Correlazioni preliminari tra proprietà termiche e densità nelle strutture in legno con Prove Non Distruttive

Legno: inquadramento generale sulle caratteristiche variabili e difetti del materiale

Il legno è un materiale anisotropo, spesso definito in maniera semplificata come ortotropo, caratterizzato quindi da una risposta differente nelle sue tre direzioni principali (longitudinale, trasversale e radiale). All’apparenza possiede dunque una struttura unica, ma proprietà intrinseche particolarmente variabili.

A differenza di altri materiali, il legno viene definito frequentemente come vivo, poiché ha continui scambi di acqua con l'ambiente circostante. Questa caratteristica, unita alla sua complessa struttura, lo rende un materiale affascinante ma anche complesso da studiare e utilizzare.

Bisogna inoltre considerare che, ogni campione di legno, anche se prelevato dallo stesso elemento, può presentare caratteristiche fisiche e meccaniche anche molto diverse, influenzate da fattori come i difetti intrinseci, la specie, l'origine geografica, le condizioni di crescita e la lavorazione. La variabilità del legno rende difficile la sua classificazione e la previsione del suo comportamento.

Inoltre, il legno è caratterizzato dai cosiddetti difetti, come nodi, fessure e cipollature e inclinazione della fibratura, che fanno parte della sua natura , ma che possono compromettere le sue proprietà strutturali.

Nonostante il legno sia il materiale più antico usato per l’architettura strutturale, e vi siano ancora delle strutture rilamenti al paleolitico superiore arrivate fino ai giorni nostri, oggigiorno la natura variabile e i suoi difetti hanno portato a una sottovalutazione del suo potenziale come materiale strutturale, nonostante non vi sia alcune correlazione appurata tra la vetustà del materiale e la perdita di resistenza meccanica (Tampone 1996).

Spesso, la sostituzione di componenti strutturali in legno è considerata più semplice e conveniente rispetto alla loro manutenzione e riparazione. Tuttavia, questa tendenza ha portato alla perdita di molte strutture storiche antiche in legno, che rappresentano un patrimonio storico e culturale inestimabile.

Legno nell'edilizia storica: conservazione o sostituzione degli elementi?

La scarsa conoscenza del materiale e della sua natura e la difficoltà nell’ottenere le stime delle proprietà nelle tre direzioni che maggiormente lo caratterizzano nel tempo ha lasciato la strada spianata per gli interventi di completa sostituzione, invece che di diagnostica strutturale e manutenzione programmata.

Questo è dovuto anche a fattori che non coinvolgono solo la conoscenza della materia, ma la scarsa accessibilità delle strutture lignee che spesso offre solo alcune facce disponibili per le indagini non distruttive in situ. Per questo è necessario ottenere stime accurate e consistenti e correlazioni chiare e veritiere tra le tre direzioni, di modo che l’inaccessibilità parziale non sia più un problema da considerare.

È necessario però tenere a mente che le sostituzioni portano a problematiche correlate alla conservazione non indifferenti. Difatti le normative vigenti prevedono, anche per colpa della scarsa fiducia (sempre legata alla scarsa conoscenza) che si ha verso le strutture in legno, coefficienti di sicurezza non trascurabili, che tendono a sovradimensionare particolarmente le strutture di nuova progettazione.

Quando si progettano interventi sull’esistente, l’aumento delle sezioni causa problematiche connesse all’inserimento degli elementi nel contesto in oggetto. Variare le sezioni può comportare variazioni considerevoli della struttura esistente e del patrimonio architettonico, innescando una serie di modifiche dovute all’aumento delle sezioni strutturali che cambiano l’aspetto tecnologico oltre che storico.

I valori di densità e delle proprietà meccaniche del legno da prove PnD sono spesso sottostimati

Un altro grande problema, che è soprattutto legato alla normativa esistente, risiede nel fatto che le prove non distruttive per la stima della densità e delle proprietà meccaniche fanno riferimento a range di valori tarati sul legno nuovo e non su quello esistente. Questo rende approssimative e inesatte le stime che si possono ottenere per strutture storiche, dal momento che i valori sono completamente fuori range.

