Prove su legno

Fonte: Roberto Leon, Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale, Virginia Tech, Blacksburg, VA

Il legno è un materiale onnipresente che è stato utilizzato nella costruzione fin dai primi tempi. Il legno è un materiale rinnovabile, sostenibile e di grande valore estetico. Oggi, ci sono probabilmente più edifici costruiti con il legno di qualsiasi altro materiale strutturale. Molti di questi edifici sono residenze unifamiliari, ma molti condomini più grandi, così come edifici commerciali e industriali, utilizzano anche cornici in legno.

L'uso diffuso del legno nell'edilizia ha appeal sia da un punto di fatto economico che estetico. La capacità di costruire edifici in legno con una quantità minima di attrezzature ha mantenuto il costo degli edifici in legno competitivo con altri tipi di costruzione. D'altra parte, dove le considerazioni architettoniche sono importanti, la bellezza e il calore del legno a vista è difficile da abbinare ad altri materiali.

Gli obiettivi di questo esperimento sono di condurre prove di trazione e compressione su tre tipi di legno per studiare il loro comportamento stress-deformazione e di condurre un test di flessione a quattro punti su una trave di legno per accertarne le prestazioni di flessione. In una prova di flessione a quattro punti, una trave semplicemente supportata viene caricata con due carichi punti uguali nei suoi terzi punti, risultando in una porzione centrale con momento costante e zero taglio. Questo è un test importante perché gli elementi strutturali in legno sono spesso utilizzati nei sistemi a pavimento e sono quindi caricati principalmente da sollecitazioni di flessione.

Il legno è composto da celle allungate, rotonde o rettangolari simili a tubi. Queste cellule sono molto più lunghe (2-4 mm) di quanto non siano larghe (20-40 μm), con la lunghezza delle cellule spesso correlata alla lunghezza dell'albero. Le pareti cellulari sono fatte di cellulosa (un polimero), con catene polimeriche allineate in direzioni distinte in ciascuno degli strati che formano la parete cellulare. La parete centrale, con le sue catene allineate lungo la dimensione più lunga della cella, fornisce la maggior parte della forza alla cella, mentre le catene diagonali della parete interna ed esterna forniscono stabilità. La struttura della parete cellulare è semicristallina, con strutture cristalline di 30-60 μm di lunghezza seguite da brevi sezioni amorfe. Le catene e le cellule sono legate insieme da un materiale noto come lignina. Ogni cellula è relativamente debole, ma l'effetto di raggruppamento di molte cellule insieme fornito dalla lignina si traduce in un materiale da costruzione molto forte e utile. Una buona analogia per questo è la resistenza di una singola cannuccia da bere rispetto a quella di molte cannucce incollate o legate insieme.

Il semplice fatto che il legno sia un materiale biologico lo rende molto suscettibile al decadimento ambientale e all'attacco di parassiti se esposto agli elementi. Pertanto, gran parte del legno utilizzato oggi è pretrattato con sostanze chimiche per proteggerlo dall'ambiente e dall'attacco degli insetti. Che il legno sia un materiale biologico significa anche che c'è una grande variazione nelle proprietà ingegneristiche tra i pezzi di legno, anche all'interno della stessa specie arborea. Un gran numero di imperfezioni sarà inevitabilmente presente, rendendo il legno un materiale disomogeneo. Questi difetti sono il risultato di nodi, in cui una porzione di un ramo o di un arto è stata incorporata nel corpo principale dell'albero. Di conseguenza, nella progettazione del legno vengono utilizzati grandi fattori di sicurezza, o rapporti tra la resistenza del progetto e la forza finale effettiva. I valori tipici per i fattori di sicurezza nel legno sono 2,5 per i membri nella piegatura e i codici di progettazione sono calibrati in modo tale che il 99% dei membri avrà almeno un fattore di sicurezza 1,25.

