COEFFICIENTI DI SICUREZZA DELL'EUROCODICE 5 PER LE STRUTTURE IN LEGNO

L'Eurocodice 5 (EN 1995-1-1) è uno standard europeo che regola la progettazione delle strutture in legno, basandosi sul metodo degli stati limite. Il principio fondamentale di questo metodo è garantire che la struttura sia in grado di sostenere tutti i carichi di calcolo senza collassare (stato limite ultimo) e di funzionare correttamente senza deformazioni eccessive (stato limite di esercizio). Per raggiungere questo obiettivo si utilizzano coefficienti di sicurezza parziali: coefficienti per i carichi (γF) e coefficienti per le proprietà dei materiali (γM).

I coefficienti di carico (γF) aumentano i valori di calcolo delle azioni esterne, come i carichi permanenti, variabili, da neve, da vento o sismici. Solitamente, i loro valori variano da 1,0 a 1,5, a seconda del tipo di carico e della sua combinazione. Ad esempio, per i carichi permanenti (Gk) il coefficiente γG è solitamente 1,35, mentre per i carichi variabili (Qk) — γQ = 1,5. Questi valori sono di importanza critica per tenere adeguatamente conto dell'incertezza nell'entità dei carichi.

I coefficienti dei materiali (γM) riducono i valori di calcolo delle caratteristiche di resistenza e deformazione del legno e dei collegamenti, tenendo conto della naturale variabilità del materiale e delle possibili deviazioni nella produzione. Per il legno, solitamente, γM = 1,3. Per gli elementi metallici di collegamento, come chiodi, viti o bulloni, γM può essere 1,0 o 1,25, a seconda del materiale e del tipo di fissaggio. Questo duplice approccio ai coefficienti garantisce che la capacità portante di calcolo della struttura sia sempre superiore ai carichi di calcolo, garantendo il necessario margine di resistenza. È importante anche considerare i coefficienti di durata del carico (k_mod) e le classi di servizio (k_def), che verranno esaminati in dettaglio nelle sezioni successive, poiché influiscono notevolmente sui calcoli finali di resistenza e deformazione degli elementi lignei. Ad esempio, per carichi di lunga durata e elevata umidità, la resistenza del legno può essere ridotta, il che viene compensato dai corrispondenti valori di k_mod e k_def.

Secondo la norma ДБН В.2.6-160:2010 «Strutture lignee. Disposizioni fondamentali», parzialmente armonizzata con l'Eurocodice 5, i costruttori ucraini applicano anch'essi principi simili. Tuttavia, è importante studiare attentamente le appendici e le particolarità nazionali, per garantire la piena conformità alle norme locali. Ciò permette di progettare strutture in pannelli XLAM e legno lamellare affidabili e durevoli, minimizzando i rischi di esercizio.

Il legno lamellare di classe GL24h è un prodotto ligneo ingegnerizzato ampiamente utilizzato in edilizia grazie alla sua elevata resistenza e stabilità. Tuttavia, come qualsiasi materiale ligneo, le sue proprietà meccaniche sono sensibili alla durata dell'azione dei carichi e alle condizioni ambientali. L'Eurocodice 5 tiene conto di questi fattori tramite il coefficiente di durata del carico (k_mod) e le classi di servizio (Service Classes).

Il coefficiente k_mod modifica la resistenza di calcolo del materiale in funzione della durata dell'azione del carico. Il legno mostra una maggiore resistenza sotto carichi di breve durata (ad esempio vento, sisma) e minore sotto carichi di lunga durata (carichi permanenti). L'Eurocodice 5 definisce cinque classi di durata del carico: istantaneo, di breve durata, di media durata, di lunga durata e permanente. Per ogni classe e classe di servizio del legno (nonché della sua resistenza) viene assegnato un corrispondente valore di k_mod. Per il legno lamellare GL24h, che appartiene alle classi di resistenza del legno che conservano bene le proprie proprietà, i valori di k_mod sono i seguenti:

Le classi di servizio (Service Classes) definiscono le condizioni di umidità e temperatura a cui è sottoposta la struttura lignea:

• **Classe 1:** Temperatura 20 °C, umidità relativa dell'aria ambiente non superiore al 65% (ad esempio ambienti interni riscaldati).
• **Classe 2:** Temperatura 20 °C, umidità relativa dell'aria ambiente non superiore all'85% (ad esempio ambienti chiusi ma non riscaldati, o elementi sotto tetto, protetti dall'azione diretta degli agenti atmosferici).
• **Classe 3:** Condizioni che portano a un contenuto di umidità nel legno superiore rispetto alla Classe 2 (ad esempio strutture esterne, esposte agli agenti atmosferici).

