LEZIONE 2. MATERIALI E CARICHI DELLA COSTRUZIONE Parte I. I carichi agenti. Corso di TECNICA DELLE COSTRUZIONI Chiara CALDERINI A.A.

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1 Corso di TECNICA DELLE COSTRUZIONI Chiara CALDERINI A.A Facoltà di Architettura Università degli Studi di Genova LEZIONE 2 MATERIALI E CARICHI DELLA COSTRUZIONE Parte I. I carichi agenti

2 TIPI DI CARICHI CLASSIFICAZIONE DELLE AZIONI LE AZIONI SULLE COSTRUZIONI SONO GENERALMENTE CLASSIFICATE IN BASE A: MODALITA DI APPLICAZIONE VARIABILITA NEL TEMPO VARIABILITA NELLO SPAZIO NATURA ED INTERAZIONE CON LA RISPOSTA INDOTTA

3 TIPI DI CARICHI CLASSIFICAZIONE DELLE AZIONI AZIONI DIRETTE ED AZIONI INDIRETTE (DIPENDENZA DALLA MODALITA DI APPLICAZIONE) AZIONI DIRETTE: AGISCONO SULLA STRUTTURA SENZA INTERMEDIAZIONI E SONO SOSTANZIALMENTE INDIPENDENTI DALLA RISPOSTA DELLA STRUTTURA. ES: forze gravitazionali. AZIONI INDIRETTE: SONO PRINCIPALMENTE DOVUTE A DEFORMAZIONI IMPOSTE O IMPEDITE, CAUSATE DA CEDIMENTI VINCOLARI, VARIAZIONI TERMICHE O DA VIBRAZIONI O ACCELERAZIONI IMPOSTE (CAUSATE PER ESEMPIO DA TERREMOTI). ESSE SONO DIPENDENTI DALLA RISPOSTA DALLA RISPOSTA DELLA STRUTTURA E INDUCONO EFFETTI DIFFERENTI A SECONDA CHE QUESTA SIA ISOSTATICA O IPERSTATICA.

4 TIPI DI CARICHI CLASSIFICAZIONE DELLE AZIONI AZIONI PERMANENTI, VARIABILI ED ECCEZIONALI (DIPENDENZA DAL TEMPO) LA DISTINZIONE, OPERATA SU BASE PROBABILISTICA, TIENE CONTO DELLA DIPENDENZA DAL TEMPO E DALLA PROBABILITA CHE L AZIONE SI VERIFICHI SU UNA STRUTTURA ALMENO UNA VOLTA IN UN PREDEFINITO PERIODO DI RIFERIMENTO. AZIONI PERMANENTI: SI VERIFICANO CON CERTEZZA ALMENO UNA VOLTA ALL ANNO. LA LORO VARIAZIONE NEL TEMPO E MODESTA RISPETTO AL VALOR MEDIO. AZIONI VARIABILI: SI VERIFICANO CON PROBABILITA NON TRASCURABILE ALMENO UNA VOLTA ALL ANNO. PRESENTANO GRANDE VARIABILITA NEL TEMPO RISPETTO AL VALOR MEDIO. AZIONI ECCEZIONALI: SI VERIFICANO CON AMPIEZZA SIGNIFICATIVA E CON PROBABILITA MOLTO BASSA. HANNO GENERALMENTE BREVE DURATA E GRANDE VARIABILITA TEMPORALE.

5 TIPI DI CARICHI CLASSIFICAZIONE DELLE AZIONI AZIONI PERMANENTI, VARIABILI ED ECCEZIONALI (DIPENDENZA DAL TEMPO) AZIONI PERMANENTI: PESO PROPRIO DEGLI ELEMENTI STRUTTURALI E NON STRUTTURALI FISSI, PRECOMPRESSIONE, LA PRESSIONE IDROSTATICA, LA SPINTA DELLE TERRE. LA AZIONI VARIABILI: CARICHI IMPOSTI SULLA COSTRUZIONE, CARICO DELLA NEVE, CARICO DEL VENTO, VARIAZIONI TERMICHE. AZIONI ECCEZIONALI: ESPLOSIONI, URTI DI VEICOLI, AZIONI DOVUTE AL FUOCO. AZIONI SISMICHE POSSONO ESSERE CONSIDERATE VARIABILI O ECCEZIONALI IN FUNZIONE DEL SITO.

