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TECNICA DELLE COSTRUZIONI 1TECNICA DELLE COSTRUZIONI 1

A N N O A C C A D E M I C O 2 0 10 A N N O A C C A D E M I C O 2 0 10 –– 2 0 112 0 11

PROF. GIUSEPPE ARENAPROF. GIUSEPPE ARENA

Una delle più gravi deficienze degli attuali programmi

di studio della teoria e della tecnica edilizia e l’assenza

di una efficiente saldatura tra la più o meno

consapevole intuizione statica comune a tutta

l’umanità e le esatte proporzioni e formule di calcolo

delle sollecitazioni interne di un sistema resistente,

dedotte per via analitica da postulati basilari che,

entro certi limiti, corrispondono abbastanza bene alla

realtà fisica (Pier Luigi Nervi).

Che questa saldatura debba essere possibile e

sommamente utile non possono esserci dubbi.

Tanto la via intuitiva che quella matematica sono

necessarie per inventare ed esattamente proporzionare

una struttura resistente.

L’efficienza e potenza realizzatrice della intuizione è

largamente dimostrata e testimoniata dalle grandiose

opere tramandateci dal più lontano passato, quando le

moderne teorie scientifiche erano totalmente ignorate.

L’acutezza dei moderni metodi di calcolo in continuo eprogressivo sviluppo è illustrata dai risultati raggiuntinella realizzazione di sempre più grandiose ed audaciopere.

Ma la invenzione strutturale, quella che permette

di risolvere nel modo più efficiente i nuovi

problemi, che ogni giorno vengono proposti

dall’inarrestabile sviluppo di ogni aspetto

dell’attività costruttiva, non può essere che il

frutto di una armoniosa fusione di personale

intuizione inventiva, e di impersonale obiettiva,

realistica, ed inviolabile scienza statica.

I due punti di vista, le due mentalità,

devono fondersi in un’unica sintesi,

per dar vita a quella inscindibile unità

che è l’opera edilizia di largo respiro.

L’architetto e l’ingegnereOggi qualsiasi architetto e studente di architettura èconvinto dell’importanza delle conoscenze nel campodelle strutture, ma l’acquisizione di tali conoscenze èpiù difficile di quanto si pensi. Il rapido sviluppo delletecniche costruttive basato sull’impiego di materialinuovi, come pure le difficoltà di ordine matematico chesorgono nella progettazione di nuove forme strutturali(quali grandi coperture di svariate forme), rendonoquasi impossibile, per una persona che abbia unaformazione essenzialmente artistica, rendersi contodelle possibilità dei nuovi metodi di progettazione ecostruzione.

L’architetto contemporaneo, deve conoscere l’estetica

e l’ingegneria, la sociologia e l’economia, ed in

generale la tecnica della programmazione. Invece, per

effetto della tradizione, egli è spesso principalmente

formato come artista. Nella maggior parte dei casi egli

ha una conoscenza limitata degli strumenti basilari

per la comprensione della moderna tecnologia: la

matematica, la fisica e la chimica non sono materie

fondamentali nel suo programma di studio.

D’altro canto, le conoscenze dell’ingegnere nei

campi della sociologia, estetica e urbanistica sono

tanto limitate quanto quelle dell’architetto nei

campi tecnici. Il dialogo fra l’architetto e

l’ingegnere diventa praticamente impossibile, in

quanto manca loro un vocabolario comune.

Poiché tale dialogo è necessario, ci si potrebbe

domandare, di primo acchitto, se l’ingegnere debba

diventare più architetto, o l’architetto più ingegnere.

Spetta principalmente all’architetto colmare la

lacuna. L’architetto è il capo del gruppo che lavora

alla costruzione, mentre l’ingegnere è solo uno dei

componenti di quel gruppo.

È possibile formare sia l’architetto che il pubblico ad

una comprensione degli aspetti strutturali del

problema ingegneresco? È ciò possibile senza un

insegnamento approfondito dell’alta matematica,

della fisica e dell’economia? In altri termini, può una

persona intelligente, mancante di preparazione nelle

scienze matematiche e fisiche, comprendere gli

elementi essenziali dell’azione strutturale?