È importante considerare anche il coefficiente di deformazione k_def, applicato nei calcoli degli stati limite di esercizio (ad esempio le frecce). Questo coefficiente tiene conto dello scorrimento viscoso (creep) del legno sotto carico prolungato. Per il legno lamellare GL24h il valore di k_def dipende dalla classe di servizio ed è solitamente pari a 0,6 per la Classe 1, 0,8 per la Classe 2 e 2,0 per la Classe 3. La corretta scelta di questi coefficienti è fondamentale per una progettazione precisa e sicura, che permette di evitare frecce eccessive o il collasso per tutta la durata di servizio dell'edificio.

I nodi di fissaggio sono elementi di importanza critica in qualsiasi struttura lignea, in particolare quando si lavora con legno lamellare GL24h di grandi dimensioni. È proprio attraverso i nodi che si trasmettono tutti i carichi, e il loro cedimento può portare al collasso dell'intero sistema. L'Eurocodice 5 fornisce una metodologia dettagliata per il calcolo della capacità portante di diversi tipi di fissaggi, integrando coefficienti di sicurezza e coefficienti modificativi per garantire l'affidabilità. Ciò copre un'ampia gamma di elementi, dai tradizionali chiodi e viti ai moderni collegamenti bullonati, spinotti e piastre metalliche forate.

Nella progettazione dei nodi di fissaggio si applicano coefficienti parziali per i materiali (γM) separatamente per gli elementi lignei e per i connettori metallici. Per il legno che partecipa al nodo, si applica il coefficiente γM = 1,3. Per gli elementi di fissaggio in acciaio, a seconda della loro duttilità e tipo, il valore di γM può variare da 1,0 (per collegamenti ad alta duttilità) a 1,25. Inoltre, il valore di k_mod (coefficiente di durata del carico) e la classe di servizio svolgono anch'essi un ruolo significativo, poiché influiscono sulla resistenza effettiva del legno nella zona del fissaggio.

Ad esempio, per il calcolo della capacità portante di una singola vite in un collegamento in legno lamellare, l'Eurocodice 5 propone formule complesse che tengono conto del diametro della vite, della sua lunghezza, dell'angolo di avvitamento, della densità del legno, nonché delle caratteristiche dell'acciaio. Queste formule fanno parte del «metodo di Jensen», che permette di modellare il comportamento del collegamento come un sistema composto da un fissaggio flessibile e un supporto elastico del legno. L'importanza di un calcolo preciso dei nodi di fissaggio è sottolineata nella sezione 8 di EN 1995-1-1. È necessario verificare non solo la capacità portante del fissaggio a taglio, ma anche a sfilamento, nonché alla spaccatura del legno lungo le fibre, particolarmente rilevante in caso di distanze dal bordo insufficienti. Per i collegamenti con un gran numero di elementi di fissaggio si applicano coefficienti di efficienza aggiuntivi, che tengono conto della non contemporaneità del raggiungimento della capacità portante limite da parte dei singoli fissaggi. Tali calcoli dettagliati permettono di garantire l'affidabilità anche di progetti lignei realizzati complessi.

La resistenza al fuoco è uno degli aspetti più importanti della sicurezza degli edifici, e per le strutture in legno, incluso il legno lamellare GL24h, l'Eurocodice 5 (EN 1995-1-2) insieme a EN 13501-2 fornisce metodi chiari di valutazione. EN 13501-2 è lo standard di classificazione dei prodotti ed elementi da costruzione in base alla resistenza al fuoco (REI), mentre EN 1995-1-2 contiene metodi specifici di calcolo del comportamento delle strutture in legno in condizioni di incendio.

Il principio fondamentale del calcolo della resistenza al fuoco degli elementi lignei si basa sul concetto di sezione efficace. Durante un incendio, la superficie del legno si carbonizza a una certa velocità. Lo strato carbonizzato perde la sua capacità portante e non viene considerato nei calcoli. La velocità di carbonizzazione dipende dalla specie del legno, dalla sua densità, dalla presenza di rivestimenti protettivi e dalle condizioni di ventilazione. Per il legno lamellare, la velocità di carbonizzazione (β0) viene solitamente assunta come 0,65-0,70 mm/min per combustione monolaterale. Ciò permette di calcolare la sezione ridotta (efficace) dell'elemento portante dopo un certo tempo di esposizione all'incendio.

