Strutture lignee: valutazioni di sicurezza tramite una prova di carico

Con sempre maggior frequenza ci si trova di fronte a richieste di dover definire il sovraccarico permanente e accidentale che compete a strutture in legno di vario tipo, senza che venga posta l’attenzione su vari fattori di diverso genere quali ad esempio il tipo di legno, la sua età, il suo stato di conservazione, la presenza di difetti tipici, etc. Infatti, se nel caso di strutture costituite da altro tipo di materiale (cemento armato, acciaio, muratura) è sufficiente attraverso valutazioni teoriche, geometriche e statiche, poterne definire la capacità portante che, successivamente, potrà essere verificata con opportune prove di carico ciò non è sicuramente possibile per tutte le strutture lignee, ma soltanto per alcune di esse di cui non sarà possibile una classificazione generale a priori.

Se viene presa in considerazione, ad esempio, una struttura nuova in legno lamellare, la fattibilità di una prova di carico è una scelta lecita e in molti casi perseguita, mentre eseguire la medesima sperimentazione su una struttura della stessa tipologia, ma di una certa età e in condizioni ambientali di esercizio severe, negli anni diventa una pratica potenzialmente rischiosa e da valutare con attenzione. Lo stesso dicasi in casi di legno massiccio, ove le eccezioni saranno molteplici in quanto, oltre all’età, entreranno in gioco anche e soprattutto lo stato di conservazione del legno, i difetti intrinseci di ogni suo elemento, le condizioni ambientali in cui ha trascorso il proprio ciclo di vita, etc.

Proprio in casi di questo tipo entra in gioco in maniera determinante e fondamentale il ruolo del tecnologo, un esperto del legno che, attraverso un’analisi visuale, qualche particolare strumento e determinati accorgimenti, riesce a sintetizzare lo stato complessivo della struttura e valutare la fattibilità o meno di una prova di carico senza pericoli per la struttura.

Per valutare la sicurezza statica di una struttura lignea in opera vi sono due modi: la prova di carico e l'ispezione e diagnosi

Una necessaria premessa alle considerazioni di seguito illustrate è che il legno strutturale è, notoriamente, un prodotto che evidenzia una modalità di rottura tipicamente fragile, cioè quando l’elemento è ancora pienamente nel campo elastico lineare.

Ciò si spiega facilmente ricordando che nel legno strutturale sono inevitabilmente presenti - e ammessi dalle norme in una certa misura attraverso la classificazione secondo la resistenza meccanica - difetti originari quali nodi, fibratura inclinata e altri ancora. Nel legno in opera, inoltre, ai difetti originari si può aggiungere il degrado dovuto alle condizioni di servizio. Di tutto questo si tiene dovutamente conto nell’Eurocodice 5 e, conseguentemente, nelle NTC..

Nel legno in opera, inoltre, ai difetti originari si può aggiungere il degrado dovuto alle condizioni di servizio. Di tutto questo si tiene dovutamente conto nell’Eurocodice 5 e, conseguentemente, nelle NTC.

Di tale premessa occorre ricordarsi, nei casi in cui si scelga di effettuare una valutazione della sicurezza statica di una struttura lignea in opera attraverso due distinti metodi di indagine (nel seguito dati per noti e quindi schematizzati in forma estremamente sintetica e semplificata):

• la prova di carico, che può mettere in evidenza le problematiche di tipo statico generale di una struttura, ma che non è necessariamente in grado di identificare problemi di qualità originaria o di degrado del materiale, tipicamente localizzati e puntuali;
• l’ispezione, diagnosi e classificazione del legno strutturale, che può mettere in evidenza l'eccessiva difettosità originale degli elementi lignei portanti (intesi quindi come componenti strutturali e non come “legno” genericamente inteso), nonché l'eventuale degrado dovuto alla permanenza in esercizio (attacchi biologici, cedimenti strutturali, dissesto delle unioni), ma che non è necessariamente in grado di identificare i problemi generali collegati alla staticità della struttura, cioè ai carichi imposti, alle soluzioni costruttive adottate nel progetto, alle modalità di esecuzione da parte dell'impresa costruttrice, ecc.

I due diversi tipi di indagine esaminano quindi la stessa struttura sotto angolazioni profondamente diverse e il risultato globale può essere considerato "favorevole" per la struttura solo allorché entrambi i metodi non evidenzino criticità. Si perviene così alla seguente casistica sommaria:

È evidente che soltanto il caso a) riportato nella Tabella 1 può essere ritenuto tranquillizzante.

Nei restanti casi b), c) e d), occorre intervenire sui fattori indicati come critici, cioè sui materiali, sulla struttura, oppure su entrambi.

