Azioni sulle Strutture — Capitolo 3 NTC

Il Capitolo 3 delle NTC 2018 classifica le azioni in base alla variazione della loro intensità nel tempo in tre categorie: azioni permanenti (G), azioni variabili (Q) e azioni eccezionali (A). Le azioni permanenti sono ulteriormente suddivise in peso proprio degli elementi strutturali (G1) e carichi permanenti portati, cioè i pesi degli elementi non strutturali (G2). Questa distinzione è fondamentale perché i due tipi di carico permanente sono trattati con coefficienti parziali diversi nelle combinazioni di carico.

I carichi permanenti strutturali G1 comprendono il peso proprio di tutti gli elementi portanti della struttura: travi, pilastri, solai, pareti strutturali, fondazioni e ogni altro elemento che partecipa alla resistenza del sistema strutturale. I valori di peso specifico dei materiali strutturali più comuni sono forniti dalla Tabella 3.1.I delle NTC 2018: il calcestruzzo armato ha un peso specifico di 25 kN/m3, l'acciaio di 78,5 kN/m3, il legno di conifera varia tra 4,0 e 6,0 kN/m3 in funzione della classe di resistenza.

I carichi permanenti non strutturali G2 includono il peso delle tramezze, dei massetti, dei pavimenti, dei rivestimenti, degli intonaci, degli impianti fissi e di tutti gli elementi stabilmente presenti sulla struttura ma che non contribuiscono alla resistenza strutturale. Per i solai di edifici residenziali, il carico permanente non strutturale tipico varia tra 2,0 e 3,5 kN/m2 in funzione della stratigrafia. Le NTC 2018 consentono di trattare le tramezze interne come carico distribuito equivalente quando il loro peso per metro lineare non supera i 2,0 kN/m, aggiungendo un sovraccarico permanente di 0,8 kN/m2.

I carichi variabili Q sono dovuti alla destinazione d'uso dell'opera e sono definiti dalla Tabella 3.1.II delle NTC 2018. Per gli edifici residenziali (Categoria A), il carico variabile uniformemente distribuito è pari a 2,0 kN/m2 con un carico concentrato di 2,0 kN. Per gli uffici (Categoria B) il valore sale a 3,0 kN/m2, per le aree commerciali (Categoria D) a 4,0 kN/m2, per le aree suscettibili di affollamento (Categoria C) varia tra 3,0 e 5,0 kN/m2. Le coperture accessibili solo per manutenzione (Categoria H) hanno un carico variabile di 0,5 kN/m2.

I coefficienti di combinazione psi definiti nella Tabella 2.5.I delle NTC 2018 modulano l'intensità dei carichi variabili nelle diverse combinazioni di carico. Per i carichi residenziali (Categoria A): psi-0 = 0,7, psi-1 = 0,5 e psi-2 = 0,3. Per la neve a quota inferiore a 1000 m: psi-0 = 0,5, psi-1 = 0,2 e psi-2 = 0,0. Per il vento: psi-0 = 0,6, psi-1 = 0,2 e psi-2 = 0,0. La corretta applicazione dei coefficienti di combinazione è essenziale per non sovrastimare o sottostimare le sollecitazioni di progetto.

L'azione della neve sulle coperture è disciplinata dal paragrafo 3.4 delle NTC 2018 e determina un carico superficiale funzione della località, dell'altitudine, dell'esposizione e della geometria della copertura. Il carico neve al suolo qs è il valore di riferimento, determinato in base alla zona climatica e all'altitudine del sito. L'Italia è suddivisa in tre zone neve (Zona I, Zona II e Zona III) con valori di carico al suolo crescenti, ulteriormente differenziati per le Regioni alpine.

Il carico neve sulla copertura qs si calcola con la formula: qs = mu-i x qsk x CE x Ct, dove mu-i è il coefficiente di forma della copertura, qsk è il valore caratteristico del carico neve al suolo, CE è il coefficiente di esposizione e Ct è il coefficiente termico. Il coefficiente di forma mu-i dipende dall'inclinazione della falda: per coperture piane (alpha da 0 a 30 gradi) mu-1 = 0,8; per inclinazioni tra 30 e 60 gradi mu-1 decresce linearmente; per alpha superiore a 60 gradi mu-1 = 0. Per coperture a due falde si devono considerare condizioni di carico simmetriche e asimmetriche.

Il coefficiente di esposizione CE tiene conto delle caratteristiche dell'area circostante il sito. Per topografie battute dal vento CE = 0,9, per topografie normali CE = 1,0 e per topografie riparate CE = 1,1. Il coefficiente termico Ct tiene conto della riduzione del carico neve per effetto della fusione causata dalla dispersione termica della copertura e, salvo analisi specifiche, si assume Ct = 1,0. Per coperture con elevato isolamento termico, il valore unitario di Ct è conservativo.

