L’evoluzione delle tecniche di connessione

I compositi a base di legno, cioè materiali ottenuti dalla sommatoria di frammenti in legno, hanno origini assai più remote.

connettori

Il composito più antico è comunque rappresentato dal legno stesso, in quanto composto da fibre ben organizzate ed orientate dal legno stesso, in quanto composto da fibre ben organizzate ed orientate, unite da una matrice amorfa e ricca d’acqua.

Ma la storia dei compositi, come noi oggi la intendiamo, inizia con la civiltà degli Egiziani, i quali mescolavano fibre vegetali all’impasto del loro vasellame per impedirne la fessurazione quando l’argilla essiccava troppo velocemente al sole.

Nel nostro paese il primo trattato che si occupa concretamente di un composito del legno viene steso nel settecento da Giuseppe Del Rosso, che propone una serie di archi in legno lamellare, cioè formati da tavole sovrapposte curvate e tenute unite da tasche metalliche.
Il problema dei ponti offrirà forti incentivi allo sviluppo ed impiego del legno composito (anche se sempre a livello concettuale di unione di piccoli pezzi per ottenere grandi strutture).
Andrea Palladio già nel cinquecento si occupa dell’argomento ricorrendo per il superamento delle grandi luci, alle strutture reticolari.
Nell’Europa centrale alla fine del Seicento, ci si preoccupa ancora del problema della sovrapposizione delle travi e tavole in legno e si disegnano ponti a struttura in legno reticolare. Nel secolo successivo nei trattati sulle costruzioni in legno si propongono strutture reticolari in legno massiccio e semplici sovrapposizioni.
Anche dalla lettura dei trattati si può notare la differenza di atteggiamenti nei confronti del legno: Del Rosso, in Italia, studia e propone particolari soluzioni parziali con l’uso del lamellare, mentre i trattatisti di lingua tedesca del centro Europa inseriscono il legno in un discorso più globale e che abbraccia totalmente il campo delle costruzioni.
Molti contributi nel campo dell’impiego del legno sia massiccio che sotto forma di compositi sono estranei all’edilizia. Dalle costruzioni aereonautiche e navali, ci sono giunti particolari contributi che ci possono suggerire alcune strade di futura percorribilità.
I primi aerei costituiscono una esaltazione delle prestazioni del legno.
La loro iniziale concezione strutturale (quella dei biplani) sfruttava il legno a compressione e flessione e l’acciaio a trazione. La costruzione di un aereo in legno richiedeva grande accuratezza sia nella scelta del legname (in Europa si usavano frassino massiccio o compositi a base di frassino e abete incollati) sia nell’unione e giunzione dei vari elementi lignei e metallici.

ancoranti chimici

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I costruttori dei primi aerei quindi impararono l’uso delle colle, e dell’impiego di compositi di legno, generalmente di tipo lamellare ma usando qualità diverse di legno in un’unica struttura lamellare a seconda dell’impiego.