La composizione cellulare del legno lo rende un materiale ortotropico. Pertanto, le proprietà saranno diverse se il materiale viene caricato parallelamente o perpendicolarmente al lato lungo delle celle. Questa proprietà significa che la solita teoria dell'elasticità non può essere utilizzata direttamente in quanto il materiale non è isotropo (stesse proprietà in tutte e tre le direzioni) ma ortotropico (proprietà distinte in due direzioni: longitudinale e trasversale alla direzione cellulare più lunga). La composizione cellulare significa anche che il contenuto di umidità del legno è un parametro chiave nel determinare la sua forza. Entrambi questi fattori sarebbero troppo complessi per l'uso nella progettazione quotidiana, quindi la progettazione del legno per scopi strutturali si basa sulla teoria lineare e sulle sollecitazioni ammissibili determinate dal seguente approccio:

1. Viene eseguita un'analisi statistica di un gran numero di valori di resistenza del clearwood finale (o privi di difetti) per le varie specie commerciali. Le sollecitazioni nominali si basano sul fatto che il 95% dei valori è maggiore e il 5% è inferiore alla forza finale nominale.
2. I valori vengono corretti per tenere conto del contenuto di umidità, poiché questo fattore influisce notevolmente sulla maggior parte delle proprietà ingegneristiche del legno. L'umidità nel legno è costituita principalmente da acqua libera nelle cavità cellulari e acqua legata nelle pareti cellulari. Quando il legno viene asciugato, è facile rimuovere l'acqua libera, ma molto più difficile rimuovere l'acqua legata. Il contenuto di umidità al quale l'acqua inizia a essere rimossa dalla parete cellulare è chiamato punto di saturazione della fibra (FSP). In generale, la riduzione dell'umidità si traduce in un aumento della resistenza, in particolare quando il livello scende al di sotto dell'FSP. Il legno nella sua condizione verde (o appena tagliato) avrà un grande contenuto di umidità (oltre il 100% per specie come la balsa) e non inizierà a guadagnare forza significativa fino a quando il suo contenuto di umidità non scenderà al di sotto dell'FSP, che varia dal 22% al 30% per la maggior parte delle specie. Il legname è considerato verde (o tagliato in condizioni di umidità) quando il suo contenuto di umidità è superiore al 19% e superficiale asciutto se al di sotto di tale limite. Il legno essiccato all'aria avrà un contenuto di umidità di circa il 12% -15%, mentre il legno essiccato in forno è inferiore al 10%. Il legno viene essiccato in forno solo se necessario per applicazioni speciali come i mobili; per le applicazioni strutturali più comuni è sufficiente l'essiccazione all'aria.
3. I rapporti di resistenza vengono successivamente utilizzati per regolare i valori del clearwood al fine di tenere conto dei difetti di riduzione della resistenza consentiti in un determinato grado di sollecitazione. I gradi di sollecitazione, una misura della qualità del legno ingegneristico, vengono generalmente assegnati in base a una rapida ispezione visiva o da test di flessione eseguiti nella linea di produzione. In quest'ultimo caso, la rigidità è proporzionale al modulo di elasticità, e questo è quindi correlato alla forza. Le proprietà comunemente date per la maggior parte dei legni sono lo sforzo di flessione consentito (F_b),il taglio orizzontale (F_v),la compressione parallela al grano (F_c),la compressione perpendicolare al grano (F_c)e il modulo di elasticità (E). Oltre alle proprietà specifiche di orientamento di base di una specie di legno, dovrebbe essere evidente che non tutti i legni si comportano allo stesso modo sotto carico. I legni più morbidi, come l'abete rosso, il pino o l'abete, sono relativamente economici e quindi vengono utilizzati prevalentemente per scopi strutturali in strutture a telaio leggero. I legni più duri, come la quercia o l'hickory, hanno un tasso di crescita e un modello diversi, rendendo i legni più difficili da ricostituire, dando loro anche caratteristiche superiori per determinate applicazioni di costruzione.

