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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.

Percorso dei carichi in un edificio dal solaio al terreno
Dal solaio alle travi, dalle travi ai pilastri, dai pilastri alle fondazioni e infine al terreno.

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:

Azioni permanenti strutturali G1: peso proprio degli elementi portanti
G1 – pesi propri strutturali
Azioni permanenti non strutturali G2: pavimenti, massetti, tramezzi
G2 – finiture e tramezzi
Azioni variabili d’uso Q sui solai secondo NTC 2018
Q – carichi d’uso
Carico neve sulle coperture: formula NTC 2018
Neve
Azione del vento: pressioni e depressioni sulle superfici
Vento
Azione sismica: forze d’inerzia ai piani
Sisma

Carichi variabili d’uso più comuni

Categoria NTC 2018Ambienteqk (kN/m²)
AResidenziale2,00
B1Uffici non aperti al pubblico2,00
B2Uffici aperti al pubblico3,00
CAmbienti suscettibili di affollamentoda 3,00 a 5,00
DAmbienti commercialida 4,00 a 5,00
EMagazzini, archivi, biblioteche≥ 6,00
FRimesse e parcheggi (veicoli ≤ 30 kN)2,50
HCoperture accessibili per sola manutenzione0,50
Valori estratti dalla tab. 3.1.II delle NTC 2018: consulta la norma per l’elenco completo e i carichi concentrati.

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
Metodo semiprobabilistico agli stati limite: azioni, resistenze e verifica Ed ≤ Rd
Le azioni di progetto vengono aumentate, le resistenze ridotte: la verifica è soddisfatta quando Ed ≤ Rd.

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 parzialeValore (SLU, STR)
γG1 – permanenti strutturali1,30 (1,00 se favorevoli)
γG2 – permanenti non strutturali1,50 (0,80 se favorevoli)
γQ – variabili1,50 (0 se favorevoli)
γM0 – acciaio, resistenza sezioni1,05
γM2 – bulloni e saldature1,25
γc – calcestruzzo1,50
γs – acciaio da armatura1,15
Valori di riferimento delle NTC 2018 per le verifiche di resistenza.

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.

Vincolo carrello: reazioni e gradi di libertà
Carrello: 1 reazione
Vincolo cerniera: reazioni e gradi di libertà
Cerniera: 2 reazioni
Vincolo incastro: reazioni e gradi di libertà
Incastro: 3 reazioni

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.

Trave appoggiata con carico distribuito: diagramma del momento e formule
Appoggiata, carico distribuito
Mensola con carico distribuito: diagramma del momento e formule
Mensola, carico distribuito
Trave doppiamente incastrata con carico distribuito: momento e formule
Doppio incastro, carico distribuito
Trave incastrata e appoggiata con carico distribuito: momento e formule
Incastro-appoggio, carico distribuito
Trave appoggiata con carico concentrato in mezzeria: momento e formule
Appoggiata, carico concentrato
Mensola con carico concentrato in punta: momento e formule
Mensola, carico in punta

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

MaterialeClassi tipicheImpiego
CalcestruzzoC25/30, C28/35, C32/40Fondazioni, telai, solai
Acciaio da cemento armatoB450CArmature
Acciaio da carpenteriaS235, S275, S355Capannoni, soppalchi, telai, collegamenti
Legno massiccioC24Travi, coperture
Legno lamellareGL24h, GL28hGrandi luci, coperture
MuraturaLaterizio, blocchi in calcestruzzoEdifici 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

Sezione del profilato IPE 200 con dimensioni e peso
IPE: travi
Sezioni dei profilati HEA 200 e HEB 200
HEA / HEB: pilastri
Sezioni di profilati UPN, angolari e tubolari
UPN, L, tubolari: elementi secondari

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.

Resistenza a flessione: tensioni elastiche e plastiche nella sezione
Resistenza a flessione
Instabilità a carico di punta: lunghezze libere di inflessione
Instabilità delle aste compresse
Limiti di deformabilità delle travi secondo NTC 2018
Deformabilità delle travi

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.

Unione bullonata a flangia tra trave e colonna in acciaio
Unione bullonata a flangia
Saldatura a cordone d’angolo: gola e lato
Saldatura a cordone d’angolo
Piastra di base di colonna in acciaio con tirafondi
Piastra di base con tirafondi

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
Tavola di carpenteria di un portale in acciaio per capannone con particolari dei nodi
Tavola S.01 – portale tipo di capannone in acciaio con particolari del nodo trave-colonna e del piede colonna.

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.

ClasseQuando si usa (indicativamente)
EXC1Strutture semplici con carichi prevalentemente statici: piccoli edifici agricoli, scale e parapetti secondari
EXC2La maggior parte degli edifici civili e industriali in acciaio
EXC3Strutture con carichi a fatica o di grande importanza: ponti, tribune, coperture di grande luce
EXC4Strutture con conseguenze di crollo molto gravi
La classe si sceglie in base alla classe di conseguenza, alle condizioni di servizio e di produzione (UNI EN 1090-2, appendice B, ed Eurocodice 3).

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

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