Per i valori di carico neve al suolo qsk, la zona I-Mediterranea (coste tirreniche e ioniche) presenta i valori più bassi: qsk = 0,60 kN/m2 per as inferiore o uguale a 200 m sul livello del mare. La zona I-Alpina ha valori significativamente superiori in funzione dell'altitudine. La zona II (Pianura Padana e versante adriatico centrale) presenta qsk = 1,00 kN/m2 al livello del mare. La zona III (versante adriatico settentrionale, Emilia-Romagna, Friuli) ha i valori più elevati con qsk = 1,50 kN/m2. Per altitudini superiori a 200 m, il carico aumenta secondo formule specifiche per ogni zona.

Le NTC 2018 richiedono la considerazione di condizioni di carico neve particolari per coperture con geometrie complesse. Per le coperture a shed, a volta, a sega e per le coperture adiacenti a costruzioni più alte si devono valutare gli accumuli localizzati di neve dovuti al vento e allo scivolamento dalle superfici contigue. Le pensiline e le marquise aggettanti su pareti di edifici possono subire accumuli significativi per effetto del vento che redistribuisce la neve. Il progettista deve valutare attentamente tutte le condizioni di carico previste dall'Eurocodice 1 Parte 1-3 richiamato dalle NTC.

L'azione del vento sulle costruzioni è disciplinata dal paragrafo 3.3 delle NTC 2018 e si esplica mediante pressioni e depressioni sulle superfici esterne e interne degli edifici, nonché mediante azioni tangenti parallele alle superfici investite. La velocità di riferimento del vento vb è il valore caratteristico della velocità media del vento su un intervallo di 10 minuti, misurata a 10 m di altezza su un terreno pianeggiante di categoria II, con periodo di ritorno di 50 anni.

L'Italia è suddivisa in 9 zone di vento (da 1 a 9), ciascuna caratterizzata da una velocità di riferimento vb,0 e un'altitudine di riferimento a0. Per la zona 1 (Valle d'Aosta, Piemonte, Lombardia, Trentino-Alto Adige, Veneto, Friuli Venezia Giulia) vb,0 = 25 m/s e a0 = 1000 m. Per la zona 3 (Toscana, Lazio, Umbria, Marche, Sardegna, Molise, Puglia) vb,0 = 27 m/s e a0 = 500 m. La velocità di riferimento per altitudini superiori a a0 cresce linearmente secondo la formula vb = vb,0 + ka x (as - a0).

La pressione del vento si calcola come p = qb x ce x cp x cd, dove qb = 0,5 x rho x vb2 è la pressione cinetica di riferimento (con rho = 1,25 kg/m3 densità dell'aria), ce è il coefficiente di esposizione, cp è il coefficiente di pressione aerodinamica e cd è il coefficiente dinamico. Il coefficiente di esposizione ce dipende dall'altezza sul suolo, dalla categoria di esposizione del sito (da I a V) e dalla classe di rugosità del terreno (da A a D). Per edifici ordinari con altezza inferiore a 50 m e in classe di rugosità B (aree suburbane), il coefficiente dinamico cd si assume pari a 1,0.

I coefficienti di pressione cp (coefficienti aerodinamici) definiscono la distribuzione delle pressioni e depressioni sulle superfici dell'edificio. Per pareti verticali sopravento il coefficiente di pressione esterna cpe è positivo (tipicamente +0,8), per pareti sottovento è negativo (tipicamente -0,4). Per le coperture piane i coefficienti sono generalmente negativi (depressione) e possono raggiungere valori elevati nelle zone di bordo e di colmo. Le pressioni interne, determinate dal coefficiente cpi, dipendono dalla permeabilità delle pareti e dalla distribuzione delle aperture.

L'azione sismica è trattata nel paragrafo 3.2 delle NTC 2018 e rappresenta uno degli aspetti più caratteristici della normativa italiana rispetto ad altri Paesi europei. La pericolosità sismica di base è definita su una griglia di 10.751 punti distribuiti sul territorio nazionale, per ciascuno dei quali sono forniti i parametri ag (accelerazione orizzontale massima al suolo su suolo rigido), F0 (valore massimo del fattore di amplificazione dello spettro) e Tc* (periodo di inizio del tratto a velocità costante dello spettro).

