Fondamenti di tecnica delle costruzioni 2

Fondamenti di tecnica delle costruzioni (Modulo 2)

Generale – Principi

Normativa sui concetti di calcolo semiprobabilistico

Riferimenti normativi

• Normative Italiane
  • NTC2018 – Aggiornamento delle << Norme Tecniche per le Costruzioni >> (D.M.17 Gennaio 2018)
  • Circolare applicativa delle NTC2008 D.M. 14.01.2008 (CIRCOLARE 2 febbraio 2009, n. 617 – Istruzioni per l'applicazione delle 'Nuove norme tecniche per le costruzioni' di cui al decreto ministeriale 14 gennaio 2008)
• Eurocodici
  • Eurocodice 0 (EN 1990): Principi generali
  • Eurocodice 1 (EN 1991): Azioni
  • Eurocodice 2 (EN 1992): Strutture in calcestruzzo armato, non armato e precompresso
  • Eurocodice 3 (EN 1993): Strutture in acciaio
  • Eurocodice 4 (EN 1994): Strutture miste acciaio calcestruzzo
  • Eurocodice 5 (EN 1995): Strutture in legno strutturale
  • Eurocodice 6 (EN 1996): Strutture in muratura
  • Eurocodice 7 (EN 1997): Progettazione geotecnica
  • Eurocodice 8 (EN 1998): Progettazione in zona sismica
  • Eurocodice 9 (EN 1999): Struttura in alluminio

Principi generali

Le opere e le componenti strutturali devono essere progettate, eseguite, collaudate e soggette a manutenzione in modo tale da consentirne la prevista utilizzazione, in forma economicamente sostenibile e con il livello di sicurezza previsto dalle norme.

Le finalità dell’azienda è il profitto. Durante le opere c’è il direttore dei lavori che verifica che l’impresa esegua i lavori correttamente. Il collaudatore è un tecnico terzo che certifica l’esecuzione dell’opera e il rispetto delle norme. Il progettista dice al committente quali sono i controlli di manutenzione da fare durante la vita utile della struttura affinché le prestazioni dell’opera rimangano costanti.

• 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. Dove la vita nominale della struttura è un periodo in cui la struttura deve rispettare gli stati limite della struttura con la manutenzione ordinaria.
• Stato limite è la condizione superata la quale l’opera non soddisfa più le esigenze per le quali è stata progettata.

Stati limite

• 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.

L’approccio di distinguere i due casi mira a garantire la capacità della struttura a non subire danni sproporzionati rispetto all’entità di un evento eccezionale.

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.

SLU

Ovviamente la struttura non è qualcosa che vola nello spazio quindi bisogna fare la verifica anche per il terreno-fondazione

• Perdita di equilibrio della struttura o di una sua parte.
• Spostamenti o deformazioni eccessive.
• Raggiungimento della massima capacità di resistenza di parti di strutture, collegamenti, fondazioni.
• Raggiungimento della massima capacità di resistenza della struttura nel suo insieme.
• Raggiungimento di meccanismi di collasso nei terreni.
• Rottura di membrature e collegamenti per fatica.
• Rottura di membrature e collegamenti per altri effetti dipendenti dal tempo.
• Instabilità di parti della struttura o del suo insieme.

SLE

• Danneggiamenti locali (ad es. eccessiva fessurazione del calcestruzzo) che possano ridurre la durabilità della struttura, la sua efficienza o il suo aspetto.
• Spostamenti e deformazioni che possano limitare l’uso della costruzione, la sua efficienza e il suo aspetto.
• Spostamenti e deformazioni che possano compromettere l’efficienza e l’aspetto di elementi non strutturali, impianti, macchinari.
• Vibrazioni che possano compromettere l’uso della costruzione.
• Danni per fatica che possano compromettere la durabilità.
• Corrosione e/o eccessivo degrado dei materiali in funzione dell’ambiente di esposizione che possano compromettere la durabilità.

