Proprietà meccaniche degli alberi nei centri abitati (parte prima)
L’argomento molto interessante prende il nome di biomeccanica, ossia meccanica applicata agli esseri viventi, in questo caso individui vegetali che formano strutture lignee secondarie.
Il focus riguarda i sistemi di reazione delle piante alle sollecitazioni meccaniche, cambiamenti nella forma, nelle dimensioni, nei tessuti prodotti, nelle caratteristiche del legno.
Gli alberi rappresentano strutture biologiche efficienti dal punto di vista meccanico. A differenza delle opere di ingegneria civile, che mantengono proprietà strutturali pressoché costanti, gli alberi sono organismi viventi in continua evoluzione, capaci di modificare forma, distribuzione delle masse e caratteristiche del legno in risposta alle sollecitazioni ambientali.
In ambiente urbano tali adattamenti assumono particolare rilevanza. Gli alberi crescono infatti in condizioni molto differenti rispetto agli ecosistemi forestali: volumi di suolo limitati, pavimentazioni impermeabili, interferenze con infrastrutture, alterazioni idrologiche, continue operazioni di potatura, diverse caratteristiche del vento, modificano profondamente il comportamento biomeccanico della pianta.
La moderna arboricoltura considera l'albero non come un elemento vegetale, ma come una struttura biologica dinamica, la cui stabilità dipende dall'interazione tra caratteristiche meccaniche del legno, geometria della chioma, apparato radicale, condizioni del sito, reazioni dell’albero.
Negli ultimi trent'anni, lo sviluppo della biomeccanica arborea ha permesso di comprendere molti dei processi attraverso cui gli alberi mantengono livelli di sicurezza elevati, anche in presenza di difetti strutturali o malattie dei tessuti legnosi.
Le sollecitazioni nei confronti delle piante prendono il nome di carichi, sono principalmente tre: neve, ghiaccio e vento.
Proprietà meccaniche del legno vivo
Dal punto di vista meccanico il legno costituisce un materiale composito naturale costituito principalmente da: cellulosa, emicellulosa, lignina e acqua.
La cellulosa conferisce elevata resistenza a trazione, mentre la lignina garantisce rigidità e capacità di sopportare carichi compressivi. Questa combinazione rende il legno uno dei materiali naturali con il miglior rapporto resistenza/peso.
Il legno è anisotropo, presenta proprietà meccaniche differenti a seconda della direzione delle fibre.
Le principali caratteristiche meccaniche comprendono: elasticità, modulo di rottura, resistenza a compressione, resistenza alla trazione, resistenza al taglio, capacità di dissipare energia.
Le proprietà variano sensibilmente tra specie differenti e perfino tra individui appartenenti alla stessa specie, in funzione delle condizioni climatiche, dell'età, dello stadio fenologico e delle modalità di crescita.
Il vento rappresenta il principale fattore di carico sugli alberi urbani. Durante un evento meteorologico intenso il tronco non rimane rigido ma si comporta in modo elastico, capace di deformarsi e successivamente recuperare la configurazione originaria. L'elasticità (cellulosa) costituisce uno dei meccanismi fondamentali di sicurezza. Gli alberi hanno evoluto un equilibrio ottimale fra rigidità, flessibilità, e capacità di dissipare energia.
Le oscillazioni della chioma riducono progressivamente il carico trasmesso al tronco e all'apparato radicale, limitando i picchi di tensione.
Questa capacità prende il nome di damping, o smorzamento, ed è oggi oggetto di numerosi studi nel campo della biomeccanica vegetale.
È la capacità dell’albero di smorzare l’energia che arriva dal vento. Soprattutto in tre modi: attrito dell’aria nei confronti degli organi legnosi e erbacei, diverse modalità di oscillazione delle diverse parti degli alberi (tronco e rami), smorzamento viscoelastico con produzione di piccole quantità di calore. Sullo smorzamento viscoelastico ha molta importanza la quantità di acqua o idratazione presente all’interno degli organi legnosi. Alberi ben idratati mostrano capacità di smorzamento superiori. Lo smorzamento viscoelastico è importante anche nel suolo, ed è dovuto all’attrito tra radici e particelle di suolo. Il terreno stesso è in grado di smorzare energia assorbendola e deformandosi di conseguenza.
Alcune caratteristiche dei tessuti legnosi vivi possono essere ricavate dalle tabelle di Stoccarda, dove sono elencate le principali caratteristiche del legno vivo per alcune specie.
Le proprietà ricomprese in elenco sono le seguenti: modulo di elasticità (Mpa), resistenza (Mpa), coefficiente di resistenza, Densità del legno (g/cm3), Limite di elasticità (%).
Ad esempio, per due specie diverse fra loro per caratteristiche del legno, i fattori sopra riportati assumono i seguenti valori:
La distribuzione delle tensioni
Uno degli aspetti più interessanti riguarda la distribuzione delle tensioni interne. Quando una porzione della struttura è sottoposta a maggiori carichi, il cambio produce nuovo legno incrementando localmente lo spessore del tronco o dei rami. Da questo processo derivano caratteristiche morfologiche ben note agli arboricoltori: costolature, contrafforti, ispessimenti localizzati, espansioni basali, rinforzi delle branche, ovalizzazioni, maggiore quantità di legno prodotto. Tali strutture non rappresentano anomalie ma vere e proprie ottimizzazioni biomeccaniche. L'albero investe biomassa soltanto dove le tensioni risultano maggiori, minimizzando il dispendio energetico.
Nel contesto della biomeccanica degli alberi, il legno è definito come anisotropo, eterogeneo e viscoelastico.
