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Azioni del vento sulle costruzioni: guida al calcolo

Tempo di lettura stimato: 10 minuti

Azioni del vento sulle costruzioni, guida al calcolo del vento: concetti teorici secondo le norme tecniche per le costruzioni

Il vento genera sulle costruzioni azioni che variano nel tempo e nello spazio provocando degli effetti dinamici, quali pressioni e depressioni.

L’azione del vento va valutata in maniera accurata al fine di garantire un adeguato livello di sicurezza delle costruzioni per tutta la sua vita utile.

Il calcolo delle azioni del vento è però un’operazione complessa, in quanto entrano in gioco vari parametri e numerosi aspetti teorici introdotti dalle NTC 2018 e Circolare 2019, quali azione tangente, coefficienti aerodinamici, categoria e coefficiente di esposizione.

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Scopri i dettagli delle azioni del vento sulle strutture.

Tipologia di azioni sulle strutture

Lo scopo della progettazione strutturale è garantire la durata di una struttura per tutta la sua vita nominale di progetto tenendo conto delle azioni a cui può essere sottoposta in ogni fase operativa (costruzione, trasporto, montaggio, esercizio), assicurando un determinato livello di sicurezza previsto dalla norma.

Per le NTC 2018 le azioni gravanti sulle strutture possono classificarsi secondo 3 criteri:

  • classificazione in base al modo di esplicarsi;
  • classificazione secondo la risposta strutturale;
  • classificazione secondo la variazione della loro intensità nel tempo.

Le azioni classificate in base al modo di esplicarsi possono essere:

  • dirette: forze concentrate, carichi distribuiti, fissi o mobili;
  • indirette: spostamenti impressi, variazioni di temperature e di umidità, ritiro, precompressione, cedimenti di vincoli, ecc.;
  • di degrado: endogeo (alterazione naturale del materiale di cui è composta l’opera strutturale) o esogeno (alterazione delle caratteristiche dei materiali costituenti l’opera strutturale, a seguito di agenti esterni).

Le azioni secondo la risposta strutturale si classificano in:

  • statiche: azioni applicate alla struttura che non provocano accelerazioni significative delle stesse o di alcune sue parti;
  • pseudo statiche: azioni dinamiche rappresentabili mediante un’azione statica equivalente;
  • dinamiche: azioni che causano significative accelerazioni della struttura o dei suoi componenti.

Considerando la variazione della loro intensità nel tempo le azioni possono essere classificate in:

  • permanenti (G): azioni che agiscono durante tutta la vita nominale di progetto della costruzione, la cui variazione di intensità nel tempo è molto lenta e di modesta entità:
    – peso proprio di tutti gli elementi strutturali; peso proprio del terreno, quando pertinente; forze indotte dal terreno (esclusi gli effetti di carichi variabili applicati al terreno); forze risultanti dalla pressione dell’acqua (quando si configurino costanti nel tempo) (G1);
    – peso proprio di tutti gli elementi non strutturali (G2);
    – spostamenti e deformazioni impressi, incluso il ritiro;
    – presollecitazione (P).
  • variabili (Q): azioni che agiscono con valori istantanei che possono risultare sensibilmente diversi fra loro nel corso della vita nominale della struttura:
    – sovraccarichi;
    – azioni del vento;
    – azioni della neve;
    – azioni della temperatura.
  • eccezionali (A): azioni che si verificano solo eccezionalmente nel corso della vita nominale della struttura;
    – incendi;
    – esplosioni;
    – urti ed impatti;
  • sismiche (E): azioni derivanti dai terremoti.

Azione del vento

Tra le azioni variabili che possono compromettere l’integrità delle strutture abbiamo l’azione del vento.

L’azione del vento dipende da una serie di fattori quali:

  • le caratteristiche del luogo dove sorge l’edificio;
  • il periodo di ritorno delle azioni variabili;
  • le dimensioni e la forma dell’edificio stesso.

Si fa riferimento, per esempio, ad azioni statiche equivalenti ed azioni sulle superfici sottovento e sopravento.

Azioni statiche equivalenti

Il vento è una forza di tipo variabile e complementare di notevole importanza per le strutture caratterizzate da elevata leggerezza e deformabilità (ad esempio le strutture in acciaio). L’azione del vento può portare a fenomeni dinamici quali vibrazioni trasversali.

Per costruzioni usuali, tali azioni sono convenzionalmente ricondotte ad azioni statiche equivalenti.

Per costruzioni di forma o tipologia inusuale (grande altezza o lunghezza, rilevante snellezza e leggerezza, notevole flessibilità e ridotte capacità dissipative) l’azione del vento non può essere considerata staticamente applicata bensì è necessaria un’analisi accurata che tenga conto della dinamica e della complessità del problema.

