Caratteristiche e proprietà del legno

Relativamente alle sue proprietà intrinseche, il legno, in quanto prodotto naturale di origine biologica, è caratterizzato da un elevato grado di variabilità.

Ciò dipende, innanzi tutto, dal gran numero di specie legnose esistenti che, peraltro, non è esattamente noto. Stime attendibili parlano di più di 30000, ma la gran parte di esse vegeta nelle Regioni tropicali ove, ancor oggi, la flora non è stata completamente esplorata. Il numero delle specie botaniche il cui legname costituisce un reale oggetto di commercio è attualmente limitato ad una piccola frazione del totale, considerando, però, che la maggior parte delle proprietà meccaniche del legno sono influenzate dalla sua massa volumica, il fatto che la Balsa, la specie più "leggera", abbia un valore di tale caratteristica fisica pari a circa 160 kg/m3 in confronto a quello di circa 1280 kg/m3 del Lignum vitae, una tra le specie più "dense", evidenzia con chiarezza le possibili differenze riscontrabili.

Oltre alle differenze di carattere genetico, la variabilità del legno delle diverse specie è spesso dovuta all'influenza di alcuni fattori di tipo ambientale e selvicolturale sull'accrescimento dei fusti arborei. La variabilità delle caratteristiche del legno si manifesta, inoltre, non solo tra soggetti arborei di specie diverse (variabilità interspecifica), ma ugualmente fra individui della stessa specie anche appartenenti allo stesso popolamento (variabilità intraspecifica) e, addirittura, all'interno di uno stesso fusto, in quanto i modelli naturali di accrescimento e l'eterogeneità anatomica che può derivarne legano le proprietà di un campione di legno alla sua posizione radiale (intesa come distanza di prelievo rispetto al centro della sezione trasversale del tronco) ed all'altezza lungo il fusto dal quale è stato ricavato.

Per un corretto impiego del legno, pertanto, è importante tener conto di tutti i vari fattori di variabilità elencati. Nel caso, poi, di un uso strutturale è opportuno che qualsiasi calcolo relativo alle caratteristiche di resistenza meccanica del legno debba basarsi, per motivi di sicurezza, sui valori minimi registrati per la sollecitazione considerata piuttosto che sulla media dei risultati ottenuti. Infatti, il coefficiente di variazione (ovvero lo scarto tipo espresso in percentuale rispetto al valore medio) della resistenza del legno privo di difetti nei confronti delle principali sollecitazioni è piuttosto elevato e mediamente pari al 20%.

Un'ulteriore importante causa di variabilità dei valori di resistenza del legno è la presenza di difetti quali, ad esempio, nodi, deviazioni della fibratura ed alterazioni fungine che, proprio per tale motivo, rappresentano i principali parametri da prendere in considerazione nella classificazione del legname per uso strutturale. A questo proposito, il valore della tensione ammissibile a flessione per tavolame misto di Douglas e Larice, importato dagli Stati Uniti e classificato visivamente, può variare da 1,9 a 16,9 N/mm2 a seconda della diversa classe di resistenza determinata dalle tipologie di difetti presenti. Per tener conto dei molteplici fattori di variabilità e rappresentare in maniera più corretta le reali condizioni di sollecitazione del materiale in opera, l'Eurocodice 5 (EC5) prevede, ad esempio, di utilizzare nei calcoli per la progettazione e verifica delle strutture di legno i valori di resistenza determinati su provini di medie dimensioni presentanti difetti e di considerare come "valore caratteristico" quello corrispondente al 5° percentile inferiore della distribuzione di frequenza della proprietà in esame.

Il legno è un materiale fortemente anisotropo, nel senso che per la particolare disposizione degli elementi cellulari che lo compongono le sue caratteristiche anatomiche e morfologiche dipendono dalla sezione esaminata e le sue stesse caratteristiche e proprietà tecnologiche sono influenzate in modo significativo dalla direzione lungo la quale vengono rilevate.

