Effetti del vento sulle costruzioni

di Emanuele Ruggerone

Secondo alcuni recenti studi, “i danni e le perdite di vite umane causati dalle tempeste di vento stanno aumentando in tutto il mondo, e in particolare nei Paesi più industrializzati” (CISM “Ingegneria del vento – introduzione alla progettazione strutturale alla luce della nuova normativa” in cui si cita lo studio di Augusti, Borri, Niemann “Is Aeolian Risk as significant as other environmental risks?”).

Quello dei danni provocati dal vento e del recente incremento degli stessi rappresenta un reale problema, le cui cause sono spesso individuate in:

  • diversa conformazione degli spazi urbani, più addensati e popolati;
  • generale maggiore concentrazione di popolazione, ovvero anche in aree a rischio eolico;
  • evoluzione delle costruzioni da una tipologia pesante e tozza a una leggera e snella.

 

Effetti del maltempo a Pistoia, 15 marzo 2015 (fonte: http://www.meteoweb.eu/).

Il vento come azione statica equivalente

La teoria dell’ingegneria del vento considera quest’ultimo come un fenomeno complesso, per la cui descrizione occorre riferirsi a specifici concetti e operatori fisici e matematici. Un approccio del genere risulta però di scarsa applicabilità pratica e pertanto le normative accolgono il concetto semplificato di azione statica equivalente (questo, quanto meno, per le costruzioni ordinarie).

Il vento viene quindi trattato come una pressione statica determinata in base a due fondamentali parametri: la velocità del vento e la densità dell’aria. È chiaro però che la pressione così definita non tiene conto di tutti i parametri caratteristici di una specifica situazione progettuale. Le norme introducono quindi un sistema di coefficienti che consente di prendere in conto almeno l’esposizione della costruzione, la forma di quest’ultima e la presenza di eventuali effetti di tipo dinamico o di interazione fra vento e costruzione.

Secondo la normativa italiana, le formule da impiegare sono:

qb = 0.5 · ρ · v²                       per calcolare la pressione statica di riferimento

p = qb · Ce · Cp · Cd              per calcolare la pressione di progetto

I vari termini rappresentano:

ρ = la densità dell’aria, assunta pari a 1.25 kg/mc entro specifiche quote di riferimento. L’Eurocodice 1 introduce uno specifico procedimento per valutare la densità in funzione dell’altitudine sul livello del mare.

v = la velocità del vento, espressa in m/s (cosicché il valore di qb risulti espresso in N/mq). In Italia, la velocità del vento dipende dalla zona di riferimento (9 zone in totale). In generale assume valori compresi fra 25 e 31 m/s, cioè attorno ai 100 km/h (per un tempo di ritorno di 50 anni: per Tr superiori si può impiegare l’espressione riportata all’interno della Circolare esplicativa). Di conseguenza il valore di qb è attorno, quanto a ordine di grandezza, ai 40 kg/mq. Solo per un raffronto, si consideri che la scala Saffir – Simpson, usata per la classificazione degli uragani, associa a un evento minimo una velocità di 120 km/h e a un evento del massimo grado una di 250 km/h o superiore.

Ce = coefficiente di esposizione, funzione delle caratteristiche del sito di installazione. La normativa divide il territorio nazionale in cinque categorie di esposizione, considerando al contempo quattro classi di rugosità del terreno. Fondamentale, per la definizione del coefficiente Ce, è l’altezza sul suolo “z”. L’espressione che lega Ce a z è tipo logaritmico, in quanto contiene il logaritmo del rapporto fra z e una quota di riferimento. Al di sotto di specifici valori minimi (da 2 a 10 metri in funzione della categoria di esposizione), Ce è calcolato ad una quota uguale alla minima di riferimento: per la categoria V, ad esempio, con z,min = 10m, Ce risulta pari a 1.36. Una precisazione importante: attraverso il coefficiente Ce, la pressione statica del vento assume valori diversi in base all’altezza, anche lungo una stessa costruzione.

Coefficiente di forma e coefficiente dinamico

Nel caso di strutture comuni, regolari per forma e con superfici esposte piane, i coefficienti di forma e il coefficiente dinamico possono essere assunti uguali a 1.

La Circolare fornisce i valori del coefficiente di forma in alcuni casi tipologici:

  • edifici a pianta rettangolare con tetto piano o a falde;
  • coperture multiple;
  • tettoie isolate;
  • travi ad anima piena e travi reticolari;
  • torri e pali a sezione rettangolare o quadrata;
  • corpi cilindrici e corpi sferici.

Per quello che invece riguarda il coefficiente dinamico, un’analisi approfondita dello stesso è inevitabile nei casi di:

  • antenne;
  • ciminiere;
  • ponti o strutture sorrette da cavi;
  • edifici in genere sopra gli 80 metri di altezza;
  • costruzioni di grandi dimensioni e con forma non simmetrica;
  • torri per l’illuminazione e, in generale, gli elementi snelli a sezione cilindrica.

Un caso particolare è rappresentato da quelle situazioni in cui si raggruppano più strutture. Un esempio portato in sede di normativa è quello di “vento diretto normalmente alle linee di colmo” nel più generale “coperture multiple”. Per la prima copertura investita dal vento si applicano i coefficienti con valore intero, mentre per le successive si possono applicare decrementi del 25%.

Una trattazione per molti versi più completa dell’azione del vento è fornita dall’Eurocodice 1. In essa si illustrano metodi che permettono di tenere conto di diversi effetti dinamici (risonanza dovuta alla turbolenza, distacco di vortici, galloping, interferenza, divergenza e flutter).

Al di là di tali elementi ulteriori, la modellazione del vento secondo l’Eurocodice 1 è comunque del tutto simile a quella fornita dalla normativa italiana. Si fornisce di seguito un quadro riassuntivo delle metodologie di calcolo dell’Eurocodice 1, al quale si rimanda per ogni dettaglio:

  • la pressione di riferimento è calcolata in funzione dei coefficienti Cdir, Ctem e Calt secondo quanto in Appendice A;
  • per la determinazione di molti parametri occorre valutare la velocità media, funzione dei coefficienti Cr e Ct (rugosità e topografia, si veda il paragrafo 8);
  • il coefficiente di esposizione dipende dal parametro definito intensità della turbolenza secondo la 8.4;
  • il coefficiente dinamico (punto 9.3), invece, è fornito in vari casi all’interno dell’Appendice B;
  • per le verifiche relative a specifici fenomeni di natura dinamica occorre infine riferirsi all’Appendice C.

 

Bibliografia

D.M. 17.01.2018 Aggiornamento delle nuove norme tecniche per le costruzioni”.

Eurocodice 1, ENV 1991-2-4 Basi di calcolo ed azioni sulle strutture, parte 2-4: azioni sulle strutture, azioni del vento”.

International Centre for Mechanical Sciences monografie CISM Ingegneria del vento introduzione alla progettazione strutturale alla luce della nuova normativa, AAVV, a cura di Augusti, Materazzi, Sepe, 2001.

 

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