Le azioni statiche del vento sono costituite da pressioni e depressioni agenti normalmente sulle superfici, sia esterne che interne, degli elementi che compongono la costruzione. L’azione del vento sul singolo elemento viene determinata considerando la combinazione più gravosa della pressione agente sulla superficie esterna e della pressione agente sulla superficie interna dell’elemento.

Nel caso di costruzioni o elementi di grande estensione, si deve inoltre tenere conto anche delle azioni tangenziali esercitate dal vento.

Azioni del vento sulle superfici sottovento e sopravento

Le superfici possono essere investite direttamente o indirettamente dall’azione del vento e vengono definite come:

  • superfici sopravento: superfici investite in maniera diretta dal vento;
  • superfici sottovento: superfici non investite in maniera diretta dal vento o investite da vento radente.

Pertanto, nel caso di pareti verticali, quelle tipo sopravento sono sempre soggette ad azione di pressione e quelle sottovento sono sempre soggette ad azione di depressione.

Nel caso di superficie inclinata, invece, considerando l’azione del vento parallela al suolo, le superfici sopravento possono essere soggette sia a pressione che depressione.

Le falde sopravento possono essere soggette a pressioni o depressioni, in base al valore dell’angolo di inclinazione della falda.

Azione del vento NTC 2018

Le norme tecniche per le costruzioni (NTC 2018) definiscono l’azione del vento nel seguente modo:

Il vento, la cui direzione si considera generalmente orizzontale, esercita sulle costruzioni azioni che variano nel tempo e nello spazio provocando, in generale, effetti dinamici.

Per le costruzioni usuali, le azioni del vento sono riconducibili ad azioni statiche equivalenti; mentre, per le costruzioni di forma o tipologia inusuale, il vento dà vita ad effetti la cui valutazione richiede uso di metodologie di calcolo e sperimentali adeguate allo stato dell’arte.

Per il calcolo dell’azione del vento vanno considerati una serie di fattori tra cui:

  • pressione del vento;
  • azione tangente;
  • pressione cinetica di riferimento;
  • velocità base di riferimento;
  • coefficiente di esposizione;
  • coefficiente di topografia;
  • coefficiente dinamico;
  • velocità di riferimento;
  • coefficienti aerodinamici.

Pressione del vento

La pressione del vento p è data dalla seguente espressione:

p = qr ce cp cd

dove

  • qr è la pressione cinetica di riferimento;
  • ce è il coefficiente di esposizione;
  • cp è il coefficiente di pressione;
  • cd è il coefficiente dinamico.

Azione tangente del vento

L’azione tangente pf per unità di superficie parallela alla direzione del vento è data dalla seguente espressione:

pf = qr ce cf

dove:

  • qr e ce sono rispettivamente la pressione cinetica di riferimento e il coefficiente di esposizione;
  • cf è il coefficiente d’attrito.

Il valore si può ricavare attraverso opportuna documentazione o prove sperimentali in galleria del vento, in alternativa si può determinare in funzione della scabrezza della superficie strutturale sulla quale il vento esercita l’azione tangente, come da tabella:

SuperficieCoefficiente d’ attrito Cf
liscia (acciaio, cemento a faccia vista, …)0,01
scabra (cemento a faccia scabra, catrame, …)0,02
molto scabra (ondulata, costolata, piegata, …)0,03

Pressione cinetica di riferimento

La pressione cinetica di riferimento qr (in N/m²) si ricava mediante la seguente espressione:

qr= 1/2 ρvr2

dove:

  • vr è la velocità di riferimento del vento (in m/s);
  • ρ la densità dell’aria assunta convenzionalmente costante e pari a 1,25 kg/m3.

Coefficiente di esposizione vento

Il coefficiente di esposizione del vento ce dipende da:

  • altezza sul suolo del punto considerato (z);
  • topografia del terreno;
  • categoria di esposizione del luogo in cui è situata la costruzione.

In assenza di analisi specifiche che tengano in conto la direzione di provenienza del vento e l’effettiva scabrezza e topografia del terreno che circonda la costruzione, per altezze sul suolo non maggiori di z = 200 m, esso è dato dalla formula:

ce (z) = kr2· ct · ln (z/z0) · [7 + ct ln (z/z0)]                            per z ≥ zmin

ce (z) = ce (zmin)                                                                          per z < zmin

dove:

  • kr , z0 , zmin sono assegnati nella tabella che segue in funzione della categoria di esposizione del luogo in cui è situata la costruzione;
  • ct è il coefficiente di topografia.

Nella tabella seguente si riportano i parametri per la definizione del coefficiente di esposizione:

Categoria di esposizione del sitoKrz0[m]zmin[m]
I0,170,012
II0,190,054
III0,200,105
IV0,220,308
V0,230,7012

In mancanza di analisi specifiche, la categoria di esposizione è pertanto assegnata a seconda della posizione geografica del luogo in cui è situata la struttura e della classe di rugosità del terreno definita in tabella di seguito.