Con questo si vuole sottolineare particolarmente che le stime fatte sulle strutture esistenti sono quindi sottostime delle loro proprietà, e che i valori reali indicherebbero strutture più performanti e resistenti di quanto invece si evidenzia dai risultati delle prove non distruttive (PnD). Per tale ragione è necessario confrontare i risultati sperimentali con i dati reali, di modo da creare range attendibili di valori.

Approccio innovativo nel superare le sfide legate alla variabilità e ai difetti del legno

L'industria del legno moderna si impegna a superare le sfide legate alla variabilità e ai difetti del legno, attraverso processi avanzati di lavorazione e selezione. Questo si declina, per quanto riguarda i difetti, non a una loro completa rimozione, ma a una loro riduzione, invece, per quanto riguarda la sua ortotropia, ad esempio incrociando le fibre, a performance e comportamenti più coerenti. Questi procedimenti possono però essere considerati non particolarmente sostenibili, anche se allo stato attuale sono poche le ricerche che approfondiscono queste tematiche.

Inoltre, sta crescendo l'interesse per il riutilizzo del legno proveniente da edifici storici o da demolizioni. Il riutilizzo offre numerosi vantaggi, tra cui la riduzione degli sprechi, la conservazione delle risorse e la valorizzazione del patrimonio edilizio esistente. Questa prassi è già consolidata per altri materiali, come ad esempio per il calcestruzzo, ma più difficilmente si fa riferimento al legno.

Un intervento degno di nota è quello di restauro della Chiesa romana di San Giuseppe dei Falegnami. La capriata lignea, crollata improvvisamente è stata ricostruita utilizzando ove possibile gli elementi strutturali meno danneggiati (anche declassandoli ad esempio da puntoni a saette). Questo approccio innovativo ha consentito la conservazione del patrimonio strutturale esistente.

Per tale ragione, la ricerca qui presentata fa riferimento a correlazioni di PnD per elementi esistenti e di riuso.

Stima della densità del legno con Prove non Distruttive per elementi strutturali esistenti e di riuso

Lo sviluppo di nuovi metodi di indagine e analisi è fondamentale per migliorare la conoscenza del legno e per sfruttare al meglio le sue potenzialità.

Le Prove non Distruttive (PnD) offrono un'alternativa efficace alle prove invasive, consentendo di valutare le proprietà del legno senza danneggiarlo. È però necessario conferire affidabilità a tali indagini e migliorare l’affidabilità delle stime attraverso correlazioni.

La termografia infrarossa (IRT) è una tecnica PnD promettente per la stima della densità del legno, una proprietà chiave per la valutazione della sua resistenza strutturale.

La ricerca sulla termografia come metodologia di prova non distruttiva per gli elementi in legno ha fatto notevoli progressi negli ultimi anni anche se è ancora impiegata in modo limitato, con una diversificazione di approcci e metodologie sempre più sofisticate.

Alcune applicazioni fanno riferimento alle seguenti valutazioni:

• Densità: La termografia infrarossa (IRT) è stata utilizzata per stimare la densità del legno, una proprietà fondamentale per la valutazione della sua resistenza strutturale.
• Difetti: La IRT è stata impiegata per identificare difetti interni come nodi, inclinazione della fibratura e fessure.
• Degrado: La IRT ha permesso di monitorare lo stato di degrado del legno, valutando l'umidità e danni causati da riparazioni inadeguate o attacchi biotici.
• Proprietà meccaniche: La IRT è stata utilizzata per stimare le proprietà meccaniche del legno, come la resistenza alla trazione e alla compressione.

La ricerca scientifica ed esempi di applicazione

Per quanto riguarda le correlazioni tra PnD sono considerati fondamentali i lavori svolti da: Riggio et al. (2017), nel quale viene affrontata la valutazione della salute strutturale degli edifici storici attraverso l'applicazione combinata di tecniche non distruttive, enfatizzando l'importanza di un approccio olistico per una diagnosi accurata; il lavoro di Josifovski et al. (2023), che ha proposto un approccio basato sulla correlazione di parametri meccanici ottenuti da PnD per valutare le proprietà di resistenza in situ del legno, sottolineando l'importanza di una metodologia adatta alle esigenze delle strutture storiche

Alcune applicazioni ritenute rilevanti sono state condotte da Faella et al. (2012) su PnD effettuate nella Chiesa della Natività a Betlemme, combinando approcci come prove ultrasoniche e termografiche, dimostrando l'efficacia dell'approccio integrato nella diagnosi degli edifici storici. Anche Celano et al. (2023) ha condotto PnD approfondite in situ e analizzato il comportamento dinamico della Chiesa di Santa Maria Maddalena, fornendo un esempio di integrazione tra dati sperimentali e modellazione numerica per una valutazione accurata della struttura.