6 TIPI DI CARICHI CLASSIFICAZIONE DELLE AZIONI AZIONI FISSE E LIBERE (DIPENDENZA DALLA DISTRIBUZIONE NELLO SPAZIO) AZIONI FISSE: HANNO UNA DISTRIBUZIONE FISSA SULLA STRUTTURA. ES: il peso proprio, la spinta delle terre. AZIONI LIBERE: POSSONO AVERE, ENTRO CERTI LIMITI, UNA DISTRIBUZIONE SPAZIALE ARBITRARIA SULLA STRUTTURA. ES: carichi mobili, carichi del vento, carichi della neve. IN SEDE DI PROGETTO, LA POSIZIONE DELLE AZIONI FISSE E DA CONSIDERARE ASSEGNATA, MENTRE LE AZIONI LIBERE DEVONO ESSERE DISPOSTE IN MODO DA MASSIMIZZARE L EFFETTO CONSIDERATO.

7 TIPI DI CARICHI CLASSIFICAZIONE DELLE AZIONI AZIONI STATICHE E DINAMICHE (DIPENDENZA DALLA RISPOSTA STRUTTURALE INDOTTA) AZIONI STATICHE: NON DETERMINANO ACCELERAZIONI SIGNIFICATIVE DELLA STRUTTURA O DEGLI ELEMENTI STRUTTURALI. DI REGOLA, SI CONSIDERANO STATICHE LE AZIONI LA CUI FREQUENZA PRINCIPALE E MINORE DI 0.1 Hz. ES.: pesi propri, spinta delle terre, carico della neve. AZIONI DINAMICHE: DETERMINANO ACCELERAZIONI SIGNIFICATIVE DELLA STRUTTURA O DEGLI ELEMENTI STRUTTURALI. ES.: vibrazioni indotte da macchine, urti, esplosioni, passaggio veicoli, azioni del vento e del sisma.

8 PRINCIPI PER LA PROGETTAZIONE TIPI DI AZIONI CONSIDERATE NEL CORSO: NEL CORSO SI CONSIDERERANNO SOLAMENTE AZIONI STATICHE DI TIPO DIRETTO, A CARATTERE SIA PERMANENTE CHE VARIABILE, SECONDO LE DISPOSIZIONI DI NORMATIVA. RIFERIMENTO NORMATIVO: NORME TECNICHE PER LE COSTRUZIONI - Aggiornate al 27 luglio 2007 PROVVISORIETA DELLE NORME!

9 CALCOLO DELLE AZIONI PERMANENTI Le azioni da inserire nelle combinazioni permanenti e quasi-permanenti legate all azione gravitazionale sono determinate a partire dalle dimensioni geometriche e dai pesi dell unità di volume dei materiali di cui è composta la costruzione sia nelle parti strutturali che in quelle non strutturali: i pesi dell unità di volume e i carichi pertinenti devono essere definiti a partire da fonti riconosciute o dalle indicazioni dei e

10 CALCOLO DELLE AZIONI PERMANENTI PESI PROPRI DEI MATERIALI STRUTTURALI

11 CALCOLO DELLE AZIONI PERMANENTI Sono considerati carichi permanenti non strutturali i carichi non rimovibili durante il normale esercizio della costruzione, quali quelli relativi a tamponature esterne, divisorie interne, massetti, isolamenti, pavimenti e rivestimenti del piano di calpestio, intonaci, controsoffitti, impianti ed altro, ancorché in qualche caso sia necessario considerare situazioni transitorie in cui essi non siano presenti. Essi devono essere valutati sulla base delle dimensioni effettive delle opere e dei pesi dell unità di volume dei materiali costituenti. In linea di massima, in presenza di orizzontamenti anche con orditura unidirezionale ma con capacità di ripartizione trasversale, i carichi permanenti potranno assumersi per la verifica d insieme come uniformemente ripartiti. In caso contrario, occorre valutarne le effettive distribuzioni. I tramezzi e gli impianti leggeri di edifici per abitazioni e uffici possono assumersi, in genere, come carichi equivalenti distribuiti, quando i solai hanno adeguata capacità di ripartizione trasversale.

