Influenza dei nodi sul modulo di elasticità di pali di fondazione in legno

Cities build on marshy undergrounds, such as Amsterdam and Venice, are based on timber foundation piles due to the low bearing capacity of the soil. Since wood is a natural material, the mechanical properties of timber piles are affected by structural defects like knots. With the aim to understand this aspect, this research studies the influence of knots on the modulus of elasticity in the longitudinal direction of wooden foundation piles. The research analyzed 27 spruce and pine piles (from Germany and The Netherlands), that were divided in 110 segments. In particular, two main parameters that influence the stiffness of timber piles were considered: the knots size and layout. The study of segments was performed with large-scale mechanical testing that involved compression tests and frequency response measurement. The global analysis was validated by testing also wooden disks sawn from a section of the pile with and without knots, to further analyze the influence of knots on stiffness with local tests, besides the large-scale ones. A good correlation was observed between the MOE of pile segments and disks, and confirming that section with knots governs the stiffness when loading a pile in compression. An Overall Knots Ratio (OKR) was defined considering the layout of knots in each foundation pile and evaluating how the modulus of elasticity is influenced by dimension, number and layout of knots. The influence of knots was studied also performing a numerical model to predict the dynamic response of the segments. The model confirms again that knots are a relevant factor in the variation of the MOE of wooden foundation piles. Finally, a prediction model was performed. The model can predict the modulus of elasticity of a pile, by knowing density and knots layout. The analysis of the obtained data showed that knots influence the deviation of longitudinal fibers and subsequently the modulus of elasticity. Therefore, the cross-section with knots in the axial direction of a pile, due to fiber deviation around a knot, resulted to have very low stiffness, that was neglected in the analysis. In addition, it was estimated that the zone around the knot, where the fibers in longitudinal direction deviate, has a slightly higher stiffness than the knot itself, but still very low. In conclusion, the equivalent size of influence was estimated approximately as 1.5 times the diameter of the knot itself. These results were studied in detail with Digital Image Correlation (DIC) test. This technique was used to better investigate the behaviour of knots on the variation of the MOE. DIC was used to analyze the deformations on a small area around a knot, during a compression test of two pile segments. The results confirmed that the section with knots has a lower stiffness than the section without knots.

Le città fondate su suoli di tipo paludoso, come Amsterdam e Venezia, sono caratterizzate da terreni con scarsa capacità portante, motivo per il quale vengono utilizzati pali di fondazione in legno. Essendo quest’ultimo un materiale naturale, le proprietà meccaniche dei pali vengono alterate dalla presenza di difetti strutturali, come possono essere i nodi. Al fine di comprendere questo aspetto, questa ricerca studia l’influenza dei nodi sul modulo di elasticità in direzione longitudinale dei pali di fondazione in legno. Sono stati considerati 27 pali di abete rosso e pino (provenienti da Germania e Paesi Bassi), successivamente suddivisi in 110 segmenti ed analizzati. In particolare, sono stati considerati due principali parametri che più influiscono sulla rigidezza, quali la dimensione dei nodi e la disposizione di essi. Lo studio dei segmenti è stato condotto tramite test meccanici a grande scala che comprendono test a compressione e test di misurazione della risposta dinamica. L’analisi globale è stata validata testando dischi ottenuti da sezioni dei pali con e senza nodi, per analizzare ulteriormente, con test locali, l’influenza dei nodi sulla rigidezza longitudinale. Un Overall Knots Ratio (OKR) è stato definito analizzando la disposizione dei nodi di ogni palo di fondazione, e valutando come il modulo di elasticità è influenzato dalla dimensione, numero e disposizione di essi. L’influenza dei nodi è stata anche studiata creando un modello numerico per riprodurre la risposta dinamica dei segmenti di palo. Il modello conferma ancora che i nodi sono un fattore rilevante nella variazione di rigidezza dei pali di fondazione in legno. Infine, si è sviluppato un modello predittivo in grado di stimare il modulo di elasticità di un palo conoscendo la densità e la quantità di nodi nello stesso. L’analisi dei dati ottenuti mostra che i nodi influiscono sulla deviazione delle fibre longitudinali e il modulo di elasticità. Quindi, le sezioni con nodi risultano avere una rigidezza molto bassa in direzione assiale di un palo che, per questo motivo, non è stata considerata nell’analisi. Inoltre, è stato stimato che la rigidezza dell’area attorno ad un nodo, dove le fibre sono deviate, sia leggermente più elevata del nodo stesso, ma ancora molto bassa. Infine, la larghezza di influenza equivalente è stata stimata approsimativamente come 1.5 volte la dimensione del nodo stesso. Questi risultati sono stati studiati nel dettaglio con test di Digital Image Correlation (DIC). Questa tecnica è stata usata per meglio indagare il comportamento dei nodi nella variazione del MOE. Il test DIC è stato usato durante l’esecuzione di un test a compressione per analizzare le deformazioni di una piccola area attorno ad un nodo su due segmenti di palo. I risultati confermano che la sezione con nodi ha una rigidezza più bassa della sezione senza nodi.