Strutture per il design

Strutture per il design

Elementi di tecnologia dell'architettura e delle costruzioni

Analisi dei carichi delle strutture, sistemi costruttivi, costruzioni in acciaio.

Definizione di struttura

• Struttura 1: Complesso di opere atte a sopportare carichi che gravano su di esse.
• Struttura 2: Complesso di membrature ciascuna delle quali ha funzione statica essenziale, assolutamente indispensabile per la stabilità dell’insieme.

Materiali da costruzione

Naturali: pietra e legno.

Artificiali: acciaio, calcestruzzo, laterizio, vetro, materiali compositi, alluminio.

Perché le strutture sono d’interesse per il design?

• Viene applicato lo stesso approccio metodologico-progettuale.
• Stesso utilizzo di materiali e tecnologie innovative.
• Stessa mitologia di forme strutturali.
• Stessa ricerca di idee.

Il progetto deve agire in ogni spazio, attraverso l’esistenza umana, agisce su vari livelli. Le opere di design devono interagire con opere strutturali. Molte funzioni strutturali si possono trovare sia nell’architettura che nel design:

• Strutture a telaio
• Strutture ad arco
• Le strutture reticolari
• Strutture a lastra (sviluppo a piano, carichi ortogonali) (piastre)
• Strutture a membrana (bidimensionali, lavorano a trazione)
• Strutture a guscio (cupole)

Analisi dei carichi

I carichi che sollecitano le strutture possono essere:

• Concentrati
• Distribuiti su una linea
• Distribuiti su una superficie

In base alla durata nel tempo, si distinguono:

• Carichi permanenti: forze di intensità costante che rimangono inalterate nel tempo.
• Carichi variabili accidentali: forze a intensità, direzione e verso variabile con tempi, sono: sovraccarichi, terremoto, vento, vibrazioni, azioni impulsive.

In base alla risposta data dalla costruzione, si distinguono:

• Carichi statici: forze che danno una risposta statica.
• Carichi dinamici: forze che producono una risposta dinamica, come terremoti, vento, vibrazioni, azioni impulsive, ritiro, stagionatura, effetti termici e di umidità, cedimenti fondali (abbassamento di una parte della struttura di fondazione).

Altre azioni diverse dai carichi includono forzature indotte dal montaggio, precompressione (una trave in cemento armato ha una compressione dovuta alla struttura in tensione legata ad essa), degrado dei materiali, peso proprio delle strutture.

Carichi accidentali

Sono carichi rimovibili durante il normale esercizio della costruzione (arredi o persone). Possono essere concentrati o distribuiti, variabili nel tempo e dipendono dalla destinazione d’uso:

• I carichi verticali uniformemente distribuiti qk (simulano arredi distribuiti sulla superficie del solaio).
• Carichi verticali concentrati Qk.
• Carichi orizzontali lineari Hk.

Carico della neve

Il carico della neve sulle coperture (accidentale) è rappresentato da: qs = qsk ui ce ct, dove qs è il carico della neve al suolo, variabile dal luogo in base all’altitudine, con una formula riferita ad essa. Ui è il coefficiente della copertura (tetto) con un determinato grado di inclinazione, che avrà un diverso accumulo di neve. Ce è il coefficiente di esposizione e ct = 1 è il coefficiente termico.

Vento

Il vento consiste nel movimento di masse d’aria dovuto alle differenze di pressione. Lo strato limite del vento, ossia il moto dell’aria e l’ostacolo della superficie terrestre, presenta un andamento variabile con l’altezza nell’ambito di uno strato detto, strato limite. La turbolenza e la velocità media insieme all’oscillazione sono importanti da considerare. La fluttuazione del vento avviene dalle oscillazioni create dagli ostacoli che incontra. Lo strato limite è influenzato dal grado di rugosità; minore è l’ostacolo, maggiore è l’abbassamento della turbolenza.

Strumenti di misurazione

• Per la velocità media: anemometro a coppie, anemometro ad elica.
• Per misurare le fluttuazioni: anemometro a filo caldo, anemometro a ultrasuoni.

Misura della velocità media

• Altezza del suolo
• Rugosità dal terreno
• Durata della misura (in genere 10 minuti ogni 3 ore)

L'oscillazione è un'azione variabile nel tempo che induce una vibrazione nelle strutture che sollecita, si determina il carico statico che induce una risposta a un carico statico...

Pressione del vento

La pressione del vento: p = qr ce cp cd, dove qr è la pressione cinetica di riferimento, ce è il coefficiente di esposizione, cp è il coefficiente della pressione e cd è il coefficiente dinamico. La pressione cinetica di riferimento qr è correlata alla velocità di riferimento: vr è il valore a 10 m di altezza dal suolo in un terreno pianeggiante. La velocità base vb è calcolata rispetto al livello del mare.

