Tecnica delle costruzioni, Ingegneria civile strutturale e geotecnica, 2018/19

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 2018/19

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 edificio in acciaio soggetto solo a carichi verticali e vento. 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 9 ottobre 17-19	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	2
martedì 9 ottobre 17-19	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; valori caratteristici del materiale	2
mercoledì 10 ottobre 8-11	VS	Azioni sulle costruzioni: carichi permanenti e carichi variabili Variabilità delle azioni permanenti Variabilità delle azioni nel tempo Possibili criteri di verifica: metodo delle tensioni ammissibili; calcolo a rottura Analisi probabilistica: determinazione della probabilità di collasso	5
martedì 16 ottobre 17-19	VS	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 Normativa: carichi non strutturali per tramezzi; destinazione d'uso e relativi valori dei carichi variabili; coefficienti y0, y1, y2	7
martedì 16 ottobre 17-19	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; classificazione degli acciai	7
mercoledì 17 ottobre 8-11	ACC	Acciaio Determinazione delle proprietà mediante prove sperimentali: resilienza; altre prove Processi di lavorazione e prodotti in acciaio. Profili formati a caldo; forma dei profilati e loro impiego, in funzione delle caratteristiche di sollecitazione; sagomari. Profili formati a freddo Valori della resistenza da usare come riferimento nelle verifiche SLU: fy (snervamento) o fu (resistenza a trazione)? Trazione Richiami di Scienza delle costruzioni sullo sforzo normale centrato Comportamento di sezioni e aste tese al crescere dello sforzo normale. Resistenza allo stato limite ultimo	10
martedì 23 ottobre 17-19	PrA	Prime indicazioni sul progetto da svolgere: elementi strutturali e carpenteria di un edificio in acciaio; tipologie di solai in un edificio in acciaio; travi secondarie e scelta della loro orditura; travi principali; colonne; fondazione Disposizione dei controventi nell'edificio in acciaio	12
martedì 23 ottobre 17-19	VS	Carichi unitari: carichi verticali permanenti e variabili Normativa: azione del vento; esempio di valutazione dell'azione del vento	12
mercoledì 24 ottobre 8-11	PrA	Travi principali e travi secondarie. Valutazione dei carichi su travi secondarie, travi principali, colonne Tipologie di controventi	15
mercoledì 24 ottobre 8-11	ACC	Trazione 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	15
martedì 30 ottobre 17-19	ACC	Trazione: Resistenza di aste tese con sezioni indebolite da fori; rottura fragile e rottura duttile; verifica nel caso di profili a L (EC3 parte 1-8, punto 3.10.3)	17
martedì 30 ottobre 17-19	PrA	Esempio di valutazione dell'azione del vento e delle caratteristiche di sollecitazione nei controventi.	17
mercoledì 31 ottobre 8-11	PrA	Valutazione delle aree necessarie per le sezioni dei controventi allo SLU Limiti di spostamento orizzontale per gli edifici; aree minime per il rispetto dei limiti di interpiano Scelta delle sezioni in base alle aree minime per SLU e SLE; uniformizzazione delle sezioni Verifica dimensionamento globale allo SLE	20
mercoledì 31 ottobre 8-11	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	20
martedì 6 novembre 17-19	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 Progetto di aste compresse	22
mercoledì 7 novembre 8-11	VS	Azione da neve	25
	PrA	Carichi unitari, permanenti e variabili, per l'edificio in esame
	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
martedì 13 novembre 17-19	ACC	Classificazione delle sezioni e relativi limiti del rapporto c/t; esempi di classificazione per sezioni simmetriche Flessione semplice retta 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 14 novembre 8-11	ACC	Flessione semplice retta (segue) Momento resistente allo SLU di una sezione (in assenza di fenomeni di instabilità locale); applicazioni numeriche Verifica agli stati limite di esercizio (spostamenti) di elementi soggetti a flessione; applicazioni numeriche Progetto di sezioni e aste inflesse; applicazioni numeriche	30
mercoledì 14 novembre 8-11	PrA	Riepilogo dei carichi unitari. Le travi nella carpenteria dell'edificio in acciaio: travi principali, travi secondaria; vincoli nel collegamento delle travi Valutazione dei carichi sulla trave secondaria	30
martedì 20 novembre 17-19	ACC	Flessione semplice retta (segue) Flessione semplice retta: influenza delle imperfezioni; influenza di fori nell'ala Esempi di classificazione delle sezioni e verifica a flessione per aste non simmetriche	32
martedì 20 novembre 17-19	PrA	Analisi dei carichi sulle travi principali; schema di calcolo per queste travi	32
