Travi Uso Fiume e Uso Trieste: il progetto di ricerca

Introduzione
Da sempre le strutture in legno sono state costruite in modo da poter coprire la luce assegnata con il minor impiego di materiale possibile. Al giorno d’oggi questo si ottiene quasi esclusivamente con l’impiego del legno lamellare. Per molti secoli però, la lunghezza disponibile del tronco con la sua rispettiva sezione determinava la luce da coprire, puntando comunque ad un utilizzo efficiente con il minor sfrido. Insieme al tradizionale segato, le travi “Uso Fiume” e “Uso Trieste” costituivano una tipologia di elementi strutturali che consentiva di coprire una maggiore luce nei solai e nei tetti in modo economicamente vantaggioso. Eliminare solo lo stretto necessario dal tronco consente anche il vantaggio di lasciare sul materiale naturale un maggior strato di legno tardivo. Questo valore empirico era conosciuto già secoli fa, prima che vi fosse qualsivoglia normativa tecnica.

Definizione di travi “Uso Fiume” e “Uso Trieste”
In diversi paesi dell’Europa meridionale le travature “Uso Fiume” e “Uso Trieste” vengono ancora oggi utilizzate per la costruzione di solai e tetti. Da qui i nomi italiani del procedimento di taglio “Uso Fiume – UF” e “Uso Trieste – UT”, derivati dalle città portuali Fiume (oggi Rijeka, Croazia) e Trieste (città italiana, prima del 1918 appartenente all’Austria). In entrambi i procedimenti di produzione il tronco, dopo essere stato scortecciato, viene squadrato meccanicamente sui quattro lati in modo tale da formare una sezione quadrata con angoli più o meno arrotondati, denominati nel linguaggio tecnico smussi. La differenza sostanziale tra i due procedimenti consiste nel fatto che nell’Uso Fiume la squadratura avviene parallelelamente all’asse del tronco, mentre nell’Uso Trieste segue la rastremazione del tronco. Quindi la trave UF mostra, dopo la squadratura, i lati opposti paralleli tra loro. La trave UT al contrario, mostra una sezione in diminuzione continua dal calcio alla punta di circa 5 mm per metro. Le travi UF/UT sono disponibili in sezioni trasversali di 8x8 cm fino a 50x50 cm con una lunghezza fino a 16 m.

Perché utilizzare le travi “Uso Fiume” e “Uso Trieste”?
I restauratori conoscono questo tipo di travatura visto che nel risanamento degli edifici nei centri storici le travi UF/UT sono la prima scelta. Ma anche in alcune nuove costruzioni queste vengono utilizzate soprattutto per le parti a vista. Nella progettazione di questi edifici le decisioni vengono prese in base alla sostenibilità e al rendimento in termini economici. Invece di utilizzare materiale pregiato come le travature UF/UT solamente per la casseratura e i ponteggi, esse si potrebbero essere utilizzate come alternativa al legno lamellare, anche su larga scala. Si dovrebbero convincere i committenti e progettisti del fatto che le tipiche fessure che si formano nelle travi UF/UT influenzano solo minimamente le loro caratteristiche meccaniche. La mancanza di parametri sulle caratteristiche del materiale impedisce a molti progettisti di considerare l’impiego delle travi UF/UT per le strutture in legno, qualche volta anche per non doversi offrire come volontari per colmare il vuoto nelle normative.

