Affidabilità delle strutture in legno e coefficienti di sicurezza

Norme Tecniche per le Costruzioni: arrivano le NTC 2012?

Le Norme Tecniche per le Costruzioni, approvate con il D.M. 14 gennaio 2008 e in vigore dal 5 marzo 2008, forniscono le indicazioni da seguire per il progetto, l’esecuzione e il collaudo delle costruzioni. Da tempo si parla della possibile approvazione delle nuove Norme Tecniche per le Costruzioni: NTC 2012. Negli ultimi 12 mesi infatti il dibattito tecnico in Italia è stato ampio. È in discussione il concetto stesso di affidabilità delle strutture e di sicurezza.
Continua su Ingenio il dibattito sulla necessità di aggiornamento delle Norme con le riflessioni di due illustri esponenti del settore in merito alla sicurezza delle strutture in acciaio, in c.a. e in legno.

Le proposte di revisione delle NTC’08 sono ancora oggetto di discussione all’interno delle commissioni competenti in seno al C.S.ll.pp. e fanno riferimento ad una intensa attività dei gruppi di lavoro che hanno lavorato inizialmente come “Commissione Monitoraggio” e, a partire da marzo 2011, nella cosiddetta “Cabina di Regia”. Durante il primo riesame della Norma, l’obiettivo primario era quello di correggere i refusi. Successivamente, a seguito della raccolta e dell’esame delle osservazioni e delle segnalazioni pervenute al Ministero, sono state studiate, discusse e avanzate le proposte di modifica e di aggiornamento con l’esigenza e la volontà di limitare quanto più possibile la loro numerosità. In questa seconda fase sono stati privilegiati aggiornamenti relativi alle migliorie sia dal punto di vista della chiarezza espositiva sia in merito alla taratura delle formulazioni e di alcuni coefficienti significativi.
Nell‘ambito di queste attività rivolte all’aggiornamento dei documenti, una attenzione particolare è stata rivolta al problema dei coefficienti di sicurezza relativi alle costruzioni in legno. In particolare, il coefficiente γ_M è stato oggetto di approfondita discussione e di confronto tra posizioni a volte contrastanti. Da una parte si sostiene l’esigenza che anche l’Italia, alla luce anche di un panorama normativo dedicato alla certificazione di prodotto sicuramente più strutturato rispetto al 2008, si allinei con gli altri paesi europei che hanno adottato per il legno massiccio e per il legno lamellare valori rispettivamente pari a 1,30 e 1,25. Contestualmente da altri componenti dei gruppi di lavoro viene sostenuta l’esigenza di conservare l’atteggiamento prudenziale contenuto nell’attuale versione della NTC’08 (valori rispettivamente pari a 1,50 e 1.45), tenuto conto che l’Italia si è aperta solo recentemente al mondo delle costruzioni in legno e pertanto progettisti, costruttori e operatori del settore non possono godere dell’esperienza necessaria.Esiste poi una terza posizione di chi sostiene che una certa esperienza è stata maturata nel passato, soprattutto su costruzioni speciali a volte molto impegnative, e in tempi più recenti anche nell’edilizia residenziale e che pertanto è possibile ragionare su valori intermedi per tali coefficienti (1,45 e 1,35), ritenendo questo passaggio indispensabile per arrivare al completo allineamento di tali coefficienti alla situazione europea in una successiva revisione della norma. Il tema è tuttora oggetto di discussione in sede C.S.ll.pp.

In tale sede, era stato quindi presentato un documento molto articolato che metteva a confronto la sicurezza offerta dalle costruzioni in c.a., acciaio e legno. Le conclusioni di tale elaborato si fondano sul confronto delle distribuzioni gaussiane relative alle resistenze sperimentali dei tre materiali, calcestruzzo, acciaio e legno, riferendosi in particolare alla “apertura” della gaussiana e, in buona sostanza, al valore dello scarto quadratico delle resistenze dei tre materiali.
Gli scriventi, pur riconoscendo l’originalità del documento, ritengono che le sue conclusioni siano fuorvianti (anche perché il campionamento formulato e che sta alla base dei risultati ottenuti è molto lontano dalla realtà produttiva italiana e europea) e hanno sostenuto, con varie argomentazioni, che la sicurezza delle costruzioni dipende solo in parte dal materiale ma che molti altri fattori possono influenzarla in maniera più pesante e che pertanto la sua valutazione risulta molto più complessa, non sempre esprimibile attraverso parametri e formulazioni matematiche che per loro natura sono in grado di esprimere e quantificare solo alcuni aspetti del problema. Nel seguito si presentano alcune riflessioni atte a suffragare una progressiva riduzione del coefficiente γ_M e ad un suo rapido allineamento con i valori adottati in altre nazioni e nell’Eurocodice 5.

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L'approfondimento - Osservazioni sulla affidabilità delle strutture

Ritengo opportuno presentare alcune osservazioni in merito alla sicurezza delle strutture in acciaio, in c.a. e in legno.