12 CALCOLO DELLE AZIONI VARIABILI SI CONSIDERANO I SEGUENTI CARICHI VARIABILI: CARICHI PORTATI (SOVRACCARICHI) AZIONI DELLA NEVE AZIONI DEL VENTO (CONSIDERATO COME AZIONE STATICA)

13 CALCOLO DELLE AZIONI VARIABILI - SOVRACCARICHI CARICO DISTRIBUITO VERTICALE CARICO CONCENTRATO VERTICALE TIPO DI AMBIENTE CARICO DISTRIBUITO ORIZZONTALE

14 CALCOLO DELLE AZIONI VARIABILI - SOVRACCARICHI 200 kg/m 2 (storico!)

15 CALCOLO DELLE AZIONI VARIABILI - SOVRACCARICHI I carichi verticali concentrati Q k formano oggetto di verifiche locali distinte e non vanno sovrapposti ai corrispondenti carichi verticali ripartiti; essi devono essere applicati su impronte di carico appropriate all utilizzo ed alla forma dell orizzontamento; in assenza di precise indicazioni può essere considerata una forma dell impronta di carico quadrata pari a 50 x 50 mm.

16 CALCOLO DELLE AZIONI VARIABILI - SOVRACCARICHI I carichi variabili orizzontali (lineari) indicati nella Tab. 3.1.II, devono essere utilizzati per verifiche locali e non si sommano ai carichi utilizzati nelle verifiche dell edificio nel suo insieme. I carichi orizzontali lineari Hk devono essere applicati a pareti - alla quota di 1,20 m dal rispettivo piano di calpestio - ed a parapetti o mancorrenti - alla quota del bordo superiore.

17 CALCOLO DELLE AZIONI VARIABILI - NEVE q s = µ i q sk C E C t CARICO DELLA NEVE SULLA COPERTURA COEFFICIENTE TERMICO COEFFICIENTE DI FORMA DELLA COPERTURA COEFFICIENTE DI ESPOSIZIONE VALORE CARATTERISTICO DI RIFERIMENTO DELLA CARICO DELLA NEVE AL SUOLO [kn/m 2 ], PER UN PERIODO DI RITORNO DI 50 ANNI. Si ipotizza che il carico agisca in direzione verticale e lo si riferisce alla proiezione orizzontale della superficie della copertura.

18 CALCOLO DELLE AZIONI VARIABILI - NEVE Il IL carico VALORE neve al CARATTERISTICO suolo dipende dalle condizioni DI RIFERIMENTO locali di clima DELLA e di esposizione, CARICO DELLA considerata la NEVE variabilità AL SUOLO delle precipitazioni nevose da zona a zona. In mancanza di adeguate indagini statistiche e specifici studi locali, che tengano conto sia dell altezza del manto nevoso che della sua densità, il carico di riferimento neve al suolo, per località poste a quota inferiore a 1500 m sul livello del mare, non dovrà essere assunto minore di quello calcolato in base alle espressioni riportate nel seguito Va richiamato il fatto che tale zonazione non può tenere conto di aspetti specifici e locali che, se necessario, dovranno essere definiti singolarmente. Per altitudini superiori a 1500 m sul livello del mare si dovrà fare riferimento alle condizioni locali di clima e di esposizione utilizzando comunque valori di carico neve non inferiori a quelli previsti per 1500 m.

