tale motivo tutte le prove esaminate nei
paragrafi precedenti, per dare risultati confrontabili, devono essere sempre
effettuate su provini rigorosamente equilibrati ad umidità normale. Per venire
incontro all’oggettiva difficoltà di conseguire una tale condizione, nelle norme
viene prevista l’introduzione di opportuni coefficienti di correzione dei risultati di
prova in base agli scostamenti tra l’umidità effettiva del provino e l’umidità
normale di riferimento.
Per provini diversi (specie, massa volumica, difetti)
Nonostante la variabilità, dovuta all’influenza di molteplici fattori, delle
caratteristiche meccaniche tra provini di legno diversi, si possono dare le seguenti
indicazioni orientative di larghissima massima sull’entità delle principali proprietà per
legno al 12% di umidità:
– resistenza a compressione assiale: 25÷95 N/mm2
(ordine di grandezza: ~ 50
N/mm2);
– resistenza a compressione trasversale: 1÷20 N/mm2 (ordine di grandezza: ~
1/15 della resistenza a compressione assiale);
– resistenza a trazione assiale: circa 2 volte la resistenza a compressione assiale
(ordine di grandezza: ~ 100 N/mm2 );
-resistenza a flessione statica: 55÷160 N/mm2 ovvero circa pari alla resistenza
a trazione assiale (ordine di grandezza: ~ 100 N/mm2 );
– lavoro di rottura ad urto: 4÷6 Nm;
– modulo di elasticità: 2500÷17000 N/mm2 (ordine di grandezza: ~ 10000
N/mm2, pari a circa 10 volte il valore della resistenza a flessione e 20 volte
quello della resistenza a compressione assiale).
Questi valori indicativi variano in funzione dei seguenti fattori principali:
– la specie legnosa;
– la massa volumica: esiste una relazione quasi lineare tra la massa volumica e la
resistenza (ad umidità costante, ovviamente), per cui i legni più pesanti sono anche
i più resistenti; un’eccezione è costituita dalla resilienza, poiché molti legni pesanti
sono anche piuttosto fragili;
– lo spessore degli anelli e la percentuale di legno tardivo;
– la presenza di difetti o alterazioni: in genere tendono a peggiorare le
caratteristiche di resistenza e rigidezza del provino, ma non è agevole determinarne
l’influenza rispetto alle caratteristiche determinate sul legno netto; per questa
ragione le moderne tecniche di classificazione del materiale strutturale rinunciano
in partenza ad adottare coefficienti correttivi delle resistenze da applicare ai valori
determinati su provini piccoli e netti, ed utilizzano invece dati ricavati direttamente
da prove su semilavorati in dimensione d’uso;
– l’inclinazione della fibratura: l’anisotropia del legno nei confronti delle
caratteristiche meccaniche (si vedano le differenze poco sopra elencate tra le
resistenze assiali e trasversali) comporta necessariamente che all’aumentare
dell’inclinazione della fibratura le resistenze si abbassino sensibilmente e che anche
il comportamento deformativo subisca alterazioni sensibili; nella tabella seguente
sono riportate le diminuzioni della resistenza a flessione in funzione dell’angolo tra
la direzione della fibratura e l’asse longitudinale del provino (da GIORDANO):

 

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