Edifici

Edifici a pianta rettangolare con coperture piane, a falde, inclinate, curvilinee. Le coperture possono essere piane o a semplice falda. Le tettoie sono strutture di copertura, le quali non hanno in genere pareti strutturali.

Statica

I vincoli si oppongono a spostamenti rigidi. Le reazioni vincolari sono forze fittizie che sostituiscono ciascun vincolo per dare gli stessi effetti statici. L'equilibrio statico si raggiunge quando le forze che sollecitano un corpo e le reazioni vincolari si equilibrano tra loro.

Tipologie di vincoli in base ai gradi di libertà

• Vincoli semplici: appoggio semplice, cerniera sul carrello, pendolo, cerniera su carrello (vincoli insufficienti, labili).
• Vincoli doppi: vincolano due spostamenti; cerniera fissa, manicotto, cerniera ideale, bipendolo (vincoli sufficienti, isostatici).
• Vincolo triplo: incastro, impedisce tutti gli spostamenti verticali, orizzontali e rotatori; tripendolo.

Elasticità e materiali

I corpi, rigidi o meno, quando sottoposti a delle forze rimangono rigidi senza subire deformazioni interne. Se applico delle forze a un corpo deformabile avrò azioni di tensione o compressioni interne. Le sollecitazioni producono un incremento di sollecitazioni elementari. Se il corpo ritorna allo stato iniziale, si avrà una deformazione elastica; nel caso in cui non avvenga questo ritorno, si avrà un tipo di elasticità plastica.

Materiali

• Duttili
• Fragili
• Plastici

Sollecitazioni

Trazione e compressione semplici: lo sforzo normale è prodotto da un carico che agisce lungo lo sviluppo longitudinale di un corpo applicandovi trazione o compressione. Una forza in direzione del suo baricentro si dice che ha uno sforzo di compressione semplice, mentre lo sforzo del baricentro verso l’esterno è di trazione semplice.

Un corpo omogeneo o isotropo di forma prismatica allungata ha:

• Lato d0
• Lunghezza l0
• Sezione A

La forza assiale è N, lo sforzo unitario (tensione normale), deformazione elastica longitudinale unitaria, deformazione elastica trasversale unitaria ci dà informazioni sulla capacità del corpo di trasformarsi orizzontalmente o verticalmente. La definizione del coefficiente di Poisson riguarda il rapporto tra tensione e deformazione. Il modulo di elasticità normale di Young indica quanto un materiale si deforma longitudinalmente. La trazione e compressione pura producono tensioni uniformi sulla sezione.

Strutture per il design

Statica delle strutture

Sollecitazioni: Compressione e trazione semplici. Un corpo omogeneo e isotropo di forma prismatica allungata presenta lato d0, lunghezza l0 e sezione A. La forza applicata assialmente è N.

Esercizio tavolo

1. Calcolo del peso del piano del tavolo.
2. Calcolo della tensione normale minima.
3. Calcolo del carico totale con sovraccarico (peso piano + sovraccarico accidentale).
4. Calcolo della tensione normale minima.

Flessione

Un corpo è soggetto a flessione semplice quando le forze esterne che lo sollecitano su una qualsiasi sezione equivalgono a una coppia agente in un piano normale a quello della sezione. Nelle strutture orizzontali, come travi e solai, i carichi verticali (gravitazionali) producono una flessione nel piano verticale. Le fibre della trave risultano in parte tese e in parte compresse. Bisogna immaginarla come una sovrapposizione di righe che scorrono l’una sull’altra. L’asse neutro divide la zona di compressione e della zona tesa, le tensioni crescono allontanandosi dall’asse neutro.

Momento di inerzia

J: momento di inerzia - nel caso di flessione retta, modulo di resistenza. L’equilibrio del solido inflesso: Y è la distanza dell’asse neutro. Nel caso di sezione rettangolare, il momento d’inerzia baricentro è pari a j = BH/12, dove B è la larghezza e H è l’altezza della sezione di calcolo (sezione trasversale al piano di sollecitazione).

Esercizio

Sia dato il piano di una consolle in legno di forma allungata a sezione rettangolare di dimensioni 50 cm x 5 cm. Il momento flettente massimo in mezzeria sia M = 100 Nm. Si determini la massima tensione normale sulla sezione dovuta alla flessione.

Taglio

È quella sollecitazione che si ha quando tutte le forze esterne che agiscono su un solido ammettono una risultante che giace sul piano della sezione e passa per il suo baricentro. Lo sforzo di taglio T tende a produrre lo scorrimento della sezione sotto rispetto alla sezione infinitamente vicina a essa. A tale scorrimento si oppongono le tensioni tangenziali interne.

Torsione

Si ha una torsione semplice e costante quando le sezioni estreme di un solido rettilineo agiscono come coppie di momenti uguali e contrari in piani normali all’asse geometrico, il momento che dà torsione è il momento torcente mt, y è la distanza dal baricentro, Jp è il momento di inerzia rispetto al baricentro.