19 CALCOLO DELLE AZIONI VARIABILI - NEVE IL VALORE CARATTERISTICO DI RIFERIMENTO DELLA CARICO DELLA NEVE AL SUOLO ALTITUDINE Zona I - Alpina Aosta, Belluno, Bergamo, Biella, Bolzano, Brescia, Como, Cuneo, Lecco, Pordenone, Sondrio, Torino, Trento, Udine, Verbania, Vercelli, Vicenza. q sk = 1,50 kn/m 2 q sk = 1,39 [1 + (a s /728)2] kn/m 2 a s 200 m a s > 200 m Zona I Mediterranea DIPENDENZA DEL CARICO DALL AREA Alessandria, Ancona, Asti, Bologna, Cremona, Forlì, Lodi, Milano, Modena, Novara, Parma, Pavia, Pesaro e Urbino, Piacenza, Ravenna, Reggio Emilia, Rimini, Treviso, Varese. GEOGRAFICA E DALL ALTITUDINE q sk = 1,50 kn/m2 a s 200 m q sk = 1,35 [1 + (a s /602)2] kn/m 2 a s > 200 m Zona II Arezzo, Ascoli Piceno, Bari, Campobasso, Chieti, Ferrara, Firenze, Foggia, Genova, Gorizia, Imperia, Isernia, La Spezia, Lucca, Macerata, Mantova, Massa Carrara, Padova, Perugia, Pescara, Pistoia, Prato, Rovigo, Savona, Teramo, Trieste, Venezia, Verona. q sk = 1,00 kn/m 2 q sk = 0,85 [1 + (a s /481)2] kn/m 2 a s 200 m a s > 200 m

20 CALCOLO DELLE AZIONI VARIABILI - NEVE IL COEFFICIENTE DI ESPOSIZIONE Il coefficiente di esposizione C E può essere utilizzato per modificare il valore del carico neve in copertura in funzione delle caratteristiche specifiche dell area in cui sorge l opera. DIPENDENZA DEL CARICO DALLA TOPOGRAFIA DELL AREA DI PROGETTO IL COEFFICIENTE TERMICO Il coefficiente termico C t può essere utilizzato per tener conto della riduzione del carico neve a causa dello scioglimento della stessa, causata dalla perdita di calore della costruzione. Tale coefficiente tiene conto delle proprietà di isolamento termico del materiale utilizzato in copertura. In assenza di uno specifico e documentato studio, deve essere utilizzato Ct = 1.

21 CALCOLO DELLE AZIONI VARIABILI - NEVE IL COEFFICIENTE DI FORMA DELLA COPERTURA Si assume che la neve non sia impedita di scivolare. Se l estremità più bassa della falda termina con un parapetto, una barriera od altre ostruzioni, allora il coefficiente di forma non potrà essere assunto inferiore a 0,8 indipendentemente dall angolo a. DIPENDENZA DEL CARICO DALLA FORMA DELLA COPERTURA

22 CALCOLO DELLE AZIONI VARIABILI - VENTO Il vento, la cui direzione si considera generalmente orizzontale, esercita sulle costruzioni azioni che variano nel tempo e nello spazio provocando, in generale, effetti dinamici. Per le costruzioni usuali tali azioni sono convenzionalmente ricondotte alle azioni statiche equivalenti. Peraltro, per le costruzioni di forma o tipologia inusuale, oppure di grande altezza o lunghezza, o di rilevante snellezza e leggerezza, o di notevole flessibilità e ridotte capacità dissipative, il vento può dare luogo ad effetti la cui valutazione richiede l uso di metodologie di calcolo e sperimentali adeguate allo stato dell arte e che tengano conto della dinamica del sistema. Le azioni statiche del vento sono costituite da pressioni e depressioni agenti normalmente alle superfici, sia esterne che interne, degli elementi che compongono la costruzione. AZIONI STATICHE EQUIVALENTI ORTOGONALI ALLE SUPERFICI PRESSIONE E DEPRESSIONE

