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TECNICA DELLE COSTRUZIONI 1TECNICA DELLE COSTRUZIONI 1
A N N O A C C A D E M I C O 2 0 10 A N N O A C C A D E M I C O 2 0 10 –– 2 0 112 0 11
PROF. GIUSEPPE ARENAPROF. GIUSEPPE ARENA
Una delle più gravi deficienze degli attuali programmi
di studio della teoria e della tecnica edilizia e l’assenza
di una efficiente saldatura tra la più o meno
consapevole intuizione statica comune a tutta
l’umanità e le esatte proporzioni e formule di calcolo
delle sollecitazioni interne di un sistema resistente,
dedotte per via analitica da postulati basilari che,
entro certi limiti, corrispondono abbastanza bene alla
realtà fisica (Pier Luigi Nervi).
Che questa saldatura debba essere possibile e
sommamente utile non possono esserci dubbi.
Tanto la via intuitiva che quella matematica sono
necessarie per inventare ed esattamente proporzionare
una struttura resistente.
L’efficienza e potenza realizzatrice della intuizione è
largamente dimostrata e testimoniata dalle grandiose
opere tramandateci dal più lontano passato, quando le
moderne teorie scientifiche erano totalmente ignorate.
L’acutezza dei moderni metodi di calcolo in continuo eprogressivo sviluppo è illustrata dai risultati raggiuntinella realizzazione di sempre più grandiose ed audaciopere.
Ma la invenzione strutturale, quella che permette
di risolvere nel modo più efficiente i nuovi
problemi, che ogni giorno vengono proposti
dall’inarrestabile sviluppo di ogni aspetto
dell’attività costruttiva, non può essere che il
frutto di una armoniosa fusione di personale
intuizione inventiva, e di impersonale obiettiva,
realistica, ed inviolabile scienza statica.
I due punti di vista, le due mentalità,
devono fondersi in un’unica sintesi,
per dar vita a quella inscindibile unità
che è l’opera edilizia di largo respiro.
L’architetto e l’ingegnereOggi qualsiasi architetto e studente di architettura èconvinto dell’importanza delle conoscenze nel campodelle strutture, ma l’acquisizione di tali conoscenze èpiù difficile di quanto si pensi. Il rapido sviluppo delletecniche costruttive basato sull’impiego di materialinuovi, come pure le difficoltà di ordine matematico chesorgono nella progettazione di nuove forme strutturali(quali grandi coperture di svariate forme), rendonoquasi impossibile, per una persona che abbia unaformazione essenzialmente artistica, rendersi contodelle possibilità dei nuovi metodi di progettazione ecostruzione.
L’architetto contemporaneo, deve conoscere l’estetica
e l’ingegneria, la sociologia e l’economia, ed in
generale la tecnica della programmazione. Invece, per
effetto della tradizione, egli è spesso principalmente
formato come artista. Nella maggior parte dei casi egli
ha una conoscenza limitata degli strumenti basilari
per la comprensione della moderna tecnologia: la
matematica, la fisica e la chimica non sono materie
fondamentali nel suo programma di studio.
D’altro canto, le conoscenze dell’ingegnere nei
campi della sociologia, estetica e urbanistica sono
tanto limitate quanto quelle dell’architetto nei
campi tecnici. Il dialogo fra l’architetto e
l’ingegnere diventa praticamente impossibile, in
quanto manca loro un vocabolario comune.
Poiché tale dialogo è necessario, ci si potrebbe
domandare, di primo acchitto, se l’ingegnere debba
diventare più architetto, o l’architetto più ingegnere.
Spetta principalmente all’architetto colmare la
lacuna. L’architetto è il capo del gruppo che lavora
alla costruzione, mentre l’ingegnere è solo uno dei
componenti di quel gruppo.
È possibile formare sia l’architetto che il pubblico ad
una comprensione degli aspetti strutturali del
problema ingegneresco? È ciò possibile senza un
insegnamento approfondito dell’alta matematica,
della fisica e dell’economia? In altri termini, può una
persona intelligente, mancante di preparazione nelle
scienze matematiche e fisiche, comprendere gli
elementi essenziali dell’azione strutturale?
