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TECNICA DELLE COSTRUZIONI II

prof. Giorgio Serino

Presentazione del corso (contenuti e modalità di svolgimento)

Recenti sviluppi della normativa tecnica per le costruzioni

TECNICA DELLE COSTRUZIONI II

• Si propone di fornire gli elementi cognitivi e le metodologie di base per la progettazione e la verifica di semplici strutture in c.a., c.a.p. ed acciaio, incluso gli elementi a contatto con il terreno (fondazioni, muri di sostegno)
• Presuppone l’avvenuta maturazione dei concetti trattati nei corsi di Tecnica delle Costruzioni I (propedeutico), Fondamenti di Geotecnica e possibilmente anche Scienza delle Costruzioni II, nonché l’avvenuto superamento dell’esame di Scienza delle Costruzioni I
• Tenuto conto dei recenti sviluppi normativi e della possibilità di fruizione on-line, di interesse anche per i professionisti già laureati (iscrizione come corso singolo)

TECNICA DELLE COSTRUZIONI II

• Il corso si articola in lezioni teoriche ed in esercitazioni progettuali, durante le quali verranno affrontati e risolti numerosi problemi ricorrenti nella pratica professionale
• Con frequenza all’incirca bisettimanale vengono assegnati degli esercizi progettuali da risolvere a casa, che gli allievi dovranno risolvere entro le due settimane successive
• Il corso pertanto fornisce sia le basi teoriche necessarie per la eventuale prosecuzione degli studi nella laurea specialistica, sia la capacità operativa di affrontare problemi strutturali di complessità contenuta utile per chi volesse fermarsi con gli studi alla laurea

I materiali strutturali

• Legno
• Muratura
• Calcestruzzo (c.a. e c.a.p.)
• Acciaio
• Associazioni dei precedenti materiali
• Nuovi materiali (leghe di alluminio, compositi, ecc.)

Calcestruzzo e acciaio saranno trattati in questo corso con prevalente riferimento alle nuove costruzioni.

Cenni storici sul calcestruzzo (armato)

Leganti aerei: presa e indurimento avvengono solo in aria

Gesso: CaSO₄·2H₂O ⇔ CaSO₄ + 2H₂O

Calce: CaCO₃ → Ca0 + CO₂ (cottura a 900-1000°C)
CaO + H₂O → Ca(0H)₂ (spegnimento)
Ca(0H)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O

• Caratterizzati da basse resistenze (al più qualche decina di kg/cm²)
• Primi impieghi di malta di calce nel 12000 a.C. in Turchia
• Nell’antichità murature con malta di calce in edifici pubblici o di culto

Cenni storici sul calcestruzzo (armato)

Leganti idraulici: presa e indurimento anche in acqua

Impastando con acqua calce aerea e materiali con silice reattiva (es.: polvere di laterizio, pozzolana) si formano silicati idrati capaci di sviluppare elevate resistenze meccaniche (oltre 100 kg/cm²)

• Primo esempio: calce aerea + sabbia di Santorini (Fenici, 1000 a.C.)
• I Romani ne fanno largo uso, specie in opere idrauliche (cisterne, canali)
• Sabbia pozzolanica disponibile in grandi quantità nei Campi Flegrei
• Emblematica la cupola del Pantheon a Roma (Adriano, 115-125 d.C.)

Cenni storici sul calcestruzzo (armato)

• Con la rivoluzione industriale, la disponibilità di ferro a basso costo e diverse forme, consente la nascita del cls. armato
• Prime applicazioni per vasi da giardino e barche (1850 circa)
• La posizione delle armature (non calcolate) era ottenuta dalle fessure individuate su prototipi non armati
• Prime costruzioni in c.a. (edifici, ponti) a partire dal 1870
• Primo testo sul c.a. (E. Mörsch, Eisenbetonbau, 1902)

