BOZZA. Lezione n. 0. Introduzione e schema del corso

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1 Lezione n. 0 Introduzione e schema del corso L idea di queste dispense è quella di riassumere i contenuti principali del corso di Tecnica delle Costruzioni per i corsi di Laurea in Ingegneria dell Ambiente. Dopo una serie di lezioni introduttive di richiamo e complemento a concetti già visti in precedenti corsi (Meccanica dei Solidi, Scienza delle Costruzioni), il corso si indirizzerà verso la definizione delle procedure, dei metodi di analisi e dei criteri di verifica necessari per giungere ad una corretta progettazione di una struttura. Pertanto, Anziché introdurre uno schema del Corso, è forse utile riassumere quelli che sono i passi che costituiscono la serie di operazioni che, complessivamente, possono essere definite come progettazione strutturale. MATERIALI AZIONI GEOMETRIA STRUTTURA DIMENSIONI SCHEMA STRUTTURALE ANALISI STRUTTURALE VERIFICA no fine si Revisione 21/10/01

2 Lezione n 0 pag. 0.2 Il grafico precedente mostra l iter di progetto che porta alla definizione delle caratteristiche geometriche della parte che costituisce la struttura resistente di una qualunque opera costruita. Per struttura si intende, almeno dal punto di vista di un Corso di Tecnica delle Costruzioni, l insieme degli elementi resistenti di un edificio o di un opera costruita in genere. Ogni struttura è definita mediante la composizione di diversi parametri, in quanto un elemento strutturale risulta definito una volta che siano noti: - i materiali con il quale è realizzato (ad esempio il legno, l acciaio, il cemento armato, il cemento armato precompresso, tanto per citare i più frequenti materiali da costruzione, alcuni dei quali saranno oggetto del presente corso) - la geometria che lo costituisce (dettata da esigenze funzionali, ossia collegate alla funzione che deve svolgere l oggetto, e da eventuali vincoli che lo condizionano), intendo per geometria quelle caratteristiche note indipendentemente dal percorso di progettazione strutturale vera e propria (ad esempio: nel caso di un progetto di un muro a sostegno di un terreno, sarà nota l altezza del muro e, forse, la massima dimensione della fondazione, dettata, ad esempio, da vincoli offerti da manufatti già presenti. A priori non saranno note le caratteristiche geometriche degli elementi che lo compongono, ad esempio lo spessore del muro, l altezza della fondazione, e così via) - lo schema strutturale, cioè la scelta dello schema resistente. Ad esempio, nel caso di una trave, si intenderà per schema strutturale il fatto che si tratti di una trave isolata, semplicemente appoggiata ad altri elementi strutturali, piuttosto che si tratti dell elemento orizzontale di un telaio. L insieme di queste tre caratteristiche definisce, almeno in parte, la struttura oggetto della progettazione. Il passo successivo sarà quello di fornire, all elemento strutturale o alla struttura nel suo insieme, le corrette dimensioni trasversali (gli spessori, le dimensioni delle sezioni) in modo tale da soddisfare a taluni requisiti prestazionali, che verranno specificati attraverso l operazione di verifica. Una volta effettuate le scelte definite in precedenza, a condizionare le dimensioni degli elementi resistenti intervengono le azioni che la struttura dovrà sopportare. Tra le azioni si annoverano, ad esempio: - i carichi permanenti, ossia carichi che graveranno stabilmente sull opera - i carichi accidentali, ossia carichi che, per loro natura, possono insistere o meno sull elemento strutturale (ad esempio il carico dovuto alla spinta delle terre, alla spinta idrostatica, al sovraccarico dovuto alla presenza di persone, all azione del vento, alla presenza della neve, all azione dovuta al sisma) - le coazioni, cioè tutte quelle situazioni che, se presenti, possono indurre uno stato di deformazione e, nel caso di strutture iperstatiche, uno stato di sollecitazione (si pensi, a titolo di esempio, all eventuale presenza di variazioni termiche o di cedimenti vincolari) La presenza di un feed-back (ossia di una retroazione) tra la voce dimensioni e la voce azioni è dettata dalla presenza del peso proprio della struttura, ovviamente dipendente dalle proprie dimensioni. Tale forza va indubbiamente contemplata nell elenco delle azioni che la struttura stessa deve sopportare, e può rappresentare, in taluni casi, anche l azione maggiormente significativa nel dimensionamento della stessa. Inoltre, la presenza dell accelerazione di gravità (e quindi della forza peso) rende il procedimento di progetto un procedimento di tipo iterativo, poiché una volta modificate le dimensioni trasversali dell elemento occorrerà ricalcolarne il peso e quindi procedere nuovamente ad una fase di verifica. Successivamente alla definizione delle azioni esterne gravanti sulla struttura e delle dimensioni (che, inizialmente, possono essere definite attraverso una procedura di pre-dimensionamento) è possibile procedere all analisi strutturale vera e propria, che consiste nella definizione delle caratteristiche di sollecitazione e di deformazione che, nelle varie sezioni della struttura, nascono a causa dei carichi applicati. E importante sottolineare il fatto che, nel caso generale di struttura iperstatica, i valori delle sollecitazioni dipendono dalle dimensioni della struttura oltre che dalle SOGGETTA A REVISIONE

