Trave in legno armato, ora si può!

L’avvento del legno lamellare ha, senza dubbio, risolto alcune carenze tipiche del legno massiccio (limitazioni dimensionali e di forma, prestazioni meccaniche estremamente variabili, instabilità dimensionale, tendenza alla fessurazione, ecc.) ma non ha, ovviamente, rappresentato un punto di arrivo per la ricerca tecnologica e l’innovazione.

È stato recentemente proposto dagli ingegneri Claudio Cattich e Luca Gottardi, co-autori insieme al prof. M. Piazza una nuova tecnologia di produzione di trave in legno armata, con la quale si riesce a fornire un metodo di produzione di una lamella armata realizzabile industrialmente in una produzione di serie e che assicura l’ottenimento di travi di legno armate, con un comportamento in esercizio analogo a quello del cemento armato (in regime non fessurato), di elevate prestazioni per quanto riguarda sia la rigidezza che la resistenza (incrementi dell’ordine del 100% rispetto alla trave non armata di identica sezione).

Una trave armata di questo tipo presenta, infatti, una tensione ammissibile (equivalente) a flessione fino a 28 MPa ed un modulo elastico (equivalente) fino a 28 GPa, caratteristiche meccaniche queste che permettono un effettivo risparmio in altezza rispetto ad una trave equivalente in legno lamellare tradizionale con identica base (fino a circa il 40%) e che consentono, in pratica, di paragonare una trave armata a due travi affiancate in lamellare delle stesse dimensioni.

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In estrema sintesi, l’innovazione prevede il rinforzo del legno lamellare con l’inserimento di una o più barre di acciaio o di composito CFRP in apposite fresature praticate in alcune lamelle ed ad esse solidarizzate con un apposito adesivo epossidico, parte integrante della medesima tecnologia.

Le principali caratteristiche dell’elemento strutturale armato rispetto ad analogo elemento di legno lamellare o massiccio si possono così sinteticamente riassumere:

• fino a 2,5 volte più rigido e fino a 2,5 volte più resistente (il valore 2,5 non deriva da limitazioni teoriche ma dipende da motivate scelte progettuali e di possibilità produttive);
• resistenza al fuoco dell’elemento classe R 30 o R 60 (il risultato è ottenuto garantendo le adeguate distanze dell’armatura dai bordi di sezione);
• rottura a flessione con formazione di cerniera pseudo-plastica (caratteristica particolarmente interessante per applicazioni in zone sismiche);
• minore incidenza della difettosità del legno sulle caratteristiche meccaniche e conseguente minore variabilità delle caratteristiche meccaniche tra differenti elementi con identica sezione;
• limitato effetto delle variazioni di umidità e della durata del carico sul comportamento reologico globale;
• risparmio in altezza sulla sezione della singola membratura e risparmio complessivo di materiale;
• mantenimento dell’aspetto di trave in legno lamellare tradizionale, a fronte di resistenze e prestazioni molto superiori;
• armatura e relativo adesivo completamente inglobati nel legno, senza alcun contatto con l’ambiente.

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Durante l’ampia campagna di sperimentazione su travi armate con barre metalliche, si è potuto notare anche come la rottura delle fibre di legno in zona tesa non abbia mai portato al collasso immediato dell’elemento, grazie alla deformazione in campo non elastico delle barre. Per completezza della ricerca sia teorica sia sperimentale, è stata presa in considerazione anche un’armatura costituita da “barre” di CFRP. Anche le risultanze sperimentali dei provini armati con barre in fibra di carbonio sono state assolutamente conformi alle previsioni teoriche fornite dal modello di calcolo. Tuttavia, il tipo di rottura sicuramente fragile, la difficoltà attuale di reperire sul mercato barre CFRP con diametri elevati, nonché il costo (di gran lunga superiore rispetto alle barre metalliche) ne sconsigliano attualmente l’utilizzo: è però possibile che tali barre o altri materiali innovativi possano divenire – in un futuro non lontano – convenienti in applicazioni di legno armato.

Il comportamento complessivo della sezione mista legno – acciaio è assimilabile a quella di una sezione (non parzializzata) in cemento armato, con barre di armatura “annegate” in una matrice lignea anziché cementizia. Il contributo del complesso barre di armatura – adesivo può essere quindi preso in considerazione tramite un adeguato coefficiente di omogeneizzazione n: il valore di n può essere assunto pari al rapporto tra il modulo elastico dell’acciaio e quello del legno.

Dipendendo, in buona sostanza, le prestazioni meccaniche del legno armato dal rapporto tra i moduli elastici dei materiali oltre che, ovviamente, dalla percentuale di armatura, si evince che un elemento ligneo armato presenterà anche un migliore comportamento – rispetto ad un analogo elemento non armato – nei confronti delle variazioni di umidità e di carichi di lunga durata. In tali casi, infatti, il comportamento del materiale legno può essere “interpretato” mediante una riduzione progressiva del modulo elastico; il valore del coefficiente di omogeneizzazione n per la trave armata “appare” quindi aumentato, visto che il modulo elastico del materiale di armatura non varia.