La progettazione strutturale ha lo scopo di garantire che un’opera resista in sicurezza a tutte le azioni a cui sarà sottoposta durante la sua vita: peso proprio, carichi di esercizio, neve, vento, variazioni termiche e sisma. Riguarda edifici, capannoni, ponti, soppalchi, scale, pensiline e qualsiasi elemento portante.
In Italia il riferimento è costituito dalle Norme Tecniche per le Costruzioni (NTC 2018), affiancate dagli Eurocodici. Il progetto deve essere firmato da un ingegnere o architetto abilitato e, nelle zone sismiche, depositato o autorizzato presso gli uffici regionali competenti (ex Genio Civile).
Il percorso dei carichi
Il concetto di base della progettazione strutturale è semplice: ogni carico deve trovare una strada continua e sufficientemente resistente fino al terreno. Il progettista individua questa strada, dimensiona ogni elemento che la compone e verifica che nessun anello della catena ceda.
Le azioni sulle costruzioni
- Permanenti strutturali (G1): peso proprio degli elementi portanti
- Permanenti non strutturali (G2): pavimenti, tramezzi, impianti, rivestimenti
- Variabili (Q): carichi d’uso, neve, vento, temperatura
- Sismiche (E): definite in base alla pericolosità del sito e al tipo di terreno
- Eccezionali: urti, esplosioni, incendio
Ecco le principali azioni rappresentate una per una, con i valori di riferimento più usati:
Carichi variabili d’uso più comuni
| Categoria NTC 2018 | Ambiente | qk (kN/m²) |
|---|---|---|
| A | Residenziale | 2,00 |
| B1 | Uffici non aperti al pubblico | 2,00 |
| B2 | Uffici aperti al pubblico | 3,00 |
| C | Ambienti suscettibili di affollamento | da 3,00 a 5,00 |
| D | Ambienti commerciali | da 4,00 a 5,00 |
| E | Magazzini, archivi, biblioteche | ≥ 6,00 |
| F | Rimesse e parcheggi (veicoli ≤ 30 kN) | 2,50 |
| H | Coperture accessibili per sola manutenzione | 0,50 |
Il metodo degli stati limite
Le verifiche si eseguono con il metodo semiprobabilistico agli stati limite. Le azioni vengono combinate con coefficienti parziali e confrontate con le resistenze di progetto dei materiali.
- SLU – Stati Limite Ultimi: collasso, perdita di equilibrio, instabilità
- SLE – Stati Limite di Esercizio: deformazioni, vibrazioni, fessurazione
- Stati limite sismici: SLO, SLD, SLV, SLC, in funzione del livello di danno ammesso
Le combinazioni di carico
Le azioni non agiscono mai tutte al massimo contemporaneamente: le NTC prescrivono come combinarle. Le più usate sono:
- Combinazione fondamentale (SLU): γG1·G1 + γG2·G2 + γQ1·Qk1 + γQ2·ψ02·Qk2 + …
- Combinazione caratteristica (SLE rara): G1 + G2 + Qk1 + ψ02·Qk2 + …
- Combinazione quasi permanente (SLE): G1 + G2 + ψ21·Qk1 + ψ22·Qk2 + …
- Combinazione sismica: E + G1 + G2 + ψ21·Qk1 + ψ22·Qk2 + …
Qk1 è l’azione variabile “principale”; le altre si riducono con i coefficienti di combinazione ψ. In pratica si ripete il calcolo facendo diventare principale, a turno, ciascuna azione variabile.
| Coefficiente parziale | Valore (SLU, STR) |
|---|---|
| γG1 – permanenti strutturali | 1,30 (1,00 se favorevoli) |
| γG2 – permanenti non strutturali | 1,50 (0,80 se favorevoli) |
| γQ – variabili | 1,50 (0 se favorevoli) |
| γM0 – acciaio, resistenza sezioni | 1,05 |
| γM2 – bulloni e saldature | 1,25 |
| γc – calcestruzzo | 1,50 |
| γs – acciaio da armatura | 1,15 |
Vincoli e schemi statici
Prima di qualsiasi calcolo, la struttura reale va ricondotta a uno schema statico: travi e pilastri diventano linee, i collegamenti diventano vincoli. La scelta del vincolo deve rispecchiare il comportamento reale del nodo: un’unione bullonata solo d’anima si comporta come una cerniera, una flangia rigida o un nodo saldato come un incastro.
Gli schemi di trave più usati
Le formule seguenti permettono un predimensionamento rapido. Con q in kN/m, L in m, E in N/mm² e I in mm⁴ occorre prestare attenzione alla coerenza delle unità di misura.