3 Lezione n 0 pag. 0.3 forze applicate, per cui occorre comunque definire, per tutti i vari elementi che la compongono, le dimensioni trasversali della struttura. La freccia verde tratteggiata che unisce azioni e analisi strutturale indica che, in alcuni casi, è possibile procedere alla definizione delle sollecitazioni indipendentemente dalla conoscenza dalla geometria delle sezioni della struttura in esame: è questo il caso delle strutture isostatiche in cui lo stato di sollecitazione risente esclusivamente della disposizione dei vincoli e della geometria della struttura ma non dalle dimensioni trasversali della sezione, oggetto della procedura di dimensionamento. I risultati ottenuti attraverso il procedimento di analisi costituiscono l input per il successivo processo di verifica della struttura. Per verifica si intende la procedura che affronta il controllo della corrispondenza tra i requisiti richiesti all opera progettata e le prestazioni che a questa vengono richieste. In generale, il controllo viene quindi esercitato definendo sia i requisiti richiesti all opera, sia i metodi per definire la corrispondenza o meno a tali requisiti. In ambito strutturale, il primo requisito che viene ovviamente richiesto riguarda la sicurezza dell opera, intesa come distanza dalla possibile condizione di crisi (spesso identificata con il termine collasso ): i metodi di verifica utilizzati saranno quindi in grado di permettere di classificare una struttura come sicura o meno. Ma la sicurezza, per quanto di primaria importanza, non rappresenta l unico requisito richiesto ad una struttura: i controlli, di volta in volta, riguarderanno anche altri aspetti connessi non soltanto con la situazione limite della struttura, ma anche con condizioni che vengono definite di esercizio, per le quali si richiede che l opera costruita risponda in modo altrettanto efficace. A titolo di esempio si possono citare, come richieste di requisiti aggiuntivi oltre alla sicurezza strutturale, il controllo della durabilità dell opera (intesa come capacità dell opera a durare nel tempo mantenendo inalterate alcune sue caratteristiche), della sua deformabilità (assenza di eccessivi spostamenti che possono rendere l opera inutizzabile o che possono condurre al malfunzionamento di alcune sue parti accessorie), della sua duttilità (ossia della capacità di presentare un buon comportamento anche oltre il limite elastico, condizione questa necessaria per la buona risposta nei confronti di azioni quali quelle causate da un evento sismico). Il controllo della risposta a tali requisiti avviene facendo ricorso a metodi di verifica: accanto al metodo delle tensioni ammissibili, già incontrato in corsi precedenti (e che storicamente rappresenta il primo metodo di verifica introdotto), si affiancano metodi di calcolo a rottura e, più recentemente, i metodi che vengono classificati come metodi agli stati limite, che rappresentano i metodi verso i quali si stanno orientando tutte le normative mondiali. VERIFICA DELLA STRUTTURA REQUISITI - sicurezza al collasso (crisi per resistenza, per instabilità, etc.) - duttilità - durabilità - deformabilità METODI - tensioni ammissibili (T.A.) - calcolo a rottura (analisi limite, etc.) - stati limite (S.L.) Nel caso in cui il procedimento di verifica abbia dato esito favorevole, il percorso di progettazione si conclude, in quanto l opera, con le dimensioni adottate, risponde ai requisiti richiesti. Viceversa, se la verifica non ha successo occorre procedere ad una variazione delle dimensioni dell opera, modificandone la sezione resistente. Può anche verificarsi la situazione per la quale la semplice variazione delle dimensioni trasversali dell oggetto progettato non sia sufficiente a far sì che la struttura corrisponda ai requisiti richiesti. In questo secondo caso, occorrerà ridiscutere la scelta progettuale dall inizio, eventualmente SOGGETTA A REVISIONE

