Source: https://it.scribd.com/document/94009592/Istruzioni-CNR-DT-201-Del-2005
Timestamp: 2019-11-16 02:20:03+00:00
Document Index: 54267245

Matched Legal Cases: ['arte 1', 'arte 2', 'arte 3', 'arte 1', 'arte 1', 'arte 2', 'art 1', 'art 1', 'art 1']

SalvaSalva Istruzioni CNR DT 201 Del 2005 per dopo
CNR Commissione incaricata di formulare pareri in materia di normativa tecnica relativa alle costruzioni
COMMISSIONE INCARICATA DI FORMULARE PARERI IN MATERIA DI NORMATIVA TECNICA RELATIVA ALLE COSTRUZIONI
Studi Preliminari finalizzati alla redazione di Istruzioni per Interventi di Consolidamento Statico di Strutture Lignee mediante lutilizzo di Compositi Fibrorinforzati
ROMA CNR 21 luglio 2005
Propriet letteraria riservata del Consiglio Nazionale delle Ricerche
1 PREMESSA ...................................................................................................................................1 1.1 SIMBOLOGIA.........................................................................................................................1 2 SCOPO E CAMPO DI APPLICAZIONE ..................................................................................3 2.1 GENERALITA .......................................................................................................................3 2.2 CAMPI DI APPLICAZIONE ..................................................................................................4 2.2.1 Premessa .............................................................................................................................4 2.2.2 Soluzioni di acclarata efficacia...........................................................................................4 2.2.3 Soluzioni di incerta efficacia ..............................................................................................5 2.3 PROBLEMATICHE CONNESSE...........................................................................................5 2.3.1 Premessa .............................................................................................................................5 2.3.2 Tipologie di connessione ....................................................................................................6 2.3.3 Il componente legno........................................................................................................6 2.3.4 Il componente composito FRP........................................................................................7 2.3.5 Durabilit............................................................................................................................7 2.3.6 Comportamento al fuoco ....................................................................................................7 2.3.7 Comportamento a rottura dellelemento rinforzato ............................................................8 3 CRITERI GENERALI DI PROGETTAZIONE ED ESECUZIONE......................................9 3.1 GENERALITA .......................................................................................................................9 3.2 VALUTAZIONE PREVENTIVA DELLO STATO DI FATTO ............................................9 3.3 REQUISITI PER LAPPLICABILIT DEL RINFORZO....................................................10 3.4 SCELTA DEL TIPO DI RINFORZO....................................................................................11 3.5 REQUISITI PER LA DURABILIT ....................................................................................12 3.6 RACCOMANDAZIONI PER LESECUZIONE ..................................................................13 4 MATERIALI: CARATTERISTICHE E MODELLI COSTITUTIVI ..................................14 4.1 GENERALITA .....................................................................................................................14 4.2 PROPRIET TECNOLOGICHE DEL LEGNO...................................................................14 4.3 CARATTERISTICHE E MODELLI COSTITUTIVI DEL LEGNO MASSICCIO E LAMELLARE ...................................................................................................................16 4.4 CARATTERISTICHE PRINCIPALI DEGLI ADESIVI PER LEGNO ...............................19 5 SOLIDARIZZAZIONE TRA FRP E LEGNO.........................................................................22 5.1 GENERALITA .....................................................................................................................22 5.2 COLLEGAMENTO MEDIANTE INCOLLAGGIO ............................................................22 5.2.1 Premessa ...........................................................................................................................22 5.2.2 Indicazioni normative .......................................................................................................23 5.2.3 Compatibilit tra adesivi e legno ......................................................................................24 5.2.4 Comportamento meccanico e modalit di rottura ............................................................26 5.3 UTILIZZO DI CONNETTORI MECCANICI ......................................................................26 6 RINFORZO A FLESSIONE, TENSO E PRESSOFLESSIONE............................................29 6.1 GENERALIT ......................................................................................................................29 6.2 TIPOLOGIE DI RINFORZI FLESSIONALI ........................................................................30 6.3 MODALIT DI ROTTURA PER DELAMINAZIONE DI ELEMENTI RINFORZATI INFLESSI...........................................................................................................................31 6.4 ANALISI DEL COMPORTAMENTO AGLI STATI LIMITE ULTIMI PER PRESSOFLESSIONE RETTA ..........................................................................................32 i
CNR-DT 201/2005 6.4.1 Premessa ...........................................................................................................................32 6.4.2 Procedimento di verifica...................................................................................................33 6.4.3 Espressioni di N1 e M1 per le diverse regioni limite .........................................................34 7 RINFORZO DI STRUTTURE DI SOLAIO E CONTROVENTO PER AZIONI NEL PIANO ..........................................................................................................................................37 7.1 GENERALIT ......................................................................................................................37 7.2 PREMESSE PER IL RINFORZO .........................................................................................38 7.3 COMPORTAMENTO DEL SOLAIO NON RINFORZATO PER AZIONI NEL PIANO..38 7.4 MODALIT DI RINFORZO PER AZIONI NEL PIANO ...................................................40 8 UNIONI E LORO RINFORZO .................................................................................................43 8.1 GENERALIT ......................................................................................................................43 8.2 RINFORZO DELLE UNIONI TRADIZIONALI MEDIANTE FRP ...................................43 8.3 UNIONI REALIZZATE MEDIANTE CONNETTORI DI FRP ..........................................44 9 APPENDICE A: APPLICAZIONI SU STRUTTURE ESISTENTI ......................................45 9.1 PALAZZO NOBILI, LUCCA ...............................................................................................45 9.2 EDIFICIO SIAZ, TREVI (PG) ..............................................................................................45 9.3 EDIFICIO PER CIVILE ABITAZIONE, SPOLETO (PG)...................................................46 9.4 PALAZZO COLLICOLA, SPOLETO (PG)..........................................................................47 9.5 EDIFICO STORICO, LUCCA ..............................................................................................48 10 APPENDICE B: RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI .............................................................49 11 APPENDICE C: RIFERIMENTI NORMATIVI ....................................................................52
Il presente documento di studio si affianca alle precedenti Istruzioni contenute nel CNR-DT 200/2004 per affrontare gli aspetti concernenti il rinforzo di strutture lignee mediante compositi fibrorinforzati. Il documento al momento di tipo divulgativo. Esso si propone i seguenti obiettivi: diffondere nella Comunit tecnico-professionale le conoscenze peculiari per lutilizzo dei materiali compositi fibrorinforzati nel consolidamento statico di strutture lignee; individuare gli interventi che a tuttoggi si possono ritenere effettivamente idonei e di sicura efficacia. ben noto che lattuale stato dellarte sullargomento meno avanzato di quello relativo alle costruzioni di c.a. o alle murature ed in grado di fornire unadeguata risposta solo ad un esiguo numero di problemi relativi ad alcune specifiche applicazioni. A tal riguardo si segnala che non sono state finora rilasciate in campo internazionale linee guida sulluso degli FRP nel placcaggio di strutture lignee. Il lavoro svolto rappresenta solo un primo passo verso il rilascio di Istruzioni progettuali, che potr avvenire in un prossimo futuro, quando gli studi teorici e sperimentali, attualmente in corso in campo internazionale, consentiranno di raggiungere una conoscenza pi completa dellargomento ed universalmente condivisa. In tale ottica il documento risulta utile per lindividuazione di problemi ancora aperti, sui quali la Comunit scientifica potr concentrarsi nei prossimi anni, fungendo da catalizzatore ed indirizzo per gli studi nel settore. Nellattuale versione il documento richiama, completandoli opportunamente, alcuni concetti basilari del rinforzo con FRP e delle problematiche speciali connesse, del rinforzo di elementi presso e tensoinflessi, con particolare riguardo al rinforzo dei solai lignei e dellirrigidimento di questi ultimi nel proprio piano. Sono inoltre trattati alcuni aspetti qualitativi del problema della delaminazione e del rinforzo delle unioni. Il documento comprende infine tre Appendici nelle quali sono raccolte, rispettivamente, alcuni esempi di interventi di rinforzo di strutture mediante FRP realizzati (Appendice A), le principali informazioni bibliografiche (Appendice B) ed i riferimenti normativi sullargomento (Appendice C). 1.1 SIMBOLOGIA Si riporta di seguito il significato dei principali simboli utilizzati nel documento. Notazioni generali (.)d valore di progetto (o di calcolo) della grandezza (.) valore della grandezza (.) riferita al rinforzo di FRP (.)f (.)R valore della grandezza (.) intesa come resistenza (.)S valore della grandezza (.)intesa come sollecitazione Lettere romane maiuscole A area della sezione di legno Af area del rinforzo di FRP B base della sezione trasversale della trave lignea E modulo di elasticit normale a trazione del legno Ef modulo di elasticit normale a trazione del rinforzo di FRP H altezza della sezione trasversale della trave lignea MSd momento sollecitante di progetto MRd momento resistente di progetto NSd sforzo normale sollecitante di progetto 1
CNR-DT 201/2005 Tg temperatura di transizione vetrosa della resina
Lettere romane minuscole b base della sezione trasversale del rinforzo di FRP h altezza della sezione trasversale del rinforzo di FRP fcd resistenza di progetto a compressione del legno fc,el resistenza a compressione al limite elastico del legno fcu resistenza ultima a compressione al limite plastico del legno ftu resistenza ultima a trazione del legno pfrp rapporto tra la distanza del rinforzo dalle fibre superiori e laltezza della sezione trasversale della trave n rapporto tra il modulo di elasticit normale a trazione del rinforzo di FRP e il modulo di elasticit normale a trazione del legno k rapporto tra la deformazione ultima e la deformazione al limite elastico a compressione k rigidezza rotazionale nel piano di una coppia di connettori colleganti una tavola alla trave Lettere greche minuscole rapporto tra la resistenza ultima a trazione e quella ultima a compressione del legno frp rapporto tra la sezione trasversale del legno e quella del rinforzo rapporto tra la distanza dellasse neutro dalle fibre superiori e laltezza della sezione trasversale s deformazione longitudinale delle fibre al lembo superiore i deformazione longitudinale delle fibre al lembo inferiore tu dilatazione ultima del legno c,el deformazione del legno compresso al limite elastico cu deformazione ultima del legno compresso
2.1 GENERALITA Il presente documento specifica criteri e condizioni per un uso tecnicamente aggiornato dei materiali compositi fibrorinforzati (FRP) adesi al legno strutturale, con particolare riferimento al consolidamento ed al rinforzo di strutture esistenti. Il legno strutturale annoverato nella normativa tecnica fra i materiali da costruzione idonei ad assolvere funzioni portanti per un tempo indefinito ed ha una lunga storia applicativa testimoniata dallelevata durabilit delle strutture adeguatamente progettate e realizzate. Nella gran parte delle citt italiane sono numerosi gli esempi di edifici con coperture e solai di legno secolari, ancora perfettamente efficienti a fronte della sola manutenzione ordinaria. Lesigenza principale che negli ultimi anni ha spinto verso una sperimentazione sempre pi intensa nel campo delle strutture composte legno-FRP stata pertanto quella di conferire maggiore resistenza e rigidezza agli elementi strutturali di legno massiccio o di legno lamellare incollato, rispetto alle prestazioni che il materiale ligneo da solo in grado di offrire. Pur essendo la sperimentazione nel campo delle strutture composte legno-FRP attiva da oltre quindici anni, lapplicazione di tali tecnologie ancora in corso di sviluppo e lo stato dellarte quindi in continua evoluzione. In passato, prima che si iniziasse a parlare di impiego strutturale dei materiali compositi, numerose tecniche sono state sperimentate con varia efficacia nellintento di conferire maggior resistenza o rigidezza agli elementi strutturali lignei. Fra queste, si pu annoverare lutilizzo di elementi costituiti da materiali derivati dal legno, lutilizzo di barre o piastre dacciaio o di alluminio con o senza pretensionamento, fino ai pi recenti impieghi di elementi di legno lamellare armato con barre di carbonio o di acciaio, gi inserite in sede di produzione di questi ultimi. Ciascuna delle tecnologie sopra citate ha ottenuto risultati significativi e di non trascurabile utilit; ci nonostante solo poche di esse sono state divulgate e/o commercializzate e quasi nessuna ha raggiunto lo status di tecnica universalmente riconosciuta e diffusamente adottata. Tale situazione la conseguenza di molteplici concause, quali la difficolt di realizzazione, gli elevati costi, la esigua versatilit delle tecniche studiate, la necessit di far ricorso a personale specializzato. Non va trascurata a tal riguardo anche la modesta diffusione delle conoscenze richieste per una progettazione sicura e affidabile, specialmente nel lungo termine, acuita in Italia dalla lunga assenza di una normativa nazionale di riferimento. A fronte di quanto sopra esposto, i materiali compositi fibrorinforzati presentano alcuni evidenti vantaggi, prestandosi ad applicazioni di semplice realizzazione e di estrema versatilit, sia per il recupero dellesistente sia per la progettazione di nuovi elementi. Tali caratteristiche, per la loro grande attrattivit, hanno gi favorito una rapida e capillare diffusione delle tecniche di rinforzo delle strutture di conglomerato cementizio armato e di quelle murarie mediante placcaggio con lamine fibrorinforzate. Le suddette tecniche formano infatti parte ormai integrante del patrimonio conoscitivo di numerosi progettisti e si stanno dimostrando strumenti efficaci per la soluzione rapida di numerosi problemi. A frenare un processo analogo a favore delle strutture lignee hanno contribuito essenzialmente due fattori. Il primo consiste nella mancanza di una specifica normativa per il settore del legno, totalmente sprovvisto fino a poco tempo fa di una qualsiasi normativa nazionale per il calcolo e la verifica di elementi strutturali e che tuttora presenta grosse lacune per quanto attiene al rinforzo con materiali compositi. Il secondo va individuato nella modesta fiducia riconosciuta al legno quale mate3
CNR-DT 201/2005 riale strutturale, frutto di ignoranza tecnica e di infondati pregiudizi, che hanno avuto leffetto di circoscrivere limpiego di tale materiale in ambiti ristretti, quali le coperture e le costruzioni situate in specifiche aree geografiche (prevalentemente montane). naturale che un mercato di minori dimensioni assorba con maggior lentezza le innovazioni costrette a confliggere con limitate possibilit di sperimentazione e ridotte disponibilit di investimenti. Eppure, se riguardato sotto laspetto puramente ingegneristico, il sodalizio del legno con i materiali polimerici fibrorinforzati si presenta particolarmente riuscito in termini di compatibilit e complementariet di caratteristiche. Basti pensare ad una delle peculiarit pi apprezzate del legno, la leggerezza, che non viene assolutamente intaccata da un intervento di rinforzo con FRP. Parimenti, i difetti pi vistosi del legno, come ad esempio lelevata disomogeneit meccanica legata alla presenza di un cospicuo numero di difetti, risultano notevolmente mitigati dalla sinergia con un altro materiale strutturalmente efficiente, quale il composito fibrorinforzato. Alcuni limiti applicativi della combinazione legno-FRP, tipici della natura dei materiali impiegati, sono altrettanto evidenti: le differenze di comportamento dei due materiali nei confronti delle variazioni di temperatura e di umidit, il diverso comportamento al fuoco, le problematiche relative alle tecniche di solidarizzazione fra i due materiali (incollaggi, unioni meccaniche) sono argomenti sufficienti a giustificare la necessit di effettuare ulteriori, accurate e vaste campagne di ricerca di base (compatibilit dei materiali) e applicata (affidabilit e durabilit delle soluzioni tecniche). Per quanto riguarda il panorama italiano, si rileva che le sperimentazioni sono sempre pi numerose e, contestualmente, si segnalano importanti sviluppi sul fronte normativo. Pertanto, la stesura del presente documento pu costituire di per s un passo importante nella direzione della corretta diffusione e dellutilizzo delle tecniche gi disponibili, nonch della sperimentazione di nuove applicazioni. 2.2 CAMPI DI APPLICAZIONE 2.2.1 Premessa Almeno in linea teorica, quasi tutti i problemi statici relativi a una struttura di legno potrebbero trovare soluzione mediante unopportuna applicazione di materiali compositi fibrorinforzati. In pratica, lapproccio che si rileva come il pi seguito e/o il meno problematico quello degli interventi di tipo migliorativo, applicabile a situazioni altrimenti irrisolvibili se non a prezzo di difficili compromessi progettuali. Inoltre, esso compensa in molti casi i maggiori oneri ancora legati alla produzione dei compositi fibrorinforzati. In tale ambito si parla frequentemente di rinforzo di strutture lignee con FRP, comprendendo nel suddetto termine sia la restituzione delle capacit prestazionali ad un elemento deteriorato - riabilitazione - sia il miglioramento delle prestazioni di un elemento strutturale integro. 2.2.2 Soluzioni di acclarata efficacia Limpiego pi diffuso indubbiamente quello del rinforzo di elementi lignei prevalentemente inflessi, quali singole travi, putrelle di solai o singoli elementi di sistemi strutturali pi complessi, quali capriate e telai. Il rinforzo pu essere costituito da lamine o fogli di varia costituzione, applicati secondo criteri tali da conseguire vantaggi in termini di resistenza, di deformabilit oppure di duttilit. Altro impiego il rinforzo di strutture per azioni nel piano. Un caso tipico lapplicazione ai solai di legno o ai solai misti. Tali strutture, piuttosto diffuse in molti Paesi europei e storicamente domi4
CNR-DT 201/2005 nanti sul territorio nazionale, pur presentando ottime caratteristiche in termini di leggerezza, resistenza, isolamento acustico e compartimentazione, offrono limitata rigidezza e modesta efficienza nei confronti della trasmissione delle forze orizzontali nel piano. Il suddetto requisito, peculiare di una corretta progettazione in zona sismica, pu essere facilmente conferito, senza particolari sacrifici in termini di peso o spessore, solidarizzando il tavolato o la soletta esistente con un reticolo di rapida esecuzione, costituito da due o pi orditi di nastri di FRP disposti ortogonalmente fra loro. Un ulteriore campo di applicazione riguarda il rinforzo delle unioni fra gli elementi lignei. Per tale scopo possono essere impiegati compositi con diverso tipo di microstruttura a seconda delle funzioni che essi devono svolgere. I risultati conseguibili sono principalmente i seguenti: riduzione del rischio di rottura per trazione perpendicolare alle fibre, diminuzione delle distanze fra i connettori e tra questi e il bordo, miglioramento del comportamento ultimo della connessione e incremento delle capacit di dissipazione isteretica delle connessioni sotto carichi ciclici. I casi che ricorrono nella pratica tecnica sono molteplici e possono coinvolgere la trasmissione di sollecitazioni assiali, flettenti e taglianti. 2.2.3 Soluzioni di incerta efficacia Per il rinforzo di elementi lignei compressi con polimeri fibrorinforzati si segnalano alcune significative controindicazioni. Mentre nel caso di pilastri di conglomerato cementizio armato limpiego di FRP per fasciature cerchianti consente di realizzare un efficace confinamento, lo stesso risultato non conseguibile con garanzia di efficacia nel tempo per elementi lignei, a causa dei movimenti da ritiro e da rigonfiamento indotti da variazioni termoigrometriche ambientali, i quali possono compromettere leffetto cerchiante. Pi in generale, per i motivi sopra citati e per le peculiarit del comportamento meccanico e delle modalit di rottura degli elementi di legno strutturale, di cui si tratter in seguito, risultano di incerta efficacia tutti gli interventi basati su disposizione del rinforzo in avvolgimento (bendatura di elementi lignei). Inoltre, tali interventi comportano spesso problemi di forte impatto visivo e di limitata reversibilit, del tutto inaccettabili in caso di riabilitazione di strutture esistenti, classificate come Beni Culturali. Gli interventi di rinforzo con FRP trattati nel presente documento non forniscono apprezzabili incrementi di resistenza al taglio del materiale ligneo. Nel caso delle capriate lignee tradizionali in genere sconsigliato il ricorso ad interventi di ricucitura e rinforzo dei nodi strutturali mediante lincollaggio di lamine di FRP, poich risulterebbe inaccettabilmente contrastato il movimento reciproco delle membrature, condizione essenziale per il corretto funzionamento della capriata stessa. 2.3 PROBLEMATICHE CONNESSE 2.3.1 Premessa Le procedure sinteticamente descritte nel 2.2 possono presentare difficolt esecutive, tali da richiedere specifici accorgimenti. Nel seguito ci si limiter ad elencare quelle pi rilevanti, commentandole brevemente e rinviando ai capitoli successivi unanalisi pi approfondita. Emerger in tal modo che la scelta del tipo e della geometria di rinforzo, e la tipologia di connessione non possono essere disgiunte, ma devono essere affrontate simultaneamente in ununica fase identificabile come progetto del rinforzo.
CNR-DT 201/2005 2.3.2 Tipologie di connessione Per solidarizzare il materiale FRP al legno si possono adottare diversi tipi di connessione: chiodi, perni, bulloni, viti o colla. Ognuna di queste soluzioni ha effetti diversi sul comportamento della connessione e, in particolare, sulla trasmissione degli sforzi, da cui dipendono la rigidezza dellelemento composto e la modalit di sfruttamento dei singoli materiali. La modalit di connessione pi frequente tra i rinforzi di FRP e le membrature lignee lincollaggio, attesa la notevole versatilit di questultimo e la compatibilit fra i collanti comunemente impiegati e la matrice plastica del composito. A tal riguardo necessario curare alcuni aspetti relativi allinterfaccia legno-colla, di peculiare importanza per ottenere risultati ottimali. Infatti, una mancata o inadeguata preparazione delle superfici potrebbe compromettere seriamente lefficacia dellintervento di rinforzo. Allo scopo di garantire efficacia all'incollaggio, devono essere rispettati i seguenti requisiti fondamentali: il collante deve bagnare sufficientemente la superficie lignea e deve presentare un comportamento reologico simile a quello degli aderendi; la superficie lignea deve essere opportunamente preparata in modo da presentarsi il pi possibile uniforme e regolare; lo spessore della linea di colla deve essere quello ottimale con riferimento alle indicazioni del Produttore.
Il soddisfacimento del primo requisito di facile realizzazione se si adotta un tipo di adesivo compatibile con il legno; il soddisfacimento del secondo pu invece comportare serie difficolt, soprattutto nellapplicazione di rinforzi ad elementi preesistenti, segnatamente se questi ultimi risultano gravemente deteriorati e presentano superfici fortemente irregolari. 2.3.3 Il componente legno La disomogeneit e lanisotropia, caratteristiche peculiari dellelemento ligneo, condizionano sia la natura, sia la disposizione della connessione in relazione agli sforzi che essa deve sopportare e trasmettere. Innanzitutto, poich le fibre del legno si presentano orientate (solitamente in direzione poco discosta da quella assiale dellelemento, ma non sempre e non in tutte le zone di uno stesso elemento), le membrature lignee esibiscono una limitata resistenza nei confronti delle sollecitazioni di trazione e di compressione ortogonali alla direzione delle fibre. Pertanto, in fase di progetto, tali sollecitazioni vanno accortamente minimizzate. Sempre nella fase di progetto, non va inoltre trascurata la puntuale conoscenza di caratteristiche quali la specie legnosa, la difettosit, lumidit, il tipo di assortimento e lo stato di conservazione. La schematizzazione dellelemento ligneo come trave omogenea di sezione costante, solitamente adottata ai fini dei calcoli di progetto, molto semplificativa e non pu essere acriticamente estesa a quegli elementi la cui difettosit supera determinati limiti. Inoltre, laddove si presentino irregolarit gravi della fibratura, nodi di dimensione eccessiva, evidenti difetti di forma, ecc., si potrebbero manifestare comportamenti difficilmente prevedibili della connessione legno-FRP. I profili resistenti degli elementi strutturali di legno sono descritti nelle norme UNI EN 338, UNI 11035 e UNI 11119, alle quali si rimanda per approfondimenti.
CNR-DT 201/2005 2.3.4 Il componente composito FRP I compositi fibrorinforzati sono materiali realizzati con una struttura microscopica ottimizzata per conseguire un ben preciso comportamento costitutivo. Dal punto di vista tecnologico tali materiali sono particolarmente adatti alla realizzazione di elementi sottili piani, detti comunemente lamine. Elementi realizzati con fibre orientate in ununica direzione sono soprattutto idonei allassorbimento di sforzi di trazione o di compressione nella medesima direzione, mentre risultano inadeguati ad assorbire sforzi ortogonali alla suddetta direzione. Al contrario, composizioni con fibre disposte in pi direzioni, solitamente realizzate sovrapponendo pi strati unidirezionali, risultano idonee per assorbire ogni tipo di azione contenuta nel loro piano. 2.3.5 Durabilit Un aspetto rilevante, strettamente ma non esclusivamente legato allincollaggio riguarda la durabilit dellintervento: non sempre ladesivo, dotato delle migliori caratteristiche prestazionali al momento dellapplicazione, conserva le medesime caratteristiche nel tempo, soprattutto se le condizioni ambientali sono sfavorevoli. Poich il legno soggetto a notevoli deformazioni legate alle variazioni di umidit, un collante pu essere considerato compatibile se si adegua alle suddette deformazioni, evitando in tal modo, o limitando al minimo, il rischio di delaminazione. Inoltre, nel caso di rinforzi pretesi, lefficacia a lungo termine dellintervento presuppone la capacit da parte dei rinforzi di mantenere lo stato tensionale imposto, requisito questultimo raggiungibile solo a fronte di unadeguata realizzazione dellincollaggio. Il problema della durabilit pu anche essere affrontato intervenendo sulla protezione del rinforzo. Ad esempio si pu provvedere al controllo delle condizioni ambientali a cui lintervento sottoposto o, dove questo non fosse possibile, ricorrere ad opportune geometrie della connessione o ad altri espedienti costruttivi che consentano unadeguata protezione del rinforzo. Allo stesso risultato si pu anche pervenire attraverso la scelta di materiali che assicurino una maggiore resistenza agli attacchi ambientali di tipo fisico o chimico. A titolo esemplificativo, nel caso di un intervento di rinforzo su una copertura lignea, un adeguato isolamento dell'ambiente potrebbe risultare sufficiente per proteggere lintervento stesso dalle escursioni di temperatura e di umidit; nel caso invece di un intervento di rinforzo su un impalcato da ponte, potrebbe risultare vincente la scelta di materiali compositi pi resistenti alle aggressioni chimiche nonch di adesivi compatibili con la particolare classe di servizio (come definita nella norma EN 1995-1-1). 2.3.6 Comportamento al fuoco Indipendentemente dalla resistenza termica delle fibre, legata alla loro composizione chimica, quella dei materiali compositi sempre governata dalla corrispondente resistenza della matrice. Le resine infatti tendono a perdere gran parte delle loro caratteristiche meccaniche gi intorno a 100 C e quindi sono molto sensibili al rischio di eventuali incendi. In aggiunta, a prescindere dal tipo di rinforzo, il collante utilizzato per il collegamento composito-legno presenta temperature di transizione vetrosa quasi sempre ben al di sotto di 100 C. Ai suddetti inconvenienti si pu porre rimedio sfruttando le elevate capacit di isolamento termico del legno e studiando soluzioni efficaci di protezione. Tra esse si segnala ad esempio il ricorso a geometrie particolari che prevedano unadeguata copertura del rinforzo con un ulteriore strato di legno a protezione del composito e a completamento dellelemento ligneo, anche con funzione strutturale o estetica. E bene ricordare che tanto maggiore risulta la quota parte di sollecitazione affidata al composito, tanto pi indispensabile diventa la sua protezione, in quanto il cedimento della matrice o dellincollaggio comporterebbe una drastica e immediata riduzione delle capacit resistenti dellelemento rinforzato. A tal riguardo si rinvia alle specifiche prescrizioni contenute nel documento CNR-DT 200/2004 (Istruzioni per la Progettazione, lEsecuzione ed il Controllo di Interventi di Consolidamento Statico mediante lutilizzo di Compositi Fibrorinforzati).
CNR-DT 201/2005 2.3.7 Comportamento a rottura dellelemento rinforzato Lultima problematica significativa riguarda lo Stato Limite Ultimo (SLU) dellelemento rinforzato, ovvero il suo comportamento in prossimit del collasso strutturale. In primo luogo, occorre sottolineare che linnesco della rottura in una membratura lignea avviene generalmente in corrispondenza dei difetti naturali (nodi, zone a fibratura inclinata), con modalit di tipo fragile. In secondo luogo, opportuno segnalare che in molti casi pratici sono responsabili del collasso non solo gli stati tensionali da flessione, compressione e trazione assiale, ma anche quelli da taglio (travi tozze, unioni a incastro), nonch specifici fenomeni quali ad esempio il rolling shear (nei pannelli a base di legno), lo spacco (in presenza di intagli e forature), il rifollamento (nelle unioni meccaniche). I materiali compositi presentano un comportamento pressoch elastico lineare fino alla rottura, che si manifesta conseguentemente con modalit di tipo fragile. Negli elementi inflessi, disponendo il rinforzo in zona tesa, si pu anche perseguire lobiettivo di mobilitare sufficienti deformazioni al lembo compresso, in modo da indurre un comportamento locale pseudo-plastico del legno, prima che si inneschi la rottura al lembo teso.
3 CRITERI GENERALI DI PROGETTAZIONE ED ESECUZIONE
3.1 GENERALITA Quando lintervento di rinforzo riguarda un elemento strutturale di nuova fabbricazione, la qualit dei materiali adoperati pu essere facilmente verificata e la loro lavorabilit garantita da un processo industriale assistito dai pi moderni criteri di controllo della qualit. Nel caso in cui lintervento riguardi un elemento strutturale gi in opera invece opportuno che siano rispettati i criteri di applicabilit discussi nei successivi paragrafi. Salvo quanto pi appresso specificamente indicato, si deve fare riferimento ai concetti basilari del progetto di rinforzo ed alle problematiche speciali di cui al CNR-DT 200/2004. Gli interventi su edifici di interesse culturale, storico o artistico sono regolati dalla norma UNI 11138, di recente pubblicazione, cui si rinvia per approfondimenti. Essa definisce la sequenza logica delle attivit inerenti la progettazione e lesecuzione degli interventi di rinforzo, come segue: valutazione preventiva dello stato di fatto; progettazione; controllo di efficacia; metodologie e tecniche di esecuzione; ispezioni periodiche.
Presupposto essenziale alle suddette attivit la verifica preventiva dellopportunit di eseguire lintervento nello spirito della conservazione e protezione dei valori storici e artistici. Va inoltre precisato che lanalisi preventiva dello stato di fatto da intendersi anche come valutazione tecnico-economica delle alternative disponibili allintervento di rinforzo, tra le quali non pu essere esclusa a priori la sostituzione o il rifacimento di parti pi o meno consistenti del complesso strutturale. Nei casi in cui la conservazione dellelemento originario non sia dettata da considerazioni di carattere artistico o culturale, ma semplicemente da quelle di tipo tecnico ed economico, lelemento, pur se deteriorato o danneggiato, deve presentare capacit prestazionali residue sufficienti a renderne giustificata la conservazione. Ci rende possibile la preservazione del funzionamento strutturale originario senza ricorrere a situazioni alternative aventi lo scopo di sgravare lelemento, il quale in definitiva pu conservare la stessa funzione statica per la quale era stato originariamente realizzato. 3.2 VALUTAZIONE PREVENTIVA DELLO STATO DI FATTO La valutazione dello stato di fatto, come precisato dalla Normativa vigente, rappresenta unattivit indipendente dalla progettazione dellintervento di rinforzo e pu anche essere commissionata al solo scopo cognitivo in ordine alla valutazione dellidoneit statica. Lobiettivo di tale attivit quello di definire il comportamento statico delledificio, lo stato di conservazione delle singole membrature e la loro completa caratterizzazione anche dal punto di vista storico-architettonico. Allo scopo di definire gli aspetti tecnici dellintervento, ognuna delle operazioni preliminari di cui si compone la valutazione dello stato di fatto da considerarsi fondamentale. Una contestualizzazione storica del manufatto, compiuta anche attraverso lanalisi del materiale che lo compone, fornisce generalmente preziose indicazioni sulle tipologie strutturali e sulle tecniche 9
CNR-DT 201/2005 costruttive adottate. La caratterizzazione del materiale si rivela inoltre necessaria per la determinazione delle caratteristiche meccaniche degli elementi, sulle quali il progetto di rinforzo deve necessariamente basarsi. La caratterizzazione della tipologia e del livello di degrado e le cause che lo hanno provocato, possono risultare importanti, non solo per la definizione delle capacit statiche degli elementi oggetto dellintervento, ma anche per individuare le condizioni di attuazione dellintervento di rinforzo, gli eventuali agenti deterioranti ai quali esso potrebbe essere soggetto e le probabili cause di decadimento della sua efficacia a lungo termine. La diagnosi dello stato di conservazione degli elementi lignei in opera deve essere eseguita come prescritto nella norma UNI 11119. La valutazione dello stato di sollecitazione effettivo a cui il manufatto risulta sottoposto, rappresenta uno degli aspetti pi importanti per la definizione delle modalit dellintervento. Anche se le circostanze specifiche da valutare contestualmente allintervento saranno approfondite nel paragrafo successivo, tuttavia opportuno anticipare alcune considerazioni di carattere generale sulla valutazione delle condizioni statiche preesistenti. Lanalisi strutturale pu essere condotta, a seconda delle effettive esigenze, a diversi livelli di dettaglio. In ordine crescente di affinamento, essi attengono ai seguenti schemi: schema statico globale della struttura, comprendente anche tutti gli altri eventuali elementi realizzati con materiali diversi, che possono interferire con la struttura lignea; schema statico delle varie sottostrutture (capriate, solaio, ecc.); schema statico delle singole membrature; schema statico dei vincoli interni (collegamenti) ed esterni.
Nel caso particolare dei rinforzi a base di FRP, la valutazione preventiva dello stato di fatto deve includere anche aspetti non direttamente legati allanalisi strutturale, come ad esempio loccultamento o la distruzione di caratteri peculiari degli elementi lignei, quali particolari segni di lavorazione o marcatura superficiale, incastri, ecc., che formano parte integrante del valore storico e culturale del manufatto. Va particolarmente sottolineata limportanza di unaccurata valutazione preventiva dello stato di fatto, essendo inaccettabile lestensione allintero sistema strutturale di interventi basati sullanalisi di pochi elementi, situazione questultima che generalmente foriera di gravi inadeguatezze e/o di pesanti sovradimensionamenti. 3.3 REQUISITI PER LAPPLICABILIT DEL RINFORZO Appare evidente che una condizione fondamentale per lapplicabilit del rinforzo sullelemento strutturale, o anche solo per leffettuazione della maggior parte delle procedure preliminari di indagine, risulta essere laccessibilit. La situazione ideale corrisponde a quella in cui la struttura pu essere messa in sicurezza e lelemento temporaneamente rimosso. Essa comporta non trascurabili vantaggi, quali la possibilit di applicare metodologie di indagine di tipo diretto non distruttivo e di procedere allapplicazione del rinforzo secondo le modalit pi consone, individuate nella fase di indagine. Non tuttavia escluso il successo dellintervento nei casi in cui gli elementi da rinforzare non possano essere temporaneamente rimossi, purch se ne tenga conto in fase di progetto. Si rende quindi necessaria la valutazione dellaccessibilit e delle modalit di intervento effettivamente proponibili.
CNR-DT 201/2005 In generale, data la semplicit applicativa di molte delle tecniche utilizzabili, un intervento di rinforzo pu essere eseguito in presenza di una qualsiasi condizione di carico, ad eccezione ovviamente di quelle che potrebbero pregiudicare la stabilit della struttura. E appena il caso di rilevare che, se il rinforzo applicato senza procedere allo scarico preventivo della struttura, esso pu ritenersi efficace per i soli ulteriori carichi aggiuntivi e non produce alcuno sgravio nei confronti delle sollecitazioni preesistenti. Daltra parte, lo scarico completo della struttura potrebbe in alcuni casi comportare oneri e difficolt maggiori delle procedure stesse di rinforzo, al punto da rendere lintervento improponibile. Per lapplicabilit del rinforzo va inoltre valutata attentamente la condizione del legno a cui il composito trasmetter gli sforzi. Essa dipende dal volume ligneo coinvolto e dalla sua posizione, a seconda del tipo di intervento da effettuare. Il volume di legno interessato deve essere costituito necessariamente da materiale sano, esente da attacchi batterici, fungini o da ogni altro tipo di attacco biotico o abiotico. Inoltre, l'umidit di tale volume deve essere prossima all'umidit media dellelemento in opera, in equilibrio con le condizioni termoigrometriche ambientali di esercizio, al fine di evitare il pi possibile ritiri e rigonfiamenti del legno, responsabili di anomali stati di coazione nella zona dellintervento. La trasmissione degli sforzi tra FRP e supporto deve essere tale da evitare concentrazioni tensionali. A tal fine si pu eventualmente ricorrere a dispositivi idonei a coinvolgere nella trasmissione volumi di legno pi consistenti. 3.4 SCELTA DEL TIPO DI RINFORZO Completata la fase di valutazione preliminare e determinate le condizioni operative che caratterizzano lintervento, la scelta ottimale del tipo di rinforzo rappresenta un momento decisionale di primaria importanza nellambito del progetto di un intervento, sia esso di adeguamento o anche solo di miglioramento di una struttura. Tale valutazione, in generale, deve tener conto di molteplici aspetti, attinenti ad ambiti diversi e non solo a carattere statico e tecnologico. Per brevit, nel seguito si considerer gi espletata la fase di valutazione della compatibilit dellintervento di rinforzo con gli aspetti inerenti la conservazione dei valori artistici e storici del manufatto. Devono essere presi in esame fattori a carattere tipicamente ingegneristico, tra i quali: le caratteristiche geometriche della struttura lignea da rinforzare; le caratteristiche dei materiali; le caratteristiche geometriche e tipologiche del rinforzo; le condizioni statiche prima e dopo lintervento.
Altri fattori da considerare sono: la visibilit o non visibilit del rinforzo; la compatibilit fra i materiali; la condizioni termoigrometriche di esposizione del rinforzo; lesposizione ad ambienti chimicamente o fisicamente aggressivi.
Non da ultimo, si devono prendere in considerazione aspetti economici e fattori legati alla messa in opera del rinforzo, tra cui: la valutazione dei tempi di intervento; le opere provvisionali richieste; la disponibilit della manodopera qualificata; 11
CNR-DT 201/2005 i costi relativi alla realizzazione dellintervento.
Un aspetto importante da non trascurare nella progettazione del rinforzo la valutazione delle alternative possibili e praticabili. La circostanza che un particolare tipo di intervento possa essere portato a termine con lutilizzo di materiali fibrorinforzati non , in generale, condizione sufficiente a garantire che esso rappresenti la migliore soluzione possibile. Non esclusa leventualit che lintervento ottimale possa prevedere l'utilizzo di solo materiale ligneo. Secondo un approccio di validit generale, nel caso del rinforzo di strutture lignee sempre doverosa unattenta valutazione dei vantaggi e degli svantaggi che un qualsiasi intervento comportata. A tal proposito, la gi citata norma UNI 11138 prescrive lobbligo di valutare lefficacia dellintervento sia in sede di progettazione che ad intervento effettuato, secondo la tempistica e le modalit appresso specificate: in sede di previsione progettuale, con le consuete metodologie di verifica; in sede di simulazione sperimentale, su tipologie di intervento simili a quella da attuare; mediante lopportuna estensione al caso in oggetto di risultati sperimentali noti.
Con le suddette premesse, il presente documento pu fornire le basi teoriche per gli interventi di rinforzo che utilizzano materiali fibrorinforzati. 3.5 REQUISITI PER LA DURABILIT In relazione alla durabilit dellintervento, fondamentale prestare la massima attenzione alla differenza tra le propriet deformative del materiale ligneo esistente e quelle dei compositi e dei diversi tipi di connettori e/o colle da utilizzare. Ad esempio, leccessiva rigidezza degli incollaggi, con la conseguente incapacit di assecondare le deformazioni del legno, soprattutto quelle causate dalle variazioni idrometriche, pu aggravare lo stato fessurativo preesistente, provocando addirittura nuove lesioni. Sono di seguito elencati provvedimenti irrinunciabili per garantire ad un qualsiasi intervento di rinforzo la massima durabilit. Limitazione delle tensioni in esercizio La corretta valutazione, in sede di progetto, delle condizioni statiche successive al rinforzo necessaria per garantire stati tensionali ammissibili per tutti i materiali coinvolti. Scelta accurata del materiale di rinforzo Le differenze fisiche e meccaniche tra i diversi tipi di fibre, di resine e, in definitiva, di materiali compositi non sono trascurabili. Nessun materiale pu ritenersi ottimale: se, infatti, le fibre di carbonio sono meno sensibili alle sollecitazioni ambientali e ai fenomeni di creep, le fibre aramidiche sono pi resistenti ai carichi impulsivi; quelle di vetro, grazie ai bassi valori del loro modulo di elasticit normale e ai valori elevati della deformazione a rottura, assecondano invece meglio le deformazioni del legno, mitigando il rischio di fenomeni di delaminazione e, quindi, di collasso prematuro. Corretta progettazione del collegamento fra i materiali Lattenzione, in sede di progetto e di esecuzione, alla realizzazione del collegamento deve essere prioritaria, tenendo in debito conto il comportamento costitutivo dei materiali interessati. Protezione dellintervento di rinforzo Lattenta scelta dei materiali pu garantire lefficacia del rinforzo anche in condizioni eccezionali, ma non comunque sufficiente ad assicurare unaccettabile durabilit in assenza di 12
CNR-DT 201/2005 opportune precauzioni sulla sua protezione. Concorrono infatti al degrado di un materiale fibrorinforzato fattori di tipo chimico-fisico, meccanico (urti, atti vandalici, ecc.), termico (alte temperature, incendio). Tuttavia, con ladozione di particolari accorgimenti costruttivi, le caratteristiche del legno possono consentire una facile protezione dai suddetti fattori senza dover ricorrere alluso di altri materiali. Corretta esecuzione Ad una corretta progettazione di dettaglio deve necessariamente fare seguito una puntuale esecuzione. Lutilizzo di materiali fibrorinforzati a scopi strutturali, in particolare per il consolidamento di strutture lignee, richiede limpiego di personale specializzato. La realizzazione non a perfetta regola darte anche di una sola delle fasi dellintervento potrebbe vanificarne lefficacia complessiva. Idonea progettazione della collocazione ambientale La presenza di condizioni microclimatiche adeguate, come ad esempio una buona ventilazione, un requisito indispensabile per la durabilit dellintervento. Anche la limitazione delle escursioni igrometriche nel legno favorisce una buona conservazione dellinterfaccia legno-rinforzo. 3.6 RACCOMANDAZIONI PER LESECUZIONE La fessurazione del legno normalmente indice di buona stagionatura da parte del materiale ed , in linea di massima, ammessa dalle normative di classificazione per usi strutturali (norma UNI 110352). La stuccatura delle fessure da ritiro deve essere limitata a casi strettamente indispensabili. Lo stesso vale per le cuciture mediante barre incollate al legno allo scopo di bloccarne lulteriore apertura. Il ricorso a tale tecnica pu infatti generare stati tensionali indesiderati, impedendo quei movimenti che sono del tutto naturali nel materiale legno. buona regola mettere in opera sistemi di rinforzo che non inducano col tempo degrado del legno, di tipo meccanico o biologico. In particolare, qualsiasi tipo di intervento deve consentire al legno lo scambio di umidit con lambiente esterno, evitando dannosi accumuli di acqua. A tal riguardo si raccomanda di: consentire la ventilazione delle testate, soprattutto per le travi poggianti sui muri esterni, evitando di affogare le stesse direttamente nella muratura; favorire la ventilazione anche nella parte alta delle travi, laddove sia possibile, in modo da impedire, o quantomeno ostacolare, la formazione ed il ristagno di condensa.
4 MATERIALI: CARATTERISTICHE E MODELLI COSTITUTIVI
4.1 GENERALITA Le caratteristiche fisico-meccaniche dei materiali compositi fibrorinforzati e delle loro singole fasi (fibre e matrice polimerica) sono descritte in maniera dettagliata nel capitolo 2 del documento CNR-DT 200/2004, al quale si rimanda per approfondimenti specifici. Nel presente capitolo si fa cenno alle propriet del legno massiccio e lamellare, evidenziandone le caratteristiche peculiari e la diversit di comportamento rispetto a quello degli altri materiali da costruzione; si accenna inoltre alle caratteristiche degli adesivi per il legno. 4.2 PROPRIET TECNOLOGICHE DEL LEGNO Il legno si pu considerare di per s un materiale composito fibrorinforzato di origine naturale in cui, schematicamente, le fibre sono di natura cellulosica e la matrice costituita da lignina. Le fibre sono resistenti a trazione, mentre la lignina resistente a compressione. Le fibre di cellulosa presentano notevole affinit con lacqua e pertanto interagiscono con lumidit ambientale, tendendo costantemente a portarsi in una situazione di equilibrio igroscopico con essa. Ci si traduce in uno scambio continuo tra le molecole dacqua contenute nellambiente circostante e quelle contenute nel legno. Lacqua esterna quantificabile attraverso il parametro umidit relativa dellaria; quella interna, attraverso il parametro umidit del legno, definito come rapporto percentuale fra la massa di acqua contenuta nel legno e la massa di questultimo allo stato anidro. Il processo descritto connaturato alla natura fisico-chimica del materiale costitutivo del legno e si manifesta durante lintera vita di un elemento strutturale. Esso comporta due importanti conseguenze sul piano meccanico, legate entrambe allumidit del legno: le variazioni dimensionali (rigonfiamenti e ritiri) e le variazioni delle caratteristiche fisicomeccaniche (massa volumica, resistenze, deformabilit istantanea e differita). Le variazioni dimensionali sono in genere apprezzabili e dipendono sia dalla specie legnosa, sia dalla direzione anatomica considerata (radiale, tangenziale, longitudinale). Un esempio schematico di tali variazioni mostrato in Figura 4-1. Come si evince dalla Figura 4-1, il processo di variazione dimensionale del legno circoscritto al cosiddetto intervallo igroscopico, che va dallo stato anidro (umidit del legno pari allo 0%) fino al punto di saturazione (umidit del legno nellintorno del 30%, regione tratteggiata in Figura 4-1). Ricordando che il legno strutturale, di norma, presenta umidit medie di equilibrio in opera comprese fra il 10% e il 18% e che la variazione volumetrica totale nellintero campo igroscopico pu variare, a seconda della specie legnosa, dal 6% fino a oltre il 16%, risulta chiaro che lentit delle variazioni dimensionali dovute a variazioni di umidit, anche modeste, non assolutamente trascurabile ai fini tecnici. Anche la dipendenza dallumidit di altre caratteristiche meccaniche rilevanti del legno (resistenze, moduli di elasticit) , in genere, notevole: i loro valori sono massimi in corrispondenza dello stato anidro e tendono a diminuire in corrispondenza del punto di saturazione; al di l di questultimo si mantengono pressoch costanti (Figura 4-2).
Rigonfiamento (%)
Figura 4-1 Rigonfiamento volumetrico (4) e nella direzione anatomica assiale (1), radiale (2) o tangenziale (3), in funzione dellumidit del legno (analoghi diagrammi si ottengono per il fenomeno simmetrico del ritiro).
Resistenza a compressione (N/mm)
Figura 4-2 Relazione tra resistenza a compressione parallela alla fibratura e umidit del legno (conifera). Le propriet meccaniche del legno, a parit di umidit, variano inoltre in funzione di altri fattori, tra i quali: la massa volumica; la presenza di difetti o alterazioni (nodi, cipollature, ecc.); linclinazione della fibratura rispetto allasse dellelemento strutturale.
A titolo di esempio, si riporta in Figura 4-3 landamento di alcune caratteristiche meccaniche del le15
CNR-DT 201/2005 gno al variare dellangolo di inclinazione della fibratura.
Resistenza (N/mm)
Resistenza a flessione Resistenza a trazione Resistenza a compressione
Figura 4-3 Esempio di relazioni tra le principali caratteristiche di resistenza meccanica e linclinazione della fibratura. Il numero e la complessit dei fattori hanno suggerito, nella tecnica delle costruzioni di legno, ladozione di un approccio basato sulluso combinato delle seguenti tre misure: classificazione degli elementi lignei secondo la resistenza; assegnazione di valori caratteristici delle principali propriet meccaniche agli elementi classificati (classi di resistenza, profili prestazionali caratteristici); dimensionamento degli elementi sulla base di regole di calcolo concepite espressamente per utilizzare i valori caratteristici sopra citati.
A livello europeo tali misure, relativamente alle strutture nuove, sono attuate nel modo seguente (metodo semiprobabilistico agli stati limite): regole di classificazione del legno strutturale conformi alle norme EN 14081, UNI EN 518 e UNI EN 519; profili di valori caratteristici determinati in conformit alla norma UNI EN 338 (classi di resistenza), oppure alle norme UNI EN 408 (metodi di prova) e UNI EN 384 (determinazione di valori caratteristici); profili di valori caratteristici determinati in conformit alle norme UNI 11035-1 e UNI 11035-2 per il legname di origine italiana; regole di calcolo conformi alla norma EN 1995 (Eurocodice 5).
Per gli interventi sulle strutture in opera si pu invece far riferimento alle indicazioni delle norme UNI 11138 e UNI 11119. 4.3 CARATTERISTICHE E MODELLI COSTITUTIVI DEL LEGNO MASSICCIO E LAMELLARE Generalmente, il legame costitutivo del legno descritto mediante modelli differenti caratterizzati 16
CNR-DT 201/2005 da un diverso grado di approssimazione (Tabella 4-1). Le assunzioni comuni a tutti i modelli sono di seguito elencate. Comportamento a trazione Per il comportamento a trazione monoassiale viene comunemente accettato il modello elastico lineare fino a rottura, caratterizzato da un diagramma rettilineo con pendenza costante (arctg Ew). Nota la resistenza ultima , quindi, immediato ricavare la relativa deformazione e viceversa. Comportamento a compressione Il tipico diagramma tensione-deformazione relativo ad una prova di compressione monoassiale presenta generalmente un primo tratto a pendenza costante (talvolta variabile con continuit, modello di OHalloran). Il tratto caratterizzato da deformazioni positive (trazione) e la tangente allorigine per deformazioni negative (compressione) hanno la stessa pendenza. Modulo di elasticit normale Tale modulo di facile determinazione rappresentando, in tutti i modelli considerati (Tabella 4-1), la pendenza del tratto lineare del diagramma tensione-deformazione. Per quanto riguarda il comportamento plastico a compressione, i tre modelli costitutivi presentati nella Tabella 4-1 meritano invece specifiche considerazioni, incluse nella stessa tabella. Quantitativamente si pu affermare che la resistenza a trazione, valutata su provini di legno netto, presenta valori medi di 80-100 MPa, circa doppi di quella media a compressione, stimabile in 40-50 MPa. Tale notevole differenza viene interamente colmata nel passaggio al legno strutturale, per il quale considerazioni statistiche sulla presenza e lincidenza dei difetti riducono i valori citati a 10-40 MPa, per la resistenza a trazione, ed a 25-40 MPa, per quella a compressione. E interessante rilevare come la presenza di gravi difetti incida sulla resistenza a trazione del materiale ancor pi che su quella a compressione, tanto che le Normative vigenti considerano molto prossimi i due valori. Nellanalisi del comportamento a rottura di un elemento di legno inflesso, si pu osservare come la modalit di rottura dipenda essenzialmente: dal rapporto tra il valore della resistenza ultima a trazione e quello della resistenza ultima a compressione; dalla non linearit del comportamento allo stato limite ultimo del legno in compressione; dal volume di materiale sottoposto a trazione, parametro che direttamente proporzionale alla probabilit di coinvolgere difetti locali in grado di innescare una crisi anticipata.
Si rileva che, allo stato attuale, le Normative vigenti considerano la resistenza a flessione una caratteristica indipendente, specifica della classe resistente, ma non direttamente desumibile dalle resistenze caratteristiche a trazione o a compressione. Le principali modalit di rottura del legno sottoposto a flessione semplice sono riportate in Tabella 4-2, dove con viene indicato il rapporto tra il valore della resistenza ultima a trazione e quello della resistenza a compressione, ftu/fcu, del materiale costituente la sezione. Nella pratica tecnica, le modalit descritte hanno diversa probabilit di verificarsi. In linea di massima, si pu affermare che, per il legno massiccio, la crisi pi comune avviene per raggiungimento in zona tesa del valore limite di resistenza o, pi precisamente, di quello della deformazione delle fibre, in presenza, il pi delle volte, di una plasticizzazione della zona compressa. Le modalit di rottura corrispondenti sono, quindi, quelle contrassegnate dai numeri 2 e 3 della 17
CNR-DT 201/2005 Tabella 4-2; invece relativamente raro, e indicativo di materiali particolarmente difettati, il raggiungimento della crisi per modalit 1, da ritenersi anche la meno auspicabile per la sua caratteristica di fragilit e per le modeste deformazioni mobilitate. Infine, la modalit 4, decisamente insolita negli elementi per uso strutturale - tipica invece del legno allo stato fresco, cio con umidit maggiore del punto di saturazione ( 4.2) - sarebbe quella preferibile in quanto caratterizzata, a parit di altre condizioni, da ampie deformazioni e da una perdita progressiva delle capacit portanti. Tabella 4-1 Modelli costitutivi per legno massiccio e legno lamellare incollato. 1. Modello elasto-plastico Definizione analitica
= Ew per c < < t = fc per < c
Il modello molto semplice, limitando il diagramma a un triangolo-rettangolo. Nonostante la semplificazione, il modello ampiamente utilizzato.
cu COMPRESSIONE
arctg Ew E
TRAZIONE t
2. Modello di Bazan Definizione analitica = Ew per c < < t = f c + m Ew ( c ) per < c Il modello pi completo rispetto al precedente, senza tuttavia perdere i vantaggi della semplicit legati alla linearit. Una difficolt rappresentata dalla definizione del coefficiente m<0 che caratterizza la pendenza del tratto plastico ad incrudimento negativo (comportamento softening). 3. Modello di OHalloran Definizione analitica Diagramma
arctg Ew
per 0 < < t
= A + Ew per cu < < 0 Tra quelli qui riportati, il modello fornisce la migliore descrizione del comportamento reale del legno a fronte di una relativa maggiore complessit del ramo a compressione, la cui definizione richiede lassegnazione dei due parametri A>0 e n>0.
cu COMPRESSIONE c
Tabella 4-2 Principali modalit di rottura del legno sottoposto a flessione semplice. Descrizione del collasso Condizione Diagramma
Rottura fragile nella zona tesa con relazione momentocurvatura lineare fino alla crisi.
Rottura in zona tesa successiva alla plasticizzazione in zona compressa e spostamento dellasse neutro verso il basso. La relazione momento-curvatura si discosta dallandamento lineare. Rottura in zona tesa ma con maggiore duttilit dovuta alla plasticizzazione della sezione. Il diagramma momento-curvatura presenta un breve tratto discendente (softening). Rottura in zona compressa con grande duttilit dovuta alla notevole plasticizzazione della sezione. Il diagramma momento-curvatura mostra un evidente tratto discendente.
1/r M
Per quanto riguarda il legno lamellare, essendo la modalit di collasso direttamente legata alla qualit del legno utilizzato, laccuratezza nella scelta delle tavole e i controlli delle diverse fasi della lavorazione rendono il suo comportamento qualitativamente differente da quello del legno massiccio. Le prove di rottura a flessione evidenziano come difficilmente si raggiunga lo stato di plasticizzazione al lembo compresso. Il legno lamellare mostra quindi una tendenza alla rottura fragile pi spiccata rispetto a quella del legno massiccio con una modalit del tipo 1 o 2 piuttosto che con una modalit del tipo 3 (Tabella 4-2). Lobiettivo principale della progettazione di elementi strutturali di legno rinforzato con compositi FRP quello di associare al comportamento duttile, migliorabile forzando il rapporto su valori maggiori dellunit, una pi elevata resistenza ultima, conseguibile con la riduzione dellinfluenza dei difetti del legno sul comportamento globale dellelemento. Il risultato pu essere ottenuto, almeno per quanto riguarda gli elementi inflessi, con interventi miranti a migliorare il comportamento al lembo teso attraverso il conseguimento di una maggiore resistenza a trazione. Il rapporto risulta cos artificialmente incrementato tanto da consentire una plasticizzazione (anche modesta) al lembo compresso. Tale circostanza permette di conseguire il duplice scopo di assicurare una maggiore duttilit al collasso e di sfruttare il materiale costituente la sezione in modo ottimale. In definitiva, la modalit di rottura spostata, anche nel caso di legno lamellare, verso il tipo 3 indicato in Tabella 4-2.
4.4 CARATTERISTICHE PRINCIPALI DEGLI ADESIVI PER LEGNO Gli adesivi utilizzati per lincollaggio in cantiere su legno hanno essenzialmente base epossidica. Essi hanno la stessa natura chimica dei prodotti maggiormente utilizzati per la matrice polimerica dei compositi fibrorinforzati e sono descritti nel capitolo 2 del documento CNR-DT 200/2004. Nel presente capitolo ci si limita, pertanto, alla descrizione di alcuni problemi che riguardano specificamente gli adesivi per legno ai fini strutturali, alcuni dei quali saranno ripresi e sviluppati nel capitolo 5.
Gli adesivi rivestono un ruolo peculiare nel trasferire sollecitazioni tra due materiali con comportamento visco-elastico molto diverso, come il legno e gli FRP. E fondamentale che gli adesivi destinati allimpiego strutturale su legno siano specificamente formulati e testati con idonee metodolo-
CNR-DT 201/2005 gie, che ne evidenzino ladesione (resistenza a taglio), la compatibilit con diverse specie legnose e la durabilit nei confronti dellesposizione a cicli termoigrometrici coerenti con la classe di servizio prevista. I metodi di caratterizzazione utilizzati a tale scopo sono descritti successivamente. A titolo di esempio, in Tabella 4-3 si riportano le schede tecniche di tre prodotti tipicamente usati nel consolidamento delle strutture di legno: un adesivo tixotropico, un adesivo fluido (adatti a legni di conifera) ed un primer per limpiego degli stessi adesivi su legni a pi elevata densit (ad esempio castagno e quercia).
Tabella 4-3 Schede tecniche esemplificative di differenti tipi di adesivi / primer.
Componente Conservazione Rapporto di miscelazione Peso specifico dellimpasto Viscosit Brookfield dell'impasto Tempo di lavorabilit (a +10 C) (a +23 C) (a +30 C) (a +30 C): Tempo di presa (a +10 C) (a +23 C) (a +30 C) Temperatura di applicazione Indurimento completo Adesione: taglio a compressione (abete)1 Resistenza a trazione (ASTM D 638) Allungamento a trazione (ASTM D 638) Resistenza a flessione (ISO 178) Modulo elastico a flessione (ISO 178) Resistenza a compressione (ASTM D 695) Modulo elastico a compressione (ASTM D 695) Adesivo tixotropico Adesivo fluido Primer per legni densi A B A B A B 24 mesi negli imballi originali non aperti a temperatura compresa tra +5C e +30C A:B=2:1 A:B=4:1 A:B=1:1 1,59 g/cm3 1,01 g/cm3 1,08 g/cm3 220 Pa.s 11.400 cPs 9.400-9.600 cPs (Helipath F - giri 5) (Rotore 3 - giri 5) (Rotore 5 - giri 10) 150 minuti 60 minuti 30 minuti 14-16 ore 4-5 ore 2 h 30 - 3 h da +10 C a +35 C 7 giorni 9 N/mm2 (dopo 7 gg a +23 C) 18 N/mm2 1% 30 N/mm2 4.000 N/mm2 45 N/mm2 3.000 N/mm2 60 minuti 40 minuti 20 minuti 90 minuti 50 minuti 30 minuti da +10 C a +30 C 7 giorni 9 N/mm2 (dopo 7 gg a +23 C) 30 N/mm2 1,2% 60 N/mm2 2.000 N/mm2 70 N/mm2 5.000 N/mm2 / 30-40 minuti / / 4 - 5 ore / da +10 C a +30 C 12-24 ore non applicabile non applicabile non applicabile non applicabile non applicabile non applicabile non applicabile
Oltre agli aspetti meccanici, possono fornire indicazioni importanti in fase di valutazione del comportamento ultimo di un giunto anche alcune considerazioni sulle modalit di frattura di questultimo. Nel caso di giunzioni incollate, si possono individuare tre principali modalit di frattura, di seguito descritte. Frattura coesiva Avviene allinterno di uno dei materiali che costituiscono il giunto presente su entrambe le superfici, che possono essere lisce o rugose. il tipo di frattura che si osserva nelle condizioni tradizionalmente considerate ideali (frattura coesiva nel legno); pu tuttavia essere riscontrata anche nelladesivo (frattura coesiva nelladesivo), per espressa scelta progettuale oppure per difetto di coesione (difetti di miscelazione, eccesso di cariche). 20
CNR-DT 201/2005 Frattura adesiva Avviene allinterfaccia tra adesivo e aderendo quando la resistenza dellinterfaccia (forza di adesione) minore di quella coesiva delladerendo. Le superfici di frattura sono solitamente lisce e costituite da due materiali differenti. Tale tipo di frattura indice di una non corretta applicazione delladesivo (es. tempo di lavorabilit non rispettato) oppure di una inadeguata preparazione delle superfici (polvere, unto, ecc.). Frattura mista E una modalit di frattura che si presenta alternativamente sia come coesiva che adesiva. Normalmente la frattura coesiva osservata nel legno, mentre quella adesiva nelle sue immediate vicinanze. Gli adesivi si possono considerare a tutti gli effetti come materiali meccanicamente isotropi. In particolare, essi sono generalmente materiali termoindurenti a comportamento visco-elastico. Il relativo legame costitutivo tensione-deformazione (Figura 4-4) dipende dalla chimica delladesivo e dalla sua formulazione finale (contenuto e distribuzione delle cariche, ecc.). La temperatura di transizione vetrosa, Tg, al di sopra della quale gran parte delle caratteristiche meccaniche, ed in particolare il modulo di elasticit normale, decadono sensibilmente quasi sempre inferiore a 100 C.
20 Colla "fragile" 16 Colla "duttile"
Deformazione (%)
Figura 4-4 Diagramma tensione-deformazione di una colla.
Come si rileva dai valori del modulo di elasticit normale riportati in Tabella 4-3, la rigidezza degli adesivi epossidici, anche caricati, in genere inferiore a quella del legno nella direzione longitudinale mentre comparabile a quella di questultimo materiale in direzione trasversale alla fibratura. Pertanto, gli adesivi possono presentare prestazioni qualitativamente e quantitativamente molto diverse tra loro, in funzione del volume e delle caratteristiche del prodotto utilizzato per la realizzazione del giunto.
5 SOLIDARIZZAZIONE TRA FRP E LEGNO
5.1 GENERALITA I fattori che determinano lefficienza di un giunto incollato sono molteplici e non tutti facilmente razionalizzabili. Essi dipendono dalladesivo utilizzato, dalla progettazione del giunto stesso e da accorgimenti che tengano in dovuta considerazione le caratteristiche dei materiali costituenti, nella fattispecie legno ed FRP. Nella prima parte del presente capitolo saranno esaminati i problemi specifici legati allinterfaccia legno-adesivo, tra i quali i criteri di scelta dei prodotti e la preparazione delle superfici di incollaggio. Nella seconda parte, si far cenno al comportamento meccanico del giunto, considerando le modalit di trasferimento per taglio delle sollecitazioni ed i problemi peculiari delle connessioni mediante adesivi. 5.2 COLLEGAMENTO MEDIANTE INCOLLAGGIO 5.2.1 Premessa Lefficacia di un collegamento che faccia uso di adesivi su legno funzione di vari fattori. Sempre che il giunto sia stato progettato e realizzato correttamente, essi possono essere cos sintetizzati.
Capacit bagnante delladesivo nei confronti della superficie Dipende dal supporto (lavorazione della superficie, tipo di trattamento superficiale, invecchiamento e in genere modificazione chimica della superficie, porosit, ecc.), ma anche dalladesivo (viscosit, densit, affinit chimica con il supporto, ecc.). Propriet di massa delladesivo a indurimento avvenuto Sono importanti soprattutto quando lo spessore della linea di colla sia apprezzabile, caso molto frequente negli interventi effettuati in situ e in genere quando alle parti incollate non sia applicata una pressione; le propriet di coesione del prodotto adesivo sono infatti essenziali perch lintera superficie di incollaggio partecipi al trasferimento delle tensioni attraverso linterfaccia. A tal proposito lo spessore della linea di colla deve essere quello ottimale indicato dal Produttore. Condizioni ambientali di particolare severit Possono consistere, ad esempio, in distorsioni termiche particolarmente severe, quali quelle che si producono in occasione di incendi, ovvero in rilevanti variazioni igrometriche ripetute, che inducono deformazioni nel legno, cui non seguono analoghe variazioni del volume di adesivo, causando linsorgere di stati di coazione addizionali allinterfaccia tra adesivo e legno. Per salvaguardare laffidabilit di un giunto incollato nel corso della sua vita utile, occorre quindi assicurare le opportune precauzioni affinch le condizioni della superficie di incollaggio siano adeguate ed inoltre occorre utilizzare prodotti adesivi idonei allo specifico uso strutturale sul legno. Per quanto riguarda il primo aspetto, necessario tener presente che qualsiasi tipo di trattamento superficiale deve avere come obiettivo primario il conseguimento di una superficie pulita, ossia non contaminata da particelle estranee (es. polvere) o da residui (grassi, oli, ecc.). Inoltre, eventuali trattamenti precedenti (impregnazione, uso di preservanti, ecc.) devono essere rimossi o, comunque, di essi va verificata la compatibilit chimica con ladesivo. Trattamenti abbastanza comuni sono la decontaminazione con solventi o la lavorazione delle superfici di incollaggio (abrasione mediante sabbiatura, piallatura, levigatura, ecc.), che consente di aumentare la rugosit di queste ultime. 22
CNR-DT 201/2005 tuttavia necessario: evitare innalzamenti localizzati della temperatura (formazione di bruciature dovute per esempio alluso di attrezzi non idonei e/o non ben mantenuti), poich noto che elevate temperature possono provocare la disattivazione dellincollaggio; rimuovere i trucioli e le polveri, preferibilmente mediante aspirazione anzich soffiatura; ripulire le superfici da eventuali tracce di lubrificanti provenienti, ad esempio, dai meccanismi di movimentazione o trascinamento degli attrezzi da taglio (es. catene di motoseghe) mediante scalpellatura o fresatura.
In alcuni casi, soprattutto per specie legnose a pi elevata densit, pu essere utile o necessario applicare alla superficie un primer con funzione compatibilizzante (spesso di natura chimica simile o affine a quella delladesivo). necessario che qualsiasi trattamento superficiale sia effettuato immediatamente prima dellapplicazione del rinforzo, per evitare ogni contaminazione da parte della polvere e dello sporco presenti in cantiere. Gli aspetti legati allidoneit dei prodotti adesivi per lincollaggio su legno devono tendere allindividuazione delle relazioni tra le propriet di massa del prodotto e quelle del substrato ligneo, che comunque deve essere in buono stato di conservazione o quantomeno in condizioni affidabili. Lindividuazione di tali relazioni viene normalmente condotta attraverso la misura della resistenza a taglio dellinterfaccia tra ladesivo e il legno, valutata su giunti in condizioni normali di umidit. Tuttavia, nella valutazione complessiva di un adesivo, necessario verificare il giunto anche per effetto delle distorsioni igrometriche prevedibili nel corso della sua vita utile.
5.2.2 Indicazioni normative Per le applicazioni su legno appare utile effettuare una classificazione degli adesivi basata su specifici test di laboratorio.
La norma italiana (ed europea) riguardante la valutazione degli adesivi strutturali per legno la UNI EN 302-1, in cui viene descritta una prova di taglio per trazione. A livello internazionale esistono anche altre norme che permettono di valutare le caratteristiche a taglio degli adesivi (ad esempio la ASTM D3165), anche se spesso non sono specificamente riferite al legno. Altre norme, quali ad esempio la ASTM D905, la ASTM D3931 o la ISO 6238, fanno riferimento a prove di taglio per compressione. Si segnala che tutte le norme precedenti si riferiscono a giunti sottili e/o realizzati con applicazione di pressione. Le suddette condizioni non sono realizzabili nellapplicazione dei compositi fibrorinforzati e in generale nellincollaggio strutturale in cantiere del legno, dove invece sono usuali spessori della linea di colla superiori al millimetro ed inoltre loperazione di incollaggio non viene curata con lapplicazione di opportune pressioni. Per tali ragioni necessario utilizzare una tecnica per la valutazione della resistenza a taglio specifica per provini a giunto spesso. Per quanto riguarda invece la classificazione degli adesivi strutturali, la norma di riferimento la UNI EN 301. Essa contempla due tipi di adesivi, il primo per uso esterno ed il secondo per uso interno, come di seguito specificato. Tipo I Idoneo per esposizione piena alle intemperie, corrispondenti a condizioni climatiche di umi23
CNR-DT 201/2005 dit relativa superiori all85%, oppure a temperature di esercizio superiori a 50 C. Nel caso dellincollaggio di FRP, tali condizioni possono interessare strutture in esterni oppure elementi in interni, con testate che si appoggiano a murature esterne. Tipo II Idoneo per applicazioni per interni o esterni coperti e temperature di esercizio inferiori a 50 C. Nel caso dellincollaggio di FRP, tali condizioni possono interessare strutture in interno oppure elementi in esterni, con testate che si appoggiano a murature interne. Dal punto di vista della qualificazione, la differenza sostanziale tra i due tipi di adesivo consiste nella circostanza che, per i primi, le prove devono comprendere una serie di cicli termoigrometrici a temperatura elevata, mentre, per i secondi, devono comprendere cicli a temperatura ambiente. La norma EN 1995-1-1 (Eurocodice 5) definisce tre classi di servizio per le strutture (Tabella 5-1) in funzione delle condizioni igrotermiche. La stessa norma raccomanda lutilizzo di adesivi del tipo I per tutte le classi di servizio e del tipo II per le sole classi 1 e 2, sempre limitatamente a condizioni di esposizione non prolungata a temperature superiori a 50 C.
Tabella 5-1 Classi di servizio definite dallEurocodice 5 ed esempi applicativi. Classi di servizio 1 2 3 condizioni climatiche di condizioni climatiche di condizioni clima20 C e umidit relativa 20 C e umidit relativa tiche peggiori di Descrizione dellaria superiore al 65% non superiore all85% quelle della Classolo per poche settimane tranne che per poche setse 2 lanno timane lanno Umidit media del circa 12% sempre < 18% anche > 18% legno - esterni - esterni coperti - ponti, colonne, - ambienti non condiziona- interni palificazioni ti (tettoie, tetti freddi, ter- ambienti riscaldati e conEsempi tipici nelle razze) o umidi (piscine) - testate di travi strutture lignee dizionati, con limitate vasui muri esterni, - testate di travi su muri riazioni igrotermiche anche per gli interni, purch ben aerate ambienti riscale drenate dati 5.2.3 Compatibilit tra adesivi e legno I prodotti strutturali destinati ad applicazioni su legno, da eseguirsi in cantiere, possono essere valutati basandosi sul metodo di taglio con provini a giunto spesso attraverso la definizione di un coefficiente di compatibilit meccanica, ka,w, tra legno ed adesivo. A tale scopo i provini (Figura 5-1), realizzati incollando le facce radiali di due tavole di legno, sono provati fino a rottura sotto lazione di una forza di taglio parallela alla fibratura. I provini sono suddivisi in due gruppi. Quelli del primo gruppo, Gcon, sono conservati in ambiente standard (T = 20 C, = 65% di umidit relativa) fino a maturazione delladesivo e sono rappresentativi dellincollaggio con legno in condizioni standard di utilizzo. I provini del secondo gruppo, Ginv, sono sottoposti ad alcuni cicli che prevedono unalternanza ripetuta di fasi di imbibizione completa (massimo aumento di volume) ed essiccazione rapida a temperatura prossima alla temperatura di transizione vetrosa, Tg, degli adesivi. La prova in condizioni di completa imbibizione individua il livello, sia pur minimo, delle prestazioni meccaniche assicurate dalla giunzione anche quando il legno venga accidentalmente sottoposto a condizioni non tipiche dimpiego.
CNR-DT 201/2005 Per entrambi i gruppi di provini, dopo leffettuazione della prova per la determinazione della resistenza a taglio delladesivo, viene effettuata unulteriore prova su uno degli aderendi per valutare la resistenza a taglio del legno massiccio. Tale resistenza viene quindi confrontata con quella offerta dalladesivo sullo stesso provino, sia in condizioni normali che in condizioni di imbibizione. Procedendo nel modo sopra indicato, possibile testare accuratamente i prodotti, individuando in maniera accurata le differenze di comportamento da essi presentato ed assicurando una buona riproducibilit dei risultati. Prove condotte su alcuni prodotti gi commercializzati per applicazioni su legno hanno evidenziato differenze sostanziali tra i vari formulati: alcuni di essi hanno esibito una spiccata tendenza alla delaminazione, altri non hanno dato origine a rotture premature, ed i provini hanno presentato resistenze confrontabili con quelle del legno, anche se sottoposti a cicli igrotermici ripetuti.
Figura 5-1 Prove su giunti spessi.
Il coefficiente di compatibilit meccanica, ka,w, tra adesivo e legno pu essere espresso attraverso la seguente relazione:
ka ,w = dry wet .
Nella (6.1) :
dry il coefficiente di confronto in ambiente standard, che mette in rapporto le prestazioni meccaniche a taglio delladesivo e quelle del legno, entrambe relative a provini condizionati in ambiente asciutto (dry) in camera climatica (T = 20 C,: = 65% di umidit relativa); wet il coefficiente che mette in rapporto le prestazioni meccaniche a taglio delladesivo e quelle del legno, entrambe misurate allo stato imbibito (wet) su provini sottoposti ai cicli termoigrometrici.
I coefficienti dry e wet sono a loro volta definiti per il tramite delle relazioni seguenti:
G ,std , L ,std G ,inv , L ,inv
nelle quali: L,std e G,std sono, rispettivamente, le resistenze a taglio del legno massiccio e dei provini incollati in ambiente normale;
L,inv e G,inv sono, rispettivamente, le resistenze a taglio del legno massiccio e dei provini incollati
dopo lesposizione ai cicli termoigrometrici. Il coefficiente di compatibilit meccanica, ka,w, coinvolge dunque, sotto forma di rapporto, i risultati ottenuti sul legno massiccio e sul giunto incollato, fornendo cos una misura delle prestazioni delladesivo rispetto a quelle del legno sul quale applicato. Il coefficiente ka,w pu essere usato in senso relativo per confrontare tra loro adesivi differenti. Analogamente, esso pu essere impiegato ai fini della classificazione utilizzando un approccio simile a quello della UNI EN 301, ma facendo anche riferimento diretto alle Classi di Servizio previste dallEurocodice 5. Ad esempio, un adesivo di tipo I (utilizzabile secondo lEurocodice 5 nella Classe di Servizio 3) deve essere caratterizzato dai coefficienti: dry 1 e wet 0,8. Allo stesso modo possibile ricavare i corrispondenti valori per le altre due Classi di Servizio previste. Occorre comunque chiarire che, anche se la Classe 3 contempla il caso di utilizzo con esposizione completa alle intemperie, tuttavia tale condizione di esercizio deve essere valutata con estrema cautela nella realizzazione di giunti incollati legno/FRP. A tal riguardo, fortemente consigliato di provvedere ad una idonea protezione nei confronti dellazione diretta degli agenti climatici.
5.2.4 Comportamento meccanico e modalit di rottura Nella valutazione meccanica di un giunto incollato utile considerare le modalit di trasmissione delle tensioni da taglio e quelle di rottura. Landamento qualitativo di un diagramma tipico caricoscorrimento in una prova di resistenza a taglio (Figura 5-2) indica che il comportamento del legno e quello del giunto incollato sono molto simili tra loro: superata una fase plastica, che pu essere pi o meno estesa a seconda dei valori di carico raggiunti, si verifica un cedimento improvviso del giunto.
Riferendosi alle modalit di frattura gi descritte nel capitolo 4, una rottura di tipo adesivo indice di un incollaggio da giudicare non ben riuscito. Affinch lincollaggio possa considerarsi ben realizzato, occorre che la rottura sia per la gran parte di tipo coesivo dal lato del legno, cio che un buon numero di fibre rimangano attaccate alladesivo. Daltro canto, una superficie di frattura che si sviluppi interamente allinterno dello strato di colla indice di una buona adesione tra il substrato e ladesivo. Tale modalit di rottura induce tuttavia delle valutazioni prudenziali dal momento che potrebbe essere ascrivibile a caratteristiche adesive non ottimali della colla con il rischio potenziale di delaminazione, conseguenti ai movimenti differenziali tra substrato e colla.
5.3 UTILIZZO DI CONNETTORI MECCANICI Il collegamento dei materiali fibrorinforzati al legno, oltre che per incollaggio, pu essere effettuato mediante dispositivi meccanici tradizionali, ovvero mediante collegamenti di tipo misto.
