Progettazione e dimensionamenti: Calcolo dei dimensionamenti

Da quanto evidenziato in generale, si arguisce facilmente come i dimensionamenti delle sottostrutture metalliche, delle staffe di sostegno e ritenuta delle lastre e di tutti gli altri componenti del sistema di ancoraggio debbano essere calcolati in funzione

· del carico verticale, con particolare riferimento al momento flettente 
· delle spinte orizzontali, ossia delle forze di compressione/depressione del vento.

Il calcolo del dimensionamento si basa essenzialmente su una verifica della seguente relazione:

Carico applicato <= carico ammissibile

applicando, quindi, il metodo di calcolo delle tensioni ammissibili (metodo dei coefficienti parziali) e utilizzando il criterio di sicurezza di Huber-Hencky-von Mises. 
Generalmente, come da norma UNI 11018, è sufficiente verificare:

Transient
dove σid è la tensione ideale

Per correttezza di informazione, precisiamo che la normativa ammette sia il calcolo secondo il metodo delle tensioni ammissibili che secondo altri metodi scientificamente comprovati, purché questi ultimi garantiscano una sicurezza non inferiore a quella ottenuta con l’applicazione del primo 
Come spesso abbiamo suggerito, è bene che queste verifiche siano affidate a mani esperte, cioè a Studi di Ingegneria, deontologicamente e culturalmente a ciò preposti.
A titolo puramente informativo, precisiamo che i calcoli che stanno a monte della verifica tengono conto di due premesse:

* la prima, che, qualora si tratti di acciai inossidabili e non esistendo, per gli stessi, valori univoci delle caratteristiche elastiche e di rottura (dipendendo esse in modo significativo dal procedimento di lavorazione), si debbano assumere i valori minimi indicati dalla normativa europea e cioè:

Transient
valori dai quali, utilizzando ym = 1.0, come suggerito dalla stessa normativa, si ottiene il valore di calcolo secondo la metodologia degli stati limite
fa=195/1.0=195N/mm2
* la seconda, che quale Σ amm. si assuma un valore convenzionale di:
  • 145 N/mm2   per acciaio inox A2-Aisi 304 e Aisi 304L
  • 160 N/mm2   per acciaio inox A4-Aisi 316, 316L e 316Ti
  • 160 N/mm2   per acciaio zincato tipo FE 360 D
  • 190 N/mm2   per acciaio zincato tipo FE 430 D
  • 240 N/mm2   per acciaio zincato tipo FE 510 D

come suggerito da UNI 11018

Detto questo, la verifica di dimensionamento pone a confronto la tensione ammissibile, essenzialmente legata alla sezione resistente dell’elemento, con il carico applicato sullo stesso.
Se, rapportata al carico verticale, detta verifica risulta abbastanza agevole, non altrettanto può dirsi per quanto concerne le spinte orizzontali dovute alla forza del vento.

Calcolo della pressione e depressione del vento

L’attuale normativa, in proposito, fissa precisi criteri di valutazione delle forze del vento incidenti sul rivestimento con conseguente ripercussione sull’ancoraggio. 
Per ogni Paese europeo sono stati indicati dei valori di riferimento da cui si dipana il calcolo delle spinte incidenti.

La normativa definisce i seguenti calcoli:

1.  Pressione del vento

p=qref•ce•cp•cd
dove
qref è la pressione cinetica di riferimento
ce è il coefficiente di esposizione
cp è il coefficiente di forma o aerodinamico della costruzione rispetto alla direzione del vento
cd è il coefficiente dinamico con cui si tiene conto degli effetti riduttivi associati alla non contemporaneità delle massime pressioni locali e degli effetti amplificativi dovuti alle vibrazioni strutturali

2.  Azione tangente del vento

Viene calcolata con la formula:

pf = qref • ce • cf
dove cf è il coefficiente d’attrito funzione della scabrosità della superficie sulla quale il vento esercita l’azione tangente

