In quest’articolo vedremo come calcolare l’azione del vento ai sensi delle prescrizioni delle NTC2018 e Circolare 2019, quali parametri entrano in gioco per la determinazione della pressione e depressione generata dal vento sulle superfici investite e gli aspetti teorici che sono alla base delle formule di calcolo proposte dalla Normativa Tecnica.
Nel corso dell’articolo potrai scaricare gratuitamente Eolo, un’utile applicazione implementata in Microsoft Excel per il calcolo dell’azione del vento sulle costruzioni. Potrai valutare la pressione generata dal vento sulle pareti verticali e sulle diverse tipologie di copertura degli edifici. Alla fine dell’articolo potrai scaricare inoltre il Focus Normativo PDF contenente tutte le prescrizioni della Normativa Tecnica vigente sul calcolo dell’azione del vento. Buona lettura.
Scarica Eolo, l’app per il calcolo dell’azione del vento sulle costruzioni (implementata in Microsoft Excel)
Calcola l’azione del vento sulle costruzioni con l’app Eolo (file *.xls, *.xlsx) ai sensi delle NTC2018 e Circolare 2019. Potrai calcolare rapidamente la pressione netta generata dal vento sulle pareti verticali dell’edificio e sulle coperture piane, a singola falda, a doppia falda (impluvio e displuvio) e a padiglione.
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Pressione del vento: principio di Bernoulli e azioni statiche equivalenti
L’azione del vento genera una pressione o una depressione sulle superfici verticali (pareti), orizzontali (coperture piane) o inclinate (coperture a falde) delle costruzioni.
Il vento genera sulle costruzioni azioni che variano nel tempo (intensità del vento variabile, folate e raffiche di vento) e nello spazio (direzione del vento variabile), provocando a rigore degli effetti dinamici. Per le costruzioni ordinarie usuali, ad esempio i classici edifici di forma regolare, l’azione del vento può essere modellata mediante azioni statiche equivalenti.
L’azione del vento richiede uno studio specifico per le seguenti tipologie di costruzioni, secondo quanto prescritto dalla Normativa Tecnica:
- di forma o tipologia inusuale;
- di grande altezza o lunghezza (vedi ad esempio il Burj Khalifa o il Tacoma bridge);
- di rilevante snellezza o leggerezza;
- di notevole flessibilità e ridotte capacità dissipative.
Il calcolo dell’azione del vento parte dalla valutazione della pressione cinetica calcolata applicando il principio di Bernoulli. In fluidodinamica l’equazione di Bernoulli lega la velocità di un fluido ideale, ovvero un fluido incomprimibile e non viscoso, con la sua densità e la sua pressione.
L’equazione di Bernoulli è composta dalla somma di tre termini:
- la pressione del fluido;
- la sua energia cinetica;
- l’energia potenziale.
Secondo il principio di Bernoulli, la somma di questi tre termini resta costante al variare della velocità, della pressione e dell’altezza. Considerando l’azione del vento agente in direzione orizzontale, ipotizzando costante l’altezza, all’aumentare della velocità, diminuirà la pressione dell’aria. L’azione del vento pertanto è generata dalla differenza di pressione fra l’interno e l’esterno delle costruzioni, come mostrato nell’immagine seguente.
In condizioni statiche, ovvero con velocità del fluido nulla, il termine relativo alla pressione cinetica si annulla e si avrà solo pressione statica.
Alla luce di quanto visto finora, ne consegue che, per poter determinare la pressione e depressione generata dal vento sulle superfici investite, bisognerà innanzitutto determinare la velocità del vento nel sito di interesse. Vediamo di seguito come determinare la velocità del vento ai sensi della Normativa Tecnica vigente.
Azioni del vento: velocità di riferimento e velocità base di riferimento
Il primo passo per determinare la pressione del vento sulle superfici investite consiste nel valutare la velocità del vento nel sito di costruzione. Il termine relativo alla pressione cinetica è dato dalla seguente formula:
qr = 1/2 ρ ∙ vr2
- qr = pressione cinetica di riferimento
- ρ = densità dell’aria
- vr = velocità di riferimento del vento
Formula 3.3.6 – NTC2018
La velocità di riferimento vr è definita come il valore medio su 10 minuti della velocità del vento, a 10 metri di altezza dal suolo su un terreno pianeggiante e omogeneo di categoria di esposizione II (vedremo a breve cosa sono le categorie di esposizione) riferita al periodo di ritorno TR di progetto.
La velocità di riferimento si calcola a partire dalla velocità base di riferimento vb, corretta mediante il coefficiente di ritorno cr, un coefficiente che è funzione del periodo di ritorno TR e assume valore unitario per TR = 50 anni, minore di 1 per TR minore di 50 anni e maggiore di 1 per TR maggiore di 50 anni.
La velocità base del vento vb è funzione dei seguenti parametri:
- la zona del sito di costruzione. Il territorio nazionale è suddiviso in 9 zone, per ciascuna delle quali è riportata in tabella la velocità di riferimento di base vb,0 a livello del mare (trovi la tabella nel Focus Normativo PDF scaricabile alla fine del post);
- l’altitudine del sito di costruzione mediante il coefficiente ca.
E’ interessante notare come la zona 8, cui corrisponde la velocità del vento base di riferimento più elevata (vb,0 = 30 m/s), subito prima della zona 9 in cui ricadono le isole e il mare aperto, sia coincidente con la provincia di Trieste in cui, non a caso, soffia la nota bora di Trieste, un vento che in alcuni periodi dell’anno può arrivare a 150 km/h di velocità.