L'Eurocodice 5 tiene conto anche dell'aumento della temperatura nella parte non carbonizzata del legno, che porta a una riduzione delle sue caratteristiche di resistenza. A tale scopo vengono introdotti coefficienti di riduzione della resistenza e della rigidità. Nei calcoli di resistenza al fuoco si applicano anche coefficienti di sicurezza per i materiali (γM,fi) e per i carichi (γF,fi), ma con valori specifici per le situazioni di incendio. Ad esempio, γM,fi per il legno può essere pari a 1,0, e per i carichi permanenti γG,fi = 1,0. Ciò è dovuto al fatto che in una situazione di incendio l'accento è posto sul comportamento effettivo dei materiali, piuttosto che sulla loro probabile variabilità in condizioni normali. È importante considerare anche i dettagli dei nodi di fissaggio, poiché i connettori metallici possono perdere la loro capacità portante più rapidamente del legno se riscaldati. A tale scopo si applicano misure protettive speciali, come il rivestimento delle piastre metalliche o l'aumento della profondità di inserimento dei fissaggi. La combinazione di questi approcci permette di progettare strutture in legno lamellare conformi agli elevati requisiti di sicurezza antincendio, garantendo tempo per l'evacuazione e minimizzando le conseguenze distruttive.

Per illustrare l'applicazione dei coefficienti di sicurezza dell'Eurocodice 5, esaminiamo un esempio pratico semplificato di calcolo di resistenza di una trave in legno lamellare GL24h soggetta a flessione. Supponiamo che la trave abbia dimensioni 100x300 mm e lunghezza 6 m, si trovi in classe di servizio 1, e sia soggetta a un carico permanente (peso proprio, copertura) e a un carico da neve di lunga durata. La resistenza a flessione per il GL24h è f_m,k = 24 MPa.

**Fase 1: Determinazione dei carichi di calcolo.**

• Carico permanente (Gk): 1 kN/m.
• Carico da neve di lunga durata (Qk): 2 kN/m.
• Coefficienti parziali dei carichi: γG = 1,35; γQ = 1,5.

Carico di calcolo sulla trave: Fd = γG * Gk + γQ * Qk = 1,35 * 1 + 1,5 * 2 = 1,35 + 3,0 = 4,35 kN/m. Momento flettente di calcolo massimo (per una trave semplice con carico uniformemente distribuito): Md = Fd * L^2 / 8 = 4,35 * 6^2 / 8 = 19,575 kN·m.

**Fase 2: Determinazione della resistenza di calcolo del materiale.**

• Resistenza caratteristica a flessione: f_m,k = 24 MPa.
• Coefficiente parziale del materiale per il legno: γM = 1,3.
• Coefficiente di durata del carico (k_mod): Per il carico permanente (Cl. 1) k_mod = 0,60. Per la neve di lunga durata (Cl. 1) k_mod = 0,70. Poiché la combinazione di carichi è determinante, si assume il valore minore, oppure si considerano le combinazioni. Per semplicità, in questo esempio, ipotizziamo che domini il carico di lunga durata, quindi k_mod = 0,70.

Resistenza di calcolo a flessione: f_m,d = k_mod * f_m,k / γM = 0,70 * 24 / 1,3 = 12,92 MPa.

**Fase 3: Verifica della capacità portante.**

• Modulo di resistenza della trave: W = b * h^2 / 6 = 100 * 300^2 / 6 = 1,5 * 10^6 mm^3 = 0,0015 m^3.
• Capacità portante di calcolo della trave: Mrd = f_m,d * W = 12,92 * 10^3 kN/m^2 * 0,0015 m^3 = 19,38 kN·m.

Confronto: Md = 19,575 kN·m > Mrd = 19,38 kN·m. Quindi, la trave non supera la verifica di resistenza. È necessario aumentare la sezione della trave o scegliere un legno di classe di resistenza superiore. Questo esempio dimostra chiaramente come i coefficienti di sicurezza influiscano sul risultato finale del calcolo e la necessità della loro applicazione precisa. Il coinvolgimento di ingegneri esperti è fondamentale per evitare situazioni simili, in particolare nella progettazione di impianti tecnici complessi degli edifici.

La graduale armonizzazione delle norme edilizie ucraine con gli standard europei è una priorità strategica. In questo contesto, l'Eurocodice 5 svolge un ruolo chiave nella modernizzazione degli approcci alla progettazione delle strutture in legno. Sebbene in Ucraina sia in vigore la norma ДБН В.2.6-160:2010 «Strutture lignee. Disposizioni fondamentali», che presenta alcune caratteristiche comuni con l'Eurocodice 5, esistono differenze e sfide significative da superare per una piena implementazione.