La fine della prima guerra mondiale vide la fine degli aerei in legno tipo biplano, a favore di aerei metallici a guscio rinforzato, ma il secondo conflitto mondiale riportò in auge, in alcuni paesi, gli aerei in legno.
In Inghilterra, infatti, la scarsità di materiali metallici e la necessità di una rapida produzione aeronautica militare, impose la conversione di molte fabbriche di mobili in laboratori di costruzioni di componenti aeronautici in legno.
Questi velivoli inglesi degli Anni Quaranta (sia a motore che per il volo a vela) non erano però i vecchi aerei a struttura reticolare ma con concezione a guscio rinforzato da telaio ligneo e rivestimento strutturale esterno in multistrati in legno incollato.
Il più prestigioso di questi aerei in legno era il bimotore inglese Mosquito, che perdurò in servizio per molti anni anche dopo la guerra.
Il rivestimento strutturale di questo aereo era fissato su un telaio in legno ed era costituito da fogli di compensato con anima in balsa, e l’unico metallo impiegato era presente solo in alcuni punti di maggior tensione e ridotta sezione.
Sempre durante il secondo conflitto vennero introdotte, sotto la spinta delle costruzioni aeronautiche, nuove tecnologie per i compositi a base legnosa.
Fra questi ricordiamo il Duramond, sottili fogli di betulla incollati con resine e modellati a caldo sotto pressione. Su questa strada vennero costruite anche le eliche degli aeroplani: sottili lamelle di legno duro incollate con resine e pressate in modo tale da raddoppiarne la densità.
Altra esperienza sull’impiego del legno è derivata dalla esperienza acquisita nella costruzione degli alianti in legno, sia a riguardo del problema delle muffe (risolto con drenaggi ed accurate vernici) sia a riguardo dell’importante problema della compatibilità.
Fra diverse specie di legno e fra legno e compositi a base di legno, problema di grande attualità anche nelle odierne costruzioni edili.
L’unione incollata fra pannello multistrato e legno massiccio ha evidenziato la necessità di materiali compatibili sia rispetto alle sollecitazioni che all’umidità.
Negli alianti della seconda guerra la colla era il punto forte, mentre il legno in prossimità dell’incollaggio diventava il punto debole, e si spaccava il primo elemento ligneo più debole (o il massiccio o il multistrato a seconda del dimensionamento).
Il problema si ripete in edilizia nel caso di unione di telai lignei con pannelli multistrati, ed in questo caso rimangono due possibilità: o il sovradimensionamento delle parti in causa o il ricorso a totali materiali compositi (ad esempio legno lamellare per l’ossatura e multistrati per tamponamenti, o lamellare e Medium Density) sempre rispettando i problemi di compatibilità e risposta all’umidità.
Nuovamente le esigenze militari hanno decretato il tramonto degli aerei in legno, che sono stati sostituiti da quelli metallici e successivamente dagli aerei con strutture metalliche e materiali compositi a base di tessuti e resine sintetiche.
Questa strada dei compositi ha già aperto proposte innovative per il legno in edilizia; sono infatti già in corso sperimentazioni sul legno lamellare fibro-rinforzato con eccellenti risultati.
Anche nel campo dei multistrati sono in corso ipotesi e ricerche sperimentali sull’impiego di sottili strati di legno rinforzato da fibre di Keviar ed incollati a pressione per aumentarne la densità.

Sono inoltre già disponibili pannelli in multistrato con parti interne di materiale gommoso sintetico con funzione sia ignifuga che termoacustica.
Se per le costruzioni aeronautiche appare più difficile trovare spunti da trasferire nel campo edilizio, più facile è l’operazione nel campo delle costruzioni navali, soprattutto nel nostro Paese ove convivono situazioni culturali molto diverse fra loro e che variano dalla cultura costruttiva tipicamente montana a quella marinara.
Le nostre città di mare hanno una lunga e secolare esperienza nelle costruzioni navali in legno, e spesso nell’edificato cittadino troviamo trasferite le conoscenze acquisite nella carpenteria navale.

In edilizia, al contrario, si vede l’impiego di compensati di peggior qualità, generalmente sfogliati e di più modesto costo.
L’impiego di compensati tranciati e di buone vernici permetterebbe una maggior durabilità dei pannelli impiegati in edilizia. Inoltre spesso e volentieri nel compensato da edilizia gli strati interni risultano di spessori inferiori e di qualità più scadente del legno, peggiorando ancora i risultati e diventando punto di diffusione di parassiti, muffe e funghi.
Lo stesso problema si ripresenta per i compensati con impiallacciatura esterna pregiata, che avendo un modesto spessore (max medio mm. 1) ed essendo incollata con le fibre orientate come lo strato inferiore, può determinare in breve tempo screpolature e scollamenti anche in ambiente modestamente umido. Sono invece accettabili le soluzioni di compensati con strati esterni in legno di migliore qualità, con strati interni di essenze più deboli, ma sempre di buona qualità, purché siano rispettati gli spessori costanti e l’incrocio delle fibre.
Tutto ciò è seguito e rispettato nelle costruzioni navali, ma viene al contrario tralasciato in edilizia, e la qualità del prodotto finito scade.
Anche per quanto riguarda le unioni chiodate possiamo trarre utili esperienze dalla nautica; generalmente per le barche si usano viti in ottone o acciaio inox mentre quelle zincate sono scartate perché in ambiente umido si corrodono facilmente.