Base di partenza
Generalmente l’interesse per i prodotti di legno massiccio si è focalizzato in modo inequivocabile sul segato squadrato e più raramente sul legno tondo. Entrambi i prodotti sono stati da sempre “regolamentati” dalle rispettive normative nazionali come la DIN 4074-1 per il segato da costruzione, la DIN 4074-2 per il legno tondo da costruzione e in futuro anche tramite le nuove norme europee EN 14081 e EN 14544. Un utilizzo delle travi UF e UT nel settore delle costruzioni conforme alle norme era comunque pressoché da escludere in passato, in quanto non poteva essere associato al “perfetto” legno lamellare o al legno tondo. Nonostante le travature UF/UT mostrino caratteristiche di resistenza simili al legno tondo, la loro regolamentazione normativa non è permessa per via del taglio parziale delle fibre. Infatti attraverso la squadratura vengono in realtà eliminate alcune delle fibre più resistenti del legno tardivo. E sono proprio queste fibre, che si trovano nella parte esterna del tronco, a conferire al legno tondo una maggiore resistenza rispetto alle travi UF e UT.
Il ricorso alla famosa norma tedesca per il segato da costruzione, la DIN 4074-1, non è consigliabile per le travi UF/UT, poiché il criterio degli smussi (vedi paragrafo 5.6) nel migliore dei casi ammette la categoria S7 e S10. E inoltre non dovrebbe interessare più di 3/4 di un lato della sezione dello smusso. Le travature UF/UT hanno in ogni caso uno smusso su entrambi i lati e perciò, per esempio, una sezione di legno di 16 cm di larghezza non deve presentare più di due smussi di rispettivi 2 cm. Nel caso di maggiore smusso, la sezione non apparterrebbe più alla categoria S7, nonostante i provini potrebbero avere per gli altri criteri una valutazione eccellente. Al contrario, se si trascura la caratteristica dello smusso, allora questa categoria S7 sarebbe in realtà una S13! Come conseguenza la trave UF/UT verrebbe classificato secondo DIN 4074 solo nelle classi inferiori C16 e C18 secondo EN 338.
La normativa italiana di classificazione UNI 11035, edizione 2003, conteneva un primo abbozzo che prendeva in considerazione la travatura “Uso Fiume” e “Uso Trieste”. A causa dell’alta percentuale di smussi anche qui ogni sezione rientrava a priori nella categoria S3, paragonabile alla S7 secondo la DIN 4074. Per contro le rispettive caratteristiche meccaniche rientrano nella classe di resistenza C16. Come alternativa è stato tuttavia ammesso un metodo di facile comprensione per la classificazione a vista: “Quando gli smussi superano i limiti di ammissibilità per la sezione rettangolare o quadrata, l’elemento può essere comunque classificato assimilando la sezione nominale al cerchio inscritto nella sezione dell’elemento che presenta la massima smussatura”. Se si paragona, seguendo questo procedimento, la sezione nominale circoscritta, nel nostro caso un quadrato, con la sezione trasversale del cerchio inscritto all’interno dello smusso più grande, allora risulterà, nel caso più estremo di una sezione, la superficie di circa 80%, ma il momento d’inerzia sarà solo il 60% del quadrato inscritto. Le caratteristiche della sezione trasversale delle travi UF/UT si muovono tra questi due parametri avvicinandosi più però a un quadrato che a un cerchio. Già da questo esempio si nota la difficoltà nel determinare la sezione di riferimento. Molti calcoli comparativi effettuati su travi a flessione hanno dato alla fine risultati insoddisfacenti anche con il metodo del cerchio inscritto, tanto più che la maggiore resistenza del legno tardivo non è stata considerata. Non essendoci stato alcun criterio in Italia per la classificazione del legno massiccio prima dell’edizione della norma UNI 11035 del 2003, questo primo accenno che prende in considerazione la trave UF/UT è stato senz’altro degno di lode.

