LE AZIONI SULLE COSTRUZIONI

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1 LE AZIONI SULLE COSTRUZIONI Dal capito 2 del Decreto Ministeriale Norme tecniche per le costruzioni NTC-08 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 Lo stato limite è la condizione superata la quale l opera non soddisfa più le esigenze per le quali è stata progettata La vita nominale di un opera strutturale VN è intesa come il numero di anni nel quale la struttura, purché soggetta alla manutenzione ordinaria, deve potere essere usata per lo scopo al quale è destinata

2 LE AZIONI SULLE COSTRUZIONI Dal capito 2 del Decreto Ministeriale Norme tecniche per le costruzioni NTC-08 Si definisce azione ogni causa o insieme di cause capace di indurre stati limite in una struttura ( 2.5.1) TIPI DI AZIONI SULLE STRUTTURE Classifica per tipo di azione: - Forze (peso, pressione del vento, neve, spinta della terra o di un liquido, ecc.) - Spostamenti impressi (es. cedimenti delle fondazioni) - Deformazioni impresse dovute a fattori esterni (variazione di temperatura) o interni (ritiro del calcestruzzo, viscosità) - Azioni chimiche (carbonatazione del cls, corrosione dell acciaio) - Fuoco

3 LE AZIONI SULLE COSTRUZIONI Dal capito 2 del Decreto Ministeriale Norme tecniche per le costruzioni NTC-08

4 LE AZIONI SULLE COSTRUZIONI Classificazione in base alla variabilità nella vita utile di una struttura 1. Azioni permanenti: sono invariabili oppure variano molto lentamente e di poco nel tempo (es. peso proprio strutturale, tamponature, ritiro) t 2. Azioni variabili: posso variare con velocità che dipende dal tipo di azione arredi t Vento, persone t 3. Eccezionali: incendi, urti, esplosioni. Sono azioni che solo eccezionalmente si verificano nella vita utile della struttura 4. Sismiche: eventi sismici la cui intensità e frequenza è legata alla pericolosità del sito t

5 LE AZIONI SULLE COSTRUZIONI I carichi (azioni dirette) possono essere schematizzate: a) Carichi puntuali o concentrate (azione concentrata su una superficie di contatto molto piccola che si può assimilare ad un punto. Es. piedi delle sedie, appoggi delle macchine industriali). Unità di misura [F] b) Carichi con distribuzione sulla superficie (es. pressione dell acqua sul fondo di una piscina, spinta delle terre). L intensità può essere costante o variabile. Unità di misura [FL-2] c) Carichi con distribuzione lineare (azione distribuita su una superficie avente una dimensione molto maggiore dell altra. Es. tramezzi). L intensità può essere costante o variabile. Unità di misura [FL -1 ]

6 AZIONI SULLE COSTRUZIONI E LA NORMATIVA ITALIANA La normativa di riferimento è il Decreto Ministeriale Norme tecniche per le costruzioni. Il capitolo di riferimento è il n.3. Inoltre è necessario considerare la Circolare applicativa NTC 2008 del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici, n. 617 del 2 febbraio Azioni permanenti G: Peso proprio degli elementi strutturali G1 Peso degli elementi non strutturali G2 (sono valutati in funzione del peso specifico e delle dimensioni degli elementi) Azioni variabili o di esercizio Q carichi legati al normale funzionamento della struttura (destinazione d uso) neve, vento

7 ESEMPI DI AZIONI PERMANENTI SULLE COSTRUZIONI tegole: azione permanente non strutturale G2 solaio: azione permanente strutturale G1 parapetto: azione permanente non strutturale G2 pilastro: azione permanente strutturale G1 Tramezzi e pavimenti: azione permanente non strutturale G2

8 ESEMPI DI AZIONI VARIABILI SULLE COSTRUZIONI Neve sulla copertura: azione variabile Q vento: azione variabile Q occupanti: azione variabile Q arredi: azione variabile Q

9 AZIONI PERMANENTI PESO PROPRIO DEI MATERIALI STRUTTURALI ( 3.1.2) L h b b=30cm, h=50cm, L=100 cm Peso di un elemento monodimensionale in cls armato P = γ x b x h x L = 25 x 0.3 x 0.5 x 1=3.75 kn Ovvero l elemento pesa 3.75 kn per ogni metro di lunghezza (3.75kN/m)

