teoria tecnica delle costruzioni

Tecnica delle costruzioni

La normativa tecnica italiana

La normativa da tenere in considerazione è quella vigente, ovvero il DM 14 gennaio 2008 e la circolare applicativa 917, del 2 febbraio 2009. Negli ultimi 50 anni, la normativa italiana subisce profonde modifiche, dovute all’introduzione di nuovi materiali e all’approfondimento dei modelli di calcolo. Possiamo definire diverse fasi della normativa tecnica:

Prima fase

• Legge 5 nov 1971, n 1086: norme per la disciplina delle opere di conglomerato cementizio armato, normale e precompresso, ed a struttura metallica.
• Legge 2 febbraio 1974, n. 64: provvedimenti per le costruzioni con particolari prescrizioni per le zone sismiche.

Seconda fase

• Negli anni 80 e 90 seguono una serie di DM che rendono il quadro molto complesso e frammentato. Si tratta di decreti e circolari che regolano vari aspetti della costruzione strutturale, a partire dalle tecniche per il calcolo, al collaudo, alla costruzione in zone sismiche, consolidamenti, ecc.
• Nel 2003 c’è la prima ordinanza del Presidente del Consiglio (3274) che intende raccogliere e sintetizzare il quadro normativo edilizio, nonché regolare i criteri generali tecnico-costruttivi di edifici ordinari e speciali. Inoltre, vi è una classificazione del territorio in zone sismiche e quasi tutto il territorio è ritenuto sismico. Si ha un progressivo allineamento agli Eurocodici.
• Nel 2005 viene fatto il nuovo testo unico per le norme tecniche della costruzione. È un testo composto da norme chiare e inconfutabili che però non trova applicazione. Quindi siamo in una fase transitoria in cui norme vecchie e nuove continuano a coesistere.

Terza fase

• Nel 2008 vengono emanate le NTC.
• Nel 2009, la circolare applicativa fa decadere le precedenti normative.
• La normativa attuale, tuttavia, si allinea agli Eurocodici, cioè indicazioni accettate e recepite a livello europeo. Sono nove e trattano diversi ambiti della progettazione strutturale:

• Eurocodice 1 - Azioni sulle strutture
• Eurocodice 2 - Progettazione delle strutture in calcestruzzo
• Eurocodice 3 - Progettazione delle strutture in acciaio
• Eurocodice 4 - Progettazione delle strutture composte acciaio-calcestruzzo
• Eurocodice 5 - Progettazione delle strutture di legno
• Eurocodice 6 - Progettazione delle strutture di muratura
• Eurocodice 7 - Progettazione geotecnica
• Eurocodice 8 - Progettazione delle strutture per la resistenza sismica
• Eurocodice 9 - Progettazione delle strutture di alluminio

Infine, sono ritenute valide anche le indicazioni del CNR nella sezione “Commissione di studio per la predisposizione e l’analisi di norme tecniche relative alle costruzioni”. Si tratta di documenti orientativi che non hanno valore normativo ma vengono presi come riferimento da molti decreti ed uffici tecnici, poiché nascono da studi approfonditi e sono sempre aggiornati.

Comunque, va specificato che dal 2003, l’ordinanza del PCM, introduce modifiche sostanziali rispetto alle precedenti normative. Innanzi tutto, vi è una nuova consapevolezza del rischio sismico italiano. C’è una maggiore attenzione alla duttilità delle strutture. Poi si introduce come unico possibile il metodo degli Stati Limite che sostituisce il metodo delle tensioni ammissibili. Infine, si tratta di una norma di tipo prestazionale, quindi non impone delle quantità, ma una “comprovata validità” delle scelte in atto.

Le NTC ribadiscono la scelta del metodo degli stati limite per la verifica della sicurezza strutturale. Si allinea con la distinzione degli Eurocodici tra principi e regole applicative: le norme definiscono i principi per il progetto, l'esecuzione ed il collaudo delle costruzioni, nei riguardi delle prestazioni loro richieste”, e consentono, relativamente alle indicazioni applicative per ottenere tali prestazioni, di riferirsi ”a normative di comprovata validità ed ad altri documenti tecnici”

La normativa, quindi, si sviluppa parallelamente alla consapevolezza e all’evoluzione storica del concetto di sicurezza strutturale.