Il progetto di ricerca
Alla luce di queste premesse, nel 2006 è stato avviato un progetto per incentivare la travatura UF/UT, con l’obiettivo di raggiungere un utilizzo più vasto nel settore delle costruzioni. La Assoimprenditori della Provincia di Bolzano, sezione legno, con l’appoggio della Federazione italiana Assolegno, ha dato vita a questa iniziativa. Inizialmente si è trattato più dell’elaborazione di informazioni tecniche per responsabili e progettisti. Da subito però si sono dovute orientare tutte le risorse all’analisi normativa al fine di rendere possibile un’eventuale marchiatura CE secondo EN 14081. Dovendo adeguare la “vecchia” UNI 11035, a seguito del programma di armonizzazione europea (EN 1912 – Legno strutturale – Classi di resistenza – Assegnazione delle categorie visuali e delle specie), c’è stata finalmente la possibilità di dedicare una parte delle norme rielaborate anche alle travi UF/UT. Da giugno 2007 ad aprile 2009, presso l’Istituto CNR-IVALSA, 507 travi smussate in abete rosso sono state sottoposte a diverse prove di resistenza a flessione al fine di ricavarene le caratteristiche meccaniche. Di queste sono stati previsti 284 provini composti da sei campionature di provenienze diverse per le travi UT e 220 provini di 5 campionature per le travi UF. Dei 507 provini ne sono stati esclusi 3 che non erano classificabili. Le travi sottoposte a prove provengono in ordine di tempo dalle seguenti regioni: Belgio – Regione delle Ardenne, Germania – Plauen Hof, Italia – Val di Fiemme, Germania – Leutkirch in Allgäu, Italia – Alto Adige e Austria – Gmünd. Per i provini sono state fissate una sezione nominale di 15 x 15 cm e una lunghezza totale di 300 cm. In questo modo la luce netta è risultata essere esattamente di 270 cm per la prova di resistenza a flessione su quattro punti secondo EN 408. Tutti i provini sono stati classificati a vista secondo le regole della norma presa come riferimento fino a questo momento UNI 11035. Quasi l’80% dei provini rientravano nella categoria S1, paragonabile a S13 secondo DIN 4074-1, ma senza tenere in considerazione il criterio smussi. Stranamente alcuni provini della categoria S2 (S10 secondo DIN 4074-1) classificati a vista hanno evidenziato valori di caratteristiche del materiale superiori a quelli della categoria S1. Non solo per questo motivo, ma anche per il fatto che alcune campionature della categoria S2 non raggiungevano il numero sufficiente di elementi (40 pezzi), è stata costituita un’unica categoria di riferimento per le travi “Uso Fiume” e “Uso Trieste”.

Prima delle prove di resistenza a flessione sono state rilevate la massa volumica e l’umidità di ogni provino. Per il calcolo della massa volumica i provini sono stati sottoposti a pesatura e misurazione della sezione nominale nella parte centrale della trave e nelle parti frontali. Per avere valori della massa volumica che fossero più precisi possibile, sono state misurate le sezioni effettive ogni 50 cm di una campionatura di travi UF e UT e determinato il loro volume. In rapporto al volume nominale, ovvero la sezione rettangolare inscritta moltiplicata per la lunghezza, in media risulta un “coefficiente di forma” di 0,922. Questo fattore comprende sia l’effetto dello smusso che la rastremazione nel caso delle travi UT. Durante la misurazione dell’umidità non sono state riscontrate grandi deviazioni, tutti i provini si sono attestati intorno al 15%.
Le prove di resistenza a flessione sono state eseguite secondo EN 14081-1 e EN 408 nella configurazione per l’individuazione del modulo di elasticità globale. Insieme al modulo di elasticità globale è stata determinata anche la resistenza a flessione fm.. I risultati delle prove sulle travi UF con i lati paralleli hanno soddisfatto in gran parte le aspettative in quanto la sezione in genere rimane costante per tutta la lunghezza della trave. In questo modo sono stati rispettati anche i criteri relativi alle norme EN 384 e EN 408.
Per quanto riguarda l’Uso Trieste, con sezione non costante, l’indagine delle caratteristiche meccaniche applicando le direttive secondo le norme sopraccitate, non ha dato risultati soddisfacenti. Per questo motivo per le travi UT si è dovuto seguire un altro procedimento. Si è proceduto a definire il modulo di elasticità locale per due campionature con un totale di 114 provini. È stata misurata la deformazione nei punti terzi e in mezzeria. Tutti i provini sono stati sollecitati fino alla rottura dopo aver rimosso i dispositivi di rilevamento.