Una delle principali sfide è la differenza nella filosofia dei calcoli. Le norme ucraine si sono storicamente basate sul metodo degli stati limite, ma con valori dei coefficienti di sicurezza e principi di applicazione in parte diversi. L'Eurocodice 5, con il suo approccio integrato ai coefficienti parziali per carichi, materiali, durata del carico e classi di servizio, richiede una comprensione più profonda e un ripensamento delle pratiche ingegneristiche. Per un'implementazione efficace è necessario non solo tradurre gli standard, ma anche formare gli specialisti, adattare il software e introdurre nuovi metodi di controllo qualità dei materiali, in particolare del legno lamellare GL24h.

Un altro aspetto importante sono le condizioni specifiche dell'Ucraina, come le zone climatiche, l'attività sismica (per alcune regioni) e la disponibilità di materiali da costruzione locali. Sebbene l'Eurocodice 5 offra la possibilità di stabilire Appendici Nazionali (National Annexes) che tengano conto di queste particolarità, lo sviluppo e l'approvazione di tali appendici in Ucraina è un processo lungo. Ad esempio, i valori dei carichi da neve e vento, nonché i regimi termici, possono differire da quelli tipici dei paesi dell'Europa occidentale, il che richiede un adeguamento dei relativi coefficienti di carico.

Nonostante queste sfide, il passaggio all'Eurocodice 5 apre nuove opportunità per il settore edilizio ucraino. Ciò permetterà di utilizzare tecnologie e materiali avanzati, come strutture lignee innovative, di integrarsi nel mercato edilizio mondiale, nonché di aumentare il livello generale di sicurezza e qualità degli edifici. Una collaborazione attiva tra istituzioni statali, istituti scientifici e aziende private è fondamentale per un'implementazione efficace e riuscita degli standard europei nella pratica nazionale.

Un'applicazione errata dei coefficienti di sicurezza dell'Eurocodice 5 può portare a conseguenze serie, da una capacità portante insufficiente della struttura a costi eccessivi di materiali dovuti a un margine di resistenza sovrastimato. Comprendere ed evitare gli errori tipici è di importanza critica per qualsiasi ingegnere progettista.

**1. Scelta errata della classe di servizio:** Uno degli errori più comuni è la determinazione errata della classe di servizio (Service Class). Ad esempio, l'applicazione dei coefficienti per la Classe 1 (condizioni asciutte) a una struttura che si trova effettivamente in Classe 2 o 3 (umidità elevata) porterà a una sovrastima della resistenza di calcolo del legno e a un margine di resistenza insufficiente. Si dovrebbero sempre analizzare attentamente le condizioni di esercizio, tenendo conto dei possibili cambiamenti di umidità e temperatura durante la durata di servizio dell'edificio.

**2. Confusione con i coefficienti di durata del carico (k_mod):** Alcuni ingegneri possono applicare un unico coefficiente k_mod a tutti i carichi, mentre l'Eurocodice 5 li distingue chiaramente in base alla durata dell'azione (permanenti, di lunga durata, di breve durata, istantanei). Nelle combinazioni di carico è necessario utilizzare il k_mod corrispondente al carico dominante o applicare metodi più complessi che tengano conto dell'effetto di diverse durate. Ignorare ciò può portare a sottostimare lo scorrimento viscoso del legno o a sovrastimare la sua resistenza istantanea.

**3. Sottostima dell'interazione degli elementi nei nodi di fissaggio:** Spesso si commette l'errore di calcolare la capacità portante del nodo come somma delle capacità portanti dei singoli fissaggi senza tener conto dei coefficienti di efficienza. Per i collegamenti con un gran numero di elementi di fissaggio, questi coefficienti riducono la capacità portante di calcolo complessiva, poiché non tutti i fissaggi possono raggiungere lo stato limite contemporaneamente. È importante anche verificare le distanze dal bordo e assiali tra i fissaggi e dal bordo dell'elemento, per evitare la spaccatura del legno.

**4. Scelta errata dei coefficienti dei materiali (γM):** Sebbene per il legno γM = 1,3 sia standard, per i fissaggi metallici può variare. L'applicazione di un γM errato agli elementi di fissaggio in acciaio può portare a calcoli errati della resistenza dei collegamenti. Verificare sempre i valori specifici di γM per ogni tipo di materiale utilizzato nella struttura. Evitare questi errori tipici richiede una profonda comprensione dei fondamenti teorici dell'Eurocodice 5, una formazione continua e l'uso di software specializzato che tenga conto di tutti i requisiti dello standard.