Esempio rapido: trave IPE appoggiata, luce L = 5 m, carico allo SLU q = 12 kN/m. Momento massimo M = qL²/8 = 12 × 25 / 8 = 37,5 kNm. Con acciaio S275 il modulo plastico necessario è Wpl ≥ M·γM0/fyk = 37,5×10⁶ × 1,05 / 275 ≈ 143.000 mm³ = 143 cm³: un IPE 180 (Wpl ≈ 166 cm³) soddisfa la resistenza, poi va verificata la freccia allo SLE.
Materiali strutturali più comuni
| Materiale | Classi tipiche | Impiego |
|---|---|---|
| Calcestruzzo | C25/30, C28/35, C32/40 | Fondazioni, telai, solai |
| Acciaio da cemento armato | B450C | Armature |
| Acciaio da carpenteria | S235, S275, S355 | Capannoni, soppalchi, telai, collegamenti |
| Legno massiccio | C24 | Travi, coperture |
| Legno lamellare | GL24h, GL28h | Grandi luci, coperture |
| Muratura | Laterizio, blocchi in calcestruzzo | Edifici in muratura portante |
Elementi in acciaio: profili, verifiche e collegamenti
Nelle strutture metalliche il progetto si gioca su tre fronti: la scelta del profilo giusto, le verifiche di resistenza e stabilità, la progettazione dei collegamenti. Pesi e caratteristiche complete dei profilati sono nelle Tabelle pesi e misure di GPLife.
I profilati più usati
Le verifiche principali
Oltre alla resistenza della sezione, negli elementi in acciaio sono spesso decisive la stabilità (aste compresse e travi inflesse non controventate) e la deformabilità.
I collegamenti
I nodi sono il punto in cui si concentrano gli sforzi e dove nascono la maggior parte dei problemi in officina e in cantiere. Vanno progettati e disegnati con lo stesso dettaglio delle membrature.
Le fasi del progetto
- Raccolta dati: rilievo, relazione geologica e indagini sul terreno
- Definizione dello schema strutturale e predimensionamento
- Analisi dei carichi e modellazione (statica e sismica)
- Verifiche di travi, pilastri, solai, fondazioni e collegamenti
- Redazione di relazioni e tavole esecutive
- Deposito o autorizzazione sismica, direzione lavori strutturale e collaudo statico
Elaborati tipici
- Relazione di calcolo e relazione sui materiali
- Relazione geotecnica e sulle fondazioni
- Tavole di carpenteria e tavole delle armature
- Disegni dei collegamenti e delle giunzioni per le strutture in acciaio
- Piano di manutenzione della parte strutturale
Strutture in acciaio e EN 1090
Per le strutture metalliche la progettazione deve indicare la classe di esecuzione (da EXC1 a EXC4) secondo la UNI EN 1090-2, che determina i requisiti di saldatura, controllo e tracciabilità richiesti all’officina. Le carpenterie che fabbricano componenti strutturali devono essere certificate EN 1090-1 e apporre la marcatura CE. Approfondisci nella sezione Carpenteria metallica.
| Classe | Quando si usa (indicativamente) |
|---|---|
| EXC1 | Strutture semplici con carichi prevalentemente statici: piccoli edifici agricoli, scale e parapetti secondari |
| EXC2 | La maggior parte degli edifici civili e industriali in acciaio |
| EXC3 | Strutture con carichi a fatica o di grande importanza: ponti, tribune, coperture di grande luce |
| EXC4 | Strutture con conseguenze di crollo molto gravi |
Norme di riferimento
- DM 17/01/2018 – Norme Tecniche per le Costruzioni (NTC 2018)
- Circolare 21/01/2019 n. 7 – Istruzioni applicative delle NTC
- Eurocodici EN 1990 – EN 1999 (basi, azioni, calcestruzzo, acciaio, legno, muratura, geotecnica, sisma)
- UNI EN 1090-1 e 1090-2 – Strutture in acciaio e alluminio
- DPR 380/2001, Parte II – Normativa tecnica per l’edilizia
Software più usati
SAP2000, Midas Gen, Dlubal RFEM e RSTAB, PRO_SAP, CDS Win, EdiLus, Straus7 per l’analisi; Tekla Structures e Advance Steel per il modello costruttivo dell’acciaio; IDEA StatiCa per i collegamenti.
Consigli pratici
- Non trascurare i collegamenti: molte criticità nascono nei nodi, non nelle aste
- Prevedi in progetto i dettagli di montaggio e le tolleranze di officina
- Coordina presto con gli impianti i fori e le aperture nelle travi
- Conserva tutta la documentazione per collaudo e futura manutenzione
Altri tipi di progettazione
- Progettazione architettonica
- Progettazione meccanica
- Progettazione impianti di condizionamento (HVAC)
- Progettazione impianti elettrici
- Progettazione impianti idraulici e idrico-sanitari
- Progettazione antincendio
- Progettazione impianti fotovoltaici
- Progettazione del verde
- Progettazione illuminotecnica
- Progettazione energetica e acustica
- Progettazione industriale e di impianti di processo
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