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Le azioni del vento sulle costruzioni

Categoria: Principi di progettazione strutturale Pubblicato: Domenica, 14 Agosto 2016 Scritto da Roberto Lapiello

In Questo articolo si affronterà il tema della determinazione dei carichi da vento sulle costruzioni secondo i principi generali delle norme tecniche delle Costruzioni e della bozza di revisione 2016.

Nelle costruzioni di forma e dimensioni usuali le azioni del vento possono essere convenzionalmente ricondotte ad azioni di tipo Statiche che dipendono dalla velocità di riferimento del vento, da cui si ricava la pressione cinetica, e da alcuni coefficienti che consentono di tenere conto degli effetti aerodinamici globali.

La Pressione del vento

La pressione del vento su una superficie è data dalla seguente espressione:

 

Dove:

  =  pressione cinetica di riferimento;

  =  coefficiente di esposizione;

  =  coefficiente di pressione;

= coefficiente dinamico.

Per costruzioni di tipologia ricorrente, quali edifici di forma regolare non eccedenti 80 m di altezza e i capannoni industriali, il coefficiente dinamico si può assumere cautelativamente pari a 1.

La pressione cinetica di riferimento

La pressione cinetica di riferimento è data dall’espressione:

 

dove:

  =  densità dell'aria che si assume convenzionalmente paria a 1,25 Kg/m3;

  velocità di riferimento del vento che dipende dalla velocità di base di riferimento  , valutata in funzione del luogo in cui insiste la costruzione e dal tempo di ritorno di progetto attraverso il coefficiente di ritorno .

Il coefficiente di ritorno è determinato con la seguente formula, in funzione del tempo di ritorno TR espresso in anni:

 

Qualora non sia specificato diversamente, si assume nei calcoli un periodo di ritorno TR=50 anni cui corrisponde il coefficiente di ritorno cr=1.

La velocità di base di riferimento si ottiene dal prodotto della velocità di base al livello del mare della zona in cui ricade la costruzione per il coefficiente di altitudine.

 

I valori di della velocità di base al livello del mare si ricavano dalla tabella che segue, che contiene anche i parametri di base calcolare il coefficiente di altitudine in funzione della zona e della quota, sul livello del mare, del sito in su cui insiste la costruzione.

 

 

 Valori dei parametri vb,0 , a0 , ks  

Zona

Descrizione

     

1

Valle d’Aosta, Piemonte, Lombardia, Trentino Alto Adige, Veneto, Friuli Venezia Giulia (con l’eccezione della provincia di Trieste)

25

1000

0,40

2

Emilia Romagna

25

750

0,45

3

Toscana, Marche, Umbria, Lazio, Abruzzo, Molise, Puglia, Campania, Basilicata, Calabria (esclusa la provincia di Reggio Calabria)

27

500

0,37

4

Sicilia e provincia di Reggio Calabria

28

500

0,36

5

Sardegna (zona a oriente della retta congiungente Capo Teulada con l’isola della Maddalena)

28

750

0,40

6

Sardegna (zona occidentale della retta congiungente Capo Teulada con l’isola della Maddalena)

28

500

0,36

7

Liguria

28

1000

0,54

8

Provincia di Trieste

30

1500

0,50

9

Isole (con l’eccezione di Sicilia e Sardegna) e mare aperto

31

500

0,32

 

 Facciamo un esempio: 

Zona costiera della Campania con altitudine del luogo as = 10 m ; Tempo di ritorno di progetto TR= 50 anni (cr=1).

Sito delle costruzione ricadente in zona 3

  

 Poiché è as < a0, allora ca=1:

 

 

La pressione cinetica di riferimento del luogo è:

 

Il Coefficiente di esposizione

Il coefficiente di esposizione ce dipende dall’altezza sul suolo nel punto considerato, dalla topografia del terreno e dalla categoria di esposizione del sito. Per altezze sul suolo z non maggiori di 200 metri, il coefficiente di esposizione si calcola nel modo che segue, utilizzando i parametri specifici forniti dalla norma per ogni categoria di esposizione del sito e il coefficiente di topografia ct.

Salvo i casi di siti posti su colline isolate, si può di norma assumere ct=1.

 

 

Il parametro kr è detto fattore del terreno, mentre z0 rappresenta l'altezza di rugosità del luogo.

Parametri per la definizione del coefficiente di esposizione

Categoria di esposizione del sito

     

I

0,17

0,01

2

II

0,19

0,05

4

III

0,20

0,10

5

IV

0,22

0,30

8

V

0,23

0,70

12

La Categoria di esposizione del sito va individuata mediante gli schemi grafici che seguono, in funzione della posizione geografica del sito e della classe di rugosità del terreno.