ANCORANTI METALLICI

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Mezzi di connessione moderni

Negli ultimi decenni, sono state sviluppate connessioni creando nuovi tipi di chiodi e collegandoli con elementi in lamiera per ottenere nodi di connessione affidabili per gli elementi strutturali portanti.
Oltre ai chiodi a gambo liscio con sezioni e teste diverse, vi sono chiodi filettati e scanalati con elevata resistenza all’ estrazione.
Lo sviluppo di pistole per chiodi ad aria compressa, e di trapani per chiodature preforate rende economicamente conveniente l’uso dei chiodi anche per connessioni più grandi con un numero elevato di chiodi.
Le connessioni chiodate preforate evitano non soltanto fenditure del legno, ma sono particolarmente consigliabili in caso di legno ad alta densità possono venire sottoposte a maggiori sollecitazioni, a patto che vengano rispettati gli interassi tra chiodi e si decida con precisione il modello di chiodatura nella fase di progettazione esecutiva.
Grazie allo sviluppo delle connessioni chiodate è diventato possibile progettare anche sistemi portanti composti da tavole chiodate. Ad esempio, oggi per le piccole luci vengono utilizzate capriatelle chiodate, mentre nelle costruzioni agricole si ricorre spesso a travi o telai composti da tavole chiodate.
Le luci di maggiori dimensioni vengono invece realizzate utilizzando le nuove tecniche di chiodatura con la
preforatura delle tavole di maggiore spessore e con sezioni complesse a più tagli, le quali rappresentano un’alternativa economicamente interessante per i paesi in via di sviluppo. Se il fattore estetico presenta esigenze maggiori, occorrerà prestare attenzione alla forma della testa del chiodo e a una disposizione di aspetto gradevole.
Le viti per legno si comportano al taglio come le connessioni chiodate, ma possono venir sollecitate maggiormente all’estrazione e la loro testa offre un’immagine esteticamente migliore.

Metodo di costruzione con lamiere chiodate
Un modo per ottenere connessioni economiche, a tagli multipli consiste nell’inserire lamiere spesse da 1,0 a 2,0 mm in intagli segati e inchiodarle senza preforatura.
Per le lamiere sottoposte a compressione va prestata attenzione al pericolo di formazione di ingobbature.
Le autorizzazioni rilasciate dall’ispettorato dei lavori edili in Germania determinano te sollecitazioni ammissibili, prescrivendo una particolare accuratezza nell’esecuzione, poiché è indispensabile la massima precisione di accoppiamento dell’intaglio, soprattutto nei punti di connessione. Tra i sistemi di costruzione ammessi vi sono il tipo Greim e il tipo VB.
Utilizzando lamiere di acciaio di spessore superiore a 2 mm, esse devono essere preforate.
La foratura della lamiera di acciaio e del legno viene effettuata in un unico ciclo di lavoro, cosicché i chiodi possano venire inseriti perfettamente attraverso una o più lamiere. Il diametro del foro deve essere uguale a quello del chiodo.
Anche con questa tecnica occorre prestare attenzione al pericolo di ingobbatura della lamiera e a una buona precisione di accoppiamento tra legno e lamiera.
Per le connessioni chiodate preforate l’interasse tra i chiodi deve essere ridotto per consentire di mantenere al minimo la dimensione della lamiera. La massima precisione di interasse tra i chiodi può essere ottenuta mediante apposite dime di foratura.

SOLAI

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Piastre chiodate
Le lamiere chiodate stampate che vengono realizzate con apposite presse consentono la fabbricazione industriale di connettori a piastra chiodata, riducendo sensibilmente il lavoro necessario rispetto ai metodi del passato. In questo modo si possono eseguire connessioni resistenti alla trazione e alla compressione, con legno a sezione semplice.
Le piastre chiodate sono realizzate in lamiera d’acciaio spessa da 1 a 2 mm.
I particolari tranciati a forma di chiodo o di graffa vengono inseriti nella superficie del legno mediante pressione. Non è necessario coprire la parte di legno nei punti nodali; cosi si risparmia sulla quantità di legno impiegata. La forza trasmissibile riferita alla superficie di accoppiamento è superiore alle usuali connessioni chiodate grazie al gran numero di incastri a coda di rondine. La costruzione di piastre chiodate, ad esempio BAT-Multin, BF, Gang-Nail, Hydron, TTS Twinaplate ecc., è soggetta in Germania ad autorizzazione dell’ispettorato dei lavori edili.

