Volevo chiedere perchè nelle versioni più recenti delle norme EN 338 ed EN 1194 sono stati ridotti i valori di resistenza alla compressione ortogonale alla fibra.

20.04.2009 | Nr.: 767

Risposta

La Sua domanda pone giustamente l'attenzione sul fatto che, nelle diverse versioni delle normative recanti i profili prestazionali dei materiali, sono stati modificati i valori di resistenza alla compressione ortogonale alle fibre. Come evidenziato dalla seguente tabella, i valori di resistenza sono stati praticamente dimezzati nelle ultime versioni della normativa, rispetto alle versioni degli anni '90 delle stesse norme.

Si noti inoltre che nella norma DIN 1052 versione 1988 (norma alle tensioni ammissibili), si riportavano valori di tensione ammissibile per compressione ortogonale alle fibre pari a 2,5 MPa per il legno lamellare di conifera (3 MPa nel caso in cui si accettassero maggiori schiacciamenti locali) e pari 2 MPa per il legno massiccio di conifera (2,5 MPa nel caso in cui si accettassero maggiori schiacciamenti locali).

Questa osservazioni sulla variabilità dei valori nei diversi documenti normativi mostrano che la definizione di un parametro di resistenza per compressione ortogonale alle fibre è, in sostanza, di carattere convenzionale. In particolare tale valore dipende da:

1. come viene definita la crisi per schiacciamento

2. come si tiene conto, a livello normativo, degli effetti di confinamento che si possono registrare sperimentalmente

1. Quando il legno è sollecitato ortogonalmente alla direzione della fibratura la forma di collasso che si osserva a livello anatomico è associata allo schiacciamento laterale delle cellule legnose, che avviene in maniera analoga al caso di un tubo a parete sottile sollecitato a compressione laterale. Tuttavia il collasso localizzato non comporta necessariamente una crisi dell’intero elemento ligneo, infatti nei diagrammi di derivazione sperimentale la fase elastica lineare si esaurisce con piccolissime deformazioni non appena cominciano a schiacciarsi le prime fibre, mentre la successiva zona pseudo-plastica è molto estesa. Questo spiega come mai le problematiche associate alla compressione ortogonale alla fibratura sono legate, piuttosto che ad un vero proprio collasso del materiale, alle deformazioni post-elastiche che si possono determinare. Tali deformazioni permanenti possono causare conseguenze non accettabili nel comportamento complessivo della struttura (si pensi al cedimento di un appoggio, che può determinare una variazione del regime delle sollecitazioni all'interno delle membrature). Diventa quindi necessario stabilire un criterio di carattere convenzionale per definire una deformazione massima accettabile, e determinare in maniera convenzionale, in corrispondenza di tale deformazione, il valore di “resistenza a compressione ortogonale alle fibre”. Per esempio, secondo la normativa europea EN 1193, la resistenza del materiale deve essere ricavata in corrispondenza della deformazione dell’1% nel diagramma tensione-deformazione ricavato da una prova su un campione “non confinato”, secondo la configurazione illustrata nella prima figura a lato.

E' bene sottolineare ancora una volta il carattere convenzionale di tale definizione di resistenza: altre normative, come per esempio la norma americana ASTM D143, assegnano criteri del tutto diversi per determinare tale valore.

2. Un importante fenomeno che contribuisce al meccanismo resistente è il cosiddetto effetto di confinamento, legato alla presenza di superficie laterali non sollecitate intorno alla zona di applicazione del carico. Sperimentalmente si osserva infatti che i campioni confinati presentano valori di resistenza e di rigidezza crescenti all’aumentare della larghezza c di confinamento e che, inoltre, sono caratterizzati da un comportamento post-elastico con “incrudimento” molto più pronunciato di quello esibito dai campioni “non confinati” ma con minore estensione del plateau plastico. Si vedano i diagrammi sperimentali riportati nella seconda figura a lato che mostrano come l'effetto di confinamento determina un aumento di resistenza.

Approcci normativi

I meccanismi resistenti che garantiscono la capacità portante nel caso di verifica a compressione ortogonale alle fibre sono quindi due: il primo contributo è legato alla resistenza offerta dalle fibre del legno a comprimersi e schiacciarsi lateralmente, che viene definita in maniera convenzionale in accordo con la norma europea EN 1193; il secondo contributo è dovuto agli “effetti di confinamento”, che si possono spiegare con la collaborazione, al meccanismo resistente, delle fibre adiacenti non caricate, le quali sono sollecitate (localmente) a trazione assorbendo una quota parte del carico. Mentre le caratteristiche di resistenza sono definite all'interno delle norme recanti i profili prestazionali dei materiali (EN 338, EN 1194), l'entità dell'effetto di confinamento è da valutare in accordo con la normativa di calcolo che si sta utilizzando.

Le formule di verifica proposte dalle diverse normative modellano l'entità di questo secondo contributo (“effetti di confinamento”) in due modi: assumendo un fattore di incremento della resistenza a compressione ortogonale alle fibre tramite un coefficiente di confinamento kc,90 e aumentando l’area di impronta reale, attraverso l’introduzione di un’area efficace Aef.

La spiegazione dei diversi valori di resistenza nei diversi documenti è quindi spiegata con il carattere convenzionale della resistenza ortogonale alle fibre. I nuovi valori caratteristici sono più aderenti ai dati sperimentali determinati su campioni non confinati in accordo con i protocolli di prova secondo normativa (EN1193), mentre a livello delle nuovi codici di calcolo si è voluto tenere conto meglio dell'effetto di confinamento determinato in funzione della geometria di progetto.

Si consideri il caso dell'appoggio laterale di una trave alta h=320 mm, con una lunghezza a della parte sporgente oltre il bordo pari a 320 mm. Si effettui un confronto tra i seguenti quattro approcci normativi :

1. DIN 1052: 1988 alle tensioni ammissibili (dove si moltiplicano i valori ammissibili per un coefficiente pari a 1,4 per procedere al confronto con i valori di progetto);

2. DIN 1052: 2004 agli stati limite ultimi;

3. CNR-DT-206

4. EN 1995:2004

Assumendo i valori “aggiornati” di resistenza ortogonale alle fibra (EN 1994:2000), per ciascuno dei 4 approcci si è determinato un valore di tensione resistente ortogonale alle fibre “efficace” F_R,d (in MPa) che tenesse in conto della reale geometria all'appoggio (per determinare la resistenza alla compressione all'appoggio quindi si moltiplica tale valore per l'area reale all'appoggio). I risultati del confronto normativo sono illustrati nel terzo diagramma a lato, da cui si può osservare:

• i valore di resistenza “efficace” si attestano (soprattutto nell'area centrale del diagramma) intorno al valore di 4 MPa, quindi ben superiore ai valori caratteristici di progetto di partenza ricavati dalle nuove tabelle prestazionali;

• nel caso del nuovo Eurocodice si osserva un significativa sottostima dei valori di resistenza nel confronto con altri approcci normativi, soprattutto per elevate lunghezze all'appoggio; si osservi tuttavia che l'approccio del recente documento CNR DT 206 (che è sicuramente possibile utilizzare in Italia in accordo con quanto riportato nel cap. 12 delle nuove norme tecniche per le costruzioni D.M. 14/01/2008) è assai meno cautelativo dell'approccio eurocodice è più in linea con i risultati determinati con altre normative