Come calcolare l’azione del vento su tettoie e pensiline

L'azione del vento sulle strutture leggere: una metodologia per l’applicazione delle prescrizioni normative legate alla Circolare del C.S.LL.PP. n.7 del 21.01.2019.

Appare evidente da questa trattazione come la suddetta norma introduca una valutazione dell’azione del vento su tettoie e pensiline in forma piuttosto articolata.

Il vento, la cui direzione si considera generalmente orizzontale, esercita sulle costruzioni azioni che variano nel tempo e nello spazio provocando, in generale, effetti dinamici.

Nel caso di strutture leggere, flessibili e di forma o tipologia inusuale, gli spostamenti e le velocità strutturali sono talvolta così grandi da provocare fenomeni d’interazione vento-struttura che modificano le azioni aerodinamiche e la risposta. In questi casi la valutazione delle azioni dovute al vento richiede l’uso di metodologie di calcolo adeguate allo stato dell’arte.

Tuttavia, per le costruzioni usuali, le azioni del vento sono convenzionalmente ricondotte alle azioni statiche equivalenti definite al § 3.3.3 delle Norme Tecniche per le Costruzioni relative al DM 20.02.2018

Le azioni statiche del vento sono pressioni e depressioni agenti sulle superfici, esterne e interne, degli elementi. Inoltre, per costruzioni o elementi di grande estensione, si deve tener conto anche delle azioni tangenziali prodotte dal vento.

I valori di progetto della pressione del vento dipendono da vari fattori quali da densità dell’aria, posizione geografica, altitudine sul livello del mare del sito, rugosità, dalla topografia, altezza e forma dell’edificio e periodo di ritorno. 

La valutazione della pressione del vento

La valutazione della pressione del vento si basa sulla definizione di: 

a) velocità base di riferimento vb, funzione della posizione geografica e dell’altitudine sul livello del mare della costruzione, definita al §3.3.1 delle NTC 2018;

b) velocità di riferimento vr, funzione del periodo di ritorno di progetto TR definita al §3.3.2 delle NTC 2018;

c) pressione cinetica di riferimento qr definita al §3.3.6 delle NTC 2018;

d) coefficiente di esposizione ce funzione della categoria di esposizione e della rugosità del terreno nel sito; 

e) coefficiente di topografia ct ;

f) coefficiente aerodinamico cp (o coefficiente di forma), funzione della tipologia e della geometria della costruzione e del suo orientamento rispetto alla direzione del vento; 

g) coefficiente dinamico cd, tiene conto degli effetti riduttivi associati alla non contemporaneità delle massime pressioni locali e degli effetti amplificativi dovuti alle vibrazioni strutturali.

La pressione del vento è quindi data dall’espressione 3.3.4 delle NTC 2018:

p = qr·ce·cp·cd

Indicazioni sulla valutazione dei coefficienti ce, cp e cd sono riportate nello specifico nei paragrafi C.3.3.7-C.3.3.9 della Circolare applicativa 2019.

L’azione tangente del vento per unità di superficie parallela alla direzione del vento è data dall’espressione 3.3.5 delle NTC 2018:

pf = qr·ce·cf     

dove cf è il coefficiente d’attrito, funzione della scabrezza della superficie sulla quale il vento esercita l’azione tangente. 

Le novità introdotte nella Circolare esplicativa n.7 del 2019

Nella Circolare del C.S.LL.PP. n.7 del 21.01.2019, la stima dei coefficienti aerodinamici cp, contiene sostanziali differenze rispetto alla Circolare n.617 del 2009.

Nel documento, infatti, sono presenti diverse metodologie per ricavare i coefficienti aerodinamici definendoli in funzione di svariati fattori e differenziandoli per varie tipologie edilizie: 

  • edifici con pianta rettangolare con copertura piana, a falde, inclinate o curvilinee. (C3.3.8.1); 
  • tettoie (C3.3.8.2);
  • pareti verticali di edifici a pianta circolare (C3.3.8.3); 
  • coperture sferiche di edifici a pianta circolare (C3.3.8.4); 
  • travi (C3.3.8.6);
  • torri e pali a traliccio (C3.3.8.7).

In particolare i coefficienti aerodinamici sono definiti in funzione dalla direzione del vento (ortogonale o parallela) e delle dimensioni e della geometria dell’elemento. Inoltre, la trattazione è differenziata per: coperture piane (C3.3.8.1.2), a falda singola (C3.3.8.1.3), a falda doppia (C3.3.8.1.4), a padiglione (C3.3.8.1.5), a falde multiple (C3.3.8.1.6) e a volta cilindrica (C3.3.8.1.7).

Nella nuova Circolare, i suddetti coefficienti vengono differenziati in coefficienti aerodinamici globali e locali. Difatti l’analisi dell’azione aerodinamica del vento può essere effettuata in maniera semplificata attraverso l’utilizzo del coefficiente globale cpe. Tale coefficiente fa riferimento ad azioni globali su estese porzioni di costruzioni o per il calcolo delle risultanti delle azioni indotte dal vento sugli elementi principali della struttura.