Strutture d’acciaio
L’affidabilità delle strutture di acciaio non può in generale essere identificata col solo grado di affidabilità del materiale acciaio. Il collasso di queste strutture è quasi sempre governato da fenomeni di instabilità globale e locale, di natura elastica o in campo plastico (corrugamento plastico). Questo tipo di collasso è fortemente influenzato dalle coazioni prodotte dalle autotensioni dipendenti dai processi produttivi dei profilati e dalle modalità di assemblaggio nei processi di saldatura; il valore effettivo della resistenza di una travata dipende dai processi produttivi.
Un esempio significativo riguarda le travi reticolari: realizzate con profilati di produttori diversi e con saldatori diversi, è lecito ritenere che presentino una dispersione dei risultati ben maggiore di quella corrispondente alla resistenza del materiale acciaio.
Nelle strutture in acciaio antisismiche dissipative la resistenza è governata da fenomeni di fatica nel campo delle grandi deformazioni plastiche. È plausibile ritenere che la resistenza delle sezioni nei confronti di questo fenomeno abbia una dispersione diversa da quella del materiale base.
La valutazione della affidabilità e della dispersione dei risultati non può prescindere da queste incertezze, peraltro di difficile valutazione.

Strutture in c.a.
Nelle travi in c.a. gettate in opera la capacità portante delle sezioni duttili è governata dall’area dell’acciaio teso, dalla resistenza allo snervamento dell’acciaio e dal braccio della coppia interna. Nella realtà dei cantieri il braccio della coppia interna è un parametro che può essere suscettibile di variazioni dovute per esempio a imprecisione nelle dimensioni delle staffe, a imprecisioni nella realizzazione del copriferro; soprattutto nelle travi continue l’affidabilità dei momenti negativi ultimi risulta affetta da valori relativamente dispersi.
Inoltre il braccio della coppia interna dipende anche dalla resistenza e dalle deformazioni del calcestruzzo compresso e pertanto dipende, sia pure in misura minore, dalla dispersione delle resistenze del calcestruzzo.
La gaussiana della capacità portante ultima di queste travi avrebbe una apertura ben più ampia di quella dell’acciaio delle armature. Queste imprecisioni vengono compensate dai coefficienti parziali di sicurezza.
La resistenza dei pilastri è governata dalla resistenza del calcestruzzo che nella realtà dei cantieri può avere valori di resistenza ben più dispersi di quelli del calcestruzzo confezionato in laboratorio o nelle stazioni di betonaggio. Infatti, nella realtà dei cantiere, non è infrequente che la betoniera debba attendere tempi più lunghi del previsto per aspettare il completamento della posa dell’acciaio. La resistenza del calcestruzzo risulta in questi casi penalizzata anche se entro valori ancora accettabili. La dispersione dei risultati, se si tenesse conto di queste eventualità, darebbe luogo ad una gaussiana ben più aperta di quella dei provini di calcestruzzo prelevati da un impianto di betonaggio o realizzati in laboratorio.

Strutture in legno lamellare
Nelle strutture in legno lamellare la resistenza delle singole tavole non ancora oggetto di un processo di classificazione secondo la resistenza presenta risultati indubbiamente più dispersi di quelli del materiale acciaio e del calcestruzzo confezionato da impianti di betonaggio.
La geometria però, a differenza della strutture in c.a., è di elevato grado di precisione (tolleranze di qualche millimetro) su sezioni di dimensioni di due ordini di grandezza maggiori.
Si deve ricordare come il processo produttivo dedicato alla realizzazione di elementi in legno lamellare incollato preveda una classificazione con metodi a macchina o a vista. Tale procedimento di selezione avviene su ogni singola lamella e ha come logica conseguenza una diminuzione del coefficiente di variazione legata alla materia prima (ragione per cui anche per il legno massiccio è possibile ipotizzare un progressivo allineamento del coefficiente γ_M ai valori proposti dall’EC5).
Inoltre le travi in legno lamellare non sono interessate da problemi di instabilità locali o dalle coazioni, come l’acciaio.
In via semplicistica si può affermare che si assiste, al termine dei controlli attuati in sede di produzione, ad un effetto di omogeneizzazione tra e negli elementi finiti. Tutto questo quindi ha un'unica conseguenza: l’abbattimenti dei coefficienti di variazione.
Per completezza occorre poi osservare che negli impalcati lignei esistenti gli insuccessi sono generalmente attribuibili alle eccessive deformazioni nelle condizioni di esercizio. Difficilmente gli insuccessi sono attribuibili ad una insufficiente capacità portante ultima. Da questo punto di vista la gaussiana della resistenza del materiale legno, pur rappresentando un aspetto concettuale importante della sicurezza, gioca un ruolo effettivo meno determinante rispetto ai fenomeni che coinvolgono le deformazioni.
Un aspetto non trascurabile della sicurezza delle travi in legno riguarda l’evidente preavviso del collasso: il collasso delle travi lignee infatti avviene in modo fragile, ma con un notevole preavviso dovuto alla vistosa deformazione flessionale.
A parere dello scrivente il confronto tra strutture realizzate con materiali differenti dovrebbe tenere conto di tutti gli aspetti che caratterizzano la capacità portante della struttura stessa al fine di avere una adeguata rappresentatività del settore oggetto di studio.

