Relazione strutturale pensilina ferroviaria

Scuola di

Ingegneria

Corso di Laurea Magistrale in

Ingegneria Civile,

Ingegneria Edile

Relazione di calcolo strutturale della pensilina

ferroviaria sita in Sesto Fiorentino (FI)

Docenti

Claudio Mannini

Studenti –

Gabriele Belli matricola 7045321

–

Chiara Chiavarini matricola 7045346

INDICE

Relazione generale illustrativa dell’opera

1. 1

2. Normativa di riferimento e metodo di verifica 2

3. Materiali utilizzati 4

3.1 Carpenteria metallica 4

3.2 Bulloni 4

3.3 Acciaio per saldature 5

3.4 Piastre in acciaio 5

4. Analisi dei carichi 6

4.1 Azione del vento 6

4.2 Azione della neve 10

d’uso

4.3 Sovraccarico 11

4.4 Azione sismica 11

5. Manto di copertura 18

5.1 Analisi dei carichi 18

5.2 Verifica agli Stati Limite Ultimi - SLU 19

6. Arcarecci di falda 20

6.1 Analisi dei carichi 20

6.2 Verifiche agli Stati Limite Ultimi - SLU 22

6.3 Verifiche agli Stati Limite di Esercizio - SLE 26

7. Travi principali 31

7.1 Analisi dei carichi 31

7.2 Verifiche agli Stati Limite Ultimi - SLU 33

7.3 Verifiche agli Stati Limite di Esercizio - SLE 35

8. Controventi di falda 38

8.1 Analisi dei carichi 38

8.2 Verifiche agli Stati Limite Ultimi - SLU 40

8.3 Valutazione qualitativa della rigidezza torsionale globale della struttura 41

9. Trave secondaria 42

9.1 Analisi dei carichi 42

9.2 Verifiche agli Stati Limite Ultimi - SLU 44

10. Colonne 46

10.1 Analisi dei carichi 46

–

10.2 Verifiche agli Stati Limite Ultimi SLU 48

–

10.3 Verifiche allo Stato Limite di salvaguardia della Vita SLV 54

10.4 Verifiche agli Stati Limite di Esercizio - SLE 56

–

10.5 Verifiche allo Stato Limite di Danno SLD 57

11. Unioni 58

11.1 Unione bullonata diagonali dei controventi 61

–

11.2 Unione saldata colonna piastra di estremità 63

–

11.3 Unione trave principale colonna 64

11.4 Unione trave secondaria-colonna 76

Relazione di calcolo strutturale della pensilina

ferroviaria sita in Sesto Fiorentino (FI)

generale illustrativa dell’opera

1. Relazione

La presente relazione tratta il dimensionamento dal punto di vista strutturale di una pensilina metallica per la

Stazione ferroviaria di Sesto Fiorentino (FI).

La tettoia, sviluppandosi parallelamente ai binari, presenta una pianta rettangolare di dimensioni 9.50m x

30.00m. È costituita da n. 5 telai posti ad interasse di 6.00m con sbalzi di 3.00m lungo la direzione

longitudinale. Ciascun telaio è composto da una colonna di altezza pari a 6m, che sorregge due travi a

mensola di 4.75 m, che presentano una pendenza del 4% a formare un compluvio per favorire la raccolta e

quindi lo smaltimento delle acque meteoriche verso la linea di colmo.

Il piano di copertura, ancorato agli arcarecci appoggiati a loro volta sulle travi principali a mensola, è

costituito da un rivestimento esterno in lamiera grecata tipo ISOPAN. A chiusura della parte esterna della

copertura, lungo il perimetro esterno, sono previsti dei profilati in lamiera zincata.

Le fondazioni sono realizzate mediante plinti in calcestruzzo armato, il cui dimensionamento non è stato

affrontato ai fini della presente esercitazione.

