appunti di costruzioni [classe iv] parte i

CORSO DI COSTRUZIONI PER LA IV CLASSE I.T.G.

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2010

MODULI:

ANALISI DEI CARICHI E AZIONI SULLE COSTRUZIONI[azioni permanenti – azioni variabili (carichi di esercizio, neve e vento)]

LE AZIONI DI CALCOLO [metodo probabilistico di combinazione]

LE VERIFICHE DI SICUREZZA CON IL METODO DEGLI STATI LIMITE[i concetti di stato limite e di sicurezza, le verifiche di sicurezza]

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LA CLASSIFICAZIONE DELLE AZIONI SULLE COSTRUZIONI

La normativa tecnica italiana sulle costruzioni NTC08, classifica le azioni che agiscono sulle costruzioni principalmente a seconda della variazione di intensita' e durata nel tempo.Le azioni vengono quindi suddivise in:

G = azioni di tipo permanente (costanti e sempre presenti nell'arco di vita della struttura);Q = azioni variabili (di intensita' variabile e di durata medio-lunga);P = azioni di tipo eccezionale (generalmente di durata breve o istantanea); E = azioni sismiche (azioni dinamiche prodotte dal terremoto).

Le azioni di tipo G, si distinguono a loro volta in:

G1 = peso proprio del materiale strutturale (trave, pilastro, solaio, etc)G2 = peso del materiale portato dalla struttura (orditure secondarie, massetti, pavimenti etc)

Le principali azioni di tipo Q, possono essere:

Q1 = carico di esercizio (presenza di persone e cose – cfr tabelle pubblicate nelle NTC08)Q2 = carico da neve (a seconda della zona climatica e dell'altitudine della localita')Q3 = carico da vento

Le azioni di tipo P sono invece rappresentate da P1 urti, P2 esplosioni, P3 incendi etc.

corso di COSTRUZIONI classe IV I.T.G.

ANALISI DEI CARICHI E AZIONI SULLE COSTRUZIONI

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LE AZIONI PERMANENTI

Nella figura a lato e' riportato un solaio con struttura in acciaio costituita da travi IPE 140, tavelloni e soletta in c.a.

Nel caso in cui si debba procedere al calcolo della trave IPE risulta:

G1 = peso del profilo IPE140 [kN/m]

G2 = G2a peso dei tavelloni + G2b peso della soletta in c.a. + G2c peso della guaina + G2d peso dello strato di malta + G2e peso della pavimentazione

I pesi unitari dei vari materiali sono riportati in tabelle allegate alla Normativa (cfr. Prontuario)

Effettuando l'analisi dei carichi, tutte le azioni vanno determinate come agenti sulla struttura per ogni metro della stessa.

In pratica, se abbiamo ottenuto per G2 un valore per metro quadrato [kN/m2], dobbiamo poi ricordarci di moltiplicare tale valore per l'interasse delle travi in modo da ottenere il valore complessivo G = G1 + G2 in [kN/m] o [daN/m].



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LE AZIONI VARIABILIDopo aver determinato le azioni permanenti, si passa al calcolo delle azioni di tipo variabile, indicate dalla normativa con la lettera Q.

Le principali azioni variabili da prendere in considerazione, e oggetto del nostro corso, sono quelle di durata medio-lunga:

Q1 = carico di esercizioQ2 = carico da neveQ3 = carico da vento

IL CARICO DI ESERCIZIO:

Il carico di esercizio Q1 rappresenta la presenza di persone e di cose (mobili e attrezzature) all'interno del locale, ed e' stabilito dalla normativa a seconda della destinazione d'uso della struttura (abitazione, ufficio, deposito, autorimessa etc.).La normativa riporta una tabella con l'indicazione dei principali carichi di esercizio previsti in funzione della destinazione del locale.

TABELLA CARICHI DI ESERCIZIO

DESTINAZIONE D'USO CARICO D'ESERCIZIO (Q1 espresso in kN/m2)