A tutte queste domande si può dare una

risposta affermativa, purché si stabilisca

una netta distinzione fra concetti strutturali

elementari e conoscenza approfondita

dell’analisi strutturale.

Le strutture e l’intuizioneÈ ovvio che solo una approfondita preparazione fisico-matematica può mettere un progettista in grado dianalizzare una struttura complessa con il grado diprecisione richiesto dalla moderna tecnologia. Iltecnico strutturalista di oggi è uno specialista fra glispecialisti, una sottocategoria nel settoredell’ingegneria civile. Con lo sviluppo delle nuovetecnologie, anche gli strutturalisti si specializzano:attualmente alcuni di essi si specializzano incalcestruzzo armato, altri solo in coperture dicalcestruzzo armato, altri ancora solo in coperture diuna particolare forma.

È altrettanto ovvio, peraltro, che una volta fissati iprincipi basilari dell’analisi strutturale, non ènecessario essere uno specialista per comprenderlipartendo da una base puramente intuitiva. Noi tuttiabbiamo una certa conoscenza delle strutture nellanostra vita quotidiana: sappiamo a quale angolo vaposta una scala perché possa sostenere il nostro pesosenza scivolare, e se la tavola posta fra le sponde di unruscello cederà o meno al nostro passaggio. Èabbastanza facile trarre profitto da queste esperienze,sistematizzare queste conoscenze e arrivare a capirecome e perché funziona una moderna struttura.

Al profano questa ricerca potrà risultare

appassionante. Per l’architetto essa è obbligatoria:

senza di essa egli verrebbe presto a trovarsi

escluso dal campo dell’architettura

contemporanea. Per lo studente di architettura e

per l’architetto praticante essa costituisce uno dei

requisiti fondamentali della loro professione.

Una volta afferrati i concetti fondamentali,

l’architetto dovrà prender conoscenza dei punti

più sottili della teoria delle strutture; ciò gli

consentirà di applicare con intelligenza un vasto

patrimonio di nuove idee e di nuovi metodi che,

fino a qualche anno fa, non era alla portata

neanche dei più grandi architetti.

PRINCIPIPRINCIPI FONDAMENTALIFONDAMENTALILe opere e le componenti strutturali devono essereprogettate, eseguite, collaudate e soggette amanutenzione in modo tale da consentirne la previstautilizzazione, in forma economicamente sostenibile econ il livello di sicurezza previsto dalle norme.La sicurezza e le prestazioni di un’opera o di una partedi essa devono essere valutate in relazione agli statilimite che si possono verificare durante la vitanominale. Stato limite è la condizione superata la qualel’opera non soddisfa più le esigenze per le quali è stataprogettata.In particolarele opere e le varie tipologie strutturalidevono possedere i seguenti requisiti:

SICUREZZA E PRESTAZIONI ATTESE

- sicurezza nei confronti di stati limite ultimi (SLU): capacità dievitare crolli, perdite di equilibrio e dissesti gravi, totali oparziali, che possano compromettere l’incolumità dellepersone ovvero comportare la perdita di beni, ovveroprovocare gravi danni ambientali e sociali, ovvero metterefuori servizio l’opera;

- sicurezza nei confronti di stati limite di esercizio (SLE):capacità di garantire le prestazioni previste per le condizionidi esercizio;

- robustezza nei confronti di azioni eccezionali: capacità dievitare danni sproporzionati rispetto all’entità delle causeinnescanti quali incendio, esplosioni, urti.

Il superamento di uno stato limite ultimo ha carattereirreversibile e si definisce collasso.Il superamento di uno stato limite di esercizio può averecarattere reversibile o irreversibile.

VALUTAZIONEVALUTAZIONE DELLADELLA SICUREZZASICUREZZA

Per la valutazione della sicurezza delle

costruzioni si devono adottare criteri

probabilistici scientificamente comprovati.

Di solito sono normati i criteri del metodo

semiprobabilistico agli stati limite basati

sull’impiego dei coefficienti parziali di

sicurezza, applicabili nella generalità dei

casi; tale metodo è detto di primo livello.