Per il calcolo del modulo di elasticità locale è stato indispensabile avere un quadro della linea di deformazione il più realistico possibile. Attraverso l’equazione del lavoro si è calcolata una deformazione teorica considerando le caratteristiche effettive della sezione trasversale e un valore unitario per il modulo di elasticità. Il rapporto tra la deformazione teorica calcolata e quella misurata permette di ricavare il modulo di elasticità locale. A causa del momento d’inerzia non costante sulla lunghezza, si è dovuto assumere, tra i punti che corrispondono al terzo della trave, un andamento lineare per poter semplificare le equazioni matematiche.
Come base per i calcoli si sono dovute determinare per prima cosa le caratteristiche geometriche della sezione. A questo scopo sono state ricalcate le sezioni trasversali delle parti frontali su un lucido, digitalizzate e, con l’aiuto di un programma CAD, ricavate le rispettive aree, il baricentro e il momento d'inerzia.
La determinazione del modulo di elasticità locale con questo procedimento ha portato purtroppo a risultati irrealistici e molto differenti tra loro. Le deformazioni non sono state congruenti all’andamento geometrico delle travi UT. Nel punto corrispondente al terzo vicino alla sezione più piccola, la deformazione sarebbe dovuta essere più grande rispetto a quella nel punto vicino alla sezione più grande. Ciò è accaduto però solo nel caso di poche travi UT analizzate. Ottenuti i valori di deformazione in mezzeria si è proceduto ancora una volta all’analisi considerando l’influsso del taglio. Il calcolo della deformazione teorica è stato fatto in conformità a EN 384 con E/16.
Per il controllo dei risultati dell’equazione del lavoro alcuni provini presi a caso sono stati sottoposti a un calcolo comparativo con un software di calcolo strutturale, per verificare i valori della deformazione teorica. La trave con 270 cm di luce netta è stata suddivisa in 30 sezioni ognuna di 9 cm e sono state inserite le rispettive caratteristiche di sezione. Nei parametri delle caratteristiche meccaniche è stato inserito E = 1 und G = 1/16. I valori della deformazione del software di calcolo strutturale si sono attestati in una media di 1,15% in più rispetto a quelli dell’equazione del lavoro.

Nuova norma
Insieme alla prova di resistenza a flessione sono stati fissati i criteri per la classificazione delle travi UF e UT, contenuti nella nuova norma italiana UNI 11035-3. Oltre ai criteri già conosciuti per il segato come nodi, fessurazioni ecc., sono state aggiunte tre nuove ed importanti caratteristiche delle travature UF/UT: il rapporto tra la larghezza e l’altezza, l’eccentricità del centro geometrico con il centro del tronco e lo smusso massimo ammesso. (graf1.pdf)
Nella nuova norma è contenuto un ulteriore requisito che per la trave del tipo “Uso Fiume” e “Uso Trieste” è indispensabile, ovvero che lo smusso con qualsiasi tipo di strumento meccanico non sia lavorato più di 5 mm in profondità. Questa regola permette di conservare la quantità adeguata di fibra di legno tardivo nella sezione trasversale escludendo la possibilità di realizzare uno smusso “artificiale” delle sezioni del segato lavorandolo successivamente. L’elaborazione dei dati per la definizione delle caratteristiche del materiale è stata eseguita sia per la sezione nominale che, nel caso di alcune campionature, per la sezione effettiva. Poiché il rilevamento pratico della sezione effettiva appare quasi impossibile, nella UNI 11035-3 viene presa in considerazione la sezione nominale del rettangolo circoscritto.

Risultati
Il progetto di ricerca è servito non solo all’elaborazione dei principi per la norma italiana di classificazione UNI 11035-3 ma anche all’individuazione di nuove caratteristiche riguardo le travi “Uso Fiume” e “Uso Trieste”. Le travi UF, rispetto alle travi UT, hanno mostrato nel modulo di elasticità riferito alla sezione effettiva, un valore approssimativamente simile, ovvero intorno ai 14.600 N/mm2. Per quanto riguarda la sezione nominale invece, le travi UF hanno evidenziato un modulo di elasticità di 10.800 N/mm2 mentre le travi UT solo 8.700 N/mm2. Comparando direttamente le due tipologie di travi, in quelle UT si fanno notare la rastremazione e il tipico smusso più grande.