4 Lezione n 0 pag. 0.4 modificando qualcuno dei parametri che inizialmente hanno concorso alla definizione della struttura (e quindi la geometria, i materiali o lo schema strutturale). Il Corso di Tecnica delle Costruzioni si ripromette, almeno in parte e per qualche elemento strutturale particolare, di percorrere il percorso appena tracciato. Il Corso risulta quindi suddiviso in due parti. Nella prima parte si analizzeranno alcuni aspetti collegati alla Teoria delle Strutture : partendo dall analisi della deformazione delle strutture (indagando aspetti legati alla deformabilità ed alla caratterizzazione dello stato di spostamento di elementi strutturali prevalentemente inflessi), si introdurrà il metodo dell equilibrio per la risoluzione dei sistemi a molte iperstatiche. In questa parte verranno inoltre caratterizzate le principali azioni che condizionano il progetto di una struttura. Un ultima parte riguarderà l analisi dello stato di sollecitazione in strutture a sviluppo bidimensionale anziché monodimensionale, con particolare riguardo al caso dei serbatoi cilindrici. Nella seconda parte si affronteranno invece aspetti collegati alla Progettazione strutturale. Verranno definiti ed analizzati i principali materiali utilizzati nella realizzazione di strutture civili (quali l acciaio ed il cemento armato), introducendone i principi di utilizzazione ed il percorso progettuale che ne porta al dimensionamento ed alla verifica. Si accennerà inoltre al progetto di strutture realizzate con altri materiali (il legno, il cemento armato precompresso). Il percorso prevede poi l illustrazione di alcune tipologie strutturali, più vicini alle tematiche proprie di un corso di Ingegneria per l ambiente: si analizzerà quindi il progetto di un serbatoio (o di una vasca) in c.a., di un muro a retta, di un tombino interrato. Alcuni cenni di calcolo di strutture in zona sismica concluderanno il corso. SOGGETTA A REVISIONE

5 Lezione n 0 pag. 0.5 PROGRAMMA DEL CORSO DI TECNICA DELLE COSTRUZIONI Prima Parte: TEORIA DELLE STRUTTURE Generalità sul calcolo delle strutture - La deformabilità per sforzo normale, per taglio e per momento flettente - Il Principio di identità - La linea elastica ed il disegno della deformata di una struttura Le Azioni sulle strutture - Generalità - Alcuni esempi di azioni sulle strutture I metodi di verifica delle strutture - Il metodo delle Tensioni Ammissibili - Il metodo degli Stati Limite Il Metodo dell equilibrio - Introduzione al metodo dell equilibrio - La rigidezza: casi fondamentali di rigidezza alla rotazione - Il metodo dei vincoli ausiliari - La rigidezza alla traslazione - La matrice di rigidezza di una struttura Analisi delle sollecitazioni in serbatoi cilindrici - Definizione del problema: serbatoi lunghi e corti - Condizioni di vincolo di estremità - Serbatoio con fondazione - Variazioni termiche in serbatoi cilindrici Parte Seconda: CENNI DI PROGETTAZIONE STRUTTURALE L acciaio - Introduzione al calcolo di strutture in acciaio - Il caso monoassiale: la prova di trazione - Tipologie strutturali in acciaio - Classificazione acciai da carpenteria - Verifiche in strutture in acciaio - Unioni bullonate e unioni saldate Il Cemento Armato - Proprietà di calcestruzzi e acciai per c.a. - La teoria statica del c.a.: il coeff. di omogeinizzazione - Progetto e verifica di pilastri in c.a. - Progetto e verifica di sez. inflesse - Taglio e flessione in c.a. - Esempio di calcolo di trave in c.a. - La pressoflessione in sezioni in c.a. - Il problema della fessurazione Il Cemento Armato Precompresso - La precompressione - Cenni di calcolo di strutture precompresse Progetto di opere di sostegno delle terre - La spinta delle terre: richiami - Pareti di sostegno: tipologie e calcolo - Muri di sostegno in c.a. - Muri di sostegno a gabbioni - Palancole e diaframmi Elementi strutturali in c.a. - Progetto di un serbatoio in c.a. - Progetto di un tombino in c.a. Cenni di ingegneria sismica - La risposta delle strutture sotto sisma - La progettazione in zona sismica SOGGETTA A REVISIONE