Vento sulle costruzioni: tutti i coefficienti di pressione esterna ed interna e le combinazioni di carico

L’azione del vento sulle costruzioni dipende dai valori assunti dai coefficienti di pressione esterna ed interna. Tali coefficienti rientrano nella categoria dei coefficienti aerodinamici definiti dalle NTC2018 (precedentemente definiti come coefficienti di forma dalle vecchie NTC2008).

In quest’articolo vedremo quali sono i coefficienti di pressione esterna ed interna da utilizzare nel calcolo dell’azione del vento sulle costruzioni, come ricavarli in funzione della tipologia di costruzione e come ottenere tutte le possibili combinazioni di carico per l’azione del vento sulle pareti verticali degli edifici e sulle diverse tipologie di copertura.

Nel corso dell’articolo approfondiremo alcuni concetti fondamentali necessari per la corretta valutazione dell’azione del vento: il significato dei termini sopravento e sottovento e la definizione del segno positivo e negativo per l’azione del vento. Potrai inoltre scaricare gratuitamente Eolo, l’app implementata in Microsoft Excel per il calcolo dell’azione del vento sulle costruzioni. Buona lettura!

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Scarica Eolo, l’app per il calcolo dell’azione del vento sulle costruzioni (implementata in Microsoft Excel)

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Porzione sopravento e sottovento delle costruzioni investite dal vento

La Normativa Tecnica (NTC2018 e Circolare 2019) nei paragrafi relativi al calcolo dell’azione del vento cita molto spesso i termini sopravento e sottovento. Avere ben chiaro cosa significano i termini sopravento e sottovento è di fondamentale importanza per la corretta applicazione dell’azione del vento sulle costruzioni.

L’azione del vento assumerà un valore diverso per le pareti sopravento e per quelle sottovento. Allo stesso modo, nel caso di una copertura a doppia falda, la pressione del vento sarà diversa per la falda sopravento rispetto alla falda sottovento. Ma cosa vogliono dire di preciso i termini sopravento e sottovento? Lo scopriremo nel seguito di questo post.

Con riferimento agli edifici e all’azione del vento che li investe, la porzione sopravento è quella parte dell’edificio investita prima dal vento rispetto alla porzione sottovento. Ad esempio, se il vento soffia da est verso ovest, la parete esposta ad est sarà quella sopravento, la parete esposta ad ovest sarà quella sottovento. Infatti la parete esposta ad est sarà investita prima dal vento, rispetto alla parete esposta ad ovest. Stesso discorso vale nel caso di una copertura. La falda sopravento sarà la falda investita per prima dal vento, rispetto alla falda sottovento.

Nell’immagine seguente puoi vedere le porzioni di un edificio sopravento e sottovento.

Sopravento e sottovento: due termini per niente intuitivi

I termini sopravento e sottovento sono di uso molto comune nel linguaggio marinaresco, in particolar modo nella navigazione a vela in cui l’azione del vento gioca un ruolo fondamentale. Risalire però al loro significato non è per niente intuitivo. Questi due termini sono composti dal prefisso sopra– e sotto– seguito dalla parola vento. Se ci rifletti un attimo il vento spira in direzione orizzontale, mente i prefissi sopra e sotto ci farebbero pensare al collocamento nello spazio rispetto ad una direzione verticale. Sopra e sotto rispetto a cosa? Da questa incongruenza può derivare confusione nell’individuazione della porzione sopravento e sottovento di una costruzione. Ecco perché ho ritenuto necessario iniziare quest’articolo con la definizione di questi due termini.

Sovrappressione e depressione: segno positivo e negativo dell’azione del vento

Un altro fondamentale concetto da tenere a mente per applicare correttamente l’azione del vento sulle costruzioni è la convenzione dei segni positivi e negativi da assegnare all’azione del vento. Il segno positivo e negativo per l’azione del vento sulle costruzioni scaturisce dal coefficiente di pressione esterna e dal coefficiente di pressione interna che entra in gioco nella formula di calcolo della pressione del vento.

L’azione del vento è una forza per unità di superficie, di conseguenza sarