Tecnica delle costruzioni, Ingegneria civile strutturale e geotecnica, 2020/21

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 2020/21

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

lunedì 5 ottobre 14-16	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 6 ottobre 11-13	VS	Verifica strutturale Richiami di teoria delle probabilità: variabili aleatorie, distribuzione di frequenza, densità di frequenza, densità di probabilità, valore medio, scarto quadratico medio, frattili e valori caratteristici Valori di riferimento per la resistenza dei materiali: variabilità della resistenza; valori caratteristici	4
mercoledì 7 ottobre 14-17	VS	Verifica strutturale Tensioni e resistenze dei materiali Azioni sulle costruzioni: azioni statiche e azioni variabili nel tempo; carichi permanenti e carichi variabili 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 Normativa Normativa italiana ed europea Coefficienti parziali per le azioni; valore raro, frequente e quasi permanente delle azioni variabili; coefficienti y0, y1, y2; combinazioni di carico; carichi non strutturali per tramezzi; destinazione d'uso e relativi valori dei carichi variabili	7
lunedì 12 ottobre 14-16	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 Quali valori della resistenza usare come riferimento nelle verifiche SLU: fy (snervamento) o fu (resistenza a trazione)? 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	9
martedì 13 ottobre 11-13	ACC	Profili formati a caldo: sagomario. Profili formati a freddo	11
martedì 13 ottobre 11-13	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	11
mercoledì 14 ottobre 14-17	PrA	Primi passi del progetto: definizione dei carichi unitari, con riferimento ai carichi permanenti e variabili (escluso neve e vento)	14
mercoledì 14 ottobre 14-17	ACC	Trazione Richiami di Scienza delle costruzioni sullo sforzo normale centrato Comportamento di sezioni e aste tese ideali al crescere dello sforzo normale Aste reali: imperfezioni geometriche; imperfezioni meccaniche. Comportamento di aste tese reali al crescere dello sforzo normale Resistenza allo stato limite ultimo. Verifica e progetto di sezioni allo stato limite ultimo; uso dei sagomari Resistenza di aste tese con sezioni indebolite da fori; rottura fragile e rottura duttile Resistenza di aste tese con sezioni indebolite da fori: verifica nel caso di profili a L (EC3 parte 1-8, punto 3.10.3)	14
lunedì 19 ottobre 14-16	VS	Normativa: carico da neve; esempio di valutazione del carico da neve Normativa: azione del vento; esempio di valutazione del carico da vento	16
lunedì 19 ottobre 14-16	PrA	Istruzioni per organizzazione tavole e disegno con Autocad	16
martedì 20 ottobre 11-13	ACC	Compressione Plasticizzazione della sezione; valutazione della resistenza plastica (in assenza di fenomeni di instabilità); resistenza in corrispondenza di fori Modalità di collasso di aste compresse: plasticizzazione della sezione e instabilità dell'asta 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; applicazioni numeriche 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	18
mercoledì 21 ottobre 14-17	ACC	Verifica di aste compresse: formula di normativa; applicazioni numeriche Progetto di aste compresse Aste composte: modalità di realizzazione; criteri di verifica e progetto di aste composte	21
mercoledì 21 ottobre 14-17	PrA	Valutazione delle azioni nei controventi Valutazione delle aree necessarie per le sezioni dei controventi allo SLU	21
lunedì 26 ottobre 14-16	PrA	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	23
lunedì 26 ottobre 14-16	ACC	Instabilità delle lastre Confronto tra il comportamento di aste compresse e lastre compresse; carico critico; comportamento post-critico	23
martedì 27 ottobre 11-13	ACC	Comportamento post-critico e comportamento ultimo; modellazione semplificata del comportamento ultimo; concetto di larghezza efficace; determinazione della larghezza efficace Instabilità locale Instabilità delle singole parti dei profili Classificazione delle sezioni e relativi limiti del rapporto c/t; esempi di classificazione per sezioni simmetriche	25
mercoledì 28 ottobre 14-17	PrA	Analisi dei carichi: carichi sulle travi secondarie; carichi sulle travi principali; carichi sulle colonne	28
lunedì 2 novembre 14-16	---	Lezione non tenuta per sospensione dell'attività didattica	---