Figura 1.1.Schema unifilare pensilina metallica Pagina | 1

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2. Normativa di riferimento e metodo di verifica

I calcoli sono stati condotti nell’osservanza delle norme tecniche vigenti con particolare riferimento alle

Istruzioni per l’applicazione

Norme tecniche per le costruzioni [D.M. 17.01.2018] integrate con le

dell’«Aggiornamento delle “Norme tecniche per le costruzioni”» di cui al decreto ministeriale 17 gennaio

2018 [Circolare 21.01.2019 n°7].

Per quanto non contemplato da dette norme, è stato fatto riferimento ai seguenti documenti di comprovata

validità:

➢ CNR-DT 207 R1/2018, Istruzioni per la valutazione delle azioni e degli effetti del vento sulle

costruzioni;

➢ UNI EN 1993-1-1, Eurocodice 3, Progettazione delle strutture di acciaio, Parte 1:1: Regole generali

e regole per gli edifici.

➢ UNI EN 1993-1-8, Eurocodice 3, Progettazione delle strutture di acciaio, Parte 1:8: Progettazione

dei collegamenti.

L’analisi e la verifica della struttura è stata effettuata mediante il Metodo agli Stati Limite. In particolare,

l’opera presa in esame deve soddisfare i requisiti di sicurezza nei confronti degli Stati Limite Ultimi (SLU) e

degli Stati Limite di Esercizio (SLE).

Per le verifiche di resistenza e stabilità verrà utilizzata la combinazione fondamentale agli SLU fornita dalla

normativa (2.5.3): γ G + γ G + γ P + γ Q + γ Q Ψ + γ Q Ψ … [1]

G1 1 G2 2 P Q1 K1 Q2 K2 02 Q3 K3 03

Per le verifiche di deformabilità verrà utilizzata la combinazione rara agli SLE in quanto nel caso in esame

risulta essere più gravosa rispetto alle combinazioni frequente e quasi permanente:

G + G + P + Q + Q Ψ + Q Ψ … [2]

1 2 K1 K2 02 K3 03

Ai fini della valutazione dell’azione sismica si utilizzerà la combinazione sismica:

E + G + G + P + Q Ψ + Q Ψ + ⋯ [3]

1 2 K1 21 K2 22

Gli effetti dell’azione sismica verranno determinati tenendo conto delle masse associate ai seguenti carichi

gravitazionali: ∑

G + G + Q Ψ [4]

1 2 Ki 2i Pagina | 2

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G P Q

Nelle formule [1], [2], [3] e [4], e sono carichi permanenti, rappresentano i carichi variabili e,

i Ki

γ γ Ψ Ψ

infine, , , e sono i coefficienti di sicurezza forniti dalla normativa.

Gi Qi 0 2

rappresenta l’azione sismica.

Nella formula [3],

Gli effetti dell’azione sismica E, come indicato al paragrafo 7.3.5 delle NTC 2018, devono essere valutati con

riferimento a due direzioni principali x e y e combinati nel modo seguente:

E = max(E + 0.30 ∙ E ; 0.30 ∙ E + E )

x y x y

Figura 2.1. Tab. 2.6.I da NTC2018

Figura 2.2. Tab. 2.5.I da NTC 2018 Pagina | 3

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3. Materiali utilizzati

3.1 Carpenteria metallica

Per i profilati metallici si è utilizzato acciaio da carpenteria laminato a caldo S235, di spessore nominale

t ≤ 40 mm.