Azione del vento: dalla pressione cinetica di riferimento all’azione di progetto
Una volta nota la pressione cinetica di riferimento, per ottenere la pressione del vento di progetto da utilizzare nell’analisi strutturale, bisognerà applicare i tre coefficienti correttivi moltiplicativi seguenti:
- coefficiente di esposizione;
- coefficiente di pressione o aerodinamico (definito nelle precedenti NTC2008 come coefficiente di forma);
- coefficiente dinamico che può essere assunto pari a 1 nelle tipologie di costruzioni ricorrenti.
Nel seguito dell’articolo vedremo da quali parametri dipendono queste tre tipologie di coefficienti e quali valori assumono.
Azione del vento: coefficiente di esposizione
Il coefficiente di esposizione dipende dai seguenti parametri:
- dall’altezza z del punto della costruzione considerato rispetto al suolo;
- dalla topografia del terreno;
- dalla categoria di esposizione che si ottiene in funzione della rugosità del terreno, della distanza dalla costa e della quota del sito di costruzione rispetto al livello del mare.
La categoria di esposizione varia fra I e V. Alla categoria I corrispondono i valori massimi del coefficiente di esposizione, alla categoria V corrispondono i valori minimi del coefficiente di esposizione.
La categoria di esposizione diminuisce, passando da V a I, al diminuire della rugosità del terreno. La rugosità del terreno è definita mediante le classi di rugosità che vanno da A, cui corrisponde la massima rugosità, a D, cui corrisponde la minima rugosità.
All’aumentare della distanza dal mare e dell’altitudine la categoria di esposizione aumenta da I a V.
Il coefficiente di esposizione assume un valore costante fino ad una certa quota zmin che è funzione della categoria di esposizione. Al di sopra della quota zmin il coefficiente di esposizione cresce con andamento non lineare.
L’andamento non lineare del coefficiente di esposizione fa sì che l’azione del vento non risulti costante lungo l’altezza della costruzione, ma sarà variabile. Pertanto nell’analisi strutturale della costruzione bisognerà tenere conto di tale andamento in funzione dell’altezza.
Azione del vento: coefficiente di pressione (o aerodinamico)
Il coefficiente di pressione tiene conto della tipologia, della geometria della costruzione e del suo orientamento rispetto alla direzione del vento. Tale coefficiente rientra nella categoria dei coefficienti aerodinamici insieme con il coefficiente d’attrito per la valutazione dell’azione tangente del vento sulle superfici. Le precedenti NTC2008 definivano il coefficiente di pressione come coefficiente di forma.
Il coefficiente di pressione si distingue in coefficiente di pressione esterna, da utilizzare per il calcolo della pressione del vento sulle superfici esterne della costruzione, e coefficiente di pressione interna, da utilizzare per il calcolo della pressione del vento sulle superfici interne della costruzione.
La novità principale introdotta dalla Circolare 2019 rispetto alla precedente Circolare 2009, riguarda la definizione di tre tipologie di coefficienti di pressione esterna:
- coefficienti globali cpe per la valutazione delle azioni globali su porzioni estese della costruzione;
- coefficienti locali cpe,10 utilizzati per quantificare la pressione locale su elementi con area di incidenza maggiore o uguale a 10 metri quadri;
- coefficienti locali cpe,1 utilizzati per quantificare la pressione locale su elementi con area di incidenza maggiore o uguale a 1 metro quadro.
I coefficienti di pressione vengono definiti dalla Circolare 2019 per i seguenti elementi:
- pareti verticali;
- coperture piane;
- coperture a falda singola;
- coperture a doppia falda.
Per la determinazione dei coefficienti di pressione interna ed esterna trovi un approfondimento in quest’articolo del blog. Troverai inoltre tutte le prescrizioni normative della Circolare 2019 relative alla determinazione dei coefficienti di pressione raccolte di seguito nel Focus Normativo PDF allegato all’articolo e scaricabile gratuitamente.
Scarica il Focus Normativo PDF sull’azione del vento
Tutte le prescrizioni della Normativa Tecnica NTC2018 e della Circolare 2019 riguardanti la valutazione dell’azione del vento raccolte in unico documento PDF scaricabile gratuitamente. Compila i campi qui sotto, riceverai all’istante un’email contenente il link per eseguire il download.
Scarica Eolo, l’app per il calcolo dell’azione del vento sulle costruzioni
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Conclusioni
L’azione del vento va valutata in maniera accurata al fine di garantire un adeguato livello di sicurezza delle costruzioni. In caso contrario potrebbero verificarsi eventi singolari (come accaduto peri il Tacoma Bridge ad esempio, te ne ho parlato in quest’articolo).
Costruzioni di forme particolari, diverse da quelle utilizzate per le costruzioni ordinarie, o altezze considerevoli richiederanno studi specifici e apposite prove in galleria del vento, come accaduto per il Burj Khalifa, un grattacielo alto 828 metri e progettato per resistere a venti con velocità pari a 240 km/h.
In tutti gli altri casi, la determinazione dell’azione del vento sulle costruzioni ordinarie può essere valutata ai sensi della Normativa Tecnica vigente. Tale valutazione tiene conto di tutti i fattori visti in quest’articolo, quali ad esempio: il sito di costruzione, la distanza dalla costa, la quota del suolo, la rugosità del terreno etc.
Dato l’elevato numero di parametri da cui dipende l’azione del vento, la sua valutazione di conseguenza sarà anche più complessa e laboriosa, in particolar modo se si seguono le prescrizioni dell’ultima Circolare 2019. Spero che quest’articolo abbia contribuito a fare chiarezza sulla determinazione dell’azione del vento. Se l’hai trovato utile puoi suggerirlo ai tuoi colleghi su Linkedin e ai tuoi amici su Facebook cliccando sui tasti di condivisione social in fondo alla pagina.
Al prossimo post.
Marco