Se il fusto di un albero viene tagliato perpendicolarmente al suo asse di accrescimento, la sezione trasversale che ne deriva può evidenziare una serie di anelli concentrici che rappresentano i segni dei vari accrescimenti legnosi. Se è tagliato parallelamente al suo asse di accrescimento si possono ottenere sezioni longitudinali, orientate lungo piani normali o tangenziali ai suddetti anelli, che, pertanto, evidenziano caratteristiche specifiche.

In pratica, il legno può essere sezionato lungo qualsiasi direzione trasversale - che corrisponde, ad esempio, alla "testata" di un tronco o di un segato - e lungo infinite direzioni longitudinali che risultano, a loro volta, distinte in "longitudinali radiali", "longitudinali tangenziali" o intermedie tra queste.

Ai fini della caratterizzazione delle sue proprietà fisico-meccaniche è ugualmente importante distinguere se queste risultano o meno misurate secondo la direzione longitudinale, che è anche detta "assiale" o "parallela alla fibratura", in quanto gran parte delle cellule costituenti i tessuti legnosi sono orientate in tal senso. La resistenza del legno e la sua rigidezza (in particolare nei confronti di una sollecitazione di trazione) sono, infatti, molto elevate parallelamente alla fibratura e molto ridotte perpendicolarmente ad essa. Al contrario, le variazioni dimensionali che accompagnano la perdita di umidità del legno (fenomeno meglio noto come "ritiro") sono piuttosto lievi parallelamente alla fibratura e decisamente più ingenti lungo le direzioni radiali e tangenziali. Nel caso, ad esempio, della resistenza e del modulo di elasticità a trazione, i valori estremi ottenuti nelle diverse direzioni stanno tra loro nel rapporto di circa 50:1. Nel caso, invece, del ritiro, il valore in direzione assiale è trascurabile mentre quello tangenziale può essere particolarmente elevato (in media il doppio di quello radiale e fino a 10-15 volte superiore a quello assiale).

Il grado di anisotropia del legno è pertanto notevole. Qualora venga trascurata à curvatura degli anelli di accrescimento, esso può, tuttavia, essere considerato un materiale ortotropo e tale approssimazione è valida, a maggior ragione, nel caso di campioni ricavati ad una certa distanza dal centro del fusto.

In ben determinate condizioni di impiego, il legno è un materiale estremamente durevole.

Mobili con intarsi di notevole pregio artistico ritrovati nelle tombe dei Faraoni si sono conservati perfettamente per oltre 4000 anni. Il clima molto secco e costante all'interno delle piramidi ha, infatti, permesso che, in tal caso, si realizzassero le condizioni ideali per la sua preservazione da qualsiasi agente di degradamento. Anche in Giappone, tuttavia, Paese a clima piuttosto umido, si ritrovano ammirevoli edifici sacri in legno ancora integri dopo 1300 anni di servizio e parimenti, nel clima ancor più rigido e severo delle montagne norvegesi, esistono numerosi esempi di costruzioni interamente in legno tave churches) erette da circa 800 anni e conservatesi in ottimo stato.

Il legno è, comunque, biodegradabile e se, sotto un certo aspetto, ciò può costituire un vantaggio (quando, ad esempio, un prodotto ligneo diviene inutilizzabile e deve essere smaltito), rappresenta spesso un grave pericolo nel momento in cui interessa, invece, la sua conservazione e durata dopo la posa in opera.

La soluzione per un'efficace prevenzione è quella di creare condizioni sfavorevoli allo sviluppo degli organismi che possono causarne il biodegradamento e che sono rappresentati principalmente da funghi e insetti. Nel caso dei primi, ad esempio, è importante mantenere il legno allo stato essiccato, evitando che la sua umidità possa superare una certa soglia di rischio. Nel caso, invece, di alcuni insetti particolarmente dannosi, come ad esempio le termiti, è assolutamente necessario evitare il contatto del legno con il terreno.

Il legno esposto alle intemperie può, comunque, conservare anch'esso a lungo la sua funzionalità senza evidenziare particolari problemi qualora venga impiegata la specie più adatta (ciascuna specie botanica è, infatti, caratterizzata da un certo livello di durabilità biologica naturale) ed i dettagli costruttivi prevedano che l'acqua possa evacuare velocemente dalla superficie, evitando il pericolo di ristagno di umidità o di fenomeni di condensazione che risultano dannosi specialmente in prossimità di eventuali giunzioni, cavità e nelle zone di contatto con la muratura perimetrale.