10 AZIONI PERMANENTI: GLI ELEMENTI NON STRUTTURALI ( 3.1.3) Tramezzature (o partizioni interne): il carico può essere schematizzato come uniformemente distribuito sulla superficie, purché i solai abbiano un adeguata capacità di ripartire i carichi ( ) Muratura di mattoni forati (b=10cm, h=280 cm) h Peso specifico muratura γ=8 kn/m 3 Peso a metro lineare b L=1m G 2 = g*b*h*l= 8*0.1*2.8*1= 2.24 kn/m g 2 =1.2 kn/m 2

11 DISTRIBUZIONE DEI CARICHI VARIABILI Per una abitazione i carichi variabili non sono generalmente uniformemente distribuiti sulla superficie. Essi, per semplicità, vengono comunque considerati uniformemente distribuiti in quanto si fa affidamento sulla capacità di ripartizione dei carichi da parte degli orizzontamenti. Distribuzione reale dei carichi variabili Distribuzione uniforme dei carichi variabili

12 AZIONI VARIABILI ( 3.1.4) I carichi variabili dipendono dalla destinazione d uso della costruzione (civile abitazione, uffici, scuole ) e rappresentano il carico utile che la struttura deve essere in grado di sopportare. E detto variabile perché può cambiare posizione e valore durante la vita della costruzione Alcuni esempi: Per un abitazione: persone, arredamento, Per una biblioteca: persone, libri Per un autorimessa: automobili Verticale distribuito Verticale concentrato Orizzontale lineare Il carico da utilizzare per progettare le strutture civili è quello verticale distribuito. Gli altri carichi si utilizzano per verifiche locali continua

13 CARICHI VARIABILI (3.1.4) Altre destinazioni d uso contemplate dalle norme

14 AZIONE DEL VENTO ( 3.3) Il vento produce azioni di pressione e di depressione agenti ortogonalmente alle superfici delle costruzioni, la cui intensità varia nel tempo (es. raffiche) e nello spazio. Andamento dei filetti fluidi del vento in presenza di un ostacolo Schema delle pressioni Nel caso di costruzioni o elementi di grande estensione, si deve inoltre tenere conto delle azioni tangenti esercitate dal vento ( 3.3.3)

15 AZIONE DEL VENTO ( 3.3) La normativa permette di semplificare la descrizione di queste azioni considerando delle azioni statiche equivalenti. La pressione (p) è valutata attraverso la seguente espressione: q b è la pressione cinetica di riferimento Ce è il coefficiente di esposizione Cp è il coefficiente di forma o aerodinamico (dipende dalla geometria della costr.) Cd è il coefficiente dinamico (assunto pari a 1 per costruzioni ordinarie ) q b è la pressione cinetica di riferimento v b è la velocità di riferimento del vento (in m/s); ρ è la densità dell aria assunta convenzionalmente costante e pari a 1,25 kg/m 3.

16 AZIONE DEL VENTO ( 3.3) Velocità di riferimento (vb) v b è la velocità del vento che si può verificare con periodo di ritorno 50 anni Dipende dall altitudine s.l.m. (a s ) e dall area geografica

17 ESEMPIO DI VALUTAZIONE DELL AZIONE DEL VENTO Sito di Potenza (zona 3) a 0 =500 m, ka=0.02, v b,0 = 27 m/s = 97 km/h Altezza s.l.m: as = 800m v b = x ( ) = 33 m/s q 1 = ρ 2 2 b v b = 0.5 x 1.25 x 33 2 = 680 N/m 2

18 AZIONE DEL VENTO ( 3.3) Coefficiente di esposizione Ce Dipende da: -altezza z sul suolo del punto considerato - topografia del terreno (anche se coefficiente Ct = 1) - categoria di esposizione del sito dove sorge la costruzione La categoria di esposizione è funzione della classe di rugosità del terreno e della posizione geografica della costruzione

19 AZIONE DEL VENTO (3.3) Categoria di esposizione Assegnazion e della classe di rugosità Classe B Classe D Classe A Classe C

20 AZIONE DEL VENTO ( 3.3) Zona - distanza dal mare - altitudine Ipotesi: classe di rugosità D, aree prive di ostacoli La categoria di esposizione è III Ip.: Z = 6 m Ct = 1 Ce=1.81

