Calcolo strutturale: principi, strumenti e normativa di riferimento

Calcolo strutturale: cos’è e a cosa serve

Il calcolo strutturale è una disciplina ingegneristica alla base della progettazione di strutture edilizie di uso prevalentemente civile, come edifici abitabili e non, ponti e dighe, al fine di garantirne e verificarne sicurezza, stabilità e funzionalità lungo il loro intero ciclo vitale.

La determinazione del calcolo strutturale si basa su un insieme di modelli tecnico-matematici precisi e dettagliati, elaborati in modo pratico e intuitivo grazie a software specializzati, che misurano con accuratezza il comportamento di una struttura sottoposta a molteplici condizioni – come l’azione di carichi e forze fisiche, e relativa tenuta dei materiali impiegati in costruzione – e forniscono ai progettisti un solido fondamento scientifico per procedere in sicurezza alla costruzione (o alla ristrutturazione, in caso di verifica strutturale di edifici preesistenti) di opere edili.

Quali professionisti si occupano del calcolo strutturale?

Secondo il quadro normativo italiano, i soggetti abilitati e competenti in materia di calcolo strutturale appartengono a tre diversi profili professionali, ognuno con specifiche limitazioni e responsabilità:

• Ingegneri Civili o Strutturisti (con specializzazione in strutture): i professionisti per eccellenza nel calcolo strutturale, con una formazione universitaria orientata alla progettazione, all’analisi e alla verifica di strutture di ogni tipologia (edifici, ponti, dighe, etc.) e materiale (cemento armato, acciaio, legno, muratura), talvolta arricchita da ulteriori specializzazioni in ingegneria strutturale e/o sismica;
• Architetti (con competenze specifiche in strutture): questi professionisti possono occuparsi di calcolo strutturale se posseggono una formazione adeguata in ingegneria strutturale, maturata in particolare mediante master e scuole di specializzazione; gli architetti che si occupano di strutture hanno competenza nella progettazione globale dell’opera, lavorando in collaborazione con gli ingegneri per garantire maggiore completezza e correttezza nella calcolazione, in particolare per opere edili complesse o locate presso zone sismiche;
• Geometri: questi professionisti sono soggetti a precise limitazioni di competenza e non possono eseguire calcoli strutturali complessi, ad esempio per opere in cemento armato, in acciaio o in zona sismica, salvo in casi di modesta entità (accertati da precedenti interventi e valutazioni ingegneristiche) ed entro i limiti di legge definiti per la loro professione.

A prescindere dalla competenza relativa al calcolo strutturale, è sempre necessaria la verifica e l’approvazione di un ingegnere civile, in qualità di progettista strutturale, con relativa produzione di una relazione tecnica firmata per la validazione del progetto presso gli enti competenti (es. Genio Civile).

I 4 principi alla base del calcolo strutturale

Il calcolo strutturale è un elemento imprescindibile per la progettazione edilizia, volto sia alla costruzione di nuove opere sia alla ristrutturazione di edifici già esistenti. La sua accuratezza tecnica si fonda su quattro principi essenziali di natura ingegneristica, misurabili secondo precise formule e procedure matematiche di calcolazione.

1. Analisi di carichi e forze

Il punto di partenza fondamentale per ogni progettazione soggetta a calcolo strutturale, consiste nell’identificare, quantificare e caratterizzare tutti i carichi e le forze che possono agire sulla struttura in ogni momento del suo ciclo di vita.

I carichi vengono classificati in specifiche categorie.