3. Pressione cinetica del vento

calcolata con la formula

qref = Vref2 / 1,6
dove Vref è la velocità di riferimento del vento in m/s.
La velocità di riferimento è il valore massimo, riferito ad un intervallo di ritorno di 50 anni, della velocità del vento misurata a 10 m dal suolo su un terreno di II categoria e mediata su 10 minuti.
In mancanza di adeguate indagini statistiche, è data dall’espressione
Transient
dove
as è l’altitudine sul livello del mare (in m) del sito di collocazione del cantiere.
Per quanto concerne la definizione del Vref l’Italia è stata divisa in 9 zone ed esattamente:
  1. comprendente Valle d’Aosta, Piemonte, Lombardia, Trentino Alto Adige, Friuli, Venezia Giulia (con eccezione della Provincia di Trieste)
  2. comprendente l’Emilia Romagna
  3. comprendente Toscana, Marche, Umbria, Lazio, Abruzzo, Molise, Campania, Puglia, Basilicata, Calabria (ad eccezione della Provincia di RC)
  4. comprendente la Provincia di Reggio Calabria e la Sicilia 
  5. comprendente Sardegna limitatamente alla zona a oriente della retta di congiunzione tra Capo Teulada e l’Isola della Maddalena)
  6. comprendente Sardegna limitatamente alla zona ad occidente della suddetta retta
  7. comprendente la Liguria
  8. comprendente la Provincia di Trieste
  9. comprendente le isole, fatta eccezione per Sicilia e Sardegna, e tutto il mare aperto
Transient

Va precisato che all’interno di ogni zona vanno considerate: l’altitudine sul livello del mare, la topografia e la rugosità del terreno. Se a ciò si aggiunge che poi bisogna fare i conti con l’altezza, la forma e la snellezza dell’edificio, va da sé che ci si trovi di fronte a materia quanto mai complessa, a conferma del fatto che, in tale settore, avventurarsi sul terreno delle improvvisazioni equivale fatalmente ad addentrarsi in un campo minato!

4. Coefficiente di esposizione

Il coefficiente di esposizione Ce dipende dall’altezza della costruzione sul suolo, dalla rugosità e dalla topografia del terreno, dall’esposizione del sito dove sorge la costruzione ed è dato dalle formule
Transient
dove
Ct è il coefficiente di topografia.
In mancanza di analisi che tengano conto sia della direzione di provenienza del vento sia delle variazioni di rugosità del terreno, la categoria di esposizione è assegnata in funzione della posizione geografica del sito ove sorge la costruzione e della classe di rugosità del terreno. Il coefficiente di topografia Ct è posto di regola pari a 1 sia per le zone pianeggianti sia per quelle ondulate, collinose, montane. Il D.M. 16 gennaio 1996, norma di riferimento, riporta comunque i diagrammi di Ce per le diverse categorie di esposizione. Nelle fasce entro i 40 Km dalla costa, la categoria di esposizione è indipendente dall’altitudine del sito.

5. Classi di rugosità

Classi di rugosità

Descrizione

A
Aree urbane in cui almeno il 15% della superficie sia coperto da edifici la cui altezza media non superi i 15 m.
B
Aree urbane non di classe A, suburbane, industriali e boschive.
C
Aree con ostacoli diffusi (alberi, case, muri, recinzioni,.....); aree con rugosità non riconducibile alle classi A -B e D.
D
Aree prive di ostacoli e con al più rari ostacoli isolati (aperte campagne, aereoporti, aree agricole, pascoli, zone paludose o sabbiose, superfici innevate o ghiacciate, mare, laghi).

L’assegnazione della classe di rugosità non dipende dalla conformazione orografica e topografica del terreno. Affinché una costruzione possa dirsi ubicata in classe A o B è necessario che la situazione che contraddistingue la classe permanga intorno alla costruzione per non meno di 1 Km e comunque non meno di 20 volte l’altezza della costruzione.
Laddove esistano dubbi sulla classe di rugosità, a meno di analisi rigorose, verrà assegnata la classe più sfavorevole.

6.  Variazioni termiche

Si considerano le variazioni di temperatura rispetto a quella iniziale di riferimento, assunta quale convenzionale zero termico. 
Per gli edifici, la variazione termica massima nell’arco dell’anno, nel singolo elemento strutturale è assunta convenzionalmente pari a:

• strutture in C.A. e C.A.P. esposte a ± 15 °C 
• strutture in C.A. e C.A.P. protette a ± 15 °C
• strutture in ACCIAIO esposte a ± 15 °C
• strutture in ACCIAIO protette a ± 15 °C 

Di regola, per le strutture monodimensionali, la variazione termica si può considerare uniforme sulla sezione e costante su ogni elemento strutturale.
In casi particolari, può essere necessario considerare, oltre alla variazione uniforme, anche una seconda, distinta condizione di più breve durata con variazione lineare della temperatura nella sezione.

Va inoltre tenuto presente che possono aversi differenze di temperatura fra struttura ed elementi non strutturali ad essa collegati.

Quanto sopra rispecchia pedissequamente il testo della normativa.