I parametri di pericolosità sono forniti per diversi periodi di ritorno TR, calcolati in funzione della vita di riferimento VR e della probabilità di superamento PVR associata allo stato limite considerato. Per lo Stato Limite di Salvaguardia della Vita (SLV), la probabilità di superamento è PVR = 10% in VR anni, corrispondente a un periodo di ritorno TR = -VR / ln(1 - PVR). Per una costruzione ordinaria con VN = 50 anni e classe d'uso II (CU = 1,0), il periodo di riferimento è VR = 50 anni e il periodo di ritorno per SLV è TR = 475 anni.

Lo spettro di risposta elastico in accelerazione Se(T) definisce l'azione sismica in funzione del periodo proprio della struttura T. Lo spettro è definito da quattro rami: un tratto crescente lineare da T = 0 a T = TB, un tratto ad accelerazione costante da TB a TC, un tratto a velocità costante da TC a TD e un tratto a spostamento costante per T superiore a TD. I parametri TB, TC e TD dipendono dalla categoria di sottosuolo (da A a E) e dalla categoria topografica (da T1 a T4) attraverso i coefficienti di amplificazione stratigrafica SS e di amplificazione topografica ST.

Le categorie di sottosuolo sono definite dal paragrafo 3.2.2 sulla base della velocità equivalente delle onde di taglio VS,30 nei primi 30 metri di profondità. La categoria A (roccia affiorante, VS,30 superiore a 800 m/s) non presenta amplificazione. La categoria B (depositi compatti, VS,30 tra 360 e 800 m/s) e la categoria C (depositi mediamente addensati, VS,30 tra 180 e 360 m/s) presentano amplificazioni crescenti. Le categorie D (depositi poco addensati, VS,30 inferiore a 180 m/s) e E (strato superficiale su substrato rigido) richiedono approfondimenti specifici.

Per le componenti verticali dell'azione sismica, le NTC 2018 definiscono uno spettro di risposta verticale con parametri diversi da quelli orizzontali. Lo spettro verticale presenta generalmente accelerazioni inferiori a quelle orizzontali per periodi medi e lunghi, ma può risultare significativo per periodi brevi. La componente verticale dell'azione sismica deve essere considerata obbligatoriamente per strutture con luci superiori a 20 m, elementi a sbalzo con luce superiore a 5 m, pilastri in falso, strutture di tipo spingente e strutture con isolamento sismico.

Le combinazioni di carico agli stati limite ultimi (SLU) sono definite dal paragrafo 2.5.3 delle NTC 2018. La combinazione fondamentale (STR/GEO) si esprime come: gamma-G1 x G1 + gamma-G2 x G2 + gamma-Qi x Qk1 + gamma-Qi x psi-0,2 x Qk2 + ..., dove gamma-G1 = 1,3 (sfavorevole) o 1,0 (favorevole) per i carichi permanenti strutturali, gamma-G2 = 1,5 (sfavorevole) o 0,0 (favorevole) per i carichi permanenti non strutturali, e gamma-Qi = 1,5 per i carichi variabili sfavorevoli. L'azione variabile Qk1 è quella dominante, assunta al suo valore caratteristico, mentre le altre sono ridotte tramite i coefficienti psi-0.

La combinazione sismica per SLU si esprime come: G1 + G2 + E + psi-2,1 x Qk1 + psi-2,2 x Qk2 + ..., dove E rappresenta l'azione sismica e le azioni variabili concomitanti sono assunte con i coefficienti di combinazione psi-2 (valore quasi permanente). Si noti che nella combinazione sismica i carichi permanenti sono assunti al loro valore caratteristico senza amplificazione (gamma = 1,0), poiché l'azione sismica è già definita con un adeguato livello di sicurezza tramite il periodo di ritorno.

Agli stati limite di esercizio (SLE) si distinguono la combinazione rara (per verifiche di deformabilità e fessurazione occasionale), la combinazione frequente (per verifiche di fessurazione in esercizio) e la combinazione quasi permanente (per verifiche degli effetti a lungo termine e delle deformazioni permanenti). Le differenze tra le combinazioni risiedono nei coefficienti applicati alle azioni variabili: la combinazione rara utilizza psi-0, la frequente psi-1 e la quasi permanente psi-2 per tutte le azioni variabili.

Il progettista deve individuare le combinazioni di carico più gravose per ciascun elemento strutturale e per ciascun tipo di verifica. Un carico permanente può essere sfavorevole per una verifica di resistenza e favorevole per una verifica di ribaltamento. La Tabella 2.6.I delle NTC 2018 fornisce i coefficienti parziali per le azioni nelle verifiche agli SLU, distinguendo tra approccio 1 (combinazioni A1+M1+R1 e A2+M2+R2) e approccio 2 (A1+M1+R3), quest'ultimo previsto per le verifiche geotecniche. La scelta dell'approccio influenza significativamente il dimensionamento degli elementi strutturali e delle fondazioni.