Domande esame Costruzioni edili

Stabilità e resistenza meccanica

Principi fondamentali di impostazione del requisito

Le opere di costruzione devono essere concepite e realizzate in modo che i carichi cui possono essere sottoposte durante la realizzazione e l’uso non provochino: il crollo, totale o parziale, della costruzione, gravi ed inammissibili deformazioni, danni ad altre parti delle opere di costruzione, o a impianti principali o accessori, in seguito a una grave deformazione degli elementi portanti, danni accidentali sproporzionati alla causa che li ha provocati.

L'impostazione del problema della resistenza meccanica e stabilità implica una corretta individuazione delle azioni a cui l’edificio è sottoposto, la valutazione delle sue possibili cause di crollo, anche parziale, la valutazione delle deformazioni imposte dalle azioni a tutti gli elementi edilizi e la conoscenza delle norme riguardanti i materiali da costruzione. I principi fondamentali e le indicazioni metodologiche sono contenute nelle principali fonti normative:

• Le normative europee della serie EN 1990 (i cosiddetti Eurocodici)
• Le norme tecniche per le costruzioni (D.M. 14.01.08) con le relative circolari

Tuttavia, possono essere utilizzati anche altri codici internazionali, purché essi non riportino valori inferiori a quelli delle normative attuali.

Presupposti

• La struttura sarà usata in accordo con le ipotesi di progetto e sarà soggetta ad adeguata manutenzione.
• I materiali da costruzione ed i prodotti sono usati come specificato nel corpo normativo o in relative norme di supporto sui materiali o sui prodotti.
• Le procedure di progetto sono valide solo quando si soddisfano le richieste relative ai materiali, all'esecuzione ed alla competenza tecnica che sono date nella normativa UE.
• La scelta del sistema strutturale nonché il progetto di una struttura vengono attuate da personale con qualifica ed esperienza appropriate.
• L'esecuzione viene portata a termine da personale con esperienza ed abilità adeguate (Qualità del processo - Gestione delle risorse umane).
• Adeguata supervisione e controllo di qualità vengono forniti durante l'esecuzione del lavoro, per esempio negli studi di progettazione, negli impianti di produzione e in sito (cantiere).
• Infine, la struttura deve essere progettata così che il degrado nel corso della sua vita nominale, purché si adotti la normale manutenzione ordinaria, non pregiudichi le sue prestazioni in termini di resistenza, stabilità e funzionalità, portandole al di sotto del livello richiesto dalle norme.

Valutazione delle azioni sui fabbricati

La valutazione delle azioni sui fabbricati è essenziale per garantire la stabilità e la sicurezza strutturale. In generale, una struttura dovrà essere progettata ed eseguita in maniera tale che, durante la sua vita prevista, con appropriati gradi di affidabilità ed in modo da minimizzare i costi, rimanga adeguata all'uso per cui è costruita e sopporti tutte le azioni e le influenze che sarà possibile si verifichino durante l'esecuzione e l'uso. Deve quindi essere definito il ciclo di vita utile dell’edificio, a partire dal quale si valuteranno le azioni che sarà possibile che si verifichino durante l’esecuzione ed i limiti degli effetti delle azioni oltre i quali la struttura non è più adeguata all’uso.

La vita utile prevista nel progetto deve rispettare i minimi illustrati nel D.M. 14.01.08, ovvero 10 anni per opere provvisorie, 50 anni per opere ordinarie e 100 anni per grandi opere ed infrastrutture. Le azioni dovute a fenomeni naturali sono quantificate in ragione del loro Tempo di Ritorno (e cioè del tempo in cui statisticamente è probabile che si verifichi un evento di una determinata entità). Maggiore è la durata del ciclo di vita utile previsto, maggiore è la probabilità che l’edificio possa subire azioni di rilevante entità. Per i fenomeni naturali il tempo di ritorno di una azione di tipo straordinario viene normalmente individuato a partire da circa 10 volte il periodo di vita utile del fabbricato.