Analizzando alcune ricerche sempre più specifiche e connesse al mondo della termografia e all’analisi dei difetti del legno, ad esempio Kucharska et al (2021) ha proposto un’applicazione della termografia attiva, concentrandosi sulla caratterizzazione dei difetti per quanto riguarda elementi coperti di vernice. Questo studio evidenzia la sensibilità della tecnica in valutazioni specifiche, offrendo preziosi spunti sulla condizione degli elementi storici. Difatti, nonostante sia sconsigliato coprire gli elementi in legno con vernici protettive, poiché nel tempo rendono difficoltosa l’indagine e il rilievo dei difetti, l’utilizzo della termografia per superare questa problematica è un campo di applicazione sicuramente di grande interesse.

Similmente, anche altri studi si sono focalizzati sull’analisi dei difetti, come quelli proposti da Kandemir-Yucel et al. (2007) e Lopez et al. (2013), che hanno utilizzato la termografia infrarossa per valutare lo stato di deterioramento degli elementi in legno, identificando problemi come l'umidità e i danni causati da riparazioni incompatibili. Con alcune similitudini, Nassr et al. (2010) ha presentato una metodologia innovativa per rilevare il degrado biologico e altri danni in strutture in legno rivestite di compositi.

Per quanto riguarda la stima della densità vi sono pochi lavori attualmente, tra cui si menziona quello di Xin et al. (2021), che ha proposto un approccio basato sulla termografia infrarossa attiva per valutare la densità e le proprietà meccaniche di elementi storici in legno, approfondendo l'applicazione di questa tecnica a elementi storicamente significativi. L'analisi dell'effetto della densità sul comportamento termodinamico del legno, contribuendo a una comprensione più approfondita del potenziale della termografia infrarossa nella caratterizzazione fisica del materiale, è proposta da Lopez et al. (2018).

Lavori più sperimentali e avveniristici sono invece proposti ad esempio da Posta et al. (2015), dove l'uso della radiometria per valutare in maniera non distruttiva la densità degli elementi in legno fornisce un'alternativa preziosa per le strutture storiche. Un metodo basato sulla riflettometria a microonde è stato introdotto da Beni et al. (2015) per identificare anomalie nascoste nelle strutture architettoniche, ampliando l'insieme di tecniche non distruttive per l'analisi strutturale.

Altri approcci avanzati sono proposti da Taskhiri et al. (2020) con l'approccio combinato di ultrasuoni e termografia per identificare difetti interni nel legno, offrendo soluzioni efficaci per migliorare la qualità del legno destinato alla lavorazione.

Approfondendo il tema della sostenibilità, Cruz et al. (2022) introduce, tra le altre proposte un'analisi multi-parametrica per la valutazione dei pavimenti in legno storici, utilizzando parametri come l'emissione acustica, dimostrando l'efficacia dell'analisi multi-criterio.

Incidenza dei difetti del legno sulle analisi

Il fusto arboreo è composto essenzialmente da tre tessuti. Quello meccanico è il principale e consiste in fibre parallele tra loro unite in fasci e serve a sostenere la struttura. Poi vi sono il tessuto conduttivo e quello parenchimale.

Il tessuto meccanico è quello che conferisce le proprietà meccaniche del materiale che, a seconda di come e dove viene tagliato il campione, offre una risposta diversa, conferendo la proprietà di ortotrotropia del materiale (Fratzl et al. 2007).

Questa sua caratteristica dovrebbe essere una delle considerazioni di base più rilevanti per l'esecuzione dei test, poiché ha notevoli ripercussioni sui risultati finali. Difatti, le fibre rispondono in modo diverso allo stress meccanico. La variabilità della risposta è particolarmente evidente anche nei test ad ultrasuoni, dove la misura effettuata nella direzione longitudinale delle fibre restituisce risultati più affidabili, rispetto a quella di superfice o a quella ortogonale (Borghese et al. 2023).