Un materiale è anisotropo quando le sue proprietà meccaniche cambiano in funzione della direzione in cui vengono misurate. Nel legno questa caratteristica deriva dall'orientamento delle fibre e dalla struttura anatomica del tronco. Le principali direzioni sono: longitudinale (parallela alle fibre), radiale (dal centro verso la corteccia), tangenziale (lungo gli anelli di accrescimento). Le proprietà meccaniche risultano molto diverse nelle tre direzioni.
Un materiale è eterogeneo quando non possiede le stesse caratteristiche in tutti i suoi punti. Nel legno ogni porzione del tronco può avere proprietà differenti a causa di: anelli annuali, legno primaverile ed estivo, alburno e durame, nodi, fibre inclinate, legno di reazione, difetti naturali, alterazioni da funghi o insetti. Di conseguenza il modulo elastico, la densità e la resistenza possono variare anche sensibilmente all'interno dello stesso albero.
Due sezioni dello stesso tronco possono quindi comportarsi in modo diverso quando vengono sottoposte allo stesso carico.
Un materiale è viscoelastico quando presenta contemporaneamente un comportamento elastico (recupero la forma originale quando eliminato il carico) ed un comportamento viscoso (la deformazione dipende anche dal tempo durante il quale il carico viene applicato, con deformazione progressiva nel tempo e recupero graduale dopo la rimozione del carico).
Quando il vento piega un albero una parte della deformazione è immediatamente reversibile (elasticità), una parte dell’energia del vento viene dissipata internamente come energia (isteresi), se il carico permane a lungo si osserva un lento aumento della deformazione (scorrimento viscoso).
Quando il vento termina, il ritorno alla posizione iniziale non è istantaneo ma progressivo.
Questa capacità di dissipare energia costituisce uno dei principali meccanismi di smorzamento delle forze che colpiscono gli alberi.
L’anisotropia rende la resistenza dipendente dalla direzione delle fibre. L'eterogeneità fa sì che ogni albero sia un caso unico, con proprietà variabili lungo il tronco e nella chioma.
La viscoelasticità consente all'albero di assorbire e dissipare parte dell'energia trasmessa dal vento, riducendo le oscillazioni ed il rischio di cedimenti.
Le forze che colpiscono gli esseri vegetali possono essere così schematizzate:
Gli alberi hanno evoluto proprietà e comportamenti per alleggerire i carichi che normalmente ricevono, il principale è il vento. Le prime strutture che il vento colpisce sono i germogli e le foglie, che costituiscono la parte esterna della chioma. Questi organi sono molto elastici e flessibili, non contengono strutture lignificate, possono modificarsi quando colpiti da una forza.
La flessibilità di questi organi (germogli e foglie) permette all’albero di non assorbire tutta l’energia in arrivo, parte di questa serve per mettere in movimento gli organi più flessibili. Inoltre queste strutture flessibili, oltre a smaltire parte della forza in arrivo, possono anche cambiare forma quando colpite dal vento. Ad esempio molte specie, fra le quali Liriodendron tulipifera, hanno foglie che possono assumere forme più aerodinamiche, diminuendo la forza del vento che colpisce l’albero:
La capacità degli alberi di non assorbire tutta l’energia incidente, attraverso diverse modalità, prende il nome di fattore di resistenza aerodinamica o drag factor.
Ha valori compresi fra 0,1 e 0,35. Le proprietà che più influenzano il drag factor sono porosità della chioma e flessibilità. Il contrario dei due fattori sopra richiamati sono densità e rigidità (density and stiffness). Effetti applicativi dei concetti sopra esposti riguardano le potature, ad esempio dopo interventi cesori di riduzione densità e rigidità aumentano, porosità e flessibilità diminuiscono, con risultati importanti sulle capacità delle piante nello smaltire le forze incidenti.
Lo smorzamento dell’energia in arrivo provoca diverso orientamento degli organi flessibili, modifica della forma (più affusolata), diverso orientamento dei rami. Questo ultimo fattore è più evidente in conifere, dove la struttura architettonica Excurrent prevede sezioni ridotte delle ramificazioni laterali anche in età adulta, ed una prevalenza delle quantità di cellulosa rispetto a quelle di lignina. I rami laterali mantengono elevate caratteristiche di elasticità anche in fase adulta ed in presenza di vento assumono posizioni favorevoli al vento. Cosa non possibile in latifoglie (struttura Decurrent), con ramificazioni laterali con elevato diametro, elevata rigidità (stiffness), incapacità delle strutture adulte di orientarsi secondo la direzione del vento. In queste piante (conifere) per lo smorzamento della forza del vento partecipa anche il tronco, comportamento impensabile in latifoglie.
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La parte di energia non dissipata dagli alberi è trasmessa ai rami, poi al tronco, alle radici ed al suolo. Anche le strutture legnose sono in grado di dissipare l’energia, attraverso meccanismi quali l’oscillazione della chioma, la deformazione elastica dei tessuti, la deformazione viscoelastica, attrito, turbolenza all’interno della chioma, isteresi (le deformazioni delle strutture legnose non seguono esattamente il carico applicato, neanche in fase di rilascio, mantenendo una quantità di energia che viene dissipata), attrito tra le diverse parti della chioma, deformazione elastica delle radici, attrito fra radici e suolo. La parte di energia non dissipata viene trasmessa alle parti dell’albero: branche, tronco, colletto, radici, suolo. In sintesi i fenomeni interessati alla dissipazione delle forze negli alberi sono i seguenti:
I lavori che l’uomo esegue sugli alberi (potature, ecc) modificano il materiale (legno), i carichi ed i seguenti fattori morfologici: snellezza, lunghezze e rapporti di leva, cavità, elasticità delle strutture, grandezza della chioma, rigidità, porosità, forma degli organi (foglie e germogli).
Luciano Riva
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