Sollecitazioni composte

Un solido assoggettato contemporaneamente a due o più sollecitazioni semplici, le tensioni si calcolano con il principio della sovrapposizione degli effetti composti.

Instabilità o carico di punta

È l’improvviso collasso strutturale soggetto a compressione, quando l’effetto di sforzo a compressione è generalmente minore dello sforzo massimo che il materiale riesce a sopportare. Il carico p che produce l’instabilità dipende dalla snellezza della sezione e delle condizioni di vincolo (luce libera di inflessione).

Sistemi costruttivi

Organismo architettonico: inteso come una fusione unitaria degli aspetti tecnologici e artistici (sistema costruttivo, funzione, espressione formale).

Sistemi costruttivi

• Def. 1: complesso di opere atte a sopportare i carichi che gravano su di esse.
• Def. 2: complesso di membrature ciascuna delle quali ha funzione statica essenziale, indispensabile per la stabilità.

Strutture di fondazione: si trovano sotto il suolo e servono a scaricare le forze a terra.

Strutture di elevazione: si trovano sopra il suolo e sono:

• Strutture verticali
• Strutture orizzontali
• Strutture di collegamento verticale

• Chiusure verticali; partizioni verticali
• Elementi non strutturali (no strutture di fabbrica); partizioni orizzontali
• Opere di finitura

Coefficienti

Sc coefficiente di copertura, coefficiente di utilizzazione dell’area Ss, superficie occupata dai sostegni e il rapporto fra la superficie utilizzabile Su e la superficie utilizzata un piano diviso la superficie coperta.

Materiali da costruzione naturali e artificiali

• Naturali: legno e pietra.
• Artificiali: acciaio, calcestruzzo, laterizio, vetro, alluminio.

Sistemi costruttivi

Classificati in base a come vengono scambiate le forze:

• Sistema 1: pesante (trilliate = architrave appoggiato su due piedritti) - indipendenza tra sostegno e orizzontali.
• Sistema 2: costruttivi: strutture orizzontali e verticali.
• Sistema 3: intelaiato.

Sistema pesante

È basato sul piano dell’orizzontamento semplicemente appoggiato sui sostegni. Azioni e reazioni verticali, la risultante dei carichi verticali determina sollecitazioni minori del carico di sicurezza a compressione. Equilibrio del sistema: la linea d’azione della risultante deve essere all’interno del nocciolo centrale d’inerzia.

A seconda dei materiali utilizzati, si possono distinguere:

• Schema con orizzontamenti e sostegni anaelastici.
• Schema con orizzontamenti elastici e sostegni anaelastici.
• Schema con orizzontamenti e sostegni elastici.

I sostegni devono corrispondersi verticalmente nei diversi piani, riducendo sezioni orizzontali dette riseghe, dovute al diminuire dei carichi con l’altezza. Lo schema planimetrico deve essere costituito da figure chiuse.

Nelle costruzioni con sostegni continui:

• Sui muri portanti, i vuoti e i pieni si corrispondono verticalmente.

Sollecitazioni composte

Sforzo simple e flessione. L’asse neutro è la retta antipolare del centro di sollecitazione rispetto all’ellisse centrale.

Nocciolo centrale d’inerzia della sezione B:

• Diagramma di tensioni uniforme.
• Aree tratteggiate, aree circolari e rombo E: se la forza N è una posizione eccentrica ma sempre sul nocciolo.

Sono aree a nocciolo d’inerzia, zone d’inerzia, sollecitazione combinata di sforzo a flessione. All’interno delle quali, se applico N sull’estremità, abbiamo una condizione limite in cui l’asse neutro coincide con il triangolo.

Se N è applicato fuori dal nocciolo centrale d’inerzia, avremo un diagramma intrecciato, con una zona trazione spingente.

Sistema 2

È basato sul principio dell’arco e della volta. L’arco e la volta sono orizzontamenti che, ricevendo delle strutture che sostengono azioni verticali (pesi), le trasmettono ai sostegni secondo direzioni inclinate. Rispetto al sistema pesante, si possono coprire luci maggiori usando lo stesso materiale anaelastici (pietra, laterizio, calcestruzzo).

Luce = distanza tra i supporti, raggio: raggio di curvatura, freccia: distanza dell’arco.

Il rene si trova a 30 gradi rispetto al piano orizzontale. I carichi verticali si trasmettono da concio a concio, con condizioni di stabilità di un sistema spingente sono le seguenti:

• L’arco: la linea dei centri di pressione o il poligono delle successive risultanti deve essere interno alle linee congiungenti gli esterni dei noccioli centrali d’inerzia delle singole sezioni, affinché non ci siano parti sollecitate a trazione.