Per lutilizzo di collegamenti di tipo meccanico, il problema principale rappresentato dalla struttura dei compositi. Infatti, per loro natura, essi presentano resistenze molto basse sia per carichi concentrati, sia per forze oblique rispetto allorientamento delle fibre. Le suddette circostanze si realizzano entrambe nel caso di impiego di connettori meccanici. E buona norma ricorrere a questi ultimi come integrazione di collegamenti incollati per:
migliorare il comportamento allo SLU della connessione incollata; "cucire" il collegamento, assorbendo le trazioni perpendicolari al piano di incollaggio. 26
CNR-DT 201/2005 Con riferimento al primo dei due punti suddetti, opportuno introdurre alcune precisazioni. Come evidenziato nella norma EN 1995-1-1 e come testimoniato anche dalla Figura 5-2, tipi diversi di unione mostrano in esercizio comportamenti differenti, per cui se ne sconsiglia lutilizzo in uno stesso collegamento. Inoltre, se le rigidezze sono molto diverse, come accade fra adesivi e connettori meccanici, i due tipi di collegamento non possono essere considerati collaboranti contemporaneamente.
Perno Bullone Chiodo
Figura 5-2 Prove carico-scorrimento in connessioni legno-legno.
Infatti, nei collegamenti che fanno uso di adesivi, lincollaggio, almeno finch efficace, crea un giunto di tipo rigido, in grado di inibire i movimenti relativi fra le due superfici a contatto. Tale circostanza si vanifica con lapprossimarsi delle condizioni ultime dellelemento rinforzato. Al momento della crisi dellincollaggio, la presenza di connettori pu rivelarsi determinante per garantire il trasferimento delle tensioni dallelemento ligneo al rinforzo, conferendo al meccanismo di rottura caratteristiche di duttilit. Conseguentemente, il dimensionamento dei connettori dovrebbe avvenire in modo indipendente dalla presenza dellincollaggio, affidando ad essi la completa trasmissione delle sollecitazioni di progetto. A differenza del legno, per il quale lintroduzione di connettori di tipo meccanico non comporta problemi diversi da quelli gi affrontati dalle Normative vigenti, per un materiale composito tale tipo di connessione potrebbe comportare soluzioni di continuit a carico delle fibre e la mobilitazione di stati tensionali localizzati. Se necessaria, questultima va verificata con prove specifiche e la sua azione va rapportata alle caratteristiche di resistenza del composito fibrorinforzato utilizzato. Infatti, mentre fogli e lamine sottili di FRP necessitano di una distribuzione uniforme di sforzi, prerogativa delle connessioni incollate, lefficacia del collegamento di lamine spesse o di elementi pultrusi potrebbe essere effettivamente migliorata mediante lutilizzo di collegamenti di tipo misto. Situazioni sostanzialmente diverse si possono realizzare nel caso delle connessioni per la "cucitura" dei collegamenti, soprattutto per gli interventi di rinforzo in cui lo stato di sforzo trasmesso fra gli elementi presenti pi componenti. Come esemplificazione, si prenda in considerazione un elemento inflesso rinforzato con una lamina di rigidezza (flessionale) non trascurabile, come quello rappresentato in Figura 5-3. Opponendosi questultima alla flessione della trave, agli estremi del rinforzo si mobilitano tensioni di trazione perpendicolari alla linea di colla, i cui valori possono attingere livelli tali da provocare il distacco prematuro della lamina. Attesa lincapacit della colla ad assorbire siffatte tensioni, risulta indispensabile ricorrere ad altri elementi capaci di trasmettere le stesse tensioni al legno senza chiamare in causa la superficie di incollaggio. Elementi di questo tipo sono appunto i connettori meccanici, i quali devono essere ovviamente progettati per la resistenza allo sfilamento e come tali possono essere in prevalenza viti e chiodi metallici (ad aderenza migliorata) o chiodi di materiale fibrorinforzato, iniettati con resine.
Figura 5-3 Cucitura trasversale di collegamenti incollati.
Quanto descritto pu ritenersi valido per qualsiasi tipo di rinforzo applicato esternamente alla membratura presa in esame ed il ricorso a tale tecnica presuppone lindividuazione di idonei modelli di calcolo. La chiusura del collegamento non da ritenersi una tecnica sempre necessaria nel progetto di un intervento di rinforzo; tuttavia la sua adozione rende il modello di calcolo pi aderente alla realt, lasciando alla linea di colla la sola funzione ipotizzata di trasmettere sforzi di taglio. In nessun caso la presenza dei connettori deve influenzare il calcolo della resistenza a delaminazione della connessione incollata. I tipi di cucitura di collegamenti possono essere molteplici; alcuni di essi, particolarmente frequenti, sono schematizzati in Figura 5-4.
(a) (b) (c) Figura 5-4 Tipi di cucitura di collegamenti: (a) con connettori; (b) fasciatura con nastri di FRP; (c) connettori applicati su elementi secondari. Bench lanalisi tensionale allinterno di giunti misti non sia a tuttoggi ben acclarata, la possibilit di verificare lefficacia di un intervento di rinforzo in sede di simulazione sperimentale, cos come contemplato dalla norma UNI 11138, apre la strada al loro utilizzo per il miglioramento del comportamento ultimo di una struttura.
6 RINFORZO A FLESSIONE, TENSO E PRESSOFLESSIONE
6.1 GENERALIT Un intervento di rinforzo di travi lignee pu rendersi necessario per varie motivazioni, quali ad esempio:
lincremento di carichi variabili, possibile in edifici storici a seguito di variazioni di destinazione duso o di adeguamento a nuove normative di sicurezza; la riduzione delle sezioni resistenti a seguito di ammaloramento (attacchi di agenti biotici quali funghi, insetti, ecc.) o di eventi traumatici (es. incendi); leccesso di inflessione delle membrature.
Le tecniche di rinforzo che utilizzano i materiali compositi consentono di non smontare la sovrastante struttura, nello spirito della conservazione del patrimonio edilizio storico, con conseguente riduzione degli oneri economici e dei tempi di realizzazione dellintervento. Pur essendo il legno un materiale anisotropo nel senso pi generale, il suo comportamento pu essere schematizzato, con sufficiente approssimazione, come ortotropo nelle tre direzioni: assiale, tangenziale e radiale. Il legame costitutivo cui si fa comunemente riferimento del tipo elasto-plastico ideale (modello 1, Tabella 4-1). In una sezione sollecitata a flessione, il diverso comportamento del materiale a trazione e a compressione, una volta iniziato il processo di plasticizzazione della zona compressa, determina il progressivo spostamento dellasse neutro verso la zona tesa (Figura 6-1). Ne consegue una riduzione dellarea tesa ed un concomitante incremento delle tensioni di trazione. Il rinforzo in zona tesa con materiali fibrorinforzati, caratterizzati da notevoli propriet di resistenza e rigidezza a trazione, consente di esaltare la capacit portante di elementi lignei inflessi, aumentandone la duttilit. Tale ultima affermazione pu essere facilmente compresa facendo riferimento alla Tabella 4-2. E appena il caso di rilevare che il presupposto essenziale affinch il rinforzo risulti efficace che sia assicurata la trasmissione degli sforzi dal legno al materiale composito di rinforzo.
Figura 6-1 Spostamento dellasse neutro in fase di plasticizzazione.
Nei confronti dello SLU, il rinforzo in zona tesa con materiali compositi si presenta particolarmente efficiente se:
il legno presenta un comportamento elasto-plastico a compressione; la deformazione ultima a trazione inferiore a quella a compressione. 29
Un comportamento elasto-plastico a compressione non risulta verosimile nelle situazioni nelle quali si verifichi una crisi precoce del legno ancora in campo elastico. Tale circostanza frequente nel caso di legnami di cattiva qualit, nei quali i molti o grandi difetti presenti, quali nodi e notevoli inclinazioni della fibratura, soprattutto in zona tesa, rappresentano altrettanti punti deboli a partire dai quali pu innescarsi la crisi. Nel prosieguo si fa riferimento a sollecitazioni di tenso o presso-flessione retta, comprendendo in esse, come caso particolare, quelle di flessione semplice e di sforzo normale centrato.
6.2 TIPOLOGIE DI RINFORZI FLESSIONALI In linea di principio, lapplicazione del materiale composito pu essere prevista in zona tesa o in zona compressa, o in entrambe.
Il rinforzo in zona tesa pu essere realizzato in via preferenziale con barre e lamine di FRP (Figura 6-2) incollate sulla superficie esterna della trave (con leventuale aggiunta di connettori meccanici) o allinterno di appositi alloggiamenti predisposti nel corpo della trave.
a) Applicazione di profili pultrusi in zona compressa collegati con dispositivi meccanici
b) Applicazione di barre in zona tesa
c) Applicazione di lamine esterne in zona tesa
d) Applicazione di lamine in zona tesa
e) Applicazione di lamine interne in zona tesa
f) Applicazione di lamine interne in zona tesa e compressa
g) Applicazione di barre in zona compressa h) Applicazione di barre in zona compressa Figura 6-2 Possibili applicazioni di rinforzi di FRP. Ovviamente, nei casi di intagli laterali (Figura 6-2, esempi g), h)), si dovr tenere conto della riduzione delle corde ai fini del calcolo delle tensioni tangenziali. Il rinforzo in zona compressa pu essere realizzato con barre, lamine e profilati pultrusi. Nel caso di utilizzo di elementi non adeguata30
CNR-DT 201/2005 mente confinati allinterno della sezione, il collegamento del rinforzo con il supporto ligneo deve essere garantito anche attraverso dispositivi meccanici (chiodature o viti). In assenza di tali dispositivi, conformemente con quanto suggerito nel documento CNR-DT 200/2004, non consigliato lutilizzo di lamine di FRP applicate esternamente in zona compressa. Linserimento del rinforzo allinterno della sezione, mediante la predisposizione di un intaglio, consente di raddoppiare la superficie di incollaggio. Fenomeni di delaminazione alle estremit della trave sono di fatto impediti quando il rinforzo interamente inserito nella sezione trasversale, che confina cos il rinforzo stesso. Lapplicazione esterna di un rinforzo con tessuto o con lamine di FRP pu essere in grado di bloccare la propagazione di eventuali preesistenti fessurazioni a partire da difetti (es. nodi, eccessive inclinazioni della fibratura), dalla quale potrebbero conseguire significativi decrementi della capacit portante di travi lignee.
6.3 MODALIT DI ROTTURA PER DELAMINAZIONE DI ELEMENTI RINFORZATI INFLESSI Di seguito sono descritte dal punto di vista qualitativo le modalit di crisi per delaminazione di elementi rinforzati inflessi. Al momento non sono disponibili in letteratura studi teorici e/o sperimentali tali da consentire lindividuazione di istruzioni affidabili per il progetto e/o la verifica dei suddetti elementi nei confronti della delaminazione.
Le modalit di collasso per delaminazione delle strutture lignee inflesse rinforzate con materiali compositi in zona tesa possono essere le seguenti: Delaminazione causata da crisi locali nel legno Leventuale presenza di nodi o di altri difetti, quali grandi fessurazioni da ritiro, soprattutto in zona tesa, pu determinare la crisi per delaminazione. La circostanza che questultima si origini a partire da un nodo nel supporto ligneo pi probabile quando la sollecitazione da taglio prevale su quella flessionale. Tale modalit di crisi stata osservata in laboratorio soprattutto nel corso di prove a flessione su 3 o 4 punti, nelle quali il taglio rappresenta la caratteristica dominante; risultata invece pi rara in situazioni di carico ripartito. Nel caso di rinforzo con lamine, il collasso pu avvenire secondo le seguenti modalit: - crisi per delaminazione alle estremit, causata dalla concentrazione di sforzi tangenziali nelle zone terminali del rinforzo che fungono da ancoraggio (Figura 6-3); - crisi per delaminazione in zona intermedia della trave lignea, provocata da fessure o da forti inclinazioni della fibratura lignea rispetto alla direzione assiale.
Figura 6-3 Delaminazione di estremit con distacco di parti lignee.
Delaminazione causata da irregolarit nella superficie lignea La non planarit della superficie di incollaggio induce su detta superficie uno stato tensionale di trazione dovuto alla curvatura, che pu causare il distacco del rinforzo. Tale modalit di 31
CNR-DT 201/2005 crisi pu essere impedita con leggere piallature del supporto, eseguite per eliminare le irregolarit, fermo restando la necessit di rimuovere materiali incoerenti prodotti nel corso della piallatura. Nel caso di rinforzo con lamine, il collasso pu avvenire secondo le seguenti modalit: - crisi a trazione del materiale ligneo a partire da difetti, quali possono essere i nodi o uneccessiva inclinazione della fibratura tesa in corrispondenza delle zone di momento flettente massimo; - distacco di porzioni di materiale ligneo a seguito della realizzazione di intagli per lalloggiamento delle lamine allinterno del legno. Le modalit di collasso delle strutture lignee inflesse rinforzate con materiali compositi in zona compressa possono essere le seguenti: 1. 2. tutte quelle di crisi flessionale del legno non rinforzato, quando il collasso consegue alla rottura in zona tesa; instabilit del rinforzo e crisi della connessione.
Per le tipologie di rinforzo che prevedono lapplicazione di materiali compositi sia in zona tesa che in zona compressa, vale linsieme delle considerazioni sopra riportate.
6.4 ANALISI DEL COMPORTAMENTO PRESSOFLESSIONE RETTA AGLI STATI LIMITE ULTIMI PER
6.4.1 Premessa Il progetto allo SLU richiede il dimensionamento del rinforzo con FRP in modo tale che il punto rappresentativo sul piano (N, M) della sollecitazione di progetto sia interno al dominio di resistenza (di progetto) della sezione.
Nel caso di interventi su elementi lignei inflessi con tessuti o lamine di composito, in considerazione del loro limitato contributo in termini di rigidezza, il rinforzo esplica la sua azione principalmente nelle condizioni ultime, mentre in condizioni di esercizio la sua efficacia da considerarsi irrilevante. In condizioni di esercizio, con riferimento al rinforzo di FRP, sono previste unicamente verifiche tensionali in accordo con quanto riportato nel 4.2.3.2 del CNR-DT 200/2004. Per quanto invece attiene allo SLU, il procedimento di verifica/progetto si basa sulle seguenti ipotesi:
conservazione della planeit delle sezioni rette; perfetta aderenza tra legno e FRP; legame costitutivo del legno teso, in direzione delle fibre, elastico lineare sino a rottura; legame costitutivo del legno compresso, in direzione delle fibre, elasto-plastico (Tabella 4-1); legame costitutivo dellFRP elastico lineare fino a rottura; crisi dellelemento inflesso causata sempre dal raggiungimento delle deformazioni ultime del materiale legno, in zona compressa o in zona tesa.
CNR-DT 201/2005 In Figura 6-4, a scopo esemplificativo, sono riportati i diagrammi delle tensioni e delle deformazioni normali agenti su una sezione rettangolare rinforzata con una singola lamina. In situazioni differenti da quella sopra considerata essi richiedono opportune modifiche e/o integrazioni.
fcd y
Figura 6-4 Diagrammi delle tensioni e delle deformazioni per una sezione rettangolare rinforzata con una singola lamina.
Nella verifica si prescinde da fenomeni di instabilit dellequilibrio. La competente verifica di instabilit non deve tener conto del contributo del rinforzo di FRP.
6.4.2 Procedimento di verifica Si fa riferimento alla sezione lignea di Figura 6-4, di area A, rinforzata con una lamina di area Af, disposta alla distanza df dal lembo superiore compresso (df = H h/2).