23 CALCOLO DELLE AZIONI VARIABILI - VENTO p = q b c e c p c d PRESSIONE DEL VENTO COEFFICIENTE DINAMICO PRESSIONE CINETICA DI RIFERIMENTO COEFFICIENTE DI FORMA COEFFICIENTE DI ESPOSIZIONE

24 CALCOLO DELLE AZIONI VARIABILI - VENTO PRESSIONE CINETICA DI RIFERIMENTO q b = 1 v 2 ρ 2 b N/m 2 DENSITA DELL ARIA (assunta convenzionalmente costante e pari a 1,25 kg/m 3 ) VELOCITA DI RIFERIMENTO DEL VENTO (m/s) La velocità di riferimento v b è il valore caratteristico della velocità del vento a 10 m dal suolo su un terreno di categoria di esposizione II, mediata su 10 minuti e riferita ad un periodo di ritorno di 50 anni. In mancanza di specifiche ed adeguate indagini statistiche v b è data dall espressione: v b = v b,0 a s a 0 v b = v b,0 + k a (a s a 0 ) a 0 < a s 1500 m

25 CALCOLO DELLE AZIONI VARIABILI - VENTO PRESSIONE CINETICA DI RIFERIMENTO DIPENDENZA DEL CARICO DALL AREA GEOGRAFICA E DALL ALTITUDINE

26 CALCOLO DELLE AZIONI VARIABILI - VENTO COEFFICIENTE DI ESPOSIZIONE Il coefficiente di esposizione c e dipende dall altezza z sul suolo del punto considerato, dalla topografia del terreno, e dalla categoria di esposizione del sito ove sorge la costruzione. In assenza di analisi specifiche che tengano in conto la direzione di provenienza del vento e l effettiva scabrezza e topografia del terreno che circonda la costruzione, per altezze sul suolo non maggiori di z = 200 m, esso è dato dalla formula: 2 z z ce( z) = k rctln 7 + ctln z0 z0 c z = c z ( ) ( ) e e min COEFFICIENTE DI TOPOGRAFIA (=1) z > z min z < z min DIPENDENZA DEL CARICO DALL ALTEZZA DAL SUOLO, DALLA TOPOGRAFIA DEL TERRENO E DALLA ESPOSIZIONE

27 CALCOLO DELLE AZIONI VARIABILI - VENTO COEFFICIENTE DI ESPOSIZIONE AREA GEOGRAFICA RUGOSITA DEL TERRENO

28 CALCOLO DELLE AZIONI VARIABILI - VENTO COEFFICIENTE DI FORMA Direzione del vento α α +1 +0,8 Cpe PRESSIONE ESTERNA PRESSIONE INTERNA Superficie sottovento +0,6 Superficie sopravento +0,4 +0,2 COSTRUZIONI STAGNE: c pi = 0 COSTRUZIONI NON STAGNE: c pi = ± 0, α α Inclinazione sull'orizzontale -0,2-0,4-0,6-0,8 Cpe

29 CALCOLO DELLE AZIONI VARIABILI - VENTO COEFFICIENTE DI FORMA Costruzioni stagne Direzione del vento C pe = + 0,03 α -1 C pe = - 0,4 α C pe = +0,8 C =0 C pe = - 0,4 pi Costruzioni non stagne C pe =+0,03α -1 C = - 0,4 pe C pe =+0,03α -1 C = - 0,4 pe C pe = + 0,8 C=+0,2 C pe = - 0,4 C pe = +0,8 C =+0,2 C pe = - 0,4 pi DIPENDENZA DEL CARICO DALLA FORMA DELLA COSTRUZIONE C Costruzioni aventi una parete con aperture di superficie 33% di quella totale =+0,03α pe -1 α C = - 0,4 pe C pe =+0,03α -1 α pi C = - 0,4 pe α C=+0,8 pi C = - 0,4 pe B α C = + 0,8 A pe C pe = - 0,4 C =+0,8 pi * Per l'elemento AB C pe= +0,2 C pe =+0,03α -1 C = - 0,4 pe C pe =+0,03α -1 C = - 0,4 pe α α B C = + 0,8 pe C=-0,5 pi C pi=-0,5 A C = - 0,4 pe * Per l'elemento AB C = +0,2 pe