A) ambienti ad uso residenziale- abitazioni e alberghi 2,0B) uffici: - uffici non aperti al pubblico 2,0- uffici aperti al pubblico 3,0C) locali affollati:- ospedali, ristoranti e bar 3,0- balconi, vani scala, ballatoi 4,0- cinema, sale da ballo e palestre 5,0D) locali commerciali:- negozi 4,0- grandi magazzini e librerie 5,0E) biblioteche, archivi e magazzini:- biblioteche, archivi e magazzini > 6,0F) autorimesse e parcheggi:- autorimesse per veicoli sino a 30kN 2,5H) coperture e sottotetti:- non praticabili (solo accessibili) 1,0- praticabili (come da destinazione d'uso) ---

tabella estratta dalle NTC 08 – tab. 3.1.2



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L'AZIONE DELLA NEVE

La seconda azione variabile di durata medio-lunga di cui dobbiamo tener conto e' l'azione della neve.La normativa prescrive che il carico rappresentato dalla neve su di una copertura debba essere valutato con la formula:

qs = m x qsk x Ce x Ct

dove e’:

qs = carico della neve sulla coperturam = coefficiente di forma-inclinazione delle falde:

[m = 0,8 per inclinazioni tra 0° e 30° / m = 0,8 x (60 – a) / 30 per inclinazioni tra 30° e 60° / m = 0 per inclinazioni > 60°]

qsk = valore caratteristico della neve al suolo [kN/m2]:

[in sicilia e in zona climatica III: 1) qsk = 0,60 kN/m2 per as ≤ 200 m 2) qsk = 0,51 [1 + (as/481)2] kN/m2 per as > 200 m]

Ce = coefficiente di esposizione (varia tra 0.9 e 1,1)Ct = coefficiente di escursione termica (valore medio 1,0)

Si ipotizza sempre che il carico agisca in direzione verticale e lo si riferisce alla proiezione orizzontale della superficie della copertura.



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L'AZIONE DEL VENTO

Il vento, la cui direzione e' generalmente orizzontale, esercita sulle costruzioni azioni variabili, provocando, in generale, effetti dinamici. Per le costruzioni usuali e oggetto del nostro corso, tali azioni vengono convenzionalmente ricondotte alle azioni statiche equivalenti.Le azioni statiche del vento sono quindi costituite da pressioni e depressioni agenti normalmente alle superfici, sia esterne che interne, degli elementi che compongono la costruzione.

L’azione del vento sul singolo elemento viene determinata considerando la combinazione più gravosa della pressione agente sulla superficie esterna e della pressione agente sulla superficie interna dell’elemento.

La pressione del vento è data dall’espressione:

p = qb x Ce x Cpe x Cd dove:

qb = pressione cinetica di riferimento: qb = ½ ρ v

b2

Ce = coefficiente di esposizione (dipende da diversi fattori tra cui topografia del terreno,ubicazione e altezza dell'edificio).

[in sicilia, per edifici di dimensioni modeste e di altezze

inferiori ai 10 m, assumiamo valori di 1,6 – 1,9 (vedi tabella a lato)]

Cp = coefficiente di forma (o coefficiente aerodinamico), funzione della tipologia e della geometria della costruzione e del suo orientamento rispetto alla direzione del vento.

cp = 0,8 per elementi sopravento con α > 60° cp = 0,03 x α -1 per elementi sopravento con 20°<a<60°

Cd = coefficiente dinamico (generalmente si assume = 1)



La pressione cinetica di riferimento qb (in N/m²) è data dall’espressione:

qb = ½ ρ v

b2

dove:

vb 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/m3.

La velocità di riferimento vb 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 vb è data dall’espressione:

vb = vb,0 per as < a0vb = vb,0 + ka (as – a0) per a0 < as < 1500 m

i parametri citati nella formula sono desumibili da apposite tabelle riportate dalla normativa (vedi Prontuario).

in Sicilia risulta:

vb0 = 28 [m/sec] velocita' ka = 0,020 [1/sec]a0 = 500 [m slm] altitudine di riferimento

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AZIONE DI CALCOLO – METODO SEMIPROBILISTICO DI COMBINAZIONE

Tutte le azioni agiscono sulla struttura, calcolate come sin qui illustrato, devono essere “combinate“ tra di loro (non sommate direttamente) secondo un metodo che tiene conto delle probabilita' che esse si manifestino contemporaneamente, e con una certa intensita'.La combinazione delle azioni, che serve a determinare l'azione di calcolo (la combinazione con il valore piu' alto e quindi piu' gravoso per la struttura), viene effettuata con la formula generale:

Ac = γg G1+ γgG2 + γq Qi1 + Σ2n γq Qi2 ψji + ...

Dove:

γg = coefficiente parziale di stato limite per le azioni permanenti γq = coefficiente parziali di stato limite per le azioni variabili Q1i = azione variabile assunta come principale Q2i = azioni variabili assunte come secondarie ψji = coefficiente di combinazione

I coefficienti γg, γq e ψji, come vedremo in seguito, assumeranno valori differenti a seconda del tipo di verifica che si effettua.