Calcolo della lama d'aria

La norma UNI in vigore suggerisce quanto segue:

· nel caso di pareti verticali o inclinate più di 60° sull’orizzontale, lo spessore della lama d’aria si deduce dal rapporto fra la sezione totale delle aperture di ventilazione in alto ed in basso (s1) per ogni metro di larghezza della facciata e la lunghezza della parete;
· nel caso di pareti orizzontali o inclinate meno di 60° sull’orizzontale (cielini) lo spessore della lama d’aria si deduce dal rapporto fra la sezione totale delle aperture di ventilazione (s) e la superficie della facciata, misurata in m2.

A maggiore delucidazione, riportiamo pedissequamente quanto evidenziato al punto 6.4.2 della norma richiamata:

“La lama d’aria tra l’intradosso del rivestimento e l’estradosso del supporto edilizio (o della coibentazione termica, quando applicata), deve essere sempre prevista, al fine di facilitare l’evacuazione dell’acqua meteorica o da condensazione, con uno spessore minimo di due cm.

Compartimentazione della lama d'aria

E’ consigliabile realizzare sempre una compartimentazione dello strato di ventilazione, utilizzando se possibile i profilati della sottostruttura del sistema di ancoraggio, inserendo altrimenti opportune scossaline. Tale compartimentazione realizza innanzi tutto una barriera fisica alla diffusione di fiamme o prodotti di combustione derivati da un eventuale incendio (essendo per altro l’intercapedine d’aria inaccessibile dall’esterno in condizioni normali) ed inoltre migliora il funzionamento ordinario del sistema.

Infatti:

a) in orizzontale impedisce che l’aria che fluisce all’interno possa raggiungere velocità elevate e produrre vibrazioni;
b) in verticale, realizza la divisione della facciata in tanti “camini” autonomi e, in prossimità degli spigoli dell’edificio, impedisce richiami d’aria tra facciate contigue rispettivamente sopravento e sottovento.

Se lo spessore della lama d’aria (o intercapedine ventilata) non è già stato calcolato dal Progettista dell’edificio, qui di seguito vengono date le regole di calcolo (in nota, secondo la norma francese TH-K 77 edita da CSTB, Centre Scientifique et Technique du Batiment).
Nelle formule seguenti:

- A è la superficie di parete ed è misurata in [mq2]

- L è la lunghezza della parete ed è misurata in [m].

La ventilazione della lama d’aria è caratterizzata: 
- nel caso di pareti verticali o inclinate più di 60° sull’orizzontale, dal rapporto tra la sezione totale delle aperture di ventilazione in alto ed in basso (s1) per ogni metro di larghezza della parete, misurata in [m2], e la lunghezza (L);
- nel caso di pareti orizzontali o inclinate meno di 60° sull’orizzontale (soffitti o coperture), dal rapporto tra la sezione totale delle aperture di ventilazione (s), misurata in [m2], e la superfici della parete A.


Prospetto 18: Spessore della lama d’aria e della sezione totale delle aperture di ventilazione

Tipo di ventilazione
Tipo di esposizione
Pareti verticali o inclinate più di 60° sull'orizzontale S1/L [m2/m]
Pareti orizzontali o inclinate meno di 60° sull'orizzontale s/A [m2/m2]
Pareti debolmente ventilate
< 0.002
< 0.0003
Pareti mediamente ventilate
0.002-0.05
0.0003-0.003
Pareti fortemente ventilate
>= 0.05

>= 0.003

Nota: uso del prospetto 18

- si decide se si vuole una parete debolmente, mediamente, fortemente ventilata;
- si verifica se la parete è verticale (o molto inclinata) o se è orizzontale (o poco inclinata);
- in funzione della ventilazione scelta e dell’inclinazione, si sceglie il valore si/L o s/A che rientra nei limiti del prospetto 18;
- data L, si ottiene si; oppure, data A, si ottiene s;
...omissis (esempio di calcolo)

La norma UNI 11018, che definisce i criteri di realizzazione delle facciate ventilate, suggerisce, come detto, una compartimentazione della lama d’aria, che da un lato realizzerebbe una sorta di barriera alla diffusione di eventuali incendi e dall’altro migliorerebbe il funzionamento del sistema

· a. in orizzontale, impedendo all’aria fluente all’interno di raggiungere velocità eccessive, che potrebbero produrre vibrazioni;
· b. in verticale, realizzando la divisione della facciata in tanti “camini” indipendenti ed impedendo, in prossimità degli spigoli, riflussi d’aria tra facciate contigue, rispettivamente sopravento e sottovento.

Nota importante: Rossi Walls si esime da ogni e qualsiasi responsabilità per eventuali errori di trascrizione di testo e/o di formule, restando imprescindibile il fatto che ogni e qualsiasi verifica di calcolo debba essere demandata ai competenti Studi di Ingegneria.