Ezio Giuriani

Osservazioni sulla affidabilità delle strutture in legno

È necessario prendere coscienza che il concetto di “pubblica incolumità” è strettamente legato al concetto di filiera. Solo attraverso una progettazione attenta a evitare grossolani errori si potrà scongiurare la perdita di vite umane ed evitare tragedie come quelle successe anche recentemente nelle aree colpite dal sisma in Emilia. Molti sono gli esempi riportati in letteratura o presenti in siti istituzionali (si vedano, tra gli altri, www.reluis.it, www.federazioneingegneri.toscana.it). Gli esempi che si richiamano vogliono semplicemente dimostrare che imputare la sicurezza delle opere ai soli coefficienti di sicurezza “del materiale”, non garantisce la “sicurezza” delle opere ingegneristiche stesse. Questo a prescindere dal materiale utilizzato.
D’altra parte il concetto è generalmente noto e molte sono le referenze scientifiche che, da analisi e studi effettuati sui crolli avvenuti (learn from failures), giungono a tali conclusioni. Per quanto riguarda il legno, particolarmente significativo è il testo seguente estratto dalla pubblicazione su rivista “Analysis of structural failures in timber structures: Typical causes for failure and failure modes” (Eva Frühwald Hansson, Engineering Structures, Vol. 33, 2011, pp. 2978–2982).
“The most common cause of failure is related to weaknesses in or lack of strength design (41.5%), followed by poor principles during erection (14.1%), onsite alterations (12.5%) and insufficient or lack of design with respect to environmental actions (11.4%)”.
Nelle conclusioni della medesima memoria, si legge anche: “Majority of the failures compiled in the Nordic study could have been avoided if available knowledge had been utilised in a correct way. About half of the failures are caused by errors in design or lack of design. One quarter of the failures was due to errors made on the building site. The study more or less confirms the conclusion made by many others that for structures of all types of materials, almost all failures occur due to gross human errors. Failures due to human errors cannot be counteracted by increasing safety factors or safety levels in structural codes.”
Ovviamente il Ricercatore autore dello studio si riferiva ai coefficienti di sicurezza “europei” ben inferiori, come si è già detto, a quelli italiani.
Per ritornare sulle considerazioni legate al coefficiente di sicurezza del materiale, è necessario precisare come si debba partire da un assunto fondamentale: l’elemento ligneo è un elemento oggetto di una classificazione secondo la resistenza. E’ un processo che si riferisce all’elemento “finito” e non interessa solo un “campione rappresentativo di dimensioni ridotte” (come ad esempio avviene per il calcestruzzo). La resistenza a flessione è dunque determinata sull'elemento, e viene riportata a tensione resistente a flessione sulla base di un semplice modello elastico. In modo duale, durante la verifica, si riapplica lo stesso modello elastico per risalire alla resistenza in termini di sollecitazione.
A differenza di altri materiali quali l'acciaio, si deve inoltre precisare che il coefficiente di sicurezza applicato sul materiale legno è ulteriormente “amplificato” tramite un ulteriore fattore k_mod che tiene conto di durata del carico e umidità del materiale, che può portare anche al raddoppio del valore di γ_M sotto azioni permanenti e “classe di servizio” gravosa. Quindi il coefficiente che si applica a una resistenza caratteristica per il legno lamellare non è γ_M =1,35 bensì, per tali tipi di azioni, γ_M/k_mod=1,35/0,5=2,7. Questa è solitamente la condizione estremante di verifica agli SLU in presenza di valori elevati di azioni permanenti e quasi permanenti. In altri casi, il fattore kmod nella condizione estremante di verifica può essere 0,7 o 0,8, il che comporta comunque un coefficiente di sicurezza effettivo, sempre per il legno lamellare, di circa 1,7 ÷ 1,9. Giova infine precisare che, per materiali a base legno più “sensibili” alla durata del carico e all’umidità, il fattore k_mod diviene via via sempre più piccolo (caso limite k_mod=0,2, con un coefficiente di sicurezza aumentato quindi di 5 volte).
Oggi, le affermazioni sopra riportate assumono ben maggiore rilievo in quanto sia gli elementi di legno massiccio che gli elementi di legno lamellare devono obbligatoriamente seguire l’iter di certificazione secondo Norme Armonizzate il cui periodo di coesistenza è terminato. La marcatura CE obbligatoria implica quindi una derivazione dei valori caratteristici secondo quanto previsto dalla normativa di riferimento.
L’obbligatorietà di tale marcatura CE è, di fatto, la grande differenza esistente rispetto alla situazione del 2008. Questo è sicuramente un fatto importante ai fini di un effettivo miglioramento della sicurezza della costruzione lignea. Si deve sottolineare ancora una volta che la marcatura CE è applicata ad elementi di legno massiccio o legno lamellare aventi determinata sezione e determinata lunghezza e non già al “materiale”.

Maurizio Piazza