Nel metodo semiprobabilistico agli stati limite, la sicurezza

strutturale deve essere verificata tramite il confronto tra la

resistenza e l’effetto delle azioni. Per la sicurezza

strutturale, la resistenza dei materiali e le azioni sono

rappresentate dai valori caratteristici, Rki e Fkj definiti,

rispettivamente, come il frattile inferiore delle resistenze e

il frattile superiore delle azioni che minimizzano la

sicurezza. In genere, i frattili sono assunti pari al 5%. Per le

grandezze con piccoli coefficienti di variazione, ovvero per

grandezze che non riguardino univocamente resistenze o

azioni, si possono considerare frattili al 50% (valori

mediani).

La verifica della sicurezza nei riguardi degli statilimite ultimi di resistenza si effettua con il “metododei coefficienti parziali” di sicurezza espresso dallaequazione formale:

Rd ≥ Ed

doveRd è la resistenza di progetto, valutata in base ai

valori di progetto della resistenza dei materialie ai valori nominali delle grandezzegeometriche interessate;

Ed è il valore di progetto dell’effetto delle azioni,valutato in base ai valori di progetto.

Carico dinamico

(impulsivo)

Movimenti

sismici

Oscillazione aerodinamiche

ü

o t

AZIONI SISMICHEAZIONI SISMICHE

u (t)

m F = m ü (t)

Fmax = m ümax

m

a (t) ü (t)k

q (t)

maxammaxF

(t)amF

u (t)

︶︵ t u ︶︵ t q a

PARAMETRI PARAMETRI DIDIIDENTIFICAZIONE STRUTTURALEIDENTIFICAZIONE STRUTTURALE

m

q

F

MASSA

m = p / g

RIGIDEZZA

K = F / q

PERIODO PROPRIO

km2πT

m

q

F

PULSAZIONE NATURALE

FATTORE DI SMORZAMENTO

mkω

0,050,01km2hξ

T

= 0

Sa

= 0.02

= 0.05

Sa = accelerazione max struttura

= accelerazione max terreno

proprioperiodokm2πT km2

h

SPETTRI DI RISPOSTA IN ACCELERAZIONE

Fmax = m Sa

maxga

maxga

amax SmF

m

k

u (t)

F

mF

u (t)

amax SmF

T

= 0

= 0.02

= 0.05

proprioperiodokm2πT km2

h

SPETTRI DI RISPOSTA IN ACCELERAZIONE NORMALIZZATO

Fmax = m Sa

1

2

3

4Sa = accelerazione max struttura

= accelerazione max terrenomaxga

maxga aS /

Terremoto

del Friuli

registrato

a Gemona

(15-9-1976)

Component

e est-ovest

agmax = 0.6351g

agmax = 0.3328g

Terremoto

Campano-Lucano

registrato a

Sturno

(21-11-1980)

Componente

est-ovest

agmax = 0.2247g

Terremoto

Campano-Lucano

registrato

a Sturno

(23-11-1980)

Componente

verticale

L’APPROCCIO DEI PAESI PIU AVANZATIL’APPROCCIO DEI PAESI PIU AVANZATI

Il terremoto considerato come un

vincolo naturale con il quale

“CONVIVERE”.

Probabilità di occorrenza, e relativogrado di severità, dell’insieme deipossibili effetti producibili da unterremoto in un determinato luogo,durante un prefissato intervallo ditempo.

RISCHIO SISMICORISCHIO SISMICO

-- EsposizioneEsposizione

- PericolositàPericolositàIntensità delle azioni sismiche attese

-- VulnerabilitàVulnerabilità

Quantità e qualità degli elementi di origineentropica presenti

Propensione al danneggiamento degli elementiesposti

Probabilità che gli effetti del terremoto superano in un certointervallo di tempo una determinata soglia.

RISCHIORISCHIO

R = f (Pericolosità R = f (Pericolosità -- Esposizione Esposizione -- Vulnerabilità)Vulnerabilità)

RISCHIORISCHIO

PericolositàPericolosità•• di basedi base

•• localelocale

VulnerabilitàVulnerabilità

•• singoli edificisingoli edifici•• singole singole

infrastruttureinfrastrutture•• reti infrastrutturalireti infrastrutturali•• sistemi urbanisistemi urbani•• monumentimonumenti•• … … … … …… … … … …

1984 2004

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