30 CALCOLO DELLE AZIONI VARIABILI - VENTO COEFFICIENTE DINAMICO Il coefficiente dinamico tiene in conto degli effetti riduttivi associati alla non contemporaneità delle massime pressioni locali e degli effetti amplificativi dovuti alla risposta dinamica della struttura. Esso può essere assunto cautelativamente pari ad 1 nelle costruzioni di tipologia ricorrente, quali gli edifici di forma regolare non eccedenti 80 m di altezza ed i capannoni industriali, oppure può essere determinato mediante analisi specifiche o facendo riferimento a dati di comprovata affidabilità.

31 PRINCIPI DI PROGETTAZIONE Le opere e gli elementi strutturali devono essere progettate, eseguite, collaudate e soggette a manutenzione in modo tale da consentirne la prevista utilizzazione, in forma economicamente sostenibile e con il livello di sicurezza previsto dalle presenti norme. La sicurezza e le prestazioni di un opera o di una parte di essa devono essere valutate in relazione agli stati limite che si possono verificare durante la vita nominale. Stato limite è la condizione superata la quale l opera non soddisfa più le esigenze per le quali è stata progettata. In particolare,le opere e le varie tipologie strutturali devono soddisfare i seguenti requisiti: - sicurezza nei confronti di stati limite ultimi (SLU): capacità di evitare crolli, perdite di equilibrio e dissesti gravi, totali o parziali, che possano compromettere l incolumità delle persone ovvero comportare la perdita di beni, ovvero provocare gravi danni ambientali e sociali, ovvero mettere fuori servizio l opera; - sicurezza nei confronti di stati limite di esercizio (SLE): tutti i requisiti atti a garantire le prestazioni previste per le condizioni di esercizio; - robustezza nei confronti di azioni eccezionali: capacità di evitare danni sproporzionati rispetto all entità delle cause innescanti quali incendio, esplosioni, urti. Il superamento di uno stato limite ultimo ha carattere irreversibile e si definisce collasso. Il superamento di uno stato limite di esercizio può avere carattere reversibile o irreversibile.

32 PRINCIPI DI PROGETTAZIONE La verifica della sicurezza nei riguardi degli stati limite ultimi di resistenza si ottiene con il metodo dei coefficienti parziali di sicurezza espresso dalla equazione formale: R d E d RESISTENZA DI PROGETTO R di =R ki /γ Mi VALORE DI PROGETTO DELL EFFETTO DELLE AZIONI F dj =F kj γ Fj I coefficienti parziali di sicurezza, γ Mi e γ Fj, associati rispettivamente al materiale i- esimo e all azione j-esima, coprono la variabilità delle rispettive grandezze e le incertezze relative alle tolleranze geometriche e alla affidabilità del modello di calcolo.

33 PRINCIPI DI PROGETTAZIONE COMBINAZIONE DEI CARICHI STATO LIMITE ULTIMO n ( ) F=γ G +γ P+γ Q + γ ψ Q d g k p k q 1k q 0i ik i=2 DISTRIBUZIONE DI CARICO VALORE CARATTERISTICO AZIONI PERMANENTI VALORE CARATTERISTICO DELL AZIONE DI BASE VARIABILE VALORE CARATTERISTICO DELLE AZIONI VARIABILI INDIPENDENTI COEFFICIENTI DI SICUREZZA γ g = 1,4 (1,0 se il suo contributo aumenta la sicurezza); γ p = 0,9 (1,2 se il suo contributo diminuisce la sicurezza); γ q = 1,5 (0 se il suo contributo aumenta la sicurezza); ψ 0i è il coefficiente di combinazione allo stato limite ultimo, da determinarsi sulla base di considerazioni statistiche. ψ 0i 0,7 per i carichi variabili di esercizio nei fabbricati per abitazione, neve e vento.