È importante notare che grandi cambiamenti volumetrici sono associati a riduzioni del contenuto di umidità. Anche il restringimento che deriva dall'essiccazione non è uniforme. Ad esempio, per l'abete di Douglas, il restringimento radiale è del 4,8%, il restringimento tangenziale è del 7,6% e il restringimento volumetrico è del 12,4%. Poiché il legno è un materiale polimerico, è anche soggetto a scorrimento o a deformazioni viscose continue sotto carico costante. Di conseguenza, il legno può generalmente supportare sollecitazioni molto più elevate se la durata del carico è breve. Un fattore di durata del carico viene utilizzato per tenere conto di questo comportamento. Se le durate di carico sono brevi, ad esempio 10 minuti o meno per il caso di carichi sismici e grandi tempeste di vento, i valori di progetto possono essere moltiplicati per 1,6 perché la durata del carico è abbastanza breve da non verificarsi alcun creep apprezzabile.

Altri fattori di correzione comunemente usati sono il fattore di dimensione, il fattore membro ripetitivo e il fattore di forma. Il fattore dimensionale spiega il fatto che la maggior parte dei dati sul legno è generata da prove di travi poco profonde, meno di 12 pollici di profondità, ed è noto che la resistenza media diminuisce all'aumentare delle dimensioni dell'elemento a causa della presenza di difetti (il cosiddetto eff ect dimensionale). Il fattore ripetitivo viene utilizzato per spiegare il fatto che i membri del legno sono spesso usati in prossimità l'uno dell'altro e sono legati insieme da diaframmi e collettori del pavimento, quindi la debolezza o il fallimento di un singolo membro non porta a un collasso sproporzionato (cioè, i guasti saranno localizzati). Infine, anche le proporzioni (profondità/spessore) di un membro influiscono sui risultati dei test. Tutti questi fattori di correzione sono fondamentalmente empirici, ma giustificati sulla base delle statistiche dei risultati dei test di laboratorio e dell'esperienza delle prestazioni sul campo.

Le proprietà ortotropiche del legno possono essere migliorate creando laminati, come il compensato, in cui strati con fibre allineate in direzioni perpendicolari si traducono in un materiale isotropo. In modo simile, i membri fatti di sottili strisce di fibre allineate nella stessa direzione e incollate sotto pressione, o colla laminata (legno lamellare), derivano la loro resistenza dalla distribuzione dei difetti.

Test di compressione

1. Ottenere campioni nominali di cubo di compressione da 3-1/2" di tre diversi legni (pino australe, abete rosso e quercia per esempio). I cubi possono essere tagliati da una sezione 4x4 ma devono essere in legno chiaro. Assicuratevi che le superfici siano parallele l'una all'altra. Un set di campioni deve essere testato con il carico applicato parallelamente al grano e l'altro set di campioni deve essere testato con il carico applicato perpendicolarmente al grano. Il numero di ripetizioni di test all'interno di un set dipende dai limiti di confidenza desiderati. Solo un test per set verrà eseguito come parte di questo laboratorio, in quanto i suoi obiettivi sono dimostrare le tecniche e non sviluppare grandi set di dati robusti per la progettazione ingegneristica.
2. Misurare le dimensioni della sezione trasversale (larghezza e spessore) di ciascun campione di prova con l'0,002 pollici più vicino utilizzando una pinza. Misurare la lunghezza totale (nella direzione di carico) per i campioni di compressione. Poiché i campioni possono variare leggermente nelle dimensioni per tutta la loro lunghezza, effettuare diverse misurazioni e registrare la media approssimativa per ciascuna dimensione misurata.
3. Dopo aver impostato la macchina di prova universale (vedi primo manoscritto su questa serie: Costanti dei materiali), centrare attentamente il campione sulla piastra di compressione e abbassare la traversa fino a quando non viene applicato un leggero carico. Utilizzare i controlli fini per riportare il carico il più vicino possibile allo zero.
4. Applicare lentamente il carico compressivo con una velocità di carico compresa tra 20 psi e 50 psi al secondo.
5. La prova di compressione può continuare per diversi minuti con il carico in continuo aumento e con una deformazione significativa osservata nel campione. Continuare la prova fino a raggiungere ovviamente un carico massimo.
6. Registrare il carico massimo dallo schermo.
7. Ripetere per tutti i campioni, sia con campioni paralleli che perpendicolari al grano.