In alternativa, contro i rischi di alterazioni fungine o di attacco da parte di insetti, possono rivelarsi efficaci vari tipi di trattamenti preservanti.

Il legno è suscettibile all'azione del fuoco, tuttavia, mentre elementi lignei di dimensioni limitate bruciano molto facilmente, strutture di ampia sezione risultano, invece, molto resistenti.

A condizione che venga realizzata una corretta progettazione, seguiti adeguati sistemi ed idonee precauzioni costruttive, le strutture di legno offrono un elevato grado di sicurezza nei confronti del rischio di incendio e, a differenza di quelle realizzate con altri materiali, permettono di evacuare in tempo utile le aree colpite e di intervenire opportunamente per riportare l'evento sotto controllo.

Durante le prime fasi di sviluppo di un incendio, infatti, le strutture di legno conservano la maggior parte della loro resistenza originaria evitando il rischio di cedimenti improvvisi che spesso si verificano nel caso di altri materiali. Ciò risulta possibile per la bassa conducibilità termica del legno ed ancor più per quella dello strato carbonizzato che si forma sulla sua superficie al contatto con il fuoco. A questo proposito, inoltre, conoscendo la velocità di carbonizzazione è possibile stimare con buona attendibilità la sezione resistente residua dei vari elementi che compongono una struttura lignea e stabilire a quale intervallo di tempo dall'inizio di un eventuale incendio essa è in grado di resistere.

In quanto materiale igroscopico, il legno tende ad assorbire o a cedere umidità in una continua ricerca dell'equilibrio con le condizioni temo- igrometriche (di temperatura e umidità relativa dell'aria) dell'ambiente con cui è a contatto.

Le variazioni di umidità del legno al di sotto del punto di saturazione, che rappresenta lo stato teorico in cui tutte le pareti cellulari sono sature d'acqua senza che questa sia presente nelle loro cavità, hanno un'importanza pratica su tutte le sue proprietà.

Durante l'essiccazione (sia che essa avvenga mediante stagionatura naturale od essiccazione artificiale) il legno è, infatti, soggetto a fenomeni di ritiro dimensionale; viceversa, se viene messo nuovamente a contatto con acqua od umidità elevata, subisce un rigonfiamento.

Il ritiro volumetrico totale del legno nel passaggio dallo stato fresco a quello anidro (quest'ultimo conseguibile solo in condizioni controllate di laboratorio) varia, in funzione delle diverse specie, da circa 6 a più del 20%. Mediamente, circa 2/3 del suddetto ritiro si manifestano in direzione tangenziale e circa 1/3 in quella radiale, mentre il ritiro longitudinale risulta, come già detto, trascurabile.

Il legno in opera subisce, peraltro, variazioni di umidità tali da determinare una frazione limitata del potenziale ritiro totale, sebbene, anche in tal caso, le sue variazioni dimensionali (unitamente ad eventuali deformazioni indotte dalle forze in gioco) possano risultare importanti.

Per contenere l'effetto dovuto ad oscillazioni termo- igrometriche brevi e limitate è possibile intervenire con opportuni rivestimenti protettivi che, tuttavia, non consentono di evitare completamente il fenomeno. In alternativa il legno può subire un trattamento chimico atto a ridurne l'igroscopicità, ma ciò risulta spesso troppo oneroso per la maggior parte dei suoi comuni impieghi.

Il metodo più semplice ed efficace per risolvere il problema delle variazioni dimensionali del legno rimane, pertanto, quello di utilizzarlo in maniera adeguata, cercando di evitare la posa in opera di singoli elementi massicci che presentino ampie superfici tangenziali e, ove questo non sia possibile, facendo ricorso a soluzioni tecniche grazie alle quali gli eventuali movimenti abbiano modo di verificarsi senza determinare particolari inconvenienti.