martedì 3 novembre 11-13	ACC	Flessione semplice retta Richiami di Scienza delle costruzioni sulla flessione: posizione dell'asse neutro per materiale elastico lineare; relazione tra momento flettente e tensioni; tensioni massime; modulo di resistenza W Comportamento di una sezione soggetta a flessione, dal campo elastico al campo plastico; esempio per sezione simmetrica; diagramma delle tensioni e posizione dell'asse neutro per piena plasticizzazione Comportamento di una sezione soggetta a flessione in campo elastico ed in campo plastico; esempio per sezione non simmetrica Influenza della classe di sezione; momento resistente e duttilità per le diverse classi Momento resistente allo SLU per sezioni simmetriche e per sezioni non simmetriche	30
mercoledì 4 novembre 14-17	ACC	Verifica agli stati limite di esercizio (spostamenti) di elementi soggetti a flessione; applicazioni numeriche Progetto di sezioni e aste inflesse; applicazioni numeriche Flessione semplice retta: influenza delle imperfezioni; influenza di fori nell'ala Cenno all'instabilità flesso-torsionale	33
	PrA	Dimensionamento delle travi secondarie e principali
	ACC	Flessione deviata Verifica con materiale a comportamento elastico lineare (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
lunedì 9 novembre 14-16	ACC	Tensoflessione Verifica a tensoflessione e 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 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	35
martedì 10 novembre 11-13	ACC	Tensoflessione (segue) Verifica e progetto di sezioni: applicazioni numeriche Sezione a doppio T sollecitata nel piano debole; sezione scatolare Verifica a flessione composta deviata	37
mercoledì 11 novembre 14-17	---	Lezione non tenuta per motivi personali	---
lunedì 16 novembre 14-16	ACC	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	39
martedì 17 novembre 11-13	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	41
martedì 17 novembre 11-13	PrA	Dimensionamento delle colonne interne e perimetrali.0 Carichi verticali ed effetto del vento sulle colonne d'angolo	41
mercoledì 18 novembre 14-17	ACCè+	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 Determinazione dell'area a taglio; applicazioni numeriche Influenza del taglio sulla resistenza a flessione Torsione Problematiche generali; torsione per sezione circolare, per sezione rettangolare, per sezione chiusa Torsione alla De Saint Venant e torsione alla Vlasov; torsione per congruenza e torsione per equilibrio	43
mercoledì 18 novembre 14-17	---	Esempi di svolgimento di prova in itinere (prova su aste 2019/20) - 1 ora non conteggiata come lezione	---
lunedì 23 novembre 14-16	PrA	Impostazione della prima tavola in Autocad	44
lunedì 23 novembre 14-16	---	Esempi di svolgimento di prova in itinere (prova su aste 2019/20) - 1 ora non conteggiata come lezione	---
martedì 24 novembre 11-13	ACC	Collegamenti Considerazioni generali sui collegamenti; collegamenti saldati e bullonati. Unioni bullonate, caratteristiche dei bulloni, modalità di lavoro dei bulloni	46
mercoledì 25 novembre 14-17	ACC	Resistenza di bulloni a taglio. Resistenza a rifollamento	49
mercoledì 25 novembre 14-17	PrA	Progetto di collegamenti bullonati: progetto del collegamento controvento - trave Organizzazione delle tavole progettuali	49
lunedì 30 novembre 14-16	---	Lezione non tenuta (sostituita da prova in itinere)	---
Lunedì 30 novembre 15-16	---	Prima prova in itinere (verifica e progetto di aste in acciaio)	---
martedì 1 dicembre 11-13	PrA	Progetto di collegamenti bullonati: progetto del collegamento trave secondaria - trave principale	51
mercoledì 2 dicembre 14-17	ACC	Resistenza di bulloni a trazione. Resistenza a punzonamento	54
mercoledì 2 dicembre 14-17	PrA	Progetto di collegamenti bullonati: progetto del collegamento trave principale - colonna	54
lunedì 7 dicembre 14-16	---	Lezione non tenuta, per sospensione attività didattica disposta dal Rettore	---
martedì 8 dicembre 11-13	---	Giorno festivo	---
mercoledì 9 dicembre 14-17	ACC	Unioni saldate	57
lunedì 14 dicembre 14-16	PrA	Progetto di collegamenti (1 ora da contare come ricevimento studenti, per rimanere nel numero di ore previsto per lezioni)	58
martedì 15 dicembre 11-13	PrA	Progetto di collegamenti (2 ore da contare come ricevimento studenti, per rimanere nel numero di ore previsto per lezioni)	58
mercoledì 16 dicembre 14-17	PrA	Progetto di collegamenti (3 ore da contare come ricevimento studenti, per rimanere nel numero di ore previsto per lezioni)	58
lunedì 21 dicembre 14-16	PrA	Progetto di collegamenti (2 ore da contare come ricevimento studenti, per rimanere nel numero di ore previsto per lezioni)	58
martedì 22 dicembre 11-13	---	Seconda prova in itinere (verifica e progetto di collegamenti tra aste in acciaio)	---
mercoledì 23 dicembre 14-17	PrA	Progetto di collegamenti (3 ore da contare come ricevimento studenti, per rimanere nel numero di ore previsto per lezioni)	58

Lezioni previste e lezioni effettivamente tenute - modulo B da definire