Molto spesso il non rispetto dello stato limite di esercizio ha degli effetti negativi sulla durabilità della stessa che portano allo SLU.

Sicurezza antincendio

Quando necessario, i rischi derivanti dagli incendi devono essere limitati progettando e realizzando le costruzioni in modo tale da garantire la resistenza e la stabilità degli elementi portanti, nonché da limitare la propagazione del fuoco e dei fumi.

Durabilità

La durabilità, definita come conservazione delle caratteristiche fisiche e meccaniche dei materiali e delle strutture, proprietà essenziale affinché i livelli di sicurezza vengano mantenuti durante tutta la vita dell’opera, deve essere garantita attraverso una opportuna scelta dei materiali e un opportuno dimensionamento delle strutture, comprese le eventuali misure di protezione e manutenzione. La durabilità è legata alla manutenzione.

Un adeguato livello di durabilità può essere garantito progettando la costruzione, e la specifica manutenzione, in modo tale che il degrado della struttura, che si dovesse verificare durante la sua vita nominale di progetto, non riduca le prestazioni della costruzione al di sotto del livello previsto.

• Scelta opportuna dei materiali.
• Dimensionamento opportuno delle strutture.
• Scelta opportuna dei dettagli costruttivi.
• Adozione di tipologie costruttive e strutturali che consentano, ove possibile, l’ispezionabilità delle parti strutturali.
• Pianificazione di misure di protezione e manutenzione; oppure, quando queste non siano previste o possibili, progettazione rivolta a garantire che il deterioramento della costruzione o dei materiali che la compongono non ne causi il collasso.
• Impiego di prodotti e componenti chiaramente identificati in termini di caratteristiche meccanico-fisico-chimiche, indispensabili alla valutazione della sicurezza, e dotati di idonea qualificazione, così come specificato al Capitolo 11.
• Applicazione di sostanze o ricoprimenti protettivi dei materiali, soprattutto nei punti non più visibili o difficilmente ispezionabili ad opera completata.
• Adozione di sistemi di controllo, passivi o attivi, adatti alle azioni e ai fenomeni ai quali l’opera può essere sottoposta. Le condizioni ambientali devono essere identificate in fase di progetto in modo da valutarne la rilevanza nei confronti della durabilità.

Tramite il monitoraggio si possono verificare le prestazioni. Le condizioni ambientali devono essere identificate in fase di progetto in modo da valutarne la rilevanza nei confronti della durabilità.

Robustezza

• Non avere danni sproporzionati all’entità dell’evento

Un adeguato livello di robustezza, in relazione all’uso previsto della costruzione ed alle conseguenze di un suo eventuale collasso, può essere garantito facendo più ricorso ad una o tra le seguenti strategie di progettazione:

• Progettazione della struttura in grado di resistere ad azioni eccezionali di carattere convenzionale, combinando valori nominali delle azioni eccezionali alle altre azioni esplicite di progetto.
• Prevenzione degli effetti indotti dalle azioni eccezionali alle quali la struttura può essere soggetta o riduzione della loro intensità.
• Adozione di una forma e tipologia strutturale poco sensibile alle azioni eccezionali considerate.
• Adozione di una forma e tipologia strutturale tale da tollerare il danneggiamento localizzato causato da un’azione di carattere eccezionale.
• Realizzazione di strutture quanto più ridondanti, resistenti e/o duttili è possibile.
• Adozione di sistemi di controllo, passivi o attivi, adatti alle azioni e ai fenomeni ai quali l’opera può essere sottoposta.

Verifiche

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.

Le verifiche di sicurezza delle opere devono essere contenute nei documenti di progetto. La struttura deve essere verificata nelle fasi intermedie, tenuto conto del processo costruttivo; le verifiche per queste situazioni transitorie sono generalmente condotte nei confronti dei soli stati limite ultimi.