I valori delle tensioni di snervamento e rottura sono i seguenti:

2

f = 235 N/mm

yk 2

f = 360 N/mm

tk

In fase di progettazione si sono assunti convenzionalmente i seguenti valori nominali delle proprietà del

materiale: 2

E = 210000 N/mm

E 2

G= = 80800 N/mm

2(1 + ν) 3

ρ = 78.50 kN/m

ν = 0.3 −5 −1

α = 1.2 ∗ 10 °C

3.2 Bulloni

Per quanto riguarda le bullonature si utilizzano:

➢ Viti di classe di resistenza 8.8 secondo la norma UNI EN 14399-1 che hanno le seguenti

caratteristiche: 2

f = 640 N/mm

yb 2

f = 800 N/mm

tb

➢ Viti di classe di resistenza 10.9 secondo la norma UNI EN 14399-1 che hanno le seguenti

caratteristiche: 2

f = 900 N/mm

yb 2

f = 1000 N/mm

tb

➢ Dadi di classe di resistenza 8 secondo la norma UNI EN 14399-3;

➢ Rondelle di durezza 300-370 HV secondo la norma UNI EN 14399 parti 5 e 6;

➢ Piastrine di uso corrente per appoggio su ali di profilati UPN (inclinazione 8%) di durezza 300-370

HV secondo la norma UNI 6598. Pagina | 4

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3.3 Acciaio per saldature

Le saldature vengono realizzate mediante cordoni d’angolo, utilizzando un acciaio di classe S355

caratterizzato dai seguenti parametri di progetto:

2

f = 355 N/mm

yk 2

f = 510 N/mm

tk

3.4 Piastre in acciaio

Per le piastre utilizzate per i collegamenti si è utilizzato un acciaio S235.

I valori delle tensioni di snervamento e rottura sono i seguenti:

2

f = 235 N/mm

yk 2

f = 360 N/mm

tk

Per le piastre di estremità saldate in sommità delle colonne si è utilizzato invece un acciaio S355.

I valori delle tensioni di snervamento e rottura sono i seguenti:

2

f = 355 N/mm

yk 2

f = 510 N/mm

tk Pagina | 5

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4. Analisi dei carichi

4.1 Azione del vento

La pressione del vento è data dall’espressione: p = q c c c

r e p d

Dove: q è la pressione cinetica di riferimento;

r

c è il coefficiente di esposizione;

e

c è il coefficiente di pressione;

p

c è il coefficiente dinamico.

d 1

2 r2

q [N/mm ] q = ρv

La pressione cinetica di riferimento si ottiene mediante la formula , in cui

r r 2

3 rappresenta la densità dell’aria, mentre

ρ = 1.25 kg/m v = v c è la velocità di riferimento.

r b r

Essendo l’opera ad un’altitudine a = 55 m < 500 m = a

situata a Sesto Fiorentino (FI) , per la Zona 3 di

s 0

riferimento in cui ricade la costruzione, risulta:

v = 27 m/s , velocità base di riferimento al livello del mare;

b,0

c = 1 a ≤ a

per , coefficiente di altitudine.

a s 0

v = v c = 27 m/s.

Pertanto, risulta b b,0 a T = 50 anni, c

In riferimento ad un periodo di ritorno di progetto il coefficiente di ritorno risulta essere

R r

1

c = 0.75√1 − 0.2 ln ln (1 − )] = 1.00,

[−

pari a da cui ne consegue la velocità di riferimento:

r T R

v = v c = 27.00 m/s.

r b r 2

q = 456.29 N/m

Pertanto, risulta .

r

L’opera sorge in Zona 3 a più di 30 km dalla costa, in riferimento alla Tab.3.3.III delle NTC 2018 si assume

la classe di rugosità C, per cui la categoria di esposizione è la II e si adottano i seguenti parametri:

K = 0.19;

r

z = 0.05 m;

0

z = 4 m.

min dipende dall’altezza della costruzione

c z

Il coefficiente di esposizione sul suolo, dalla rugosità e dalla

e

topografia del terreno, dall’esposizione del sito in cui sorge l’opera. Ipotizzando un’altezza massima della

utile sotto colonna (z dell’altezza

z = 6.70 m, = 6.00 m),

costruzione pari a data dalla somma dell’altezza

delle travi principali, dell’altezza del manto e dell’altezza del carico neve, si ottiene: Pagina | 6

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z z

2

(z)

c = K c ln ( ) + c ln ( )] = 2.10

[7

e r t t

z z

0 0 c = 1.