Cenni storici sull’acciaio nelle costruzioni

• Nell’antichità ferroprodotto direttamente dal minerale in crogioli in cui si disponeva con legna da ardere (necessaria corrente d’aria)
  • 3Fe₂O₃+11C -> 2Fe₃C + 9CO (Fe₃C: cementite)
  • Fe2O₃+3C -> 2Fe + 3CO (Fe: ferro metallico)
• Nel Medioevo si utilizzano mantici per rendere più completa la riduzione del minerale ferroso, azionati dal XII sec. da forza motrice idraulica; il materiale era reso compatto martellandolo (fucinatura)
• Raggiunta negli “alti forni” la temperatura di fusione, si inizia a produrre ghisa liquida (fine XV – inizio XVI sec.)
• Rivoluzione Industriale: produzione in grandi quantità e bassi costi (macchina a vapore per l’insufflaggio dell’aria, e sostituzione del carbone di legna con carbone fossile prima e carbone coke dopo)

Cenni storici sull’acciaio nelle costruzioni

• Primo edificio con colonne e travi in ghisa: stabilimento di 7 piani a Manchester (Boulton e Watt, 1801)
• 1836: inizia la produzione di travi a I e compaiono i primi solai con travi in ferro in sostituzione di quelle in legno
• La possibilità di utilizzare una struttura a scheletro di travi e pilastri rivoluziona l’architettura basata sino all’inizio del XIX sec. sulle strutture murarie (ma si nasconde la struttura in ferro!)
• Convertitore Bessemer (1855) e Mushet (1856): inizia la produzione di acciaio soffiando aria attraverso la ghisa grezza liquida per eliminare il carbonio in eccesso ed altre impurezze

Argomenti: riepilogo di TdC I

• Metodi di verifica della sicurezza (tensioni ammissibili e stati limite)
• Verifica e progetto di sezioni in c.a. (momento flettente, taglio, sforzo normale centrato ed eccentrico)
• Risoluzione delle strutture iperstatiche (telai)
• Torsione nel c.a.
• Acciaio (resistenza, instabilità, collegamenti)

Argomenti: cemento armato precompresso

• Tecnologia della precompressione
• Verifiche al tiro ed in esercizio
• Perdite (istantanee) e cadute (differite) di tensione
• Verifiche a fessurazione ed a rottura
• Taglio nel c.a.p.
• Punti limite e fuso di Guyon

Argomenti: elementi strutturali in cls. ed acciaio

• Scale (a soletta rampante, con trave a ginocchio)
• Solai (sbalzi, fori)
• Travi e pilastri (fori)
• Mensole tozze e selle Gerber
• Pareti

Argomenti: strutture “geotecniche”

• Plinti (diretti e su pali)
• Travi di fondazione (dirette)
• Graticci e platee di fondazione
• Muri di sostegno

Testi consigliati per il corso

• C. Greco, Progetto di elementi in c.a. secondo il metodo semiprobabilistico agli stati limite, Hevelius edizioni, Benevento, 2005
• A. Ghersi, Il cemento armato. Dalle tensioni ammissibili agli stati limite: un approccio unitario, Dario Flaccovio editore, Palermo, 2005
• E. Giangreco, Teoria e tecnica delle costruzioni: teoria del c.a. normale e precompresso, Liguori editore, Napoli, 1992
• A. Cinuzzi e S. Gaudiano, Tecniche di progettazione per strutture di edifici in cemento armato, Casa Editrice Ambrosiana, Milano, 1999
• M. Pagano, Teoria degli edifici. Edifici in cemento armato, Liguori editore, Napoli, 1977
• T. Antonini, Cemento armato precompresso (vol. 1 – 2a ed., 1986), Masson editore, Milano
• G. Toniolo, Appunti di tecnica delle costruzioni: elementi strutturali in acciaio, Masson editore, Milano, 1996

Per approfondimenti sugli aspetti storici

• A. Perretti, Breve storia del c.a. (cap. 4 del libro di A. Ghersi, Dalle tensioni ammissibili agli stati limite: un approccio unitario), Dario Flaccovio editore, Palermo, 2005
• E. Benvenuto, Mutamenti nelle costruzioni durante la rivoluzione industriale (cap. 10 del libro: La scienza delle costruzioni ed il suo sviluppo storico), Sansoni editore, Firenze, 1981

LA NORMATIVA TECNICA PER LE COSTRUZIONI

Esigenze a cui devono rispondere le norme tecniche per la sicurezza strutturale delle costruzioni (punto di vista della Società):

1. precisare i requisiti che garantiscano una utilizzazione affidabile delle opere durante la loro vita utile (salvaguardia di persone e cose, corretto funzionamento in esercizio); i livelli di sicurezza devono essere affidabili, ma non ridondanti (giusto compromesso fra economia della costruzione/manutenzione ed affidabilità)
2. definire le diverse responsabilità fra i vari attori del processo costruttivo (Committente o Stazione Appaltante, Progettista, Costruttore, Direttore dei Lavori, Collaudatore)

Visione COGENTE della norma: il rispetto è un obbligo di legge!