Valutazione della sicurezza

• Per la valutazione della sicurezza delle costruzioni si devono adottare criteri probabilistici. Sono normati i criteri del metodo semiprobabilistico agli stati limite basato sull’impiego dei coefficienti parziali.
• Nel metodo agli stati limite, la sicurezza strutturale nei confronti degli stati limite ultimi deve essere verificata confrontando la capacità di progetto Rd, in termini di resistenza, duttilità e/o spostamento della struttura o della membratura strutturale, funzione delle caratteristiche meccaniche dei materiali che la compongono (Xd) e dei valori nominali delle grandezze geometriche interessate (ad), con il corrispondente valore di progetto della domanda Ed, funzione dei valori di progetto delle azioni (Fd) e dei valori nominali delle grandezze geometriche della struttura interessate.
• La verifica della sicurezza nei riguardi degli stati limite ultimi (SLU) è espressa dall’equazione: la resistenza delle strutture deve essere maggiore delle sollecitazioni indotte sulla struttura dalle azioni esterne. Noi lavoriamo sulle azioni e sulle resistenze. Le sollecitazioni sono figlie del calcolo.
• Per la sicurezza strutturale, la resistenza dei materiali e le azioni sono rappresentate dai valori caratteristici, Rki e Fki definiti, rispettivamente, come il frattile inferiore delle resistenze e il frattile (superiore o inferiore) delle azioni che minimizzano la sicurezza. In genere, i frattili sono assunti pari al 5%. Quando parliamo invece di azioni il valore caratteristico indica che solamente il 5% delle azioni potrà essere più grande di quello che sto usando nei calcoli.
• Ai valori caratteristici di resistenza e azione applichiamo i coefficienti parziali di sicurezza che sono sempre maggiori di 1 in ottica riduttiva delle sollecitazioni e amplificativa delle azioni. Il valore di progetto della resistenza di un dato materiale Xd è, a sua volta, funzione del valore caratteristico della resistenza, definito come frattile 5% della distribuzione statistica della grandezza, attraverso l’espressione: essendo γM il fattore parziale associato alla resistenza del materiale.
• Il valore di progetto di ciascuna delle azioni agenti sulla struttura Fd è ottenuto dal suo valore caratteristico Fk, inteso come frattile 95% della distribuzione statistica o come valore caratterizzato da un assegnato periodo di ritorno, attraverso l’espressione: essendo γF il fattore parziale relativo alle azioni.

Valutazione della sicurezza

Il metodo alla tensione ammissibile non consideravo situazioni di contemporaneità delle azioni cioè un aspetto probabilistico legato alla contemporaneità delle azioni. Questa cosa si supera con il metodo probabilistico ovvero si considera che c’è un aspetto probabilistico legato al fatto che due azioni possono essere concomitanti sulla struttura. Questo aspetto probabilistico viene definito con ψ .0

Nel caso di concomitanza di più azioni variabili di origine diversa si definisce un valore di combinazione ove ψ ≤1 è un opportuno coefficiente di combinazione, che tiene conto della ridotta probabilità che più azioni di diversa origine si realizzino simultaneamente con il loro valore caratteristico.

• Per grandezze caratterizzate da distribuzioni con coefficienti di variazione minori di 0,10, oppure per grandezze che non riguardino univocamente resistenze o azioni, si possono considerare i valori nominali, coincidenti con i valori medi.
• I valori caratteristici dei parametri fisico-meccanici dei materiali sono definiti nel Capitolo 11.

La capacità di garantire le prestazioni previste per le condizioni di esercizio (SLE) deve essere verificata confrontando il valore limite di progetto associato a ciascun aspetto di funzionalità esaminato (Cd), con il corrispondente valore di progetto dell’effetto delle azioni (Ed), attraverso la seguente espressione formale:

Ho delle condizioni di esercizio che devono essere rispettate con un requisito di funzionalità che deve essere maggiore delle azioni che concorrono a definire questo requisito. Nella verifica degli stati limiti di esercizio noi confrontiamo un parametro di sollecitazione con un momento resistente. Qui invece confrontiamo l’ampiezza di una fessura nella verifica di fessurazione del cls con il limite di fessurazione. Sono grandezze indirette. Per questo si usa la condizione di esercizio.