Test di tensione

1. Ottieni esemplari di osso di cane di tre diversi legni (pino meridionale, abete rosso e quercia per esempio). Un set di campioni deve essere testato con il carico applicato parallelamente al grano e l'altro set di campioni deve essere testato con il carico applicato perpendicolarmente al grano. Si noti che questi non sono il tipo di campione richiesto per i test ASTM su legno, in quanto l'intento è quello di dimostrare il comportamento alla trazione e non di sviluppare un database per la progettazione.
2. Procedere normalmente con la consueta macchina per prove di tensione (vedi secondo manoscritto su questa serie: Prove di trazione su acciaio).

Test di flessione

1. Ottenere un 2x4 circa 24 in. lungo di denso pino meridionale.
2. Installare un apparecchio di prova di flessione a quattro punti sulla macchina di prova universale (Fig. 1).

Figura 1: Apparecchio di piegatura a quattro punti.

3. Avviare la macchina di test e il software associato. Assicurarsi che il software sia impostato per acquisire il carico massimo e registrare i carichi e i valori della traversa.
4. Installare il 2x4 nell'apparecchio e abbassare la traversa superiore fino a quando l'apparecchio inizia a entrare in contatto con la trave di legno.
5. Applicare il carico lentamente (circa 2000 libbre al minuto) fino a quando il raggio si frattura (Fig. 2).

Figura 2: Cedimento flessionale della trave di legno.

6. Registrare il carico di errore.

I risultati delle prove di compressione, tensione e flessione sono riassunti nella Tabella 1. Come dimostrato costantemente da tutti i risultati, la quercia è il legno più forte, seguito dall'abete rosso e dal pino meridionale.

Tabella 1: Riepilogo delle prove sul legno

Tabella 2: Dati normalizzati

La tabella 2 presenta gli stessi dati della tabella 1, ma normalizzati alla resistenza del materiale di quercia. Per le due proprietà più importanti, resistenza alla flessione e compressione parallela al grano, l'abete rosso sembra essere circa l'87% e il pino meridionale circa il 78% forte come la quercia. Dato il differenziale di prezzo molto ampio tra i boschi, sembrerebbe che il pino meridionale, come il più economico di essi, sia una scelta molto efficiente.

Il legno è un materiale naturale sostenibile che presenta proprietà ortotropiche. In altri laboratori, materiali come metalli, polimeri e calcestruzzo sono stati testati in tensione o compressione con l'ipotesi che il materiale agisca isotropicamente, il che significa che la sua resistenza a un particolare carico è la stessa indipendentemente dall'orientamento del materiale. L'acciaio, ad esempio, ha una miriade di grani orientati casualmente su micro scala, dandogli proprietà omogenee e isotrope su scala macro. Tuttavia, il legno, con la sua direzione delle venature facilmente identificabile, non agisce isotropicamente. Pertanto, un progettista deve considerare attentamente i carichi previsti su un membro o una struttura in legno per garantire la massima efficacia del materiale. Inoltre, a causa della sua origine naturale, il legno ha proprietà meccaniche legate alle singole specie di alberi, al contenuto di umidità e alle dimensioni del campione di prova.

Fino a poco tempo fa, le strutture in legno erano limitate a tre o quattro piani in un appartamento o in un piccolo edificio per uffici. Gli sviluppi del legno lamellare incrociato, pannelli di legno costituiti da strati orientati ad angolo retto l'uno rispetto all'altro e poi incollati, hanno portato allo sviluppo di sistemi strutturali in grado di raggiungere 8 o più piani. Edifici molto più alti, nell'ordine di 20 piani, sono ancora in fase di sviluppo.