Tecnica delle costruzioni, Ingegneria civile strutturale e geotecnica, 2017-18

ACCIAIO, CEMENTO ARMATO, SISMICA ED ALTRO

a cura di Aurelio Ghersi

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CORSO DI TECNICA DELLE COSTRUZIONI - Ingegneria civile strutturale e geotecnica

anno accademico 2017/18

Programma delle lezioni

Obiettivo del corso è fornire allo studente le conoscenze teoriche e le capacità applicative necessarie per la progettazione delle strutture. L'iter fondamentale di tale operazione richiede il passaggio dall'oggetto ad un modello (geometrico e di carico) che verrà calcolato e verificato. Si seguiranno quindi le tre fasi (modellazione, analisi strutturale, verifica strutturale) di seguito descritte, che verranno integrate da un'ampia gamma di applicazioni progettuali.

Modellazione

Gli studenti sono in genere abituati ad affrontare problemi strutturali ben definiti, nei quali lo schema da risolvere è già assegnato. Si trovano quindi in difficoltà di fronte agli oggetti reali, perché non riescono a vedere come schematizzarli. In aggiunta a ciò, la disponibilità di strumenti di calcolo sempre più potenti tende a spingere verso l'uso di modelli sempre più complessi, nel tentativo (spesso vano) di raggiungere una migliore conoscenza dell'oggetto reale. Ciò comporta il rischio di inseguire i singoli dettagli e perdere di vista l'unitarietà del comportamento strutturale.
Per ovviare a questi problemi il corso dà sufficiente spazio alle problematiche di modellazione e, pur non disdegnando l'uso di programmi di calcolo e di modelli più complessi, cerca di formare lo studente al riconoscimento del comportamento globale per individuare schemi appropriati ma il più possibile semplici ed essenziali.

Analisi strutturale

Con tale termine si intende, in particolare, la risoluzione dello schema geometrico soggetto ai carichi (quindi, nel caso di insieme di aste, la determinazione delle caratteristiche della sollecitazione).
La risoluzione di schemi semplici, ai quali principalmente si ricorre, è già nota dal corso di Scienza delle costruzioni ma viene richiamata, almeno nelle sue linee essenziali, nel corso. E' infatti essenziale per l'ingegnere riuscire a padroneggiare schemi semplici, valutandone con rapidità le caratteristiche di sollecitazione, calcolandone le deformazioni e tracciando, anche qualitativamente, i diagrammi delle caratteristiche di sollecitazione e la deformata della struttura.
Per schemi più complessi, dalla trave continua ai telai piani, vengono fornite indicazioni operative che consentono di stimare con buona approssimazione i risultati. Ciò risulta utile sia per il dimensionamento preliminare delle strutture che per il controllo e l'accettazione dei risultati forniti da semplici programmi di analisi strutturale, messi a disposizione dal docente, o dai più complessi programmi in uso nella pratica professionale.

Verifica strutturale

Come già visto nel corso di Scienza delle costruzioni, i criteri con i quali si verifica la resistenza strutturale sono basati sull'esame dello stato tensionale.

Nel corso di Tecnica delle costruzioni, modulo A, si esamina innanzitutto in generale il problema della verifica della sicurezza, mostrando come passare da modelli di comportamento lineari (verifica alle tensioni ammissibili) a modelli non lineare (verifica allo stato limite ultimo), evidenziandone gli aspetti unitari più che le differenze. Si esamina quindi come estendere i risultati ricavati per sezione di materiale ideale (omogeneo, isotropo, linearmente elastico), alle situazioni reali nelle quali il materiale (acciaio) può avere un comportamento non lineare. Si affronta così il problema della verifica di resistenza di sezioni in acciaio e della verifica di stabilità di aste in acciaio. Si passa quindi all'esame dei possibili collegamenti tra aste in acciaio.

Nel corso di Tecnica delle costruzioni, modulo B, si estendono i risultati, ricavati per sezione di materiale ideale (omogeneo, isotropo, linearmente elastico), alle situazioni reali nelle quali il materiale oltre a non avere comportamento lineare, non è omogeneo (cemento armato). Si mostra in che modo viene superato il problema della non omogeneità di calcestruzzo e acciaio e quello della scarsa resistenza a trazione del calcestruzzo, ribadendo l'unitarietà di approccio che è alla base dei due modelli di comportamento del materiale (lineare e non lineare).