Definizione delle azioni

Vita nominale di progetto

• La vita nominale di progetto VN di un’opera strutturale è convenzionalmente definita come il numero di anni nel quale è previsto che l’opera, purché soggetta alla necessaria manutenzione, mantenga specifici livelli prestazionali.
• I valori minimi di VN da adottare per i diversi tipi di costruzione sono riportati nella Tab. 2.4.I. Tali valori possono essere anche impiegati per definire le azioni dipendenti dal tempo.

Tanto più grande è la VN tanto più importante è la struttura. Determinate azioni come neve, vento, sisma sono più intense dove ho prestazioni elevate per le strutture. Dal punto di vista probabilistica è più probabile che in un arco più grande si possano verificare azioni di intensità più grandi.

Azioni sulle strutture

Classificazione in base al modo di esplicarsi

• Dirette: Forze concentrate, carichi distribuiti, fissi o mobili.
• Indirette: Spostamenti impressi, variazioni di temperatura e di umidità, ritiro, precompressione, cedimenti di vincolo, ecc.
• Degrado:
  • Endogeno: Alterazione naturale del materiale di cui è composta l’opera strutturale.
  • Esogeno: Alterazione delle caratteristiche dei materiali costituenti l’opera strutturale, a seguito di agenti esterni.

Classificazione delle azioni secondo la risposta strutturale

• Statiche: Azioni applicate alla struttura che non provocano accelerazioni significative della stessa o di alcune sue parti.
• Pseudo statiche: Azioni dinamiche rappresentabili mediante un’azione statica equivalente; possiamo attraverso coefficienti di amplificazione dinamica ricondurre le azioni ad azioni statiche equivalenti.
• Dinamiche: Azioni che causano significative accelerazioni della struttura o dei suoi componenti. Come il sisma o azioni legate alle vibrazioni.

Classificazione in base alla variazione temporale

La norma segue queste tipologie di classificazione delle azioni:

• Permanenti (G): Azioni che agiscono durante tutta la vita nominale della costruzione, la cui variazione di intensità nel tempo è molto lenta e di modesta entità:
  • Peso proprio di tutti gli elementi strutturali; peso proprio del terreno, quando pertinente; forze indotte dal terreno (esclusi gli effetti di carichi variabili applicati al terreno); forze risultanti dalla pressione dell’acqua (quando si configurino costanti nel tempo) (G1).
  • Peso proprio di tutti gli elementi non strutturali (G2) come massetto e pavimento.
  • Spostamenti e deformazioni impressi, incluso il ritiro.
  • Pre sollecitazione (P) anche esse sono carichi permanenti.
• Variabili (Q): Azioni che agiscono con valori istantanei che possono risultare sensibilmente diversi fra loro nel corso della vita nominale della struttura:
  • Sovraccarichi.
  • Azioni del vento.
  • Azioni della neve.
  • Azioni della temperatura.

Dipendono anche dalla destinazione d’uso della struttura. Perché sono fatti di una quota fissa nel tempo e una quota prettamente variabile. Fisso è l’arredamento per esempio e noi persone siamo azioni variabili.

Lunga durata: Agiscono con un’intensità significativa, anche non continuativamente, per un tempo non trascurabile rispetto alla vita nominale della struttura.

Breve durata: Azioni che agiscono per un periodo di tempo breve rispetto alla vita nominale della struttura.

• Eccezionali (A): Azioni che si verificano solo eccezionalmente nel corso della vita nominale della struttura:
  • Incendi.
  • Esplosioni.
  • Urti ed impatti.
• Sismiche (E): Azioni derivanti dai terremoti.

Valore caratteristico delle azioni variabili

Il valore nominale dell’azione ovvero quello caratteristico è determinato facendo riferimento ai valori massimi dell’azione. Otteniamo i valori massimi e costruiamo la funzione di distribuzione di probabilità attorno a questi valori massimi. Dopo abbiamo la possibilità di applicare de