Nel calcolo del coefficiente di esposizione si è assunto il coefficiente di topografia t

c = 1.

Cautelativamente si assume il coefficiente dinamico d

Per quanto concerne le azioni globali del vento agente in copertura si fa riferimento al paragrafo C.3.3.8.2

della Circolare 2019 inerente alle tettoie:

• Vento ortogonale alla direzione del colmo:

I valori dei coefficienti di forza per le tettoie a doppia falda (di uguale pendenza) con vento agente

perpendicolarmente alla linea di colmo, riportati nella Tab.C.3.3.XVI della Circolare 2019, sono espressi in

ϕ = 1,

funzione del grado di bloccaggio, nel caso in esame si sceglie di considerare corrispondente alla

situazione limite in cui lo spazio al di sotto della tettoia risulti completamente ostruito, ipotizzando la

e dell’inclinazione α = −2.29°

presenza di tabelloni ferroviari, delle falde:

|α|

c = +0.2 + 0.7 ∙ = 0.25

+

F 30

c = −1.4

−

F Figura 4.1. Tettoie a doppia falda: posizione del punto di applicazione delle forze risultanti

– schema per α>0°.

in funzione della direzione della forza Da: CNR-DT 207 R1/2018

L’azione globale del vento viene poi valutata considerando una forza F d/4

applicata ad una distanza pari a

dal bordo investito dal flusso e calcolata come segue:

+ (z)

F = q ∙ d ∙ b ∙ c = 69.39 kN

+

p F

− (z)

F = q ∙ d ∙ b ∙ c = −383.31 kN

−

p F

1 r2

(z) (z)

q = ρ ∙ v ∙ c

In cui: rappresenta la pressione cinetica di picco;

p e

2

d = 9.5 m;

b = 30 m Pagina | 7

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ferroviaria sita in Sesto Fiorentino (FI)

Per la valutazione dell’azione locale del vento agente sulla tettoia si fa riferimento ai valori dei coefficienti di

dell’Appendice H della

c

pressione riportati nella Tabella XIVb CNR-DT-207-R1-2018.

pn –

Figura 4.2. Tabella H.XIVb Coefficienti di forza e di pressione complessiva per tettoie a

valori per α < 0°

doppia falda: da CNR-DT-207-R1-2018.

Per un’inclinazione della falda pari a α = −2.29°, è opportuno procedere per interpolazione dei dati al fine di

(z)

c p = q ∙ c

ottenere i seguenti valori e conseguentemente le pressioni del vento uniformemente

pn p pn

distribuite che ne derivano: CONFIGURAZIONE + CONFIGURAZIONE -

Vento 2 2

Ortogonale C C

p [kN/m ] p [kN/m ]

pn pn

A 0.50 0.48 -1.50 -1.44

B 1.67 1.61 -2.08 -2.00

C 0.97 0.94 -2.30 -2.21

D 0.80 0.77 -0.60 -0.58 Pagina | 8

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• Vento parallelo alla direzione del colmo:

Se il vento agisce parallelamente alla

linea di colmo, si analizza ciascuna delle

due falde come una tettoia piana a

= 0°).

semplice falda (α Anche in questo

caso i valori dei coefficienti di forza per

le tettoie a semplice falda, riportati nella

Tab.C.3.3.XV della Circolare 2019, sono

espressi in funzione del grado di

bloccaggio, nel caso in esame si sceglie

ϕ = 0,

di considerare corrispondente alla Figura 4.3. Tettoie a semplice falda: posizione del punto di applicazione della

forza risultante in funzione della direzione di provenienza del vento e della

situazione limite in cui lo spazio al di direzione della forza. Da: CNR-DT 207 R1/2018

sotto della tettoia risulti completamente

ostruito, ipotizzando la presenza di

tabelloni ferroviari:

c = +0.2

+

F

c = −0.5

−

F

L’azione globale del vento viene poi valutata considerando una forza F d/4

applicata ad una distanza pari a

dal bordo investito dal flusso calcolata come segue:

+ (z)

F = q ∙ d ∙ b ∙ c = 27.38 kN

+

p F

− (z)

F = q ∙ d ∙ b ∙ c = −191.65 kN

−

p F

1 r2

(z) (z)

q = ρv ∙ c

In cui: rappresenta la pressione cinetica di picco;

p e

2

d = 30 m;

b = 4.75 m

Per la valutazione dell’azione locale del vento agente sulla tettoia si fa riferimento ai valori dei coefficienti di

dell’Appendice H della

c

pressione riportati nella Tabella XIII CNR-DT-207-R1-2018.

pn –

Figura 4.4. Tabella H.XIII Coefficienti di forza e di pressione complessiva per tettoie a

semplice falda da CNR-DT-207-R1-2018. Pagina | 9

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ferroviaria sita in Sesto Fiorentino (FI)

per un’inclinazione della falda pari a (z)

c α = 0° p = q ∙ c

I valori e le pressioni del vento

pn p pn

uniformemente distribuite che ne derivano sono i seguenti:

CONFIGURAZIONE + CONFIGURAZIONE -

Vento Parallelo 2 2

C C

p [kN/m ] p [kN/m ]

pn pn

A 0.50 0.48 -1.50 -1.44

B 1.80 1.73 -1.80 -1.73

C 1.10 1.06 -2.20 -2.11

tangente si fa riferimento all’espressione 3.3.5

p

Per il calcolo dell’azione del vento per unità di superficie

f

delle NTC 2018: N

p = q C c = 38.4

f r e f 2

m

q

Dove è la pressione cinetica di riferimento;

r

C è il coefficiente di esposizione;

e il coefficiente d’attrito

c = 0.04 è che dipende dalla scabrezza della superficie su cui agisce il vento

f

(Tab.C.3.3.XIX Circolare 2019)

4.2 Azione della neve

Il carico neve sulle coperture è valutato mediante la seguente espressione fornita dalle NTC 2018 al paragrafo

3.4 : q = q μ C C

s sk i E t

q

In cui rappresenta il carico neve al suolo;

sk

μ è il coefficiente di forma;

i

C è il coefficiente di esposizione;

E

C rappresenta il coefficiente termico.

t

Il carico neve al suolo dipende dalle condizioni locali di clima e di esposizione, considerata la variabilità

delle precipitazioni nevose da zona a zona. Esso viene valutato, per località poste a quota inferiore a 1500 m

Pagina | 10

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sul livello del mare, in base alle espressioni nel seguito riportate, cui corrispondono valori associati ad un

periodo di ritorno di 50 anni. a = 55 m < 200 m,

Nel caso preso ad oggetto, ricadente in Zona II con una quota si ha un valore:

s

kN

q = 1.00

sk 2

m

Vista la leggera pendenza verso l’interno della copertura, il coefficiente di forma in funzione dell’angolo

α = −2.29° è: |α|

μ = 0.8 + 0.8 = 0.87

i 30 C

Il coefficiente di esposizione per classe di topografia normale, in riferimento alla Tab. 3.4.I delle NTC

E

2018, è assunto pari a 1.

C

Il coefficiente termico in assenza di specifici studi è assunto in fase di progetto pari a 1.

t kN

q = 0.87

Pertanto, il carico neve risulta .

s 2

m

Sovraccarico d’uso

4.3 i valori caratteristici dei sovraccarichi d’uso, considerando la

In riferimento alla Tab. 3.1.II delle NTC 2018,

copertura rientrante nella categoria H coperture accessibili per la sola manutenzione e riparazione sono:

2

q = 0.50 kN/m ;

k , le combinazioni di carico con sovraccarico d’uso dominante saranno sempre

q > 0.5q

NOTA: Essendo k s

pi