LA NORMATIVA TECNICA PER LE COSTRUZIONI

Le regole servono a chi non si sa regolare …

La responsabilità di un progetto è del singolo ingegnere, ciò che conta è la sua capacità di affrontare e risolvere un problema con la sua testa. La norma è una guida autorevole, da prendere sempre in considerazione, ma mai da accettare acriticamente. A volte non è necessario rispettarla alla lettera, ma va integrata ed interpretata (non tutte le prescrizioni hanno validità generale)

-> Eurocodici e Testo Unico: approccio PRESTAZIONALE

Sviluppo storico della normativa tecnica

• 1° regolamento sul c.a.: circolare Ministero LL.PP. franceseemanata il 20 ottobre 1906 (commissione di esperti nominata nel 1900)
  • Le istruzioni “sont conformes à l’état actuel de nos connaissances en la matière, mais seront sans doute à reprendre, lorsque l’expérience des chantiers et des laboratoires, et une plus longue carrière du béton armé, auront fourni, en ce qui le concerne, des données plus certaines que celles que l’on possède aujourd’hui“
• Esempio seguito subito da altri Paesi, fra cui l’Italia, ove vengono emanate le “Prescrizioni normali per la esecuzione delle opere in cemento armato” (R.D. 10 gennaio 1907)
  • Si introduce l’obbligo della verifica numerica, con necessità di allegare ai progetti i calcoli statici (metodo delle tensioni ammissibili con coefficienti di sicurezza 5 per i materiali)
• Il C.N.R. appronta ed il Consiglio Superiore dei LL.PP. approva le “Norme per la esecuzione delle opere in conglomerato cementizio semplice od armato” (R.D. 16 novembre 1939)
  • Si fornisce elenco dei Laboratori Ufficiali ed introduce il controllo dei Geni Civili e Prefetture

Leggi alla base della normativa tecnica italiana

L’attuale normativa italiana è basata su due leggi:

• Legge 5.11.1971 n° 1086: Norme per la disciplina delle opere in conglomerato cementizio armato, normale e precompresso, ed a struttura metallica
• Legge 2.2.1974 n° 64: Provvedimenti per le costruzioni con particolari prescrizioni per le zone sismiche

Definiscono principi generali (ruolo e responsabilità dei singoli attori del processo costruttivo, procedure, sistemi strutturali e materiali) ed affidano al Ministero dei LL.PP. il compito di emettere periodicamente D.M. con indicazioni più specifiche.

Ultimi D.M. su strutture in c.a./c.a.p./acciaio

Gli ultimi D.M. emessi in base alla L. 1086/71sono:

• D.M. 14.2.1992: Norme tecniche per l’esecuzione delle opere in c.a. normale e precompresso e per le strutture metalliche. Ancora in vigore solo per la parte che riguarda le verifiche alle tensioni ammissibili. Per la prima volta si consente l’uso degli Eurocodici 2 e 3
• D.M. 9.1.1996: Norme tecniche per il calcolo, l’esecuzione ed il collaudo delle strutture in c.a. normale e precompresso e per le strutture metalliche

Integralmente basato sul metodo semiprobabilistico agli stati limite. Contiene i DAN (Documenti di Applicazione Nazionale) degli Eurocodici 2 e 3, con specifiche prescrizioni sulle indicazioni lasciate alla libera scelta di ciascun paese dell’UE.

