Tipologie di lavorazione del legno, vincoli ideali e vincoli reali nelle giunzioni

Centri di lavoro a controllo numerico

In questo ultimo decennio ampio spazio è stato dato alla ricerca sperimentale e si sono raggiunti buoni risultati con campagne di sperimentazione volte a caratterizzare il comportamento delle unioni di carpenteria che hanno messo in evidenza come alcuni particolari costruttivi possono esibire comportamenti meccanici interessanti, soprattutto nei confronti di azioni eccezionali, con interventi migliorativi di lavorazione anche modestissimi.

Ciò che oggi si può fare con i centri di lavoro a controllo numerico (CNC) era impensabile fino a pochi anni orsono, oggi si ha la facoltà di modellare virtualmente la giunzione più efficiente tra due membrature lignee destinate a formare un sistema d’unione.

Con l’ausilio di specifici programmi di calcolo e CAD-CAM (computer aided design, computer aided manufacturing) interfacciati con macchine CNC (computer numerically controlled) per il taglio del legno è possibile progettare strutture anche complesse e per ognuno dei singoli elementi è possibile la definizione delle geometrie degli intagli da effettuare alle estremità dei singoli elementi lignei per la realizzazione dei nodi di carpenteria.

L’utilità di tali sistemi consiste nella possibilità di facilitare e di ridurre il numero di errori nella fase di progettazione e realizzazione delle lavorazioni sulle strutture lignee.

Si sa da sempre, ma con maggiore cognizione da quando gli studi sulle costruzioni si sono sviluppati su binari scientifici, che laddove le giunzioni sono prive di spigoli non si manifestano o perlomeno si attenuano le concentrazioni di sforzo.

Ciò oggi è possibile poiché una superficie, anche a geometria complessa, la si può elaborare in sede CAD ed il nesso con la meccanica è costituito dai centri di lavoro a controllo numerico (CNC). Ecco dunque che, elaborata la più virtuosa delle giunzioni in sede CAD e progettando la lisciatura degli spigoli, pur mantenendo i caratteristici vincoli, sussiste la possibilità di realizzarla in un CNC, adeguatamente concepito, attrezzato e gestito.

I centri di lavoro controllo numerico di nuova generazione sono dotati di innovativi gruppi operatore a sei assi che sono in grado di lavorare normalmente pezzi fino a 18 metri di lunghezza e 1,25 metri di larghezza con precisione millimetrica.

Grazie al software di cui sono dotati completamente integrati con i più diffusi sistemi CAD del settore, è possibile simulare virtualmente in anteprima i processi, per verificarne la correttezza prima dell’esecuzione, con notevoli vantaggi in termini di produttività, costi e qualità di lavorazione.

Un progettista deve sapere che potrà avere la possibilità di fare un’opera più evoluta se saprà cogliere i vantaggi insiti nelle lavorazioni della materia legno tramite le lavorazioni con le macchine per la lavorazione del legno computerizzate.

Le connessioni e i nodi di carpenteria

E’ importante conoscere sia le proprietà delle varie possibili lavorazioni che si possono ottenere con le lavorazioni con le macchine a controllo numerico ma è altrettanto importante sapere il comportamento “statico” sia della giunzione ideale (vincolo ideale) che di una eventuale giunzione degradata (vincolo degradato).

Infatti nel tempo, in caso di eccessiva tensione, eventuale rifollamento dei mezzi d’unione (connettori o viti da legno) o eventuale degrado naturale del legno a causa dell’ambiente nel quale è posto o eventuali deformazioni dovute a carichi non previsti in fase progettuale trasformeranno il “vincolo ideale” in un nuovo “vincolo degradato”.

E’ spesso difficile ipotizzare questi tipi di vincolo derivati da un certo tipo di lavorazione, con il presente articolo si cerca di proporre, in base all’esperienza maturata nel settore, quale potrebbe essere il vincolo ideale e quale il vincolo in caso di un degrado del nodo strutturale in relazione al tipo di giunzione.

E’ fondamentale tenere sempre presente che il legno è un materiale di origine organica e ha due fattori che da sempre preoccupano i progettisti:

• la sua intrinseca deperibilità
  
• la sua anisotropia.

Ecco dunque che, per far sì che una struttura lignea risulti efficiente e durabile, non soltanto ci si deve avvantaggiare delle proprietà “positive”, ma ci si deve anche tutelare da quelle “negative” del materiale legno.

Tra le proprietà positive riconosciute al legno, quelle più comunemente note sono la sua capacità di resistenza a compressione, ma soprattutto a trazione (tenendo conto in entrambe i casi del verso della fibratura) e poi l’elasticità.

Tra le prime due proprietà, è soprattutto quella a trazione che desta i maggiori assilli in fase di progettazione poiché, come è noto, non è affatto agevole valutarne la consistenza a causa delle anomalie e dei difetti naturali della materia legno.

Con anomalia si intende una variante rispetto al “legno normale” il quale viene inteso come un solido di forma cilindrica con anelli di accrescimento circolari, fibratura dritta e parallela all’asse del cilindro privo di nodi e altre irregolarità (sono anomalie i nodi, rastremazione del fusto, legno di reazione, tasche di resina, ecc.)

Mentre con il termine difetto si intende una qualsiasi caratteristica a carico del materiale tale da limitare o pregiudicare il suo utilizzo per un determinato impiego.