Classe di rugosità del terrenoDescrizione
AAree urbane in cui almeno il 15% della superficie sia coperto da edifici la cui altezza media superi i 15 m
BAree urbane (non di classe A), suburbane, industriali e boschive
CAree con ostacoli diffusi (alberi, case, muri, recinzioni, …); aree con rugosità non riconducibile alle classi A, B, D
Da) Mare e relativa fascia costiera (entro 2 km dalla costa);

b) Lago (con larghezza massima pari ad almeno 1 km) e relativa fascia costiera (entro 1 km dalla costa);

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

L’assegnazione della classe di rugosità non dipende dalla conformazione orografica e topografica del terreno.

Si può assumere che il sito appartenga alla Classe A o B, purché la costruzione si trovi nell’area relativa per non meno di 1 km e comunque per non meno di 20 volte l’altezza della costruzione, per tutti i settori di provenienza del vento ampi almeno 30°. Si deve assumere che il sito appartenga alla Classe D, qualora la costruzione sorga nelle aree indicate con le lettere a) o b), oppure entro un raggio di 1 km da essa vi sia un settore ampio 30°, dove il 90% del terreno sia del tipo indicato con la lettera c). Laddove sussistano dubbi sulla scelta della classe di rugosità, si deve assegnare la classe più sfavorevole (l’azione del vento è in genere minima in Classe A e massima in Classe D).

Di seguito si riportano le categorie di esposizione suddivise per zone secondo le NTC 2018: zone 1, 2, 3, 4, 5; zona 6; zone 7, 8; zona 9.

tabelle-definizione-delle-categorie-di-esposizione-ntc-2018

Tabelle con definizione delle categorie di esposizione NTC 2018

Nel seguente grafico è possibile ottenere il coefficiente di esposizione ce in funzione della quota per ct=1:

Andamento-del-coefficiente-di-esposizione-in-funzione-della-quota-z

Andamento del coefficiente di esposizione in funzione della quota z

Coefficiente di topografia

Il coefficiente di topografia ct considera le modifiche del profilo di velocità dipendenti dalle caratteristiche topografiche ed orografiche locali del sito.

È posto generalmente pari a 1 sia per le zone pianeggianti sia per quelle ondulate, collinose e montane.

Nel caso di costruzioni ubicate presso la sommità di colline o pendii isolati, si ricava però da dati rilevati da opportuna documentazione.

Coefficiente dinamico vento

Il coefficiente dinamico cd tiene conto degli effetti riduttivi associati alla non contemporaneità delle massime pressioni locali e degli effetti amplificativi dovuti alla risposta dinamica della struttura.

Esso può essere assunto cautelativamente pari ad 1 nelle costruzioni di tipologia ricorrente, quali gli edifici di forma regolare non eccedenti 80 m di altezza ed i capannoni industriali, oppure può essere determinato mediante analisi specifiche o facendo riferimento a dati di comprovata affidabilità.

coefficiente-dinamico-vento

Coefficiente dinamico vento

Velocità base di riferimento

La velocità base di riferimento vb è il valore caratteristico della velocità del vento a 10 m dal suolo su un terreno di categoria di esposizione II, mediata su 10 minuti e riferita ad un periodo di ritorno TR di 50 anni.

In mancanza di specifiche ed adeguate indagini statistiche vb è data dall’espressione:

Vb=V(b,0)∙ca

dove:

  • V(b,0 )è la velocità base di riferimento al livello del mare, assegnata in funzione della zona in cui sorge la costruzione;
  • Ca è il coefficiente di altitudine fornito dalla relazione.

ca=1                                                         per as ≤ a0
ca=1+ ks (as/a0 -1)                               per a0 < as ≤ 1500 m

dove:

  • a0, ks sono parametri forniti nella tabella di seguito e legati alla zona in cui è situata la costruzione in esame;
  • as è l’altitudine sul livello del mare (in m) del luogo in cui è edificata la costruzione.

Nella seguente tabella si riportano i valori di vb,0, a0, ks in funzione della zona:

ZonaDescrizionevb,0[m/s]a0 [m]ks
1Valle d’Aosta, Piemonte, Lombardia, Trentino Alto Adige, Veneto, Friuli Venezia Giulia (con l’eccezione della provincia di Trieste)2510000,40
2Emilia Romagna257500,45
3Toscana, Marche, Umbria. Lazio, Abruzzo, Molise, Puglia, Campania, Basilicata, Calabria (esclusa la provincia di Reggio Calabria)275000,37
4Sicilia e provincia di Reggio Calabria285000,36
5Sardegna (zona a oriente della retta congiungente Capo Teulada con l’isola di Maddalena)287500,40
6Sardegna (zona a occidente della retta congiungente Capo Teulada con l’isola di Maddalena)285000,36
7Liguria2810000,54
8Provincia di Trieste3015000,50
9Isole (con l’eccezione di Sicilia e Sardegna) e mare aperto315000,32

Velocità di riferimento

La velocità di riferimento vr è il valore medio su 10 minuti, a 10 m di altezza dal suolo su un terreno pianeggiante e omogeneo di categoria di esposizione II, riferito al periodo di ritorno di progetto TR.