Il punto essenziale è il seguente: la prova di carico non intende portare la struttura al limite di rottura e neppure oltre la linearità. Di norma, quindi, si stimerà un ragionevole limite di esercizio e conseguentemente si imposterà il carico massimo di prova. Se le deformazioni rilevate sotto carico diventano eccessive rispetto a quelle attese, la prova viene interrotta. Se, invece, le deformazioni rimangono entro i limiti attesi, si interrompe la prova solo a carico massimo di prova raggiunto e mantenuto per un tempo ritenuto congruo. In quest’ultimo caso la prova di carico si dice avere dato risultato "favorevole", con deformazioni finali entro i limiti e con una curva carico-deformazione ragionevolmente rettilinea e stabile a carico massimo raggiunto.

Tuttavia, rimane un aspetto che questa prova non è minimamente in grado di cogliere: quanto prossima al carico ultimo di rottura (sempre fragile nel legno strutturale, come si è detto in premessa) è arrivata la sollecitazione degli elementi lignei nel corso della prova?

Qui interviene il valore aggiunto della classificazione in opera: se il tecnologo del legno, nel corso della sua ispezione, rileva che alcuni elementi lignei sono eccessivamente difettosi o hanno zone significativamente degradate, segnalerà che il loro comportamento atteso sotto carico, seppur lineare nel suo complesso, potrà portare localmente le tensioni molto al di là dei valori di sicurezza (con conseguenti rischi di cedimento immediato), oppure ben oltre il limite di scorrimento del legno (con problemi legati alla durata del carico e a cedimenti differiti nel tempo).

In altre parole: non ovunque, ma specificamente nella zona del difetto o del degrado, un solo chilogrammo di prova in più, oppure un solo minuto in più di durata del carico massimo di prova, potrebbero portare a un cedimento improvviso, così come tante volte è stato verificato in laboratorio e in opera.

Per concludere questa prima parte del presente contributo, si ritiene che la procedura più adeguata, quando si desideri intercettare nel modo più efficace tutte le eventuali criticità di una struttura lignea in opera, sia quella della preliminare ispezione e diagnosi da parte del Tecnologo del legno strutturale, le cui segnalazioni metteranno in grado lo Strutturista di impostare una prova di carico esente da rischi e in grado di fornire indicazioni tecniche fruibili ai fini della progettazione degli interventi di restauro.

Prove di carico con serbatoi pensili

Una tipica prova di carico potrà essere quella rappresentata sulla trave in legno lamellare riportata in foto, in cui il sovraccarico equivalente applicato è costituito da serbatoi pensili riempiti d’acqua secondo passaggi di carico successivi e progressivi, con step, solitamente 5, di pari entità sia nella fase di carico che in quella di scarico.
Il carico equivalente sarà costituito da carichi concentrati in un certo numero punti tali da generare sulla struttura in esame lo stesso momento flettente in mezzeria prodotto dal carico uniformemente distribuito secondo cui la struttura è stata progettata.

Le misure di deformazione, di abbassamento e di rotazione verranno rilevate attraverso stazioni di misura costituite da sensori elettronici che garantiscano una precisione del centesimo di millimetro e di grado centesimale e del micron nel caso delle deformazioni.

Il carico viene applicato con sequenze di step di pari entità fino al raggiungimento del carico massimo di progetto. I tempi di permanenza ad ogni carico saranno quelli necessari alla completa stabilizzazione delle misure che vengono rilevate in continua e memorizzate ad ogni step di carico. In fase di carico ci si aspetta che a pari incrementi di carico si registrino misure quanto più possibili proporzionali fra loro, che le misure in corrispondenza del carico massimo siano inferiori di quelle calcolate teoricamente e che, in corrispondenza di un carico massimo costante le misure si stabilizzino nel minor tempo possibile.

La fase di scarico avverrà secondo step uguali e decrescenti rispetto a quelli applicati in fase di carico, facendo attenzione che, per congruenza, le misure registrate ad ogni step di scarico siano sempre più alte di quelle registrate nel corrispondente step in fase di carico, ma che allo stesso tempo questa differenza sia quanto più possibile bassa. Questo divario fra carico e scarico darà vita a un’area d’isteresi che, quanto più piccola sarà, tanto più sarà elevato l’indice di bontà della prova di carico.

Un altro parametro estremamente significativo di una prova di carico sarà l’entità del valore dell’abbassamento residuo che ogni stazione misura in corrispondenza del carico zero e che dovrà essere il più basso possibile.

Il rapporto fra gli abbassamenti rilevati a carico massimo e quelli in corrispondenza del carico nullo, depurati dalle misure d’abbassamento rilevate in corrispondenza degli appoggi, costituisce la permanenza percentuale oppure la percentuale di freccia residua che ci si aspetta che sia più bassa possibile a fronte di una prova di carico che si conclude con esito positivo.

Ovviamente, considerando il comportamento viscoelastico del legno, occorrerà valutare con attenzione la velocità di applicazione degli step di carico e scarico e la misurazione delle conseguenti deformazioni anche in funzione dei tempi in cui la prova è effettivamente svolta, così da isolare le componenti puramente elastiche delle deformazioni da quelle riconducibili a fenomeni di fluage e assimilati.

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Nei prossimi paragrafi, oltre a presentare altre prove di carico ci si concentrerà sull'interpretazione dei risultati.