Piastre di acciaio chiodate con perni di cerniera
Nelle travi reticolari con carichi superiori a 300 kN si consiglia l’uso di correnti e diagonali composte da più parti, che vengono unite con lamiere forate spesse 4-6 mm, inchiodate in officina, e collegate sul cantiere con un perno di cerniera.
Poiché la trasmissione della forza si concentra su un asse, in questo modo si ottengono cerniere ideali. Con questo tipo di connessione le parti di acciaio non restano visibili e sono protette dal fuoco.
Le chiodature si possono eseguire in officina senza un uso eccessivo di macchinari.
In questo tipo di connessione la trasmissione delle forze nel legno avviene attraverso i chiodi della piastra di acciaio; da lì le forze vengono convogliate tramite i rinforzi marginali saldati all’asse della cerniera, che a sua volta cede le forze all’altra piastra d’acciaio mediante sollecitazione di taglio. Il metodo della preforatura riduce gli interassi, rimpicciolendo cosi le superfici di connessione.

Lamiere forate e parti sagomate in lamiera di acciaio inchiodate
Le connessioni ad asta, gli appoggi e i fissaggi degli appoggi sono realizzati in modo semplice tramite inchiodatura di legno e lamiera di acciaio.
Le parti sagomate e le lamiere forate vengono formate a freddo utilizzando lamiera di acciaio spessa da 2 a 4 mm, zincata o galvanizzata, oppure acciaio legato.
Poi vengono perforate e inchiodate con chiodi filettati a scanalati mediante pistole ad aria compressa oppure manualmente.
Il legno utilizzato in questo procedimento deve essere stagionato, anche per evitare l’ingobbatura delle parti in lamiera.
Negli ultimi anni le molteplici possibilità d’impiego della lamiera forata sotto forma di strisce, angoli, squadre di appoggio, staffe di appoggio, ancoraggi per travi di colmo e ancoraggi incernierati hanno fatto aumentare notevolmente la percentuale di pezzi sagomati in lamiera
d’acciaio.
La portata di staffe di appoggio, angoli ecc. è anch’essa regolamentata in Germania da autorizzazioni rilasciate dall’ispettorato dei lavori edili ed è indicata sulle relative documentazioni di fabbrica ovvero sul certificati di autorizzazione, ad esempio Barth, Bira, BMF, GH e cosi via.

Elementi di acciaio saldato

Gli elementi saldati chiodati oppure collegati con spine, cosi come gli elementi in acciaio fissati con chiodi sotto forma di appoggi o cerniere con spessore da 3 a 10 mm, conformemente a DIN 1050 e DIN 18.800, possono essere fabbricati esclusivamente da ditte che possiedono l’apposita licenza di abilitazione per la saldatura.
Per evitare le tensioni ai bordi durante a fabbricazione o il montaggio delle parti occorre attenersi scrupolosamente ai progetti esecutivi. In caso di esigenze di protezione preventiva antincendio, relative alla durata di resistenza, tutte le parti in acciaio vanno protette dall’attacco
diretto del fuoco coprendole con legno o con materiali minerali. In casi speciali è sufficiente applicare vernice ignifuga. La protezione dalla corrosione delle connessioni portanti in acciaio e dei materiali di connessione nelle costruzioni in legno avviene secondo la norma DIN 1052, parte 2, la quale distingue tra corrosione ridotta, media e particolarmente forte. Nelle piscine, nei solarium, nelle fabbriche di concimi o nel depositi di sale va prestata particolare attenzione alla protezione dalla corrosione, effettuando all’occorrenza un’analisi del clima ambientale e dell’aria. In queste situazioni è sconsigliato l’uso di zincature galvaniche, a immersione e a spruzzo. In casi particolari è possibile ricorrere alluso di acciaio inossidabile o di leghe speciali.
Le spine sono elementi di collegamento cilindrici che vengono inseriti in fori appositamente predisposti, ottenendo elevati valori di connessione e di resistenza, data l’assenza di gioco in seguito a oscillazioni o a preforatura di diametro eccessivo. Recenti studi hanno dimostrato che è possibile rinunciare allo sfalsamento della spina rispetto alla linea di rottura (DIN 1052, parte 2, E 5.7). La connessione a bullone, diversamente da quella a spina, viene eseguita praticando un fori di diametro maggiore. Questo tipo di connessione, tuttavia, può essere utilizzato soltanto per il fissaggio in posizione oppure in caso di sollecitazioni fortemente ridotte rispetto a quelle a quelle a cui sono soggette le spine, e unicamente quando il comportamento alla deformazione ha un influsso minimo sulla deformazione complessiva
della struttura portante.