Tipologie di azioni

Azioni permanenti (G): Azioni che agiscono durante tutta la vita nominale della costruzione e la cui variazione in intensità nel tempo è trascurabile. La principale azione permanente è rappresentata dal peso proprio degli elementi strutturali (G1) e di tutti gli elementi costruttivi (G2) che gravano sulle strutture del fabbricato; altre azioni sono causate da pretensione e la precompressione (P), ritiro e viscosità, spostamenti e deformazioni imposti in fase di progettazione per la costruzione. Il progettista deve essere in grado di valutare correttamente il peso proprio degli elementi costruttivi facenti parte dell’edificio, sia che essi facciano parte del sistema strutturale, oppure che siano elementi di completamento. Sono considerati carichi permanenti non strutturali i carichi non rimovibili durante il normale esercizio della costruzione, per esempio, massetti, impianti, rivestimenti, divisori e controsoffitti.

Azioni variabili (Q): Azioni la cui variazione di intensità nel tempo non è né trascurabile né monotona (sovraccarichi, neve, vento). Sono attive per periodi brevi rispetto al ciclo di vita utile. In relazione alla loro magnitudo, possono avere elevata o scarsa probabilità di presentarsi nel ciclo di vita utile (le azioni di minore intensità sono le più frequenti, mentre quelle di elevata intensità le più rare). Sono tenute in conto a partire dal loro valore caratteristico (Q_k).

Sovraccarichi: Possono essere carichi verticali uniformemente distribuiti q_k [kN/m²], carichi verticali concentrati Q_k [kN], carichi orizzontali lineari H_k [kN/m]. Questi valori vengono tabulati in base agli ambienti, tenendo conto dell’uso normale da parte delle persone, dei mobili e degli oggetti mobili.

Neve: I carichi da neve sono frequentemente all’origine di malfunzionamenti delle strutture, che possono oltrepassare lo stato limite di servizio, con danni anche irreversibili.

Vento: L’azione del vento esercita sulle costruzioni azioni che variano nel tempo e nello spazio provocando, in generale, effetti dinamici.

Azioni termiche: Un corpo libero nello spazio, sottoposto ad una variazione di temperatura, subisce in ogni punto una deformazione ^ε, di entità direttamente proporzionale alla variazione di temperatura ΔT. La costante di proporzionalità è nota come il Coefficiente di dilatazione termica, il cui valore varia con il materiale.

L’approccio previsto prevede che le azioni variabili siano contemporaneamente presenti. Vengono però individuate – a seconda del tipo di verifica richiesta (stati limite ultimi o di servizio) – differenti combinazioni di carico, in cui si sceglie una azione variabile dominante. I valori caratteristici delle altre azioni variabili vengono valutate a mezzo di coefficienti riduttivi (Ψ_k) che tengono conto della probabilità della loro presenza con determinati valori decrescenti. Ψ_2j è detto valore quasi permanente, Ψ_1j valore frequente e Ψ_0j è detto valore raro. Essi sono rapportati alla destinazione d’uso e alla tipologia di carico.

Azioni eccezionali (A): Azioni, di breve durata e/o di intensità anche significativa. Esse hanno appunto carattere accidentale, risultando di fatto non prevedibili (fuoco, esplosioni, impatti) ma i quali effetti devono essere proporzionali alla causa che li ha provocati.

Azioni sismiche (E): Azioni dovute a moti del terreno indotti da un terremoto (siano esse probabili o meno nel ciclo di vita utile).

Definizioni di stati limite

In caso di eventi ritenuti prevedibili nella vita utile del fabbricato, l’obiettivo è il mantenimento delle prestazioni del fabbricato (entro il cosiddetto Stato limite di esercizio – S.L.E.).

Il superamento dello S.L.E. può avere carattere Reversibile o Irreversibile:

• S.L.E. Reversibile: il danno o la deformazione cessa non appena cessa la causa che ha portato al superamento dello stato limite di esercizio.
  Combinazione Quasi Permanente: G₁ + G₂ + P + Ψ₂₁Q_K1 + Ψ₂₂Q_K2 + Ψ₂₃Q_K3
  Tutte le azioni sono considerate nella loro forma quasi permanente per ciò che accade in modo quasi permanente, le deformazioni viscose non devono superare lo stato limite di esercizio.
• Combinazione Frequente: G₁ + G₂ + P + Ψ₁₁Q_K1 + Ψ₂₂Q_K2 + Ψ₂₃Q_K3
  L’azione dominante è considerata nella sua forma frequente, mentre le altre nella loro forma quasi permanente. Per ciò che accade in modo frequente, le deformazioni elastiche non devono superare lo stato limite di esercizio. Esse, a rigore, vanno ad aggiungersi a quelle di carattere viscoso.
• S.L.E. Irreversibile: si manifestano danneggiamenti irreversibili o deformazioni permanenti nella stessa opera.
  Combinazione Caratteristica (rara): G₁ + G₂ + P + Q_K1 + Ψ₀₂Q_K2 + Ψ₀₃Q_K3
  L’azione dominante è computata per intero, le altre nella loro forma rara. Per ciò che accade raramente, le deformazioni possono superare lo stato limite di esercizio ma solo durante il periodo di applicazione del carico (il limite di irreversibilità non si supera).
• S.L.E. Sisma: Essa si rapporta con S.L.E. o S.L.U. a seconda che la E individuata sia rapportata al ciclo di vita utile o abbia carattere straordinario.
  Con valutato entro il ciclo di vita utile: E + G₁ + G₂ + P + Ψ₂₁Q_K1 + Ψ₂₂Q_K2
  Le azioni variabili sono considerate nella loro forma quasi permanente. Per sismi prevedibili nel ciclo di vita utile, non si superano gli SLE. Per sismi straordinari non si superano gli SLU.

In caso di eventi considerati come straordinari l’obiettivo si sposta sull’incolumità degli occupanti, anche a scapito dell’integrità del fabbricato e del mantenimento delle sue prestazioni (entro il cosiddetto Stato limite ultimo – S.L.U.). Oltre il S.L.U. si registra la perdita della struttura.

Combinazione Fondamentale: G₁ + G₂ + P + Ψ₁Q_K1 + Q₀₂Q_K2 + Q₀₃Q_K3
Le azioni permanenti sono computate moltiplicandole per coefficienti parziali peggiorativi (>1). Viene scelta una azione variabile dominante e viene moltiplicata per coefficienti parziali peggiorativi. Le altre azioni variabili sono considerate nella loro forma rara e moltiplicate per coefficienti parziali peggiorativi. I coefficienti parziali utilizzati nella Combinazione fondamentale, possono essere scelti in relazione a Stati Limite Ultimi connessi alla perdita di equilibrio come corpo rigido (EQU), al superamento della resistenza degli elementi (STR), al superamento della resistenza del terreno (GEO). Per ciò che accade straordinariamente, si possono avere superamenti irreversibili dello S.L.E. (deformazioni plastiche permanenti) ma non è possibile superare lo stato limite ultimo.

In caso di eventi accidentali (eccezionali) l’edificio non deve subire danni sproporzionati alla causa che li ha provocati.

Combinazione Eccezionale: G₁ + G₂ + P + A + Ψ₂₁Q_K1 + Ψ₂₂Q_K2
Le azioni accidentali vengono valutate una per volta. Le azioni variabili sono considerate nel loro valore quasi permanente.

Ammettiamo che in questa trave il punto rosso rappresenti il limite di deformazione accettabile in esercizio (SLE).

• Per le azioni presenti in modalità quasi permanente, le deformazioni viscose non arriveranno mai al punto
• Per le azioni presenti frequentemente, le deformazioni viscose, insieme a quelle elastiche, non giungeranno al punto
• Per le azioni presenti raramente è accettato che la deformazione arrivi al punto, ma quando tali azioni cessano tali deformazioni devono rientrare nell’intervallo (V)
• Per le azioni straordinarie è accettabile una deformazione residua al punto (plasticizzazione) ma non il superamento dei limiti di resistenza/equilibrio

Il progettista dovrà perciò verificare che, in tutte le situazioni progettuali significative: gli effetti delle azioni di progetto probabili nel ciclo di vita dell’edificio, non superino i criteri di funzionalità per lo stato limite di servizio, gli effetti delle azioni di progetto straordinarie non superino la resistenza di progetto della struttura allo stato limite ultimo.

Valutazione delle azioni variabili dovute alla neve

I carichi da neve sono frequentemente all’origine di malfunzionamenti delle strutture, che possono oltrepassare lo stato limite di servizio, con danni anche irreversibili. La valutazione del carico da neve in copertura può essere operata mediante la formula: q_s = q_sk * C_E * C_T * μ_i.

q_sk è il valore di riferimento del carico di neve al suolo. Viene determinato in base alla zona presa in considerazione, determinata dall’altezza s.l.m. Per la zona 1 (alpi ed alti appennini), viene assunto pari a 1,50 [kN/m²], per la zona 2 [kN/m²] e per la zona 3 [kN/m²] (N.T.C). Per altezze superiori, si usano delle formule di correzione. Tuttavia questi sono valori minimi che rappresentano la neve fresca appena stabilizzata. La neve assume maggiore densità se rimane a lungo, e soprattutto se viene bagnata. È necessario valutare secondo parametri più severi caso per caso. Una zonizzazione più accurata del territorio è attuata dall’EC 1.