A tutte queste domande si può dare una
risposta affermativa, purché si stabilisca
una netta distinzione fra concetti strutturali
elementari e conoscenza approfondita
dell’analisi strutturale.
Le strutture e l’intuizioneÈ ovvio che solo una approfondita preparazione fisico-matematica può mettere un progettista in grado dianalizzare una struttura complessa con il grado diprecisione richiesto dalla moderna tecnologia. Iltecnico strutturalista di oggi è uno specialista fra glispecialisti, una sottocategoria nel settoredell’ingegneria civile. Con lo sviluppo delle nuovetecnologie, anche gli strutturalisti si specializzano:attualmente alcuni di essi si specializzano incalcestruzzo armato, altri solo in coperture dicalcestruzzo armato, altri ancora solo in coperture diuna particolare forma.
È altrettanto ovvio, peraltro, che una volta fissati iprincipi basilari dell’analisi strutturale, non ènecessario essere uno specialista per comprenderlipartendo da una base puramente intuitiva. Noi tuttiabbiamo una certa conoscenza delle strutture nellanostra vita quotidiana: sappiamo a quale angolo vaposta una scala perché possa sostenere il nostro pesosenza scivolare, e se la tavola posta fra le sponde di unruscello cederà o meno al nostro passaggio. Èabbastanza facile trarre profitto da queste esperienze,sistematizzare queste conoscenze e arrivare a capirecome e perché funziona una moderna struttura.
Al profano questa ricerca potrà risultare
appassionante. Per l’architetto essa è obbligatoria:
senza di essa egli verrebbe presto a trovarsi
escluso dal campo dell’architettura
contemporanea. Per lo studente di architettura e
per l’architetto praticante essa costituisce uno dei
requisiti fondamentali della loro professione.
Una volta afferrati i concetti fondamentali,
l’architetto dovrà prender conoscenza dei punti
più sottili della teoria delle strutture; ciò gli
consentirà di applicare con intelligenza un vasto
patrimonio di nuove idee e di nuovi metodi che,
fino a qualche anno fa, non era alla portata
neanche dei più grandi architetti.
PRINCIPIPRINCIPI FONDAMENTALIFONDAMENTALILe opere e le componenti strutturali devono essereprogettate, eseguite, collaudate e soggette amanutenzione in modo tale da consentirne la previstautilizzazione, in forma economicamente sostenibile econ il livello di sicurezza previsto dalle norme.La sicurezza e le prestazioni di un’opera o di una partedi essa devono essere valutate in relazione agli statilimite che si possono verificare durante la vitanominale. Stato limite è la condizione superata la qualel’opera non soddisfa più le esigenze per le quali è stataprogettata.In particolarele opere e le varie tipologie strutturalidevono possedere i seguenti requisiti:
SICUREZZA E PRESTAZIONI ATTESE
- sicurezza nei confronti di stati limite ultimi (SLU): capacità dievitare crolli, perdite di equilibrio e dissesti gravi, totali oparziali, che possano compromettere l’incolumità dellepersone ovvero comportare la perdita di beni, ovveroprovocare gravi danni ambientali e sociali, ovvero metterefuori servizio l’opera;
- sicurezza nei confronti di stati limite di esercizio (SLE):capacità di garantire le prestazioni previste per le condizionidi esercizio;
- robustezza nei confronti di azioni eccezionali: capacità dievitare danni sproporzionati rispetto all’entità delle causeinnescanti quali incendio, esplosioni, urti.
Il superamento di uno stato limite ultimo ha carattereirreversibile e si definisce collasso.Il superamento di uno stato limite di esercizio può averecarattere reversibile o irreversibile.
VALUTAZIONEVALUTAZIONE DELLADELLA SICUREZZASICUREZZA
Per la valutazione della sicurezza delle
costruzioni si devono adottare criteri
probabilistici scientificamente comprovati.
Di solito sono normati i criteri del metodo
semiprobabilistico agli stati limite basati
sull’impiego dei coefficienti parziali di
sicurezza, applicabili nella generalità dei
casi; tale metodo è detto di primo livello.