Metodo di costruzione utilizzando spine

Per questo metodo occorre effettuare le prove riguardanti indebolimento di sezione trasversale del legno e della lamiera. Con il metodo a spina è possibile collegare direttamente due elementi lignei oppure legno e piastre di acciaio. Una connessione a spina consiste in un minima di due spine. In caso di impiego di un numero elevato di spine, per garantire il fissaggio della posizione laterale si consiglia di dotare la spina di filetto, rondella e dado. In questo caso, bisogna prestare attenzione al fatto che il diametro del filetto sia ridotto, in modo da ottenere un migliore inserimento nel foro di diametro inferiore alla spina. Nel corso della fase di progettazione esecutiva, nella combinazione di connessioni tra lamiere di acciaio e legno-viti calibrate occorre verificare che le lamiere non siano situate nella zona del filetti.
Gli elementi di connessione ad anello e a disco dentato secondo a norma DIN 1052, parte 2, sono suddivisi in connettori ad anello di tipo A, B, connettori a disco dentate di tipo C, D e connettori ad anello dentato di tipo E.
Nelle tabelle sono indicati il carico ammissibile parallelo, obliquo e perpendicolare alla fibratura, così come le quote minime del legno e gli interassi tra i connettori.
I limiti della connessione di questo tipo stanno nel numero di elementi di connessione che possono essere disposti in successione. In case di più di due connettori le forze di trazione ammissibili vanno ridotte, mentre non è consentito l’uso di oltre 10 connettori di fila.
Tutti i connettori devono essere fissati con bulloni e rondelle seconde la norma DIN 1052. Nelle giunzioni mediante connettori si generano importanti indebolimenti di sezione trasversale di cui occorre tenere conto nell’esecuzione delle prove di tensione, necessarie per determinare le sezioni delle aste per il dimensionamento delle connessioni.

Connessioni legno-legno

I connettori ad anello sono utilizzabili anche come connettori di testa.
L’effetto di serraggio avviene tramite bulloni M 12 insieme con tondino d’acciaio di diametro da 24 a 40 mm, con adeguati pezzi sagomati oppure con dadi forniti di rondella (DIN 1052, p. 2, 4.3.2). La connessione di testa è ammessa soltanto per il legno lamellare.
Questo metodo di connessione è vantaggioso soprattutto per le connessioni di costruzioni reticolari complesse con ridotte resistenze d’asta, così come per la connessione legno-legno di telai in lamellare con grandi superfici di contatto.
Nella connessione di nodi di telaio sono tuttavia posti limiti inerenti alle tensioni di taglie e all’altezza dei rompitratta a causa delle possibili tensioni di resistenza trasversale alla fibratura conseguente a ritiro.

Giunzioni tra connettori e lamiera

I connettori con coprigiunto in lamiera sono impiegabili in modo vantaggioso per giunti a trazione e incastri. Utilizzando questo metodo, in cantiere vanno inseriti soltanto relativi bulloni, mentre i connettori vengono applicati in officina durante la fase di fresatura.

a cura di Andrea Manna