C_E è il coefficiente di esposizione. Valuta la possibile variazione di q_s in ragione dell’ambiente circostante, ovvero come e se l’azione del vento possa contribuire allo smaltimento della neve a seconda che la topografia della zona sia pianeggiante (NTC: 0,9; EC: 0,8), normale (NTC/EC:1,00) o riparata (NTC: 1,1; EC: 1,2).

C_T è il coefficiente termico. (<1) può essere utilizzato per tener conto della riduzione del carico a causa dello scioglimento della neve, connessa alla perdita di calore della costruzione. Esso può quindi essere un fattore migliorativo (del carico da neve) in presenza di porzioni di copertura ad elevata trasmittanza termica poste sopra locali riscaldati. In assenza di studi specifici si deve assumere C_T =1.

Questi valori rappresentano i Parametri del Sito

μ_i è il coefficiente di forma della copertura (parametro rappresentativo della morfologia della struttura di copertura) variano con l’aumento della pendenza della copertura risultando migliorativi (μ₁) in caso di coperture convesse o peggiorativi (μ₂) in caso di coperture concave.

Le coperture confinanti con costruzioni più alte rappresentano un caso più complesso. Gli effetti della costruzione dominante si estendono per una lunghezza l_s = 2h. Il coeff. μ₂ è la somma di 2 componenti μ_s (scivolamento della neve dalla copertura dominante) + μ_w (accumulo dovuto al vento). L’accumulo di neve sporgente dalla estremità del tetto viene invece valutato con un carico lineare agente sulla linea di gronda ed il cui valore è legato al coefficiente di forma della copertura. Il carico lineare va sommato al carico da neve in copertura calcolato. Rappresenta un Parametro della Struttura.

Stati limite per le azioni sismiche

Le azioni sismiche sono dovute a moti del terreno indotti da un terremoto (siano esse probabili o meno nel ciclo di vita utile). Le azioni sismiche sono valutate per un periodo di riferimento V_R che si ricava, per ciascun tipo di costruzione, mediante la formula V_R = V_N * C_U, dove V_N è la vita nominale e C_U è il coefficiente d’uso. Le classi d’uso sono rapportate alle conseguenze derivanti da una interruzione di operatività o dal collasso:

• I: costruzioni con presenza occasionale di persone;
• II: costruzioni il cui uso preveda normali affollamenti, senza fruizioni pubbliche e sociali;
• III: costruzioni il cui uso preveda affollamenti significativi (scuole, teatri, musei);
• IV: costruzioni con funzioni pubbliche o strategiche importanti (ospedali, impianti di trasmissione, banche dati).

È necessario approfondire gli stati limite in altre 2 sotto categorie ciascuno:

S.L.E.: si specifica in S.L. Operativo (la costruzione nel suo complesso non subisce danni ed interruzioni d’uso significativi) e S.L. Danno (la costruzione nel suo complesso si mantiene immediatamente riutilizzabile pur dopo l’interruzione di alcune sue apparecchiature).

S.L.U.: si specifica in S.L.V. – di salvaguardia della vita (la struttura subisce crolli a componenti non strutturali ed impiantistici e significativi danni ai componenti strutturali) e S.L.C – di prevenzione del collasso (la costruzione subisce gravi rotture e crolli e gravi danni alle parti strutturali ma mantiene ancora un margine di sicurezza nei confronti del collasso).

S.L.E. Sisma: Essa si rapporta con S.L.E. o S.L.U. a seconda che la E individuata sia rapportata al ciclo di vita utile o abbia carattere straordinario.

Con valutato entro il ciclo di vita utile: E + G₁ + G₂ + P + Ψ₂₁Q_K1 + Ψ₂₂Q_K2
Le azioni variabili sono considerate nella loro forma quasi permanente. Per sismi prevedibili nel ciclo di vita utile, non si superano gli SLE. Per sismi straordinari non si superano gli SLU.

Criteri di sicurezza nelle applicazioni vetrarie

Gli infortuni dovuti alle interazioni con lastre vetrate (ferite)...