Che cos’è lo sforzo di taglio
Lo sforzo di taglio è una tensione interna responsabile di fenomeni di scorrimento tra le parti del materiale. Nella meccanica dei solidi, rappresenta una delle due principali componenti dello stato di tensione, insieme allo sforzo normale. Si misura in Pascal (Pa) e in fisica è indicato con il simbolo τo τs.
Se ci si chiede qual è la differenza tra sforzo normale e sforzo di taglio, il primo agisce perpendicolarmente alla sezione di un elemento strutturale e genera allungamenti o accorciamenti, mentre lo sforzo di taglio agisce in parallelo e provoca deformazioni angolari.
In termini operativi, cosa si intende per sforzo di taglio coincide con la componente di tensione tangenziale che tende a far scorrere due sezioni contigue dell’elemento strutturale, come ad esempio una trave.
Sforzo di taglio: definizione in edilizia
Nel calcolo strutturale in edilizia, lo sforzo di taglio è generalmente associato alla risultante delle tensioni tangenziali che agiscono su una sezione e viene indicato con la lettera V (forza di taglio).
Le sollecitazioni di taglio sono quasi sempre combinate con il momento flettente, una delle sollecitazioni interne basilari della scienza delle costruzioni e con cui esiste una relazione diretta, secondo la formula: V= dM/dz.
V è la forza di taglio in una determinata sezione sollecitata, mentre M è il momento flettente nella stessa sezione, mentre il rapporto dM/dZ rappresenta il tasso di variazione del momento flettente lungola sezione.
Dal punto di vista meccanico, la forza di taglio si manifesta attraverso coppie di forze parallele e opposte che tendono a deformare l’elemento strutturale con un meccanismo di scorrimento delle fibre. In assenza di adeguata resistenza, ciò può generare deformazioni tipiche, come l’andamento a “Z” nelle travi.
Forza di taglio e fattore di taglio
Nel linguaggio tecnico, sapere che cos’è la forza di taglio è fondamentale: essa corrisponde alla risultante delle tensioni tangenziali che agiscono su una sezione e deriva dai carichi applicati.
Accanto a questo concetto si introduce il fattore di taglio, che rappresenta un coefficiente utilizzato nei modelli di calcolo per tener conto della distribuzione non uniforme di tali tensioni.
I professionisti del calcolo strutturale sono tenuti a conoscere che cos’è il fattore di taglio, dal momento che tale parametro assume particolare rilievo nelle sezioni non rettangolari o nei modelli avanzati di analisi strutturale.
Calcolo dello sforzo di taglio e distribuzione delle tensioni
Il calcolo dello sforzo di taglio tiene conto di resistenza del calcestruzzo, contributo delle armature, condizioni di carico e combinazioni di progetto. Si basa su modelli teorici consolidati, tra cui la formula di Jourawsky, tra i più utilizzati: τ=bJ/VS
Laddove:
- V è la forza di taglio;
- S è il momento statico della porzione di sezione;
- b è la larghezza della sezione;
- J è il momento d’inerzia.
Questa relazione evidenzia come la distribuzione delle tensioni non sia uniforme, ma presenti valori massimi in corrispondenza dell’asse neutro. Nella pratica professionale, tali calcoli sono oggi integrati nei software di calcolo strutturale.
Come si comportano le travi soggette a taglio
Il comportamento a taglio varia in funzione del materiale e della presenza di armature:
- travi senza armatura trasversale: presentano una resistenza limitata e sono soggette a rotture fragili, spesso improvvise;
- travi con armatura trasversale (staffe): garantiscono una maggiore duttilità e una migliore redistribuzione delle tensioni.
Nel calcestruzzo armato, la resistenza al taglio è affidata a tre agenti principali:
- resistenza del calcestruzzo compresso;
- effetto di ingranamento degli aggregati;
- contributo delle armature trasversali.
Con il modello a traliccio di Mörsch si rappresenta il comportamento della trave come un sistema di bielle compresse in calcestruzzo e tiranti tesi(le armature). Le norme impongono la verifica della resistenza delle bielle compresse, per evitare schiacciamenti del calcestruzzo(rottura per taglio-compressione), introducendo un limite superiore alla capacità resistente.
La progettazione a taglio e le prove di resistenza
La progettazione a taglio richiede un approccio integrato tra geometria, materiali e carichi.Per una sezione strutturale, le verifiche riguardano:
- la capacità resistente del materiale;
- la corretta disposizione delle armature;
- il controllo delle tensioni tangenziali.
Ad esempio:
- nelle travi in acciaio a doppio T, il taglio è prevalentemente assorbito dall’anima;
- nelle travi in calcestruzzo armato, è necessario dimensionare staffe e ferri piegati per contrastare le tensioni tangenziali.
Un dimensionamento non corretto può portare a crisi di fragilità, particolarmente pericolose perché prive di segnali premonitori.