Evoluzione dei metodi di calcolo

Il MTA

Nel 1826 è Navier che comprende che il proporzionalmente delle sezioni resistenti deve essere tale che i materiali restino in campo elastico, ovvero non arrivino a presentare delle deformazioni permanenti. Pertanto, in questo momento la resistenza degli elementi strutturali si valuta solo in relazione alla Resistenza. Da qui si sviluppano i criteri di sicurezza puntuale di Mohr (1860) e di Tresca (1865). Si ricercano dei criteri di sicurezza che possano stabilire quale sia ideale del materiale, da confrontare con quella di σ snervamento. Questa si ottiene dividendo di snervamento per il coefficiente di sicurezza che dipende dal materiale in questione. Sulle basi teoriche di questo approccio si sviluppa il Metodo delle tensioni ammissibili, che si diffonde con la diffusione del cemento armato (DM 10/01/1907). MTA: </ σ σ γ e s

Metodo del calcolo a rottura

Con il passare del tempo si inizia a studiare il comportamento dei materiali anche dopo la crisi di snervamento, per cui la sicurezza va valutata non in merito allo snervamento della singola fibra, ma in relazione al collasso di una parte o dell’intera struttura (metodo del Calcolo a rottura). Il calcolo a rottura viene introdotto nel 1938 nella normativa sovietica sul cemento armato.

Metodo semiprobabilistico agli stati limite

Nel 1955 sempre i sovietici introducono il concetto di Stato Limite: non si valuta più solo il collasso della struttura, ma una serie di fenomeni come deformazione e fessurazione (valuta diverse soglie di funzionalità). Questo metodo è un metodo semiprobabilistico, ovvero riconosce la natura aleatoria di alcuni parametri in gioco, come la natura delle azioni esterne e le proprietà dei materiali. In Italia questo metodo viene introdotto nel 1980 e diventa l’unico applicabile dal 2003.

Il MSL ammette che le forze in gioco nel progetto strutturale non possono essere tutte univocamente determinate. La verifica deve dimostrare che la struttura sia mantenuta al di sotto di un prefissato valore di stringimento di una certa condizione di pericolosità, definita appunto stato limite. Lo stato limite è la condizione raggiunta la quale la struttura in esame o parte dei suoi elementi costruttivi, non è più in grado di svolgere la funzione o di soddisfare i requisiti per cui è stata realizzata.

Si basa sulla sovrastima dei carichi agenti e sulla sottostima delle resistenze, secondo la relazione: Q < R /Σ γ γq k k R

La NTC definisce le opere e le tipologie strutturali in base a:

• Sicurezza nei confronti di SLU: capacità di evitare crolli, perdite di equilibrio e dissesti gravi, totali o parziali, che possano compromettere l’incolumità delle persone, comportare perdite di beni, danni ambientali, sociali, o mettere fuori servizio l’opera (cioè danni irreversibili)
• Sicurezza nei confronti di SLE: capacità di garantire le prestazioni previste in condizioni di esercizio
• Robustezza nei confronti di azioni eccezionali: evitare danni sproporzionati rispetto all’entità delle cause che provocano tali danni (esplosioni, incendi e urti)

Le verifiche devono essere condotte per SLE e per SLU, in base ai valori caratteristici Rk (resistenza) e Qk (carico). Queste grandezze sono quelle che hanno natura aleatoria e si assumono in maniera probabilistica. Si definisce R valore caratteristico di resistenza (viene desunto dalle prove sperimentali effettuate sui campioni standard del materiale sottoposto a trazione e/o compressione: avremo R o R ), quel valore che rasenta la possibilità di essere superato pari al 5%. Analogamente, Qk è il valore caratteristico del carico.

Per passare ai valori di progetto (design), avremo le seguenti relazioni:

• R = R / = 1,5; = 1,15γ γ γ d k R c s
• Q > 1γ γ d = q k q

I coefficienti descrivono proprio le incertezze e tengono conto della variabilità delle grandezze, derivanti anche alla geometria e ai calcoli.