Ultimi D.M. su carichi, sismica ed altre strutture

Gli ultimi D.M. emessi in base alla L. 64/74 sono:

• D.M. 16.1.1996: Norme tecniche relative ai “criteri generali per la verifica di sicurezza delle costruzioni e dei carichi e sovraccarichi”
• D.M. 16.1.1996: Norme tecniche per le costruzioni in zone sismiche
• D.M. 20.11.1987: Norme tecniche per la progettazione, esecuzione e collaudo degli edifici in muratura ed il loro consolidamento
• D.M. 11.3.1988: Norme tecniche riguardanti le indagini sui terreni e sulle rocce, la stabilità dei pendii naturali e delle scarpate, i criteri generali e le prescrizioni per la progettazione, l’esecuzione ed il collaudo delle opere di sostegno delle terre e delle opere di fondazione
• D.M. 3.12.1987: Norme tecniche per la progettazione, esecuzione e collaudo delle costruzioni prefabbricate
• D.M. 2.8.1980: Criteri generali e prescrizioni tecniche per la progettazione, esecuzione e collaudo dei ponti stradali

Istruzioni CNR per le costruzioni

Esistono inoltre documenti (istruzioni) redatti dal CNR non aventi valore prescrittivo a cui però spesso gli stessi D.M. rimandano:

• CNR 10011/97: Costruzioni in acciaio – Istruzioni per il calcolo, l’esecuzione, il collaudo e la manutenzione
• CNR 10022/84: Costruzioni di profilati di acciaio formati a freddo – Istruzioni per l’impiego
• CNR 10016/00: Strutture composte di acciaio e calcestruzzo – Istruzioni per l’impiego nelle costruzioni
• CNR 10024/86: Analisi di strutture mediante elaboratore – Impostazione e redazione delle relazioni di calcolo

Gli Eurocodici per le costruzioni

Gli Eurocodici sono un ambizioso progetto comunitario avente l’obiettivo di realizzare una normativa comune in campo strutturale:

• EN 1990: Basi della progettazione strutturale
• EN 1991, Eurocodice 1: Azioni sulle strutture
• EN 1992, Eurocodice 2: Progettazione delle strutture di calcestruzzo
• EN 1993, Eurocodice 3: Progettazione delle strutture di acciaio
• EN 1994, Eurocodice 4: Progettazione di strutture miste acciaio-calcestr.
• EN 1995, Eurocodice 5: Progettazione di strutture in legno
• EN 1996, Eurocodice 6: Progettazione di strutture in muratura
• EN 1997, Eurocodice 7: Progettazione geotecnica
• EN 1998, Eurocodice 8: Progettazione di strutture in zona sismica
• EN 1999, Eurocodice 9: Progettazione di strutture in alluminio

Sviluppi più recenti: Ordinanza e Testo Unico

• O.P.C.M. 20.3.2003 n° 3274 e successive mm. ii.: Primi elementi in materia di criteri generali per la classificazione sismica del territorio nazionale e di normative tecniche per le costruzioni in zona sismica
  • Emanata dal Presidente del Consiglio a seguito dei tragici eventi del terremoto di S. Giuliano di Puglia (31.10.2002) senza seguire l’iter tradizionale. Contiene una riclassificazione del territorio nazionale basata su criteri geofisici anzicché storici, introduce una 4a zona a bassa sismicità ed estende di fatto a tutto il territorio nazionale l’obbligo del rispetto della normativa sismica. Interamente basata sugli stati limite, contiene indicazioni sugli edifici (nuovi ed esistenti, anche con isolamento sismico), ponti, opere di fondazione e di sostegno dei terreni
• D.M. 14.9.2005:Testo Unico – Norme tecniche per le costruzioni
  • Primo tentativo di unificare i diversi D.M. sulle costruzioni. Seguono l’approccio prestazionale degli Eurocodici e rimandano ad essi, all’Ordinanza e ad altre disposizioni per approfondimenti e specifiche regole applicative

Nei prossimi mesi, finalmente …

Sarà emanata una nuova versione delle “Norme tecniche per le costruzioni”, ampiamente rivista, approvata dal Cons. Sup. LL.PP. il 27.7.07:

• Premessa
• cap. 1 – Oggetto
• cap. 2 – Sicurezza e prestazioni attese
• cap. 3 – Azioni sulle costruzioni
• cap. 4 – Costruzioni civili ed industriali
• cap. 5 – Ponti
• cap. 6 – Progettazione geotecnica
• cap. 7 – Progettazione per azioni sismiche
• cap. 8 – Costruzioni esistenti
• cap. 9 – Collaudo statico
• cap. 10 – Redazione dei progetti strutturali esecutivi e delle relazioni di calcolo
• cap. 11 – Materiali e prodotti per uso strutturale
• cap. 12 – Riferimenti tecnici