21 AZIONE DEL VENTO (3.3) Valori del coefficiente Ce al variare dell altezza z per le categorie di esposizione (Ct = 1) Ce è variabile con l altezza z da terra. Di solito si assume costante e pari al valore calcolato con la z massima ovvero l altezza totale della costruzione

22 AZIONE DEL VENTO (circ. n. 617/09, C ) Cp positivo = pressione (flusso verso la superficie) Cp negativo = depressione, suzione (flusso in allontanamento dalla superficie) Per le pareti verticali delle costruzioni a pianta rettangolare bisogna distinguere pareti sopravento e sottovento Faccia sopravento (direttamente investita dal vento) Faccia sottovento (non direttamente investita dal vento) Direzione del vento Istruzioni per l applicazione delle Norme tecniche per le costruzioni di cui al D.M. 14 gennaio Corso di Tecnica 2008 (circolare delle Costruzioni punto C ) 2011/2012

23 AZIONE DEL VENTO Fattore di forma o coefficiente aerodinamico Cp dir. vento Nota: se la costruzione non è stagna (presenta delle aperture) bisogna considerare anche delle pressioni interne. Per gli edifici da civile abitazione tali pressioni non vengono considerate.

24 ESEMPIO DI VALUTAZIONE DELL AZIONE DEL VENTO Sito di Potenza (zona 3) a 0 =500 m, ka=0.02, v b,0 = 27 m/s = 97 km/h Altezza s.l.m: as = 800m v b = x ( ) = 33 m/s q = 1 ρ 2 2 b v b Ce = 1.81 Ct = 1 = 0.5 x 1.25 x 33 2 = 680 N/m 2 Cp = 0.8 pareti sopravento Cp = -0.4 pareti sottovento Cp = -0.4 copertura Cd = 1 (si assume pari ad 1) Pressione del vento pareti sopravento = 985N/mq pareti sottovento e copertura = = N/m 2

25 AZIONE DEL VENTO coefficiente Cp per pressioni esterne ed interne Se la costruzione non è stagna (presenta delle aperture) bisogna considerare anche delle pressioni interne. Per gli edifici da civile abitazione tali pressioni non vengono considerate. La circolare n. 617/09 fornisce le espressioni per la valutazione di Cp per coperture sferiche, multiple, tettoie e pensiline, elementi tralicciati Istruzioni per l applicazione delle Norme tecniche per le costruzioni di cui al D.M. 14 gennaio 2008 (circolare punto Corso di C ) Tecnica delle Costruzioni 2011/2012

26 AZIONE DEL VENTO (3.3) Calcolo della pressione Vb= 33 m/s = 0.5 x 1.25 x 33 2 = 680 N/m 2 Ce = 1.8 Ct = 1 Cp = 0.8 pareti sopravento Pressione del vento su pareti sopravento =680*1.81*0.8*1 = 985 N/m 2 Cp = pareti sottovento Cp = copertura Cd = 1 (si assume pari ad 1) Pressione del vento su pareti sottovento e copertura =680*1.81*(-0.4)*1 = -493 N/m 2

27 AZIONE DELLA NEVE ( 3.4) Il carico neve al suolo dipende dalle condizioni locali di clima e di esposizione dove: q s è il carico neve sulla copertura; μ i è il coefficiente di forma della copertura; q sk è il valore caratteristico di riferimento del carico neve al suolo [kn/m 2 ], per un periodo di ritorno di 50 anni; C E è il coefficiente di esposizione; è il coefficiente termico. C t Si ipotizza che il carico agisca in direzione verticale e lo si riferisce alla proiezione orizzontale della superficie della copertura

28 ESEMPIO DI VALUTAZIONE DELL AZIONE DELLA NEVE ( 3.4) Sito di Potenza (zona III) Altezza s.l.m: as = 800m Dall espressione della NTC08: q sk = 0.51 x [1+(800 / 481) 2 ] = 2.25 kn/m 2

29 AZIONE DELLA NEVE (3.4) coeff. di esposizione CE e termico Ct Il coefficiente di esposizione C E tiene conto della possibilità che il vento possa favorire la caduta della neve dalla copertura. Dipende dalla topografia del terreno intorno alla costruzione Il coefficiente termico C t tiene conto delle proprietà isolanti della copertura che potrebbero causare lo scioglimento della neve a causa della dispersione di calore dell abitazione. In mancanza di dati specifici si assume pari a 1