La velocità di riferimento si ricava dalla seguente relazione:

vr = vb ∙ cr

dove

  • vb è la velocità base di riferimento;
  • cr è il coefficiente di ritorno, funzione del periodo di ritorno di progetto TR.

In mancanza di specifiche e adeguate indagini statistiche, il coefficiente di ritorno cr è fornito dalla relazione:

cr=0.75 √(1-0.2 ×ln[-ln(1-1/TR )] )

dove TR è il periodo di ritorno espresso in anni.

Il valore TR = 50 anni a meno che si specifichi diversamente, al quale corrisponde un coefficiente di ritorno cr = 1.

Il periodo di ritorno dell’azione potrà essere ridotto nei seguenti casi con i successivi valori:

  • per fasi di costruzione o fasi transitorie con durata prevista in sede di progetto non superiore a tre mesi, si assumerà TR ≥5 anni;
  • per fasi di costruzione o fasi transitorie con durata prevista in sede di progetto compresa fra tre mesi ed un anno, si assumerà TR ≥10 anni.

Coefficienti aerodinamici: coefficiente di pressione e coefficiente d’attrito

Le NTC 2018 introducono anche il concetto di coefficienti aerodinamici in riferimento al coefficiente di pressione e al coefficiente d’attrito.

Il coefficiente di pressione cp dipende dalla tipologia e dalla geometria della costruzione e dal suo orientamento rispetto alla direzione del vento.

Il coefficiente d’attrito cf dipende dalla scabrezza della superficie sulla quale il vento esercita l’azione tangente.

Tali coefficienti aerodinamici possono essere ricavati da dati convalidati da opportuna documentazione o da prove sperimentali in galleria del vento.

Coefficiente di pressione vento

Il coefficiente cp viene definito coefficiente di pressione invece che coefficiente di forma (come nelle NTC 2008) ma il suo ruolo e valore restano immutati.

Il coefficiente di pressione si distingue in:

  • coefficiente di pressione esterna per il calcolo della pressione del vento sulle superfici esterne della costruzione;
  • coefficiente di pressione interna per calcolare la pressione del vento sulle superfici interne della costruzione.

Coefficiente di pressione esterna

Secondo la Circolare n.7/2019 (aggiornamento norme tecniche costruzioni), in riferimento alle costruzioni in forma regolare, si definiscono 3 coefficienti di pressione esterna:

  • coefficienti globali cpe per la valutazione delle azioni globali su porzioni estese della struttura;
  • coefficienti locali cpe,10 per quantificare la pressione locale su elementi con area di incidenza maggiore o uguale a 10 m² o come alternativa ai coefficienti di pressione globali cpe;
  • coefficienti locali cpe,1 per la quantificazione della pressione locale su elementi di piccole dimensioni con un’area di incidenza minore o uguale a 1 m² .

Dato l’elevato numero di parametri di calcolo dell’azione del vento, ti consiglio di utilizzare il software calcolo strutturale con cui, abilitando il calcolo delle pressioni del vento, potrai ottenere e visualizzare tutte le azioni del vento gravanti sui singoli elementi strutturali.

Approfondisci l’azione del vento sulle costruzioni, analizzando un esempio pratico di azione del vento sulle costruzioni e scopri come calcolare l’azione del vento secondo le ntc 2018.

Parametri-di-calcolo-azione-del-vento-in-software-calcolo-strutturale-EdiLus

Parametri di calcolo azione del vento – EdiLus

edilus
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6 commenti
    • Redazione di BibLus
      Redazione di BibLus dice:

      Ciao Marco, è esattamente così:

      – per elementi sopravento, con inclinazione sull’orizzontale 0° ≤ α ≤ 20° : Cpe (coefficiente di pressione esterna) = – 0,4

      Rispondi
  1. thamel marini
    thamel marini dice:

    ritengo che la responsabilità del direttore dei lavori vada riferita alla sua possibilità di controllo in relazione al ruolo che lo stesso svolge ed alla diligenza del suo operato . Il controllo totale di tutte le attività di cantiere è impossibile , quindi l’associazione solidale fra Direttore dei Lavori impresa non è sostenibile in linea generale ma con analisi dettagliata del danno in relazione ai compiti assegnati . A mio parere appare l’ennesimo attacco alle libere professioni con la volontà del legislatore di concentrare nell’impresa le attività progettuali ed esecutive ad un unico soggetto .

    Rispondi

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