• Carichi permanenti (Gk), che agiscono in modo continuo e costante per tutta la vita della struttura:
  • Peso proprio della struttura, il peso di tutti gli elementi strutturali (travi, pilastri, solai, fondazioni);
  • Carichi permanenti non strutturali, il peso di elementi fissi (murature, impianti, pavimenti, coperture, rivestimenti).
• Carichi variabili (Qk), che possono variare in intensità e/o posizione nel tempo:
  • Carichi d’uso (sovraccarichi), il peso di persone, arredi, attrezzature mobili, merci, etc., in base alla destinazione d’uso dell’edificio (residenziale, uffici, scuole);
  • Carico neve, il peso della neve accumulata sul tetto in base alla zona geografica e all’altitudine;
  • Carico vento, la pressione e la depressione esercitate dal vento sulla struttura, in base alla velocità del vento, alla forma dell’edificio e all’esposizione.
• Carichi accidentali (Ak), che hanno esigue probabilità di accadimento, tuttavia con conseguenze potenzialmente gravi:
  • Carico sismico, forze inerziali generate dalle vibrazioni del terreno durante un terremoto, in base alla pericolosità sismica del sito, alla massa della struttura e alla sua rigidezza;
  • Carichi da impatto, forze derivanti da collisioni (es. schianto di veicoli contro elementi strutturali);
  • Carichi da incendio ed esplosione, forze esercitate sull’integrità strutturale dagli effetti termici delle fiamme o da deflagrazioni.

2. Equilibrio statico

L’equilibrio statico è un principio fondamentale della meccanica secondo il quale un corpo è in equilibrio quando non subisce alterazioni, cioè quando la somma di tutte le forze e di tutti i momenti che agiscono su di esso è nulla.

Questo principio, nel calcolo strutturale, si traduce in un sistema di equazioni:

• ΣF = 0, ovvero la somma vettoriale di tutte le forze esterne che agiscono sulla struttura deve essere uguale a zero, a garanzia che la struttura non trasli;
• ΣM = 0, ovvero la somma vettoriale di tutti i momenti rispetto a qualsiasi punto deve essere uguale a zero, a garanzia che la struttura non ruoti.

Nel calcolo strutturale si tiene inoltre conto di:

• Calcolo delle reazioni vincolari, che determina le forze che i vincoli (appoggi, incastri, cerniere) esercitano sulla struttura per mantenerla in equilibrio con i carichi applicati;
• Calcolo delle sollecitazioni interne, che determina le forze interne che si sviluppano negli elementi strutturali:
  • Sforzo normale, forza assiale che tende a comprimere la sezione;
  • Sforzo di taglio, forza trasversale che tende a tagliare la sezione;
  • Momento flettente, forza che tende a piegare la sezione;
  • Momento torcente, forza che tende a torcere la sezione.

3. Resistenza e robustezza dei materiali

La capacità dei materiali di sopportare le sollecitazioni interne, senza rompersi o subire danni ingenti che possono portare potenzialmente fino al collasso della struttura.

Ogni materiale da costruzione (cemento armato, acciaio, legno, muratura) possiede specifiche proprietà meccaniche di resistenza:

• Resistenza a compressione, ovvero a forze che tendono a schiacciare;
• Resistenza a trazione, ovvero a forze che tendono a tirare o allungare;
• Resistenza a taglio, ovvero a forze che tendono a tagliare;
• Resistenza a flessione, ovvero a forze che tendono a piegare;
• Modulo elastico (E), la misura della rigidezza del materiale, ovvero la sua capacità di deformarsi sottoposto a un carico.

4. Verifica degli stati limite

Gli stati limite sono condizioni oltre le quali la struttura non soddisfa più i requisiti basilari indicati nel progetto originale. Si distinguono in due categorie principali:

• Stati limite ultimi (SLU), che riguardano la sicurezza della struttura e la sua capacità di resistere al collasso totale o parziale in relazione a eventi di bassa probabilità ma con conseguenze gravi (terremoti, eventi climatici incontrollati, carichi accidentali):
  • SLU di resistenze, il raggiungimento della massima capacità portante di una sezione o di un elemento (es. rottura per flessione o taglio);
  • SLU di instabilità, la perdita di equilibrio della struttura o di un suo elemento (es. ribaltamento o scorrimento di un pilastro);
  • SLU di fatica, il cedimento del materiale dovuto a cicli ripetuti di carico e scarico (soprattutto strutture pubbliche).
• Stati limite di esercizio (SLE), che riguardano la funzionalità e la durabilità della struttura in condizioni di utilizzo normale, in relazione a carichi di frequenza elevata ma di intensità inferiore (carichi d’uso standard):
  • SLE di deformazione, le deformazioni (es. abbassamenti di travi, spostamenti laterali di piani) devono rientrare nei limiti prefissati per evitare danni strutturali e non;
  • SLE di vibrazione, le vibrazioni indotte da carichi (traffico stradale e passi prodotti dalle persone) devono essere contenute;
  • SLE di fessurazione, il controllo dell’apertura delle fessure nel calcestruzzo armato per garantire la durabilità dell’armatura strutturale.

Normativa tecnica di riferimento per un calcolo strutturale a norma di legge

La normativa tecnica di riferimento principale per un calcolo strutturale a norma di legge è il DM 17 gennaio 2018, che approva le Norme Tecniche per le Costruzioni (o NTC 2018). Il decreto, pubblicato in Gazzetta Ufficiale n.42 del 20 febbraio 2018 (Supplemento Ordinario n.8) ed entrato in vigore il 22 marzo 2018, sostituisce le precedenti NTC datate 2008.

Il Decreto Ministeriale regola la progettazione, l’esecuzione e il collaudo delle costruzioni, specialmente in zone sismiche, fornendo criteri di sicurezza, prestazioni attese, azioni sulle costruzioni (carichi), requisiti per i materiali e i prodotti strutturali, metodologie di calcolo e verifiche di sicurezza (basate sul metodo degli stati limite).

A supporto del decreto c’è anche la Circolare 21 gennaio 2019 n.7 C.S.LL.PP., che fornisce le istruzioni adeguate per l’applicazione pratica dell’NTC 2018 con chiarimenti, interpretazioni e indicazioni che ne facilitano la comprensione e l’attuazione.

Le discipline normative contenute nelle NTC 2018 regolano specificatamente:

• Principi generali, obiettivi di sicurezza e prestazioni attese per le costruzioni;
• Azioni sulle costruzioni e sul calcolo di tutti i tipi di carico (permanenti, variabili, etc.);
• Criteri di progettazione, metodologie di dimensionamento e di verifica degli elementi strutturali, sia per nuove costruzioni che per interventi su opere preesistenti;
• Materiali e prodotti da costruzione per uso strutturale, con relativi requisiti tecnici e caratteristiche (calcestruzzo, acciaio, legno, muratura, etc.);
• Metodologie mirate per la progettazione delle strutture in zona sismica;
• Indicazioni sulla progettazione geotecnica e sull’interazione terreno-struttura;
• Procedure di collaudo statico delle opere strutturali.

L’applicazione delle NTC 2018 (e della successiva Circolare complementare) è obbligatoria per tutti i progetti strutturali, e la loro osservanza è fondamentale per la validità legale del progetto e per garantire la sicurezza delle persone e del patrimonio edilizio. È importante sottolineare anche l’importanza dei principi e dei concetti indicati negli Eurocodici, regolamenti europei che approfondiscono e completano le disposizioni delle NTC 2018.

Gli strumenti professionali per il calcolo strutturale

I software specializzati sono strumenti professionali imprescindibili per il corretto calcolo strutturale, in piena osservanza delle normative previste dalle NTC 2018.

I software per il calcolo strutturale svolgono una duplice funzione:

• Modellazione tridimensionale della struttura (modello BIM), per gestire i carichi e gli elementi fisici strutturali e relativi nodi, nonché tutte le loro proprietà geometriche e materiali, attraverso una pratica rappresentazione virtuale;
• Analisi degli elementi finiti (modello FEM), per simulare il comportamento della struttura sottoposta a diverse condizioni di carico (statiche, dinamiche, accidentali) e prevedere probabili sollecitazioni, deformazioni o altre situazioni dannose.

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