Le possibili condizioni di crisi corrispondono al raggiungimento di una delle seguenti situazioni: 1- dilatazione ultima del legno con sezione interamente tesa; 2- dilatazione ultima del legno con zona compressa in fase elastica; 3- dilatazione ultima del legno teso con zona compressa in fase plastica; 4- deformazione ultima a compressione con rinforzo teso; 5- deformazione ultima a compressione al lembo superiore con rinforzo compresso. Le regioni limite individuate dai diagrammi delle deformazioni corrispondenti alle suddette situazioni sono rappresentate in Figura 6-5.
tu c,el t
Figura 6-5 Regioni limite.
CNR-DT 201/2005 Ad ognuno dei diagrammi di deformazione limite, ricadenti in una delle cinque regioni sopra individuate, corrisponde un punto (N, M) della frontiera del dominio di resistenza della sezione rinforzata. Le equazioni risolutive del problema sono quella di equilibrio alla traslazione nella direzione dellasse dellelemento e quella di equilibrio alla rotazione intorno allasse passante per il baricentro della lamina di FRP e parallelo allasse neutro. La verifica consiste nel soddisfare la disequazione seguente:
MSd MRd (NSd)
nella quale MSd il momento sollecitante di progetto e MRd il momento resistente di progetto, che funzione dello sforzo normale sollecitante di progetto, NSd. Risulta conveniente ricondursi alle seguenti quantit adimensionalizzate:
N1, pari al rapporto tra lo sforzo normale NSd e la quantit BHfcu; M1, pari al rapporto tra il momento MRd e la quantit BH2fcu; , pari al rapporto tra la distanza dellasse neutro dalle fibre superiori e laltezza della sezione trasversale pari al rapporto tra la distanza y dellasse neutro dallestremo lembo compresso e laltezza H della sezione (Figura 6-4).
Come ben noto, la posizione dellasse neutro, , pu essere determinata attraverso lequazione di equilibrio alla traslazione in direzione dellasse dellelemento. Successivamente, il momento resistente pu essere calcolato attraverso lequazione di equilibrio alla rotazione intorno allasse passante per il baricentro della lamina di FRP e parallelo allasse neutro.
6.4.3 Espressioni di N1 e M1 per le diverse regioni limite Allinterno delle cinque regioni limite individuate in Figura 6-5, le due quantit adimensionali N1 e M1 assumono le espressioni di seguito riportate, dove i simboli introdotti assumono il seguente significato:
- s - tu - i - - - frp -n - pfrp - c,el - cu -k
deformazione longitudinale delle fibre al lembo superiore; dilatazione ultima del legno; deformazione longitudinale delle fibre al lembo inferiore; rapporto tra la distanza dellasse neutro dalle fibre superiori e laltezza della sezione trasversale; rapporto tra la resistenza ultima a trazione e quella ultima a compressione del legno; rapporto tra la sezione trasversale del legno e quella del rinforzo; rapporto tra il modulo di elasticit normale a trazione del rinforzo di FRP e il modulo di elasticit normale a trazione del legno; rapporto tra la distanza del rinforzo dalle fibre superiori e laltezza della sezione trasversale della trave; deformazione del legno compresso al limite elastico; deformazione ultima del legno compresso; rapporto tra la deformazione ultima e la deformazione al limite elastico a compressione. Zona 1. Raggiungimento della dilatazione ultima del legno con sezione interamente tesa (trazione con piccola eccentricit): 34
CNR-DT 201/2005 - 0 s tu - i = tu - 0 (fibre superiori); (fibre inferiori); (posizione dellasse neutro); 2 frp - N1 ( ) = 2 1 + n ( pfrp ) ; 2 1 1 1 1 1 1 M 1 ( ) = 2 + + 2 (1 ) 2 2 3 2 3 n 1 + ( pfrp ) frp pfrp . 1 2 (7.2) (7.3) (7.4) (7.5)
Zona 2. Raggiungimento della dilatazione ultima del legno con zona compressa in fase elastica (trazione con grande eccentricit): - 0 s c,el (fibre superiori); (fibre inferiori); - i = tu 1 - 0 (posizione dellasse neutro); 1+ 2 frp - N 2 ( ) = 2 1 + n ( pfrp ) ; 2 1 M 2 ( ) = 1 1 1 1 1 2 + + 2 (1 ) 2 2 3 2 3 n 1 + ( pfrp ) frp pfrp . 1 2 (7.7) (7.8) (7.9) (7.10)
Zona 3. Raggiungimento della dilatazione ultima del legno teso con zona compressa in fase plastica: (fibre superiori); - c,el s cu i = tu (fibre inferiori); 1 k (posizione dellasse neutro); 1 + k + 2 frp 2 1 - N 3 ( ) = 2 ( 1) + + 1 1 + n ( pfrp ) ; 2 1 (7.12) (7.13) (7.14) (7.15)
M 3 ( ) =
1 1 2 (1 ) 1 1 1 + + + 1 + 2 2 3 2 pfrp 1 1 1 1 + frp pfrp . + n 2 2 3 2 1
Zona 4. Raggiungimento della deformazione ultima a compressione con rinforzo teso: - s = cu (fibre superiori);
CNR-DT 201/2005 - cu
1 pfrp pfrp i < tu (fibre inferiori); (posizione dellasse neutro);
(7.18) (7.19) (7.20)
k pfrp k +
pfrp 1 1 1 1 1 + + frp k n 1 ; - N 4 ( ) = k 2 2 2 2 k 2k 1 2 1 1 + M 4 ( ) = + 1 1 + + 2k 2 3 k 2 k k frp k k 1 2 1 + (1 ) + + n ( pfrp ) pfrp . 6 2 2
Zona 5. Raggiungimento della deformazione ultima a compressione al lembo superiore con rinforzo compresso: - s = cu - 0 i < cu
- 0 i < cu - pfrp
1 pfrp pfrp
(fibre superiori);
(fibre inferiori tese); (fibre inferiori compresse);
k (posizione dellasse neutro); k 1 1 1 1 1 1 + ; - N 5 ( ) = k 2 2 2 2 k 2k - M 5 ( ) =
2 1 + 2k 2 3 k
k 2 1 1 1 (1 ) + . + 1 1 + + k 6 2 k 2
7 RINFORZO DI STRUTTURE DI SOLAIO E CONTROVENTO PER AZIONI NEL PIANO
7.1 GENERALIT Fin dallantichit, la leggerezza e la lavorabilit hanno contribuito a rendere il legno il materiale principe per la realizzazione di orizzontamenti negli edifici: da quelli pi economici a destinazione residenziale, spesso realizzati interamente di legno, fino ai pi importanti edifici pubblici con ossatura muraria. Nel secolo scorso, tale primato ha ceduto il passo a soluzioni pi moderne, connesse alle nuove tecnologie, quali le solette di conglomerato cementizio armato, i diffusissimi solai laterocementizi, fino ad arrivare ai moderni solai a predalles. Il modesto grado di sicurezza offerto, in generale, alla stabilit dellinsieme strutturale in caso di sisma uno dei principali fattori che hanno contribuito a limitare fortemente la diffusione dei solai di legno, anche se la loro presenza nel panorama edilizio non mai del tutto scomparsa.
La vasta diffusione degli orizzontamenti di legno nelledilizia esistente ed in particolare in quella a carattere storico e monumentale apre grandi prospettive allo sviluppo di nuove tecnologie per il loro consolidamento. Tipologicamente, in un solaio di legno si possono distinguere due parti principali, con struttura e funzioni diverse: ordito ed impalcato. Lordito costituito da uno o pi ordini di travi, tessuti in direzioni fra loro ortogonali (in genere, unorditura principale, costituita dalle travi, e unorditura secondaria, costituita dai travetti). Lordito ha la funzione statica di resistere alle azioni verticali dovute al peso proprio, al peso degli elementi di impalcato e delle parti di completamento allintradosso e allestradosso, nonch al peso di eventuali tramezzi ed allazione dei sovraccarichi variabili. Limpalcato costituito, nella sua configurazione pi semplice, da un elemento piano realizzato da uno o pi strati di tavole di legno tra loro accostate (Figura 7-1(a)), o anche realizzato da pianelle di laterizio appoggiate ai travetti (Figura 7-1(b)). Limpalcato ha la funzione statica di resistere ai carichi verticali che gravano direttamente su di esso e di ripartirli tra gli elementi dellordito; inoltre, svolge la funzione di irrigidimento trasversale dellordito, trasmettendo le azioni orizzontali agli elementi verticali della struttura.
Nel seguito, ci si soffermer esclusivamente sulla funzione di irrigidimento trasversale dellordito e si affronter il problema di un suo eventuale potenziamento mediante lapplicazione di compositi fibrorinforzati.
Impalcato Ordito multiplo
(b) (a) Figura 7-1 Tipologie di solai lignei: (a) impalcato con tavolato di legno; (b) impalcato con pianelle di laterizio.
7.2 PREMESSE PER IL RINFORZO Uno degli obiettivi primari, che possono essere perseguiti con riferimento ad un solaio ligneo in zona sismica, il miglioramento delle sue caratteristiche di resistenza e di rigidezza. In tale contesto, si inserisce il progetto di irrigidimento mediante compositi fibrorinforzati, che possono risultare uno strumento efficace e alternativo alle tecniche tradizionali, nei casi in cui queste ultime risultino inadeguate.
Il ruolo del solaio, nel comportamento sismico di una struttura, quello di trasmettere le forze dinerzia agli elementi portanti verticali. A tale scopo, necessario conoscere leffettiva rigidezza del solaio nel proprio piano. Da essa dipende infatti la valutazione delle forze orizzontali agenti sui singoli elementi verticali, nonch quella del comportamento deformativo della struttura (Figura 7-2). La situazione di solaio "sufficientemente" rigido ai fini estensionali, rispetto al comportamento flessionale, ha due obiettivi: consentire lintroduzione di alcune semplificazioni nel calcolo del comportamento globale della struttura, preservando la validit dei risultati ottenuti in termini di forze e deformazioni; assicurare che le deformazioni del solaio siano sufficientemente piccole, tanto da poterne trascurare gli effetti sulla distribuzione delle forze tra gli elementi verticali.
Si pu affermare che un semplice solaio ligneo non in grado di garantire unadeguata rigidezza estensionale, cosicch si rendono necessari interventi di irrigidimento per azioni nel piano, allo scopo anche di conseguire un miglioramento del comportamento deformativo globale della struttura. Lefficacia dellintervento deve essere valutata in termini relativi, con riferimento alla situazione geometrica e costruttiva di partenza. (a) (b) (c)
Figura 7-2 Configurazioni deformate di impalcati tipo (a), soggetti ad azioni nel piano, nellipotesi di solaio infinitamente rigido (b) e di solaio deformabile (c).
Ai fini della eseguibilit di un intervento di rinforzo per azioni nel piano, il solaio su cui si dovrebbe intervenire deve risultare strutturalmente idoneo. Va precisato infatti che lintervento di cui trattasi non influenza in maniera apprezzabile n la rigidezza flessionale n la capacit portante del solaio. Queste ultime devono quindi essere esaminate a parte e, se del caso, adeguatamente migliorate. Si rileva, inoltre, che lintervento non altera i carichi permanenti e, quindi, la capacit portante del solaio, a valle dellintervento, garantita, se lo era gi in precedenza.
7.3 COMPORTAMENTO DEL SOLAIO NON RINFORZATO PER AZIONI NEL PIANO Il comportamento di un solaio, sollecitato da azioni agenti nel piano, non di facile determinazione, soprattutto per lelevato grado di sconnessione dei vincoli, che collegano le varie membrature dellimpalcato.
CNR-DT 201/2005 Ci si riferisca per semplicit a un solaio costituito da un unico strato di tavole, regolarmente distribuite e solidarizzate ai travetti dellordito con due connettori (chiodi o viti) a ogni estremit. Si supponga inoltre che gli spostamenti orizzontali del solaio siano impediti lungo un lato, mentre al lato opposto sia impresso uno spostamento parallelo alla direzione del lato medesimo, cui corrisponda unazione di taglio complanare allimpalcato. Il comportamento del solaio pu essere schematizzato come indicato in Figura 7-3. Ipotizzando che, per piccoli spostamenti, non insorgano problemi di compenetrazione tra le tavole, lunica resistenza opposta alla deformazione offerta dai connettori che collegano le tavole alle travi. A tal riguardo, ogni singola tavola pu essere schematizzata come unasta incernierata alle travi ed inoltre vincolata a ciascuna estremit da una molla cedevole elasticamente alla rotazione intorno ad un asse ortogonale al piano dellimpalcato. Noti i parametri geometrici e le caratteristiche meccaniche dei materiali costituenti il sistema analizzato, nellipotesi di indeformabilit delle singole tavole, possibile stimare agevolmente la rigidezza rotazionale delle due molle attraverso la costruzione geometrica illustrata in Figura 7-3(b).
(a) (c) Figura 7-3 (a) Schema del solaio sollecitato da azioni nel piano; (b) Rigidezza dovuta a ununica coppia di connettori; (c) Modello di calcolo di una singola maglia di solaio. A seguito di una rotazione, , del solaio nel proprio piano, lo scorrimento, s, del singolo connettore dato dalla relazione: s= d F' = , kser 2 (8.1)
dove kser dipende (secondo quanto indicato nella norma EN 1995-1-1) dal tipo di connettore e dalla massa volumica del legno. 39
CNR-DT 201/2005 Esplicitando il momento M della coppia di forze di intensit F, che si mobilitano per effetto del suddetto scorrimento, possibile determinare la rigidezza rotazionale, k:
d2 M ' = F ' d = kser = k . 2
Lutilizzo del principio dei lavori virtuali consente di esprimere, come di seguito esplicitato, la relazione tra lazione tagliante di piano, F, ed il concomitante spostamento di piano, : F = 2
(8.3) (8.4) (8.5)
, L 2 k F = tavole = k tot , L2
dove ktot la rigidezza complessiva del solaio, che pu essere sfruttata come strumento di valutazione dellefficacia di un intervento di rinforzo, utilizzando il modello di calcolo proposto in Figura 7-3(c).
7.4 MODALIT DI RINFORZO PER AZIONI NEL PIANO La tipologia di irrigidimento del solaio nel proprio piano, di seguito descritta, consiste nellapplicazione, sul tavolato di impalcato, di croci di controvento, realizzate mediante strisce di materiale composito fibrorinforzato, cos come indicato in Figura 7-4(a).