La resistenza al taglio dei materiali viene determinata attraverso prove sperimentali di laboratorio, tra cui:
- prova di taglio diretto;
- prova a flessione a tre o quattro punti;
- prova a doppio taglio su provini vincolati.
Queste prove consentono di determinare la tensione massima sopportabile dall’elemento strutturale prima del cedimento e di calibrare i modelli di calcolo utilizzati nella progettazione.
Normative per la verifica a taglio delle strutture
La normativa italiana, in particolare le NTC2018 (Norme tecniche per le costruzioni) e la relativa Circolare 2019, impone verifiche specifiche per la resistenza al taglio, fondamentali per prevenire rotture improvvise, garantire livelli adeguati di sicurezza e assicurare la duttilità della struttura.
Le verifiche a taglio devono essere condotte allo Stato Limite Ultimo (SLU) e si basano sul confronto tra:
- domanda di taglio (V_Ed), derivante dalle combinazioni di carico di progetto;
- capacità resistente (V_Rd) dell’elemento, determinata in funzione dei materiali e dei dettagli costruttivi.
La condizione di sicurezza richiede che la domanda di taglio sia minore o uguale alla capacità resistente.
Per le strutture in calcestruzzo armato, la normativa distingue due contributi principali:
- V_Rd,c: resistenza a taglio del solo calcestruzzo (senza armature trasversali), funzione della resistenza a compressione, dell’armatura longitudinale e della snellezza dell’elemento;
- V_Rd,s: contributo delle armature trasversali (staffe), determinato secondo il modello a traliccio inclinato a bielle e tiranti.
La resistenza totale (V_Rd) risulta dalla somma dei due elementi. La Circolare 2019 fornisce altresì indicazioni applicative per il corretto impiego di tali formule, chiarendo i limiti di validità e i coefficienti da adottare.
Un’applicazione rigorosa di NTC 2018 e Circolare 2019 consente di controllare efficacemente il comportamento a taglio delle strutture, riducendo il rischio di rotture improvvise e migliorando la sicurezza complessiva dell’opera, soprattutto in contesti ad elevato rischio sismico.
CMP Analisi Strutturale di Namirial: il software per il calcolo dello sforzo di taglio
Negli ultimi anni il calcolo, l’analisi e la verifica delle strutture nella progettazione degli edifici sta evolvendo verso un approccio sempre più integrato con gli strumenti digitali professionali.
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Grazie all’elevata versatilità, l’utente benefici di procedure automatizzate, affidabili e controllabili in ciascuna fase di elaborazione del modello – anche contemporaneamente, grazie alle 4 finestre controllabili in simultanea – e gestendo tutti i processi in un unico ambiente di lavoro
Il software è aggiornato alle nuove norme tecniche per le costruzioni DM 17/01/2018.
I moduli di CMP Analisi Strutturale sono:
- CMP – CXF: modellatore pre/post-processore grafico per programmi ad elementi finiti, che consente di costruire il modello geometrico della struttura, assegnare proprietà, carichi, vincoli e tutti i dati di completamento necessari per analisi statiche e dinamiche;
- CMP – CXF/D: modellatore pre/post-processore completo di solutore XFinest, analisi statica e dinamica;
- CMP – CXF/NL: modulo CXF con le estensioni non lineari, completo di solutore XFinest per analisi non lineare;
- CMP – CXF/NLPO: modulo CXF con estensioni non lineari e Pushover, completo di solutore XFinest per analisi non lineare e abilitato all’analisi di Pushover per strutture in calcestruzzo armato con modello non lineare a fibre per elementi tipo beam 3D;
- CMP – CXF LT/D: modulo CXF con limitazione a modelli fino a 1000 nodi, completo di solutore XFinest Lite, analisi statica e dinamica.
- CMP – POST: post-processore analisi, calcolo e modellazione per i software SAP2000;.
- CMP – POST GATE: porta di collegamento per esportazione nel post CMP, valido per modelli analizzati e calcolati in SAP2000 e Straus7;
- CMP – PIASTRE/XF: procedura per l’analisi piastre in calcestruzzo armato gettate in opera di forma generica;
- CMP – PO PUSHOVER: modulo aggiuntivo alla configurazione CXF/nL per analisi di Pushover per strutture in calcestruzzo armato con modello non lineare a fibre per elementi tipo beam 3D.
- CMP – ESTENSIONE CALCOLO MURATURE: modulo aggiuntivo per progettare e verificare gli edifici in muratura, nuovi o esistenti.
Con CMP Analisi Strutturale, parte della vasta gamma di soluzioni tecnologiche per l’edilizia di Namirial, calcolo, analisi e verifica delle strutture, sia nuove che esistenti, è possibile con la massima versatilità e il pieno controllo della modellazione e dei risultati.