Nel nostro caso, trattandosi di legname strutturale, si considera difetto ogni irregolarità che causi scadimento delle proprietà meccaniche, quali resistenza ed elasticità, tra i vari difetti quelli che hanno maggiore importanza sono: alcuni tipi di nodi e la loro posizione, la cipollatura, la fibratura deviata ed alcune fessurazioni da ritiro.

Nel tempo si sono escogitati artifici che hanno riguardato il tema delle giunzioni: incastri dotati di cunei, biette, cavicchi e già anticamente, sempre a fini di giunzione, si è fatto spessissimo ricorso ad accessori metallici.

Ma una criticità storicizzata, che si perpetua ai giorni nostri, riguarda le giunzioni a solo legno; a questo riguardo, si deve fare mente locale al fatto che le tecniche di taglio per attuare interconnessioni tra pezzi lignei, essendo fondamentalmente di tipo planare, favoriscono geometrie di tipo poliedrico.

Gli inevitabili scavi così combinati durante le lavorazioni producono alcune problematiche, infatti alcune parti della struttura lignea lavorata sono “stratagliate” (e dunque indebolite), vengono così a realizzarsi zone di concentrazione di sforzo in prossimità di vertici e spigoli dei volumi poliedrici di taglio, questi fattori invece di compensarsi tendono l’uno ad aggravare l’altro.

Sarà quindi fondamentale intervenire nelle lavorazioni “lisciando le giunzioni”, ciò oggi è possibile poiché una superficie, anche a geometria complessa, la si può elaborare in sede CAD ed in sede di lavorazione nei centri di lavoro a controllo numerico si ha la facoltà di modellare virtualmente la giunzione (lisciare) tra due membrature lignee destinate a formare sistema onde evitare concentrazioni di tensioni e ottimizzando il comportamento finale della connessione.

Inoltre, al fine di una corretta ipotesi di vincolo, si deve sempre ipotizzare che nelle strutture lignee è “quasi impossibile” ottenere vincolo a incastro, si deve sempre ipotizzare un vincolo a cerniera per cui occorre tener presente le rotazioni che può subire l’elemento secondario, in funzione dell’inerzia flessionale e dei carichi su di esso agenti, e che ciò sia compatibile con le reali possibilità di rotazione del collegamento.

Quindi risulta non banale affermare che un collegamento “infinitamente rigido”, nel caso di giunzioni tra aste lignee, è praticamente impossibile da realizzare, ci si può comunque avvicinare e in questo caso si parlerà di unioni rigide, cioè capaci di trasmettere azioni di tipo flessionale nel caso in cui le sezioni estreme delle aste convergenti al nodo siano costrette a subire la stessa rotazione e questo è possibile solamente mediante l’uso di collanti per legno da utilizzare nella creazione del nodo di carpenteria.

Da non sottovalutare le variazioni di umidità che determinano variazioni dimensionali negli elementi lignei e di conseguenza possono formarsi stati di coazione all’interno della giunzione.

Altra situazione pericolosa si verifica quando vengono realizzati sistemi di collegamento sovrapponendo elementi lignei aventi una differente direzione della fibratura, in questo caso il diverso comportamento igroscopico del legno lungo differenti direzioni anatomiche comporta l’instaurarsi di tensioni di trazione perpendicolarmente alle fibre che possono comportare l’insorgere di fessurazioni , la cui entità è funzione oltre che delle variazioni d’umidità anche della tipologia e dalla geometria del collegamento.

Con il termine nodo di carpenteria si indicano solitamente le connessioni per il collegamento delle membrature lignee, caratterizzate dalla trasmissione degli sforzi per contatto delle superfici, le giunzioni di carpenteria che si possono realizzare possono lavorare non solo a compressione, ma anche a taglio e trazione.

Per comprendere le capacità statiche di un nodo di carpenteria è utile accennare ai meccanismi resistenti del legno sottoposto a compressione:

• parallelamente alle fibre si hanno le capacità massime di resistenza ed il collasso si avviene per instabilità euleriana delle cellule legnose,
  
• perpendicolarmente alle fibre le resistenze sono minime ed il collasso è associato all’instabilità delle cellule legnose sottoposte a compressione radiale, una situazione di compressione inclinata rispetto alla direzione delle fibre presenta valori di resistenza intermedi.

Una ulteriore complicazione in fase progettuale è la valutazione della riduzione della resistenza dovuta alla compenetrazione delle fibre tra superfici lignee poste a contatto, dovuta alla differente resistenza alla compressione del durame e dell’alburno che formano la massa legnosa (anelli di accrescimento).

Nelle superfici a contatto gli strati di durame tendono a schiacciare e compenetrare gli strati di alburno, tale problema in fase di progetto deve essere tenuto in considerazione quando si utilizzano travature Uso Fiume e può essere del tutto trascurato nel caso di travature in legno lamellare.

Le travi Uso Fiume sono ricavate dal tondame tramite squadratura continua, dal calcio alla punta, su quattro facce e smussatura degli spigoli, eseguita mediante squadratrici meccaniche.
Gli elementi prodotti conservano una sezione costante e proprio per la loro tipologia, nella parte della punta, sono composti mediamente da un 20 / 30 % di alburno e da un 70 / 80 % di durame.

A seguire (nel PDF) gli schemi di vincolo (nodi strutturali)