Tabella confronto metodi di calcolo

La normativa sismica

La normativa sismica segue alcuni eventi sismici. I provvedimenti più antichi risalgono al 1783 con il governo dei Borbone a seguito del terremoto delle Calabrie. Dal 1880 si inizia a parlare della questione sismica in relazione ad intervento di consolidamento e restauro. Si tratta di prescrizioni non sempre obbligatorie, che si basano su limitazioni di altezza e prescrizioni costruttive. Dal 1909 abbiamo le norme di “prima generazione”, cioè il RD che segue il terremoto di Messina, ed una serie di strumenti che si susseguono fino al 1974. Sono prescrizioni che iniziano a tenere in considerazione alcuni aspetti dell’ingegneria sismica, come il comportamento elastico lineare per terremoti deboli e quello non lineare per eventi più gravi; permettono di usare forze statiche equivalenti per simulare il comportamento dinamico. In pratica considerano gli effetti REALI, ammettendo che la struttura possa danneggiarsi. La verifica viene eseguita con il MTA.

Dal 1974 al 1996 abbiamo le norme di seconda generazione. Si prevede l’uso di un’analisi dinamica al posto di quella statica e l’uso del MSL al posto del MTA.

Le norme di terza generazione derivano dagli Eurocodice, in particolare dall’Eurocodice 8. Si vuole conferire un comportamento duttile globale alla struttura (criterio di gerarchia delle resistenze) in modo da indirizzare la struttura verso meccanismi di collasso ottimale. Il MSL diventa obbligatorio. La normativa prevede che le strutture sufficientemente regolari possono essere analizzate con analisi statica.

La concezione strutturale dell’edificio

Per concezione strutturale dell’edificio si intende la fase della progettazione della struttura, in cui viene definito il sistema strutturale, che deve essere integrata con la progettazione architettonica per evitare errori nel comportamento della struttura. Il sistema strutturale rappresenta la parte portante di una costruzione ed ha il compito di assorbire le azioni a cui è soggetta e trasferirle al terreno di fondazione, attraverso gli elementi di cui si compone.

Pertanto, il sistema strutturale ha il fine di trasferire i carichi al suolo, e può essere pensato come una serie di sottosistemi che differiscono in base al piano in cui si estendono e al tipo di azione che assorbono, ovvero si tratta di gruppi omogenei di elementi collegati tra loro tramite vincoli. In questo modo, il sistema globale si ottiene dalla coesistenza di sottosistemi, che possono essere:

• Sottosistema portante orizzontale (solai)
• Sottosistema portante verticale (continuo o puntiforme)
• Sottosistema di fondazione

In generale, a seconda del materiale scelto per la costruzione, avremo diverse concezioni strutturali. Storicamente abbiamo un passaggio progressivo dagli edifici in muratura, a quelli misti, a quelli a telaio, in cui la muratura è solo un tamponamento.

Gli edifici in muratura sono i più antichi e diffusi ed esistono varie tipologie edilizie di questo genere. La muratura costituisce setti murari e fondazioni continue, andando a definire un sistema scatolare, ovvero un sistema concepito come un assemblaggio di muri e solai. Tuttavia questo genere di edifici presenta un’elevata vulnerabilità sismica data specialmente dal fatto che i solai sono sconnessi dalla muratura, pertanto non c’è un’adeguata ripartizione dell’azione sismica.

Dal ‘900 si realizzano impalcati in cls armato. Questi solai interrompono la continuità degli elementi verticali, creando un forte incatenamento che ripartisce meglio le azioni sismiche. Quindi, con l’introduzione del cordolo si realizza una tipologia che si comporta come un insieme di telai piani, poiché il cordolo svolge una funzione di vincolo, impedendo alle pareti di ribaltarsi fuori dal piano, e rappresenta un collegamento tra pareti di controvento e solaio.

Il principio del telaio si basa su due elementi collegati tramite vincoli di incastro (o cerniera): piedritto ed architrave. Questo permette di realizzare strutture più leggere e flessibili, e con il passare del tempo si sviluppa lo schema di telaio flessione in cui la muratura diventa un tamponamento. Quindi l’edificio si compone di:

• Strutture di fondazione: struttura vincolata alla base dei pilastri da un vincolo di incastro perfetto. Devono essere più rigide degli elementi del telaio per evitare la formazione di cedimenti differenziali, ma anche rotazioni e spostamenti orizzontali (Slittamenti)
• Strutture in elevazione
• Impalcati orizzontali (o inclinati): solai e travi di piano. Il solaio è la parte più pesante dell’edificio e deve trasferire i carichi verticali agli elementi verticali che li trasmetteranno alle fondazione. Deve avere opportuna rigidezza e resistenza, e quindi garantire un collegamento rigido tra gli elementi verticali, per permettere una corretta ripartizione delle azioni orizzontali. La rigidezza dell’impalcato dipende dalla regolarità che ha nel piano (forma, aperture, cambi di orditura…). In particolare, deve avere una forma compatta, cioè evitare eccessivi restringimenti o bucature, ed avere orditura bidirezionale (rigidezza in due direzioni) ed un comportamento a piastra (deve esserci un’opportuna h per la soletta)
• Elementi strutturali verticali ed orizzontali: travi e pilastri compongono il telaio spaziale che può essere pensato come un doppio insieme di telai piani. Deve avere resistenza uguale in tutte e due le direzioni, per far sì che la struttura risponda bene ai carichi orizzontali e verticali. La resistenza del telaio dipende dalla posizione e dalla sezione del pilastro (es: i pilastri rettangolari vanno orientati nel modo più opportuno) e dalla tipologia di trave che si sceglie.
• Corpo scala: elementi di irregolarità nella trama del telaio spaziale. Di norma, gli elementi che delimitano la scala hanno una rigidezza maggiore per cui le sollecitazioni tendono a concentrarsi in queste zone.

Secondo l’EC8, la concezione strutturale deve essere regolare e semplice, ovvero deve esserci una certa regolarità strutturale che è conferita da una serie di principi:

• Semplicità strutturale: garantisce un flusso chiaro e diretto nella trasmissione dei carichi. Questa si ottiene con telaio regolare in cui si ha l’allineamento degli elementi strutturali
• Uniformità e simmetria: si vuole una buona distribuzione degli elementi resistenti sia in pianta che in alzato. La simmetria si riferisce alla simmetria strutturale, quindi dipende sia dalla forma in pianta, sia dalla simmetria di masse e rigidezze. Si devono evitare azioni di torsione, e diversa sollecitazione delle parti della struttura per evitare la formazione di eccentricità.
• Regolarità in altezza: i piani devono avere una certa uniformità nella loro rigidezza, per evitare la formazione del piano soffice, ovvero che i pilastri si comportino come una cerniera (deve essere, invece, conseguita la gerarchia trave-pilastro che comporta un collasso globale della struttura: la plasticizzazione avviene prima nella trave-debole)
• Resistenza e rigidezza nelle due direzioni ortogonali: per garantire un corretto comportamento nelle due direzioni
• Resistenza e rigidezza torsionale: gli elementi strutturali devono essere posizionati in maniera simmetrica sul perimetro della struttura, per evitare che si formino moti di rotazione
• Resistenza e rigidezza dell’impalcato: gli elementi devono essere ben collegati agli elementi verticali, per garantire una buona distribuzione delle forze orizzontali.
• Adeguatezza delle fondazioni: le fondazioni devono garantire una rigidità tale da evitare cedimenti differenziali. Se abbiamo elementi puntiformi (plinti), questi devono essere collegati tramite travi di collegamento in entrambe le direzioni.

Sicurezza e affidabilità strutturale: il metodo SLU

• Sicurezza strutturale: Grado di protezione rispetto al raggiungimento di una qualsiasi condizione (stato limite) che determini il malfunzionamento della struttura o di una sua parte.
• Affidabilità strutturale: capacità di soddisfare la funzione richiesta per certe condizioni d’uso e per una certa vita nominale.
• Vita nominale: il periodo di tempo per cui la costruzione deve assolvere alla sua funzione in condizioni di normale manutenzione programmata.

La durata di un edificio dipende da alcuni fattori endogeni ed esogeni che hanno una natura variabile: le azioni, le resistenze dei materiali, ecc, sono soggette all’azione del tempo e spazio. Quindi si deve usare un approccio probabilistico. Pertanto, l’affidabilità di un sistema R(t) è la probabilità che la costruzione mantenga la sua funzionalità durante l’intervallo di tempo definito vita (0; t) senza raggiungere la probabilità di collasso Pf: Pf = 1- R(t)

La misura della sicurezza, quindi, è data dal confronto di Pf con un valore fissato a priori in relazione a...