Applicazioni progettuali

Nell'ambito del corso di Tecnica delle costruzioni vengono sviluppate applicazioni progettuali relative ad elementi strutturali in acciaio e in cemento armato, assegnando agli studenti progetti da svolgere individualmente. In particolare, nel modulo A si esaminano gli elementi presenti in un capannone, o in alternativa in una scala in acciaio o in un edificio in acciaio soggetto solo a carichi verticali. Nel modulo B si esaminano gli elementi presenti in un edificio in cemento armato soggetto solo a carichi verticali. Lo svolgimento dei progetti sarà presentato in dettaglio nel corso; gli studenti potranno ricevere ulteriori chiarimenti durante apposite ore di lezione o in ulteriori incontri in cui si discuteranno collegialmente i problemi posti dai singoli studenti.

Sono indicati nel seguito in maniera sintetica gli argomenti che si prevede di affrontare in ciascuna delle lezioni del corso. Queste informazioni verranno aggiornate man mano che si procede con le lezioni. Sono indicate col colore verde le lezioni che si prevede di fare, in nero le lezioni già fatte. Il numero sulla destra indica il numero totale (progressivo) di ore di lezione effettuate.

Le lezioni del corso sono raggruppate in moduli, alcuni teorici ed altri a carattere progettuale.

Per meglio comprendere a quale modulo fa capo ogni lezione, nel seguito è riportata per ogni lezione una sigla che contraddistingue il modulo cui essa appartiene. In particolare si è usato:
AS	per indicare il modulo "modellazione e analisi strutturale"
VS	per indicare il modulo "verifica strutturale, aspetti generali"
ACC	per indicare il modulo di teoria su "verifica e progetto di elementi in acciaio e collegamenti" - mod.A
PrA	per indicare il modulo progettuale "modellazione e progetto di elementi strutturali in acciaio" - mod.A
CA	per indicare il modulo di teoria su "verifica e progetto di elementi in cemento armato" - mod.B
PrC	per indicare il modulo progettuale "modellazione e progetto di elementi strutturali in cemento armato" - mod.B
CAP	per indicare il modulo di teoria su "verifica e progetto di elementi in cemento armato precompresso" - mod.B