Come suddetto, oltre a questa eterogeneità del materiale, esso è, per sua natura, caratterizzato da alcuni difetti (nodi, o gruppi di nodi, fessure meccaniche o da ritiro, inclinazioni della fibratura e cipollatura) che ne alterano le caratteristiche fisiche e meccaniche, aggiungendo una grande variabilità dei risultati. I nodi, ad esempio, essendo punti di incremento della densità (dal momento che sono il punto di congiunzione tra il tronco e il ramo, o tra più rami), comportano un punto di discontinuità e conseguente fragilità della struttura.

Le tre grandi incognite del legno, utili per definire il materiale e per procedere ad interventi di restauro, sono:

1. la densità;
2. il modulo elastico;
3. la resistenza (intesa come resistenza a compressione e flessione parallela e perpendicolare alla fibratura).

In un lavoro precedente si affronta il tema della stime di due di questi tre parametri fondamentali relativi agli elementi in legno: la densità e il modulo elastico (Borghese 2023). In particolare si è analizzata la variazione dei risultati legati alla stima della densità in base alla misurazione superficiale o di profondità e in base alla variazione della misurazione del volume. La difficoltà nell'ottenere stime precise, soprattutto per quanto riguarda il volume, sul cantiere è affrontata attraverso un'analisi comparativa di diverse tecniche pertinenti, che fornisce una panoramica generale e una correlazione tra i dati ottenuti. Per il modulo elastico, è stata proposta una comparazione tra le velocità stimate basate sulla distanza delle sonde e una correlazione tra le misurazioni nelle varie direzioni.

Test penetrometrici atti a stabilire la densità media del legno per progettare interventi di restauro

L‘incognita principale del legno, necessaria per la progettazione degli interventi di restauro, è la densità media, come espresso anche dalla norma europea EN 338:2010 che la identifica come uno dei tre fattori necessari per la classificazione degli elementi in legno.

La densità può essere stimata attraverso test penetrometrici mediante l'uso di due strumenti: il Woodpecker e il Resistograph.

Il Resistograph non è stato impiegato in questo lavoro, ma nel precedente è possibile consultare correlazioni utili con il Woodpecker. La motivazione di questa scelta risiede nel voler confrontare misurazioni superficiali.

Attraverso questi dispositivi, è possibile condurre test puntuali attraverso la penetrazione di punte all'interno del materiale. Nel caso del secondo strumento, si tratta di un test in profondità, permettendo di ottenere una conoscenza completa (anche se sempre puntuale) della sezione analizzata. Per il Woodpecker, è possibile avere una mappa di punti più diffusa, ma l’analisi è limitata alla sola superficie.

Il Resistograph è stato sviluppato negli anni '80 da Frank Rinn per gli studi forestali, come ad esempio per conoscere in dettaglio la tendenza degli anelli di crescita degli alberi e la presenza o assenza di insetti o funghi interni. Questo strumento, definito a rotoperforazione, confronta la lunghezza di penetrazione con la resistenza percentuale che il materiale oppone alla rotazione o alla pressione dell'ago. I picchi o le depressioni del grafico servono per capire eventuali incrementi o diminuzioni della densità (dovuti ad esempio ai nodi per i picchi o la presenza di attacchi biotici o fungini per le depressioni) (Icel et al. 2016).

Il Woodpecker, invece, è uno strumento che viene utilizzato attraverso l’infissione di 9 punti che formano una griglia a una distanza di almeno 2,5 cm l'uno dall'altro. Ogni punto è fissato mediante cinque colpi (detti battute) e si misura la penetrazione attraverso la sottrazione della lunghezza originale dell’ago (50 mm) meno la parte rimasta a vista. Grazie alle curve fornite dal produttore, in base alla specie di legno, è possibile correlare la profondità di penetrazione e la densità superficiale. Questi dati sono spesso meno affidabili, poiché la superficie del legno è spesso soggetta a degrado e perché le curve fornite sono tarate sul legno di nuova produzione (Fundova et al. 2018, Santini et al. 2023).

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