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LA DEFINIZIONE DI STATO LIMITE

Secondo la normativa tecnica sulle costruzioni NTC 08 le strutture devono essere quindi progettate o verificate con il metodo degli stati limite.Per stati limite si intendono degli stati, superati i quali, la struttura non è più in grado di soddisfare i relativi criteri di progetto.

STATO LIMITE ULTIMO (SLU):e' lo stato associato con il collasso o con altre forme simili di guasto strutturale.Corrisponde, in pratica, alla soglia di massima capacità resistente di una struttura o di un elemento strutturale.Viene quindi definito come lo stato oltre il quale inizia il collasso strutturale (con danno irreversibile).

STATO LIMITE DI ESERCIZIO (SLE):Sono stati che corrispondono a condizioni oltre le quali i requisiti funzionali richiesti ad una struttura o un elemento strutturale non sono più soddisfatti.Viene quindi definito come stato oltre il quale si ha un danno o una perdita di prestazione della struttura (reversibile o irreversibile).


LE VERIFICHE DI SICUREZZA CON IL METODO DEGLI STATI LIMITE

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SICUREZZA E PRESTAZIONI ATTESE IL CONCETTO DI SICUREZZA STRUTTURALE

Secondo quanto stabilito dalla vigente normativa, le opere e le varie tipologie strutturali devono possedere 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): capacità di 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.

Le opere strutturali devono essere verificate:a) per gli stati limite ultimi che possono presentarsi, in conseguenza alle diverse combinazioni delle azioni;b) per gli stati limite di esercizio definiti in relazione alle prestazioni attese.



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Ai fini delle verifiche degli stati limite la normativa definisce le seguenti principali combinazioni delle azioni:

- Combinazione fondamentale, generalmente impiegata per gli stati limite ultimi (SLU):γGx(G1+G2) + γQ×Q1 + γQ2×ψ02×Q2 + γQ3×ψ03×Q3 + …

- Combinazione rara, generalmente impiegata per gli stati limite di esercizio (SLE) irreversibili: G1 + G2 + Q1 + ψ02×Q2 + ψ03×Q3+ …

- Combinazione frequente, generalmente impiegata per gli stati limite di esercizio (SLE) reversibili:G1 + G2 + ψ11×Q1 + ψ22×Q2 + ψ23×Q3 + …

- Combinazione sismica, impiegata per gli stati limite ultimi e di esercizio connessi all’azione sismica E:E + G1 + G2 + P + ψ21×Q1 + ψ22×Q2 + …

Dove, con riferimento ai simboli e alle lettere indicate nelle formule e':

G, G1, G2 = valore delle azioni permanentiQ1 = azione variabile assunta come principale;Q2, Q3 = azioni variabili assunte come secondarie etc.γG = coefficiente parziale per le azioni permanenti (vale di norma 1,4 per SLU e 1 per SLE)γQ = coefficiente parziale per le azioni variabili (vale di norma 1,5 per SLU e 1 per SLE)ψij = coefficiente di combinazione (vedi tabella a pagina seguente)



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La verifica della sicurezza nei riguardi degli stati limite ultimi si effettua con il “metodo dei coefficienti parziali” di sicurezza, attraverso la formula generale:

E / R < 1 dove e':

E = valore massimo di sollecitazione dato delle azioni esterne (detto anche Scenario Esterno).R = resistenza di progetto/design (detta anche Scenario Interno o Resistente)

La verifica della sicurezza nei riguardi degli stati limite di esercizio si esprime controllando aspetti di funzionalità e stato tensionale.

CONSIDERAZIONI GENERALI SULL’USO DEI MATERIALI

I materiali da costruzione per impiego strutturale (legno, acciaio, cls, muratura) vengono identificati con caratteristiche fisico-meccaniche ricavate come:

fd = fk / γm dove è:f = parametro da prendere in esame (resistenza) fd identifica il valore limite della resistenza di progetto (d=design) espresso in N/mm2

fk identifica il valore caratteristico di rottura (fyk identifica il valore di snervamento)

γm = coefficiente parziale di sicurezza (adimensionale)



prossimo argomento:

LE STRUTTURE IN LEGNO

(CARATTERISTICHE DEI MATERIALI E VERIFICHE DI RESISTENZA)

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LE STRUTTURE IN LEGNO (CARATTERISTICHE E VERIFICHE DI RESISTENZA)

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