I risultati della prova di resistenza a flessione, tenendo conto della sezione effettiva, hanno evidenziato un valore maggiore per le travi UT rispetto a quelle UF, ovvero 31 N/mm2 (in tre campionature) su 28 N/mm2 (in due campionature). Le maggiori resistenze nelle travi UT si sono riscontrate nella particolare indagine con caratteristiche di sezione non costante in 114 provini. Nel caso della sezione nominale entrambi i tipi di lavorazione hanno evidenziato quasi lo stesso valore intorno a 28 N/mm2.
Le classi di resistenza relativamente basse, C24 per le UF e C18 per le UT, sono dovute agli scarsi valori del modulo di elasticità riferito alla sezione nominale. Nell’ambito del calcolo statico comparativo tra la sezione effettiva e quella nominale con le rispettive caratteristiche del materiale, non si sono rilevate differenze nel dimensionamento degne di nota. La semplificazione in riferimento alla sezione nominale è quindi legittima e rende più semplice l’applicazione statica.

Applicazioni nelle costruzioni
Le travature “Uso Fiume” e “Uso Trieste” sono adatte non solo per il restauro ma anzi sono un’ottima soluzione anche per i solai e le coperture a vista. Sono utilizzabili per l’edilizia residenziale, per alberghi, ristoranti, ambienti wellness e in tutti quei casi dove è richiesto un materiale naturale. Sarebbe auspicabile che le future applicazioni in edilizia si adeguassero ai risultati della ricerca. Staticamente sono consigliabili travi a più campate e laddove la resistenza a flessione ha maggior peso in confronto alla deformazione. In ogni caso bisogna sfruttare la lunghezza massima disponibile. Ad esempio, per coprire due campate da 5 m di un solaio con delle travi UF/UT è consigliabile predisporre travi uniche da 10 m, e non due singole da 5 m.
Un’altra importante applicazione è la costruzione di ponti e passerelle. Comparando le travi UF/UT con quelle di legno lamellare, queste ultime sono più soggette agli effetti dell’umidità. L’utilizzo delle travi UF/UT nella classe di servizio 2 e, in casi particolari anche nella classe 3, è vantaggioso.
In genere nelle costruzioni di legno bisogna comunque tener conto dell’umidità e questo principio vale anche per le travature “Uso Fiume” e “Uso Trieste”. Le travi devono essere messe in opera con un’umidità ≤ 20% per le classi di servizio 1 e 2, mentre con un’umidità ≤ 24% per la classe di servizio 3. Tale accorgimento si rende necessario per evitare la formazione di fessure da ritiro e variazioni dimensionali. Nel caso in cui l’umidità in opera risulti superiore a 24%, la posa delle travi è ammessa solamente se le stesse hanno la possibilità di riessiccare e se è garantita una deformazione da ritiro nei limiti stabiliti.
Conclusioni
Il progetto di promozione all’utilizzo delle travi UF/UT ha superato i primi ostacoli normativi. Poiché a livello europeo l’interesse per l’utilizzo è ancora esiguo, è prematuro pensare a una normativa europea. Il prossimo passo al quale si mirerà è quindi il Benestare Tecnico Europeo (ETA).
Lo svolgimento delle prove a flessione è avvenuto presso l’Istituto CNR-IVALSA sotto la direzione del Prof. Ario Ceccotti, al quale spetta un cordiale ringraziamento. Le correzioni finali della nostra elaborazione dati sono state affidate al Prof. Marco Togni dell’Università di Firenze. Un ringraziamento anche a tutti coloro che hanno partecipato al progetto di promozione e ricerca per le travi “Uso Fiume” e “Uso Trieste”.