mercoledì 21 novembre 8-11	PrA	Analisi dei carichi sulle colonne: valutazione dell'effetto dei carichi verticali per aree di influenza Dimensionamento delle colonne per carichi verticali Colonne: Azioni trasmesse dai controventi. Esempio di dimensionamento tenendo conto anche dell'azione trasmessa dai controventi	35
martedì 27 novembre 17-19	PrA	Sforzo normale nelle colonne adiacenti ai controventi, con vento come azione variabile principale e secondaria Carichi unitari, precisazioni Trave principale: analisi dei carichi, distribuiti e concentrati; determinazione del momento flettente; determinazione dell'abbassamento massimo	37
mercoledì 28 novembre 8-11	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 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 per una sezione generica: determinazione di x corrispondente a N; determinazione del corrispondente M resistente	40
martedì 4 dicembre 17-19	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 Verifica e progetto di sezioni: applicazioni numeriche	42
mercoledì 5 dicembre 8-11	ACC	Tensoflessione (segue) Sezione a doppio T sollecitata nel piano debole; sezione scatolare Verifica a flessione composta deviata Pressoflessione Influenza del momento flettente sulla resistenza all'instabilità; verifica con il metodo degli stati limite Metodi previsti dalla normativa italiana ed europea Verifica di aste pressoinflesse soggette a momento costante: metodi A e B; verifica per asta vincolata nel piano di applicazione del momento; verifica per asta che si instabilizza fuori del piano di applicazione del momento	45
martedì 11 dicembre 17-19	ACC	Pressoflessione (segue) Verifica di aste pressoinflesse: momento equivalente nel caso di diagramma di M lineare; momento equivalente nel metodo A e nel metodo B Applicazioni numeriche 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	47
mercoledì 12 dicembre 8-11	ACC	Taglio (segue) Determinazione dell'area a taglio; applicazioni numeriche Influenza del taglio sulla resistenza a flessione Torsione Problematiche generali; torsione per congruenza e torsione per equilibrio; torsione per sezione circolare, per sezione rettangolare, per sezione chiusa Torsione alla De Saint Venant e torsione alla Vlasov	50
mercoledì 12 dicembre 8-11	PrA	Impostazione grafica del progetto	50
martedì 18 dicembre 17-19	ACC	Collegamenti bullonati Tipologie: collegamenti bullonati, con bulloni che lavorano a taglio o a trazione, oppure collegamenti bullonati ad attrito Collegamenti a parziale e completo ripristino di resistenza 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 Esempi: collegamento a cerniera trave-colonna; collegamento trave-trave per trasmettere momento flettente e taglio	52
mercoledì 19 dicembre 8-11	ACC	Collegamento a taglio: rifollamento della lamiera; verifica e progetto di collegamenti bullonati; progetto dei bulloni, distanza tra bulloni in funzione della verifica a rifollamento, posizione della cerniera ideale e momenti parassiti Collegamenti ad attrito: verifica e progetto; motivazione dei collegamenti ad attrito Collegamenti con bulloni sollecitati a trazione: rottura a trazione del bullone; punzonamento della lamiera; verifica e progetto	55
martedì 8 gennaio 17-19	ACC	Riepilogo verifiche per collegamenti bullonati; collegamenti con bulloni sollecitati a trazione e taglio Esempi di collegamenti bullonati con relative verifiche: collegamento trave-colonna; collegamento controvento-piatto saldato alla trave; collegamento trave-colonna quando alla trave è collegato un controvento; collegamento trave secondaria-trave principale con estradosso comune. Verifica per tranciamento a blocco. Altri esempi di collegamento bullonato: collegamento colonna-colonna; collegamento colonna-fondazione; collegamento trave-trave.	57
mercoledì 9 gennaio 8-11	---	Prova in itinere su progetto e verifica di aste in acciaio	---
mercoledì 9 gennaio 8-11	ACC	Collegamenti saldati Tipologie: collegamenti saldati, a completa penetrazione, a parziale penetrazione e a cordone d'angolo 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) Esempi di collegamenti saldati: saldatura che trasmette una forza parallela al cordone; saldatura che trasmette una forza perpendicolare al cordone	---
martedì 15 gennaio 17-19	ACC	Esempi di collegamenti saldati: saldatura che trasmette una forza parallela o perpendicolare al cordone, confronto tra i risultati ottenuti con dominio sferico ed ellissoidale; saldatura soggetta a forza eccentrica; saldatura soggetta a forza inclinata eccentrica Saldatura del piatto su cui si innesta il controvento e la trave 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	---
mercoledì 16 gennaio 8-11	ACC	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 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 Scale in acciaio	---
mercoledì 23 gennaio 10-11	---	Prova in itinere su progetto e verifica di collegamenti tra aste in acciaio	---

Lezioni previste e lezioni effettivamente tenute - modulo B da completare