Nel metodo semiprobabilistico agli stati limite, la sicurezza
strutturale deve essere verificata tramite il confronto tra la
resistenza e l’effetto delle azioni. Per la sicurezza
strutturale, la resistenza dei materiali e le azioni sono
rappresentate dai valori caratteristici, Rki e Fkj definiti,
rispettivamente, come il frattile inferiore delle resistenze e
il frattile superiore delle azioni che minimizzano la
sicurezza. In genere, i frattili sono assunti pari al 5%. Per le
grandezze con piccoli coefficienti di variazione, ovvero per
grandezze che non riguardino univocamente resistenze o
azioni, si possono considerare frattili al 50% (valori
mediani).
La verifica della sicurezza nei riguardi degli statilimite ultimi di resistenza si effettua con il “metododei coefficienti parziali” di sicurezza espresso dallaequazione formale:
Rd ≥ Ed
doveRd è la resistenza di progetto, valutata in base ai
valori di progetto della resistenza dei materialie ai valori nominali delle grandezzegeometriche interessate;
Ed è il valore di progetto dell’effetto delle azioni,valutato in base ai valori di progetto.
Carico dinamico
(impulsivo)
Movimenti
sismici
Oscillazione aerodinamiche
ü
o t
AZIONI SISMICHEAZIONI SISMICHE
u (t)
m F = m ü (t)
Fmax = m ümax
m
a (t) ü (t)k
q (t)
maxammaxF
(t)amF
u (t)
︶︵ t u ︶︵ t q a
PARAMETRI PARAMETRI DIDIIDENTIFICAZIONE STRUTTURALEIDENTIFICAZIONE STRUTTURALE
m
q
F
MASSA
m = p / g
RIGIDEZZA
K = F / q
PERIODO PROPRIO
km2πT
m
q
F
PULSAZIONE NATURALE
FATTORE DI SMORZAMENTO
mkω
0,050,01km2hξ
T
= 0
Sa
= 0.02
= 0.05
Sa = accelerazione max struttura
= accelerazione max terreno
proprioperiodokm2πT km2
h
SPETTRI DI RISPOSTA IN ACCELERAZIONE
Fmax = m Sa
maxga
maxga
amax SmF
m
k
u (t)
F
mF
u (t)
amax SmF
T
= 0
= 0.02
= 0.05
proprioperiodokm2πT km2
h
SPETTRI DI RISPOSTA IN ACCELERAZIONE NORMALIZZATO
Fmax = m Sa
1
2
3
4Sa = accelerazione max struttura
= accelerazione max terrenomaxga
maxga aS /
Terremoto
del Friuli
registrato
a Gemona
(15-9-1976)
Component
e est-ovest
agmax = 0.6351g
agmax = 0.3328g
Terremoto
Campano-Lucano
registrato a
Sturno
(21-11-1980)
Componente
est-ovest
agmax = 0.2247g
Terremoto
Campano-Lucano
registrato
a Sturno
(23-11-1980)
Componente
verticale
L’APPROCCIO DEI PAESI PIU AVANZATIL’APPROCCIO DEI PAESI PIU AVANZATI
Il terremoto considerato come un
vincolo naturale con il quale
“CONVIVERE”.
Probabilità di occorrenza, e relativogrado di severità, dell’insieme deipossibili effetti producibili da unterremoto in un determinato luogo,durante un prefissato intervallo ditempo.
RISCHIO SISMICORISCHIO SISMICO
-- EsposizioneEsposizione
- PericolositàPericolositàIntensità delle azioni sismiche attese
-- VulnerabilitàVulnerabilità
Quantità e qualità degli elementi di origineentropica presenti
Propensione al danneggiamento degli elementiesposti
Probabilità che gli effetti del terremoto superano in un certointervallo di tempo una determinata soglia.
RISCHIORISCHIO
R = f (Pericolosità R = f (Pericolosità -- Esposizione Esposizione -- Vulnerabilità)Vulnerabilità)
RISCHIORISCHIO
PericolositàPericolosità•• di basedi base
•• localelocale
VulnerabilitàVulnerabilità
•• singoli edificisingoli edifici•• singole singole
infrastruttureinfrastrutture•• reti infrastrutturalireti infrastrutturali•• sistemi urbanisistemi urbani•• monumentimonumenti•• … … … … …… … … … …
1984 2004
MAPPE DI PERICOLOSITA’MAPPE DI PERICOLOSITA’