E possibile analizzare lefficacia dellintervento ricorrendo allo schema semplificato riportato in Figura 7-4(b). Il rinforzo pu essere schematizzato come un tirante diagonale, collegato alla struttura per mezzo di cerniere, ed assimilabile ad una molla di rigidezza assiale, k, pari a:
Ef Af , D
essendo Ef il modulo di elasticit normale del materiale fibrorinforzato nella direzione della suddetta diagonale, Af larea della sezione resistente di questultima e D la lunghezza della diagonale. La diagonale compressa non tenuta in conto in quanto si prescinde dalla resistenza a compressione degli elementi di FRP. Nel caso di un impalcato realizzato con pianelle di laterizio, queste ultime possono fornire un contributo non trascurabile alla rigidezza del solaio nel proprio piano, potendo esse stesse trasferire sollecitazioni di compressione, purch ci sia chiaramente dimostrato. Con riferimento alla Figura 7-4(b), in seguito allapplicazione di una forza orizzontale, F, lo stato deformativo della struttura, analogo a quello considerato per il solaio non rinforzato (Figura 7-3(c)), comprende anche lallungamento del tirante-rinforzo, funzione della rotazione angolare, . Il corrispondente coefficiente di dilatazione lineare, , vale:
cos . D
Impalcato (2 ordine) Nastri di FRP Impalcato (1 ordine) Ordito
k L k k F k k F k
(b) Figura 7-4 Schema (a) e modello di calcolo (b) di un solaio tipo rinforzato. Lo sforzo assiale nel tirante-rinforzo, N frp , :
N frp = k D =
Ef Af E A cos = f f cos . D D
Applicando il principio dei lavori virtuali, possibile definire una rigidezza complessiva del solaio, ktot,rinf, da confrontare con quella dellequivalente sistema non rinforzato, ktot, (Figura 7-3(c)):
E A F = f f cos 2 = ktot ,rinf . 2 D
immediato rendersi conto della prevalenza di tale contributo di rigidezza, anche per valori di rinforzo modesti, rispetto a quello offerto dalle molle rotazionali, con le quali si sono modellati i giunti chiodati. Pertanto, in presenza del rinforzo, a questultimo pu essere affidata totalmente la funzione di solidarizzare limpalcato alle travi dellordito. Pur nella sua semplicit, il modello descritto fornisce importanti indicazioni sulle caratteristiche del rinforzo al fine di garantire la necessaria rigidezza dellimpalcato nel proprio piano. Le principali caratteristiche sono di seguito evidenziate. Il rinforzo pu essere disposto in diagonale, con un comportamento analogo a quello dei controventi metallici, sfruttando le sole caratteristiche di resistenza a trazione. Il materiale composito deve essere unidirezionale, con adeguata rigidezza assiale e sufficientemente sottile e deformabile per azioni fuori dal piano.
Ulteriori considerazioni possono derivare da aspetti pratici legati alla realizzazione dellintervento. Alcuni di essi sono qui di seguito elencati.
CNR-DT 201/2005 I materiali pi idonei a costituire il rinforzo sono quelli con fibra di vetro, per il loro modesto modulo di elasticit normale, che consente loro di assecondare i movimenti naturali del legno e quelli inevitabili del solaio senza causare tensioni eccessive allinterfaccia incollata. I tipi di prodotto pi adatti alle caratteristiche meccaniche richieste sono sicuramente quelli disponibili in forma di tessuti, preimpregnati o impregnati in situ, disponibili in pratici rotoli, da cui possono essere ricavate con facilit strisce di lunghezza opportuna. Allo scopo di ostacolare i fenomeni di instabilit dei rinforzi compressi, di rendere pi uniforme il comportamento del solaio nelle due direzioni principali, di proteggere lintervento di rinforzo e di migliorarne ladesione opportuno che, allestradosso, lintervento sia completato da un secondo impalcato. Le tavole di questultimo sono disposte perpendicolarmente a quelle del primo impalcato, al quale devono essere solidarizzate per mezzo di chiodi o viti (Figura 7-4(a)). Prima della posa in opera del secondo impalcato, la superficie superiore dei rinforzi di FRP pu essere ulteriormente cosparsa di colla, in modo da migliorare la solidarizzazione tra il rinforzo ed il solaio e quella tra i due ordini di tavole. Ad operazioni ultimate, la superficie di estradosso del solaio rinforzato sar del tutto simile a quella in assenza di rinforzo, rendendo possibili le comuni operazioni di finitura superficiale. Nel caso di impalcato realizzato con pianelle di laterizio, il ruolo di protezione e di contenimento dellinstabilit delle fibre del composito pu essere assolto da uno strato di malta di calce.
8 UNIONI E LORO RINFORZO
8.1 GENERALIT La possibilit di sfruttare i materiali fibrorinforzati per la realizzazione di nuove unioni, in sostituzione dellacciaio, o per il miglioramento di quelle esistenti, di tipo tradizionale, stata finora oggetto di un limitato numero di sperimentazioni. Ci non ha permesso di disporre a tuttoggi di modelli generali per la progettazione e per il calcolo. Largomento sembra offrire ampie opportunit di sviluppo per il futuro e quindi, per completezza, si ritiene opportuno corredare il documento con alcuni concetti generali e con alcune indicazioni di tipo progettuale ad esso relativi.
Per chiarezza espositiva, la trattazione del suddetto argomento pu essere articolata nei seguenti punti: rinforzo di unioni tradizionali con materiali fibrorinforzati; unioni realizzate mediante connettori di materiale fibrorinforzato.
Pur attenendo entrambi i soggetti a unioni fra elementi di legno, i problemi da affrontare sono nettamente distinti e non permettono una trattazione unitaria.
8.2 RINFORZO DELLE UNIONI TRADIZIONALI MEDIANTE FRP Ci si riferisce, nel seguito, sia alle unioni tradizionali di carpenteria sia a quelle di tipo meccanico. Un intervento di rinforzo non dovrebbe mai alterare in modo sostanziale lo schema statico originario della struttura nel quale si colloca, a meno che, ovviamente, non sia dimostrata la inadeguatezza di tale schema e la conseguente necessit di una sua sostanziale rivisitazione.
In particolare, un incremento, non adeguatamente valutato, di rigidezza rotazionale a favore di un collegamento potrebbe comportare alterazioni non trascurabili ed inammissibili dello stato tensionale negli elementi connessi. Il progetto di rinforzo delle unioni non pu prescindere dallanalisi complessiva dellintera struttura, al fine di valutare correttamente le conseguenze dellintervento e di mitigarne, se del caso, gli effetti indesiderati. Ci premesso, si pu procedere a una classificazione delle modalit di intervento sulle connessioni in base allobiettivo prefissato, individuando due distinte categorie (Figura 8-2): interventi volti al miglioramento delle capacit portanti; interventi volti al miglioramento delle capacit dissipative, nei confronti di sollecitazioni cicliche, come ad esempio quelle di tipo sismico.
Nel primo caso, alla base del progetto di rinforzo, va posto il controllo delle tensioni di trazione perpendicolari alle fibre, nonch di quelle di rifollamento, le quali sono spesso la causa del collasso dellunione. Il problema particolarmente rilevante per le unioni realizzate con pochi connettori di grande diametro, perch esse risultano esposte ad un rischio pi elevato di rottura fragile. Il secondo caso pu riguardare le connessioni trave-pilastro di strutture di legno lamellare, quando se ne voglia migliorare il comportamento dissipativo. Lobiettivo pu essere raggiunto interponendo lamine o tessuti di materiale composito fra le lamelle di legno.
CNR-DT 201/2005 Possono essere utilizzati compositi di tipo uni-direzionale, bi-direzionale o multi-direzionale. La scelta del tipo di fibra condizionata dal comportamento desiderato. Per assicurare una maggiore deformabilit dellunione si preferiscono le fibre di vetro; per conseguire una maggiore rigidezza e una maggiore resistenza si preferiscono invece le fibre di carbonio.
Figura 8-1 Esempi di rinforzo delle unioni: (a) particolare di elemento in lamellare rinforzato in prossimit del connettore; (b) unione trave-pilastro in lamellare. 8.3 UNIONI REALIZZATE MEDIANTE CONNETTORI DI FRP I tipi di connessione realizzabili con lutilizzo di barre di FRP (Figura 8-2) sono analoghi a quelli gi da tempo sperimentati con limpiego di barre di acciaio. Le considerazioni ritenute valide per le barre di acciaio possono essere estese opportunamente a quelle di FRP.
I principali benefici legati alladozione dei materiali compositi fibrorinforzati sono: resistenza ad attacchi fisici e chimici per applicazioni in ambiente aggressivo o in assenza di adeguata protezione (sono particolarmente raccomandate le fibre di carbonio); lavorabilit agevole in cantiere, anche con utensili tradizionali; leggerezza; ampia gamma delle propriet disponibili da parte degli FRP, con riferimento a deformabilit, resistenza e comportamento a fatica.
Sar cura del progettista valutare di volta in volta leffettivo vantaggio conseguibile con luso delle barre di FRP in sostituzione di quelle di acciaio.
Figura 8-2 Esempi di unioni con barre di FRP: (a) giunto testa-testa; (b) giunto a L.
9 APPENDICE A: APPLICAZIONI SU STRUTTURE ESISTENTI
9.1 PALAZZO NOBILI, LUCCA La trave di uno dei solai a cassettonato (Figura 9-1) del palazzo Nobili, ex-sede della Banca dItalia a Lucca trasformata in residenze private, stata consolidata (2005) con lobiettivo di incrementarne la resistenza, degradata da un attacco di insetti localizzato su una faccia e da un leggero attacco fungino su una testata. Il rinforzo stato eseguito con lamine di CFRP inserite al lembo inferiore in apposite scanalature.
Lamina di CFRP Figura 9-1 Intervento in palazzo Nobili (progettista: ing. M. Martinelli - Legno Pi S.r.l.). 9.2 EDIFICIO SIAZ, TREVI (PG) Lintervento ha riguardato (2003) il consolidamento con lamine di CFRP degli elementi strutturali (Figura 9-2) di un ampio solaio ligneo di un fabbricato di propriet della societ SIAZ sito in Trevi (PG). Il solaio, disposto al piano primo delledificio tuttora destinato a magazzino per granaglie, caratterizzato da una tripla orditura di travi lignee (legno di abete) di grande luce, ancora ben conservate ed oggetto di speciale vincolo da parte della Soprintendenza. Il rinforzo stato realizzato con lamine di CFRP disposte sia in zona tesa sia in zona compressa, rese solidali agli elementi lignei mediante resina epossidica.
Lamina di CFRP
Figura 9-2 Intervento di rinforzo eseguito sulla trave principale delledificio SIAZ (progettisti: ingg. A. Giannantoni e F. Menghini, in collaborazione con il prof. A. Borri). 9.3 EDIFICIO PER CIVILE ABITAZIONE, SPOLETO (PG) Nellambito di un progetto di consolidamento di un edificio per civile abitazione, sito ad Azzano nel Comune di Spoleto, stato realizzato (2003) un intervento di riforzo di un solaio con doppie orditure lignee e pianelle di cotto (Figura 9-3). Il rinforzo, reso necessario a causa delleccessiva deformabilit a carico delle orditure secondarie del solaio, stato eseguito con lamine preimpregnate di CFRP inserite in opportuni intagli predisposti allintradosso degli elementi lignei secondari.
Lamina di CFRP Figura 9-3 Intervento di rinforzo eseguito sulle travi secondarie (progettista: ing. A. Giannantoni, in collaborazione con il prof. A. Borri).
9.4 PALAZZO COLLICOLA, SPOLETO (PG) Lintervento ha interessato (2004) un antico solaio ligneo di Palazzo Collicola in Spoleto, sede della Galleria di Arte Moderna e delle sale di rappresentanza del Municipio, oggetto di lavori di restauro statico con miglioramento sismico. Il solaio presenta unorditura principale costituita da due travi lignee ed unorditura secondaria costituita da travetti lignei. Lintervento stato eseguito applicando una trave pultrusa di GFRP allestradosso delle travi principali, previa asportazione della pavimentazione e del relativo massetto di calce di allettamento. Lala inferiore della trave di GFRP stata inoltre intagliata in situ in corrispondenza degli antichi travetti lignei, al fine di evitare lo smontaggio di questi ultimi. La trave di composito stata solidarizzata a quella lignea preesistente mediante connettori a taglio realizzati con chiodi di fibra di vetro e resina epossidica.
Figura 9-4 Intervento di rinforzo eseguito sulle travi principali (progettisti: ingg. A. Giannantoni e F. Menghini, in collaborazione con il prof. A. Borri).
9.5 EDIFICO STORICO, LUCCA Lintervento di rinforzo ha interessato (2004) una trave di un antico solaio ligneo di un edifico storico sito in Lucca. Il consolidamento di tale trave si reso necessario per la fessurazione innescatasi a seguito di lavori di ristrutturazione dei locali sovrastanti la stessa. Gli aspetti innovativi dellintervento consistono nellutilizzo, allestradosso, di un elemento ligneo rivestito di carbonio, solidarizzato alla trave con connettori per incrementarne la rigidezza; e nellutilizzo, allintradosso, di un tessuto di CFRP per incrementarne la resistenza flessionale. Lintervento stato completato rivestendo il composito allintradosso mediante una lamina sottile di legno e ripristinando allestradosso la cornice presente prima dellintervento (Figura 9-5).
Anima di legno rivestita di carbonio Tessuto di CFRP
Tessuto di CFRP
Tessuto di CFRP rivestito
Figura 9-5 Intervento di rinforzo eseguito sulla trave principale (progettista: ing. G. Ussia Ardea Progetti e sistemi S.r.l.).
10 APPENDICE B: RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI
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11 APPENDICE C: RIFERIMENTI NORMATIVI
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CNR-DT 201/2005 Il presente Documento stato predisposto da un Gruppo di studio cos composto: ASCIONE Prof. Luigi BARBIERI Arch. Alessandra BENEDETTI Prof. Andrea BERARDI Ing. Valentino Paolo BONAMINI Ing. Gabriele BORRI Prof. Antonio CERSOSIMO Ing. Giuseppe CORRADI Ing.Marco CREDALI Dott. Lino FAGGIANO Ing. Beatrice FEO Prof. Luciano GIACOMIN Ing. Giorgio GRANDI Ing. Alberto LAVISCI Dott. Paolo MACERI Prof. Franco MANFREDI Prof. Gaetano MANTEGAZZA Dott. Giovanni MONTI Prof. Giorgio MORANDINI Ing. Giulio NANNI Prof. Antonio PIAZZA Prof. Maurizio PIZZO Ing. Benedetto TAMPONE Prof. Gennaro - Universit di Salerno - Universit IUAV - Venezia - Universit di Bologna - Universit di Salerno - Studio Legno-Wood Consulting - Firenze - Universit di Perugia - Interbau S.r.l.- Milano - Universit di Perugia - Ardea S.r.l. - Casalecchio (BO) - Universit Federico II - Napoli - Universit di Salerno - Maxfor - Quarto dAltino (VE) - Sika Italia S.p.a. - Milano - Legno Pi - Firenze - Universit Tor Vergata - Roma - Universit Federico II - Napoli - Ruredil S.p.a. - Milano - Universit La Sapienza - Roma - Mapei S.p.a. - Milano - Universit Federico II - Napoli - Universit di Trento - IVALSA-CNR - Firenze - Universit di Firenze
CNR-DT 201/2005 Coordinatori: BORRI Prof. Antonio, PIAZZA Prof. Maurizio. Coordinatore generale della collana di documenti sul rinforzo strutturale mediante FRP: ASCIONE Prof. Luigi. Segreteria: FEO Prof. Luciano, ROSATI Prof. Luciano.
CNR-DT 201/2005 Il presente Documento di Studio stato approvato in data 21 luglio 2005 dalla Commissione incaricata di formulare pareri in materia di normativa tecnica relativa alle costruzioni cos composta: ANGOTTI Prof. Franco ASCIONE Prof. Luigi BARATTA Prof. Alessandro CECCOLI Prof. Claudio COSENZA Prof. Edoardo GIANGRECO Prof. Elio JAPPELLI prof. Ruggiero MACERI Prof. Franco MAZZOLANI Prof. Federico Massimo PINTO Prof. Paolo Emilio POZZATI Prof. Piero SOLARI Prof. Giovanni URBANO Prof. Carlo ZANON Prof. Paolo - Universit di Firenze - Universit di Salerno - Universit Federico II- Napoli - Universit di Bologna - Universit Federico II- Napoli - Universit Federico II- Napoli - Universit Tor Vergata - Roma - Universit Tor Vergata - Roma - Universit Federico II- Napoli - Universit La Sapienza - Roma - Universit di Bologna - Universit di Genova - Politecnico di Milano - Universit di Trento
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