Schemi grafici delle categorie di esposizione

 L'individuazione della classe di rugosità del terreno è da individuare nel rispetto dei seguenti criteri:

Classi di rugosità del terreno

Classi di rugosità

Descrizione

A

Area urbana, in cui almeno il 15% della superficie del terreno sia coperto da edifici la cui altezza media supera i 15 m

B

Area urbana (non di classe A), suburbana, industriale o boschiva

C

Area con ostacoli diffusi (quali alberi, case, muri, recinzioni, …);

aree con rugosità non riconducibile alle classi A, B, D.

D

a)      Mare e relativa fascia costiera (entro i 2 Km dalla riva)

b)     Lago (con larghezza pari ad almeno 1 Km) e relativa fascia costiera (entro 1 Km dalla riva)

c)      Area priva di ostacoli o con al più rari ostacoli isolati (aperta campagna, aeroporti, aree agricole, pascoli, zone paludose o sabbiose, superfici innevate o ghiacciate, …)

 

Le norme CNR-DT207/2008, salvo più approfondite analisi, suggeriscono il seguente criterio per l’assegnazione della classe di rugosità del terreno:

  1. Si deve assumere che il sito appartenga alla classe D qualora la costruzione sorge nelle aree indicate in tabella ai punti a) e b), oppure qualora entro il raggio di 1Km dalla costruzione, vi sia un settore ampio almeno 30° dove almeno il 90% del terreno sia del tipo indicato in tabella al punto c);
  2. Qualunque sito appartiene alla Classe C salvo diverse indicazioni fornite ai punti successivi;
  3. SI può assumere che il sito appartenga alla classe A o B purché la costruzione si trovi nella relativa area indicata in tabella, entro un raggio di 1 Km e comunque non meno di 20 volte l’altezza della costruzione, per tutti i settori di provenienza del vento ampi almeno 30°.

Il nostro caso di esempio:

Area a ridosso della fascia costiera entro i 2 Km dalla costa: --> Classe di rugosità D

Dai grafici si ricava che per la zona 3, con classe di rugosità D entro i 2 Km dalla costa, si deve assumere la categoria di esposizione I : kr=0,17; z0=0,01; zmin= 2 m.

Considerando una quota z = 12 m (z>zmin) come altezza dal suolo di riferimento per il calcolo dell’azione del vento sulla facciata di un fabbricato, si ottiene il seguente valore del coefficiente di esposizione:

 

 

Il Coefficiente di pressione

La circolare con le istruzioni applicative del DM 2008, fornisce indicazioni per la determinazione del coefficiente di pressione esterna cpe su elementi facenti parte di edifici a pianta rettangolare con coperture piane o a falde.

  • Per elementi sopravento (quelli investiti direttamente dal vento), con inclinazione sull’orizzontale α≥60° --> cpe=+0,8 ;
  • Per elementi sopravento, con inclinazione sull’orizzontale con 20°<α<60°, --> cpe = 0,03 α - 1 ;
  • Per elementi sopravento, con inclinazione sull’orizzontale  0≤α≤20°  e per gli elementi sottovento, --> cpe = -0,4 .

Grafico del valore del coefficiente di esposizione esterno

 

 Per la valutazione della pressione interna si deve assumere il segno algebrico che conduce alla combinazione di carico più sfavorevole.

  • Per costruzioni che hanno una parete con aperture di superficie minore di 1/3 di quella totale, cpi = ± 0,2;
  • Per costruzioni che hanno una parete con aperture di superficie non minore di 1/3 di quella totale: cpi = + 0,8 quando la parte aperta è sopravento, cpi = - 0,5 quando la parete aperta è sottovento o parallela alla direzione del vento;
  • Per costruzioni che presentano su due pareti opposte, normali alla direzione del vento, aperture di superficie non minore di 1/3 di quella totale, si assumerà  cpe + cpi ± 1,2 per gli elementi normali alla direzione del vento, cpi = ± 0,2  per i rimanenti elementi.

Grafici per la scelta del coefficiente di esposizione interna

Gli edifici dotati delle normali aperture che possono essere chiuse dagli infissi, sono di norma considerati stagni. L’azione complessiva tra pressione esterna ed interna è da prendere in considerazione di norma per le verifiche di singoli elementi della costruzione, mentre ai fini delle verifiche globali sull’edificio, le pressioni interne sono di fatto autoequilibranti.

Maggiori dettagli sui valori da assegnare al coefficiente di pressione possono essere ricavati dalle norme CNR-DT207/2008.

Concludiamo il nostro esempio:

Considerando il caso di verifiche globali sull’edificio, per le pareti verticali sopravento è da assumere un coefficiente di esposizione cp = cpe = +0,8 .

Per le pareti sottovento è da assumere un coefficiente di pressione negativo (verso l’esterno) cp = cpe = -0,4;

Si ricavano in definitiva le seguenti pressioni agenti sulle pareti sopravento e sottovento:

pareti sopravento (pressione diretta verso l’interno):

 

pareti sottovento (pressione diretta verso l’esterno):

 

 

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