Tuttavia, mentre nella Circolare n.617 del 2009 i valori dei coefficienti globali erano dipendenti esclusivamente dall’inclinazione rispetto all’orizzontale della superficie, nella Circolare n.7 del 2019 i coefficienti globali sono funzione delle dimensioni della parete e della posizione rispetto alla direzione del vento (sopravento, sottovento e laterali), i cui valori sono diagrammati in base al rapporto tra l’altezza e la profondità dell’edificio.

La principale novità del paragrafo è l’introduzione di due coefficienti locali cpe,10 e cpe,1 (da impiegare in alternativa ai coefficienti globali). 

  • Il coefficiente locale cpe,10 quantifica la pressione locale agente sugli elementi con area di incidenza maggiore o uguale a 10 mq
  • Il coefficiente di dettaglio cpe,1, quantifica la pressione locale agente sugli elementi con aree di incidenza minori o uguali a 1 mq.

Nella Circolare sono riportati dettagliatamente i metodi per ricavare le tre tipologie di coefficienti aerodinamici relativi a edifici a pianta rettangolare, a pianta circolare, con copertura piana, a falda, inclinata, a volta, sferica, ecc. 

Ulteriori novità sono rappresentate dalla trattazione dei coefficienti di pressione relativi alle pareti verticali di edifici a pianta rettangolare (C.3.3.8.1.1) e del concetto di altezza di riferimento per le facciate sopravento (C3.3.8.1.1.1). In particolare, cambiano i coefficienti delle equazioni che definiscono i cpe (Figura 1) e la definizione dei coefficienti di pressione interna cpi i quali, per aperture sulle facce <30% della superficie, vengono ricondotti a quelli delle tettoie.

Inoltre, viene introdotto per la prima volta il concetto di altezza di riferimento, ereditato dalla CNR DT 207/2008.

Il paragrafo C3.3.8.1.1.1 fornisce un criterio di valutazione dell’altezza di riferimento per la faccia sopravento, ossia della quota a cui si deve calcolare la pressione cinetica di picco, tale da condurre a stime approssimate, generalmente a favore di sicurezza, della risultante di tali pressioni. Mentre nel paragrafo C3.3.8.1.1.2 l’altezza di riferimento per la faccia sottovento e per le facce laterali degli edifici può essere considerata, con buona approssimazione, costante con la quota. 

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Figura 1- Valutazione dei coefficienti cpe  per pareti verticali secondo (a) Circolare n.7 del 2019 e (b) Circolare n.617 del 2009.

Azione del vento sulle tettoie

Al paragrafo C3.3.8.2, vengono forniti i criteri per valutare le azioni globali del vento sulle coperture in cui lo spazio sottostante non sia delimitato in maniera permanente da pareti.

Tra le novità della circolare vi è la differenziazione tra tettoie a falda singola, doppia o multipla.

In tale paragrafo l’azione del vento sulle tettoie è schematizzata attraverso forze F risultanti dal campo di pressioni sulla superficie della falda della tettoia, dirette ortogonalmente ad essa. Tali forze sono quantificate dal prodotto tra la pressione cinetica, i coefficienti di forza (cF), la superficie della falda in esame e sono applicate in punti diversi a seconda della tipologia di tettoia.

Nella Circolare n.617 del 2009, i coefficienti aerodinamici di tettoie e pensiline erano funzione dell’angolo di inclinazione della falda e i casi di carico erano solamente sovrappressione o depressione.

Nella nuova Circolare i casi di carico aumentano considerevolmente rispetto alla precedente a causa dell’introduzione del coefficiente di bloccaggio Φ definito come il rapporto tra l’area esposta al vento di un eventuale ostruzione presente al di sotto della tettoia e l’area totale della superficie ortogonale alla direzione del vento al di sotto della tettoia (Figura 2). Tale coefficiente è riportato nel testo con carattere greco maiuscolo, indicandolo però nelle figure in minuscolo, contrariamente a quanto riportato nella CNR DT 207/2008, da cui si sono mutuate le immagini, in cui il coefficiente è riportato sempre in forma minuscola.

Si identificano due situazioni limite:

  • Φ=0 assenza di ostruzioni al di sotto della tettoia;
  • Φ=1 spazio al di sotto della tettoia completamente ostruito.

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Figura 2 - Differenze di flusso d’aria per tettoie con Φ=0 e Φ=1

È importante osservare che le azioni aerodinamiche esercitate dal vento sulle tettoie dipendono fortemente dal grado di bloccaggio in quanto la presenza di un’ostruzione, anche soltanto sul lato sottovento, impedisce il passaggio dell’aria al di sotto della tettoia.

Nella Figura 3 si mostra come il coefficiente di forza cF dipendi dal grado di bloccaggio e dall’inclinazione della falda.

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Figura 3 - Coefficiente di forza per tettoia a semplice falda (figura C3.3.21 della circolare esplicativa n.7 del 2019)

Una volta calcolata la forza risultante F = qp(z)·L2·cF, essa si considererà agente simultaneamente su entrambe le falde oppure soltanto su una di esse a seconda della tipologia.

Inoltre, per il calcolo della tettoia, la circolare raccomanda che si considerino le condizioni di carico più gravose.

L'articolo continua con l'Applicazione del vento su tettoia ad una falda con Sismicad >> SCARICA IL DOCUMENTO INTEGRALE


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