Lezioni previste e lezioni effettivamente tenute - modulo A

martedì 10 ottobre 17-20	AS,VS	Presentazione del corso Organizzazione generale del corso Sviluppo storico: dall'arte del costruire alla progettazione strutturale Dall'oggetto reale alla modellazione, analisi strutturale e verifica/progetto di sezioni	3
martedì 10 ottobre 17-20	VS	Verifica strutturale Richiami di teoria delle probabilità: variabili aleatorie, distribuzione di valori, densità di probabilità, valore medio, scarto quadratico medio, frattili e valori caratteristici Variabilità della resistenza del materiale; variabilità delle azioni Azioni sulle costruzioni: carichi permanenti e carichi variabili	3
mercoledì 11 ottobre 8-11	VS	Variabilità delle azioni nel tempo Possibili criteri di verifica: metodo delle tensioni ammissibili; calcolo a rottura Analisi probabilistica: determinazione della probabilità di collasso Approccio semiprobabilistico: coefficienti di sicurezza parziali; verifica allo stato limite ultimo Il metodo degli stati limite: stato limite ultimo e stati limite di esercizio; tensioni di riferimento e coefficienti di sicurezza nelle verifiche allo SLU Normativa italiana ed europea	6
martedì 17 ottobre 17-20	ACC	Acciaio Acciai da carpenteria metallica: proprietà; composizione chimica e sua influenza sulle proprietà fisico-meccaniche Determinazione delle proprietà mediante prove sperimentali: prova di trazione e legame costitutivo tensioni-deformazioni; resilienza; altre prove; classificazione degli acciai Processi di lavorazione e prodotti in acciaio. Profili formati a caldo; forma dei profilati e loro impiego, in funzione delle caratteristiche di sollecitazione. Profili formati a freddo	9
mercoledì 18 ottobre 8-11	ACC	Trazione Richiami di Scienza delle costruzioni sullo sforzo normale centrato Comportamento di sezioni e aste tese al crescere dello sforzo normale Verifica allo stato limite ultimo; progetto di sezioni allo stato limite ultimo; uso dei sagomari Imperfezioni geometriche e meccaniche; influenza delle imperfezioni sul comportamento e sulla resistenza di aste tese Resistenza di aste tese con sezioni indebolite da fori; verifica nel caso di profili a L; rottura fragile e rottura duttile	12
martedì 24 ottobre 17-20	PrA	Prime indicazioni sul progetto da svolgere: elementi strutturali e carpenteria di un edificio in acciaio Disposizione nei controventi nell'edificio in acciaio	15
martedì 24 ottobre 17-20	VS	Normativa. Carichi verticali, azione del vento	15
mercoledì 25 ottobre 8-11	PrA	Esempio di valutazione dell'azione del vento e di dimensionamento allo SLU del controvento Limiti di spostamento orizzontale per gli edifici	18
	VS	Azione da neve
	ACC	Compressione Modalità di collasso di aste compresse: plasticizzazione della sezione e instabilità dell'asta Plasticizzazione della sezione; valutazione della resistenza plastica (in assenza di fenomeni di instabilità) Instabilità di asta compressa in campo elastico: formula di Eulero; comportamento critico e postcritico, nell'ipotesi di piccoli spostamenti e per grandi spostamenti; lunghezza libera di inflessione per diverse situazioni di vincolo
martedì 31 ottobre 17-20	---	Lezione non tenuta per motivi personali	---
mercoledì 1 novembre 8-11	---	Giorno festivo	---
martedì 7 novembre 17-20	ACC	Compressione (segue) Influenza delle imperfezioni sul comportamento al crescere di N e sul carico critico Instabilità di asta compressa, tenendo conto del limite di snervamento: aste perfette, tozze e snelle; resistenza all'instabilità in presenza di imperfezioni; curve di instabilità Verifica di aste compresse: formula di normativa; applicazioni numeriche	21
martedì 7 novembre 17-20	PrA	Ulteriori considerazioni sul dimensionamento dei controventi	21
mercoledì 8 novembre 8-11	ACC	Aste composte: modalità di realizzazione; vantaggi; criteri di verifica Instabilità locale Confronto tra il comportamento di aste compresse e lastre compresse; carico critico; comportamento post-critico; modellazione semplificata del comportamento ultimo; concetto di larghezza efficace; determinazione della larghezza efficace Classificazione delle sezioni e relativi limiti del rapporto c/t; esempi di classificazione per sezioni simmetriche	24
martedì 14 novembre 17-20	ACC	Flessione semplice retta Verifica agli stati limite di esercizio (spostamenti) di elementi soggetti a flessione; applicazioni numeriche Richiami di Scienza delle costruzioni sulla flessione Comportamento di una sezione soggetta a flessione in campo elastico ed in campo plastico; influenza della classe della sezione; diagramma delle tensioni e posizione dell'asse neutro nei due casi (elastico e plastico), con riferimento a sezioni simmetriche; diagramma tensioni e asse neutro nel caso di sezioni non simmetriche	27