30 AZIONE DELLA NEVE coefficiente di forma della copertura μi ( ) Per una copertura ad una falda μ1 è funzione dell angolo di inclinazione α

31 AZIONE DELLA NEVE coefficiente di forma della copertura μi ( ) Il coefficiente di forma dipende dall angolo delle falde sull orizzontale Condizioni di carico da neve Carico neve senza vento Carico neve e vento La presenza del vento riduce l azione della neve perché ne favorisce la caduta.

32 ESEMPIO DI VALUTAZIONE DELL AZIONE DELLA NEVE ( 3.4) Sito di Potenza (zona III) Altezza s.l.m: as = 800m Dall espressione della NTC08: q sk = 0.51 x [1+(800 / 481) 2 ] = 2.25 kn/m 2 α 1 =α 2 =16 coefficiente di forma della copertura μ i = 0.8 Condizione senza vento C E =1 (topografia normale ) C t =1 q s = 0.8 x 2.25 x 1 x 1 = 1.8 kn/m 2

33 AZIONE DELLA NEVE esempio di calcolo q sk =0.51*[1+(800/481) 2 ]=2.25 kn/m 2 (valido per Potenza ad un altitudine di 800 m) α 1 =α 2 =16 coefficiente di forma della copertura μ i = 0.8 C E =1 (topografia normale ) C t =1 q s = 0.8 x 2.25 x 1 x 1 = 1.8 kn/m 2

34 Metodo degli Stati Limite: le combinazioni di calcolo COMBINAZIONI PER LE VERIFICHE ALLO STATO LIMITE ULTIMO F d = γ G1 G 1 + γ G2 G 2 + γ q Q k1 + Σ (i>1) γ q Ψ 0i Q ki COMBINAZIONI PER LE VERIFICHE ALLO STATO LIMITE DI ESERCIZIO Combinazioni rare: F d = G 1 + G 2 + P + Q k1 + Σ(i>1) Ψ 0i Q ki Combinazioni frequenti: F d = G 1 + G 2 + P + Ψ 1i Q k1 + Σ(i>1) Ψ 2i Q ki Combinazioni quasi permanenti: F d = G 1 + G 2 + P + Σ(i>1) Ψ 2i Q ki G1 valore nominale delle azioni permanenti strutturali G2 valore nominale delle azioni permanenti non strutturali P valore nominale delle azioni di precompressione Qk1 valore caratteristico dell azione variabile di base di ogni combinazione Qki valore caratteristico delle altre azioni variabili Ψ0i, Ψ1i, Ψ2i coefficienti di combinazione

35 Coefficienti parziali per le azioni (γf) Coefficienti parziali per le azioni γ F nelle verifiche SLU ( 2.6.1, NTC2008) γ F (STR) Carichi permanenti Carichi permanenti non strutturali Carichi variabili Favorevoli Sfavorevoli Favorevoli Sfavorevoli Favorevoli Sfavorevoli γ G γ G γ Qi

36 Metodo degli Stati Limite: le combinazioni di calcolo I Coefficienti di combinazione (ψ 0j ; ψ 1j ; ψ 2j ) sono funzione della destinazione d uso dei locali

37 Metodo degli Stati Limite: AZIONI CARATTERIZZAZIONE DELLE AZIONI ELEMENTARI Si definisce valore caratteristico Qk di un azione variabile il valore corrispondente ad un frattile pari al 95 % della popolazione dei massimi, in relazione al periodo di riferimento dell azione variabile stessa. Le azioni variabili Qkj vengono combinate con i coefficienti di combinazione ψ0j, ψ1j e ψ2j, in modo da definire: - valore quasi permanente ψ2i Qki: la media della distribuzione temporale dell intensità; - valore frequente ψ1i Qki: il valore corrispondente al frattile 95 % della distribuzione temporale dell intensità e cioè che è superato per una limitata frazione del periodo di riferimento; - valore raro (o di combinazione) ψ0i Qki: il valore di durata breve ma ancora significativa nei riguardi della possibile concomitanza con altre azioni variabili.