mercoledì 15 novembre 8-11	ACC	Flessione semplice retta (segue) Momento resistente allo SLU di una sezione (in assenza di fenomeni di instabilità locale); applicazioni numeriche Progetto di sezioni e aste inflesse; applicazioni numeriche Flessione semplice retta: influenza delle imperfezioni; influenza di fori nell'ala	30
mercoledì 15 novembre 8-11	PrA	Carichi unitari, permanenti e variabili. Le colonne nella carpenteria dell'edificio in acciaio. Analisi dei carichi sulle colonne: valutazione dell'effetto dei carichi verticali per aree di influenza	30
martedì 21 novembre 17-20	ACC	Flessione deviata Verifica con materiale a comportamento elastico lineare (tensioni ammissibili, stato limite ultimo per sezioni di classe 3); dominio di resistenza (curva di interazione My-Mz) con modello lineare Costruzioni di domini di resistenza con materiale a comportamento non lineare; formule di verifica allo stato limite ultimo per sezioni di classe 1 e 2	33
martedì 21 novembre 17-20	PrA	Colonne: Azioni trasmesse dai controventi Le travi nella carpenteria dell'edificio in acciaio: travi principali, travi secondaria, scala; vincoli nel collegamento delle travi Analisi dei carichi sulle travi secondarie e principali; travi principali - forze concentrate o carico distribuito?	33
mercoledì 22 novembre 8-11	PrA	Colonne: esempio di dimensionamento	36
mercoledì 22 novembre 8-11	ACC	Tensoflessione Richiami di Scienza delle costruzioni; verifica a tensoflessione; dominio di resistenza M-N in campo elastico Comportamento della sezione soggetta a tensoflessione oltre il limite elastico Verifica a tensoflessione allo stato limite ultimo: determinazione di x corrispondente a N; determinazione del corrispondente M resistente	36
martedì 28 novembre 17-20	---	Lezione non tenuta perché l'aula è impegnata per concorso	---
mercoledì 29 novembre 8-11	ACC	Tensoflessione (segue) Costruzione del dominio di resistenza M-N allo stato limite ultimo: criterio generale; applicazione alla sezione rettangolare; applicazione alla sezione a doppio T sollecitata nel piano di maggior resistenza Formule di normativa per la verifica a tensoflessione per sezione a doppio T sollecitata nel piano di maggior resistenza; sezione a doppio T sollecitata nel piano debole Verifica e progetto di sezioni: applicazioni numeriche Pressoflessione Influenza del momento flettente sulla resistenza all'instabilità; verifica con il metodo degli stati limite Metodi previsti dalla normativa italiana ed europea	39
mercoledì 29 novembre 8-11	PrA	Progetto delle colonne	39
martedì 5 dicembre 17-20	ACC	Pressoflessione (segue) Verifica di aste pressoinflesse soggette a momento costante: metodi A e B; applicazioni numeriche Verifica di aste pressoinflesse: momento equivalente nel caso di diagramma di M lineare; momento equivalente nel metodo A e nel metodo B Formule di verifica per tensoflessione deviata Taglio Tensioni tangenziali dovute al taglio in campo elastico ed in campo plastico Collasso per taglio; verifica alle tensioni ammissibili e allo stato limite ultimo; applicazioni numeriche Influenza del taglio sulla resistenza a flessione	42
mercoledì 6 dicembre 8-11	---	Lezione non tenuta perché gli studenti partecipano ad una visita tecnica organizzata dal corso di laurea	---
martedì 12 dicembre 17-20	PrA	Geometria della scala e problemi specifici delle travi della scala.	45
martedì 12 dicembre 17-20	ACC	Collegamenti Tipologie: collegamenti saldati e bullonati; collegamenti saldati, a completa penetrazione e a cordone d'angolo; collegamenti bullonati, con bulloni che lavorano a taglio o a trazione, oppure collegamenti bullonati ad attrito	45
mercoledì 13 dicembre 8-11	ACC	Collegamenti bullonati Caratteristiche dei bulloni: diametro, area nominale e area resistente, classe; prescrizioni sulla distanza tra i fori Collegamenti con bulloni sollecitati a taglio: rottura a taglio del bullone; rifollamento della lamiera; verifica e progetto di collegamenti bullonati	48
mercoledì 13 dicembre 8-11	PrA	Collegamento tra controvento e trave in corrispondenza del nodo: progetto dei bulloni, distanza tra bulloni in funzione della verifica a rifollamento, dimensioni del piatto Collegamento trave-colonna con angolari (a cerniera, cioè per trasmettere taglio): progetto dei bulloni, distanza tra bulloni in funzione della verifica a rifollamento, progetto dell'angolare, posizione della cerniera ideale e momenti parassiti	48
martedì 19 dicembre 17-20	ACC	Collegamenti a parziale e completo ripristino di resistenza Collegamenti ad attrito: verifica e progetto; motivazione dei collegamenti ad attrito; applicazioni numeriche Collegamenti con bulloni sollecitati a trazione: rottura a trazione del bullone; punzonamento della lamiera; verifica e progetto; applicazioni numeriche Collegamenti con bulloni sollecitati a trazione e taglio	51
martedì 19 dicembre 17-20	PrA	Collegamento trave-colonna con angolari: verifica per tener conto dei momenti parassiti Collegamento tra controvento e trave in corrispondenza del nodo, se il controvento è un angolare (o una coppia di angolari): momento dovuto all'eccentricità tra asse dell'asta e asse dei bulloni e suo effetto sui bulloni Collegamento a cerniera tra travi perpendicolari (con estradosso uguale): progetto dei bulloni e dell'angolare; verifica dell'angolare per tranciamento a blocco (block tearing)	51
mercoledì 20 dicembre 8-11	ACC	Collegamenti saldati Tecniche di saldatura; imperfezioni; domini di resistenza sperimentali; domini di resistenza semplificati per la verifica allo stato limite ultimo; formule di normativa (dominio sferico ed ellissoidale) Applicazioni numeriche: saldatura che trasmette una forza parallela al cordone; saldatura che trasmette una forza perpendicolare al cordone; confronto tra i risultati ottenuti con dominio sferico ed ellissoidale; saldatura soggetta a forza eccentrica Collegamento di un piatto con più saldature, per trasmettere taglio e momento flettente: collegamento con due saldature, disposte in maniera diversa; collegamenti con tre saldature Collegamento saldato tra asta con sezione a L e piatto; progetto dei cordoni di saldatura, di differente lunghezza; resistenza del collegamento nel caso che i cordoni abbiano uguale lunghezza	54
mercoledì 20 dicembre 8-11	PrA	Progetto della saldatura tra piatto e trave nel collegamento trave-controvento	54
martedì 9 gennaio 17-20	ACC	Verifica di saldatura soggetta a forza inclinata eccentrica Collegamenti trave-trave per trasmettere taglio e momento flettente: collegamento con piatti e verifica del piatto forato; collegamento flangiato Collegamenti trave-colonna per trasmettere taglio e momento flettente: collegamento con angolari (o profili a T); collegamento flangiato Collegamenti colonna-fondazione Collegamento trave-colonna flangiato; sollecitazioni flessionali nella flangia; influenza dell'effetto leva Verifiche di resistenza da effettuare nel collegamento trave-colonna flangiato: verifica a trazione dei bulloni; verifica a flessione della flangia; verifica a flessione dell'ala della colonna; verifica a trazione dell'anima della colonna; verifica a compressione dell'anima della colonna; verifica a taglio dell'anima della colonna	57
mercoledì 10 gennaio 8-11	AS	Analisi strutturale - esempi e richiami di concetti di base Relazioni tra caratteristiche di sollecitazione e deformazione (azioni - caratteristiche di sollecitazione - deformazione dell'asta e viceversa deformazione dell'asta - caratteristiche di sollecitazione - azioni) Procedimento per l'analisi di strutture isostatiche: determinazione delle reazioni vincolari; valori e diagrammi delle caratteristiche di sollecitazione Relazioni tra deformata e diagramma del momento flettente; determinazione di spostamenti e rotazioni; deformata Esempio di compito scritto Strutture iperstatiche - metodo delle forze: caratteristiche e procedimento generale; scelta dello schema isostatico; valutazione qualitativa e quantitativa delle reazioni iperstatiche	60
martedì 16 gennaio 17-20	AS	Strutture iperstatiche: applicazioni del metodo delle forze a vari esempi; metodo degli spostamenti Trave continua Risoluzione di schemi di trave continua: metodo delle forze, esempi di risoluzione col metodo delle forze (equazione dei tre momenti); metodo degli spostamenti; metodi di rilassamento; metodo di Cross	---
mercoledì 17 gennaio 8-11	AS	Esempio di risoluzione di trave continua col metodo di Cross Telaio Esempio di risoluzione per carichi verticali col metodo di Cross Previsione delle sollecitazioni da forze orizzontali in uno schema a telaio	---
martedì 23 gennaio 17-20	---	Lezione non tenuta per esaurimento del numero di ore di lezione	---
mercoledì 24 gennaio 8-11	---	Lezione non tenuta per esaurimento del numero di ore di lezione	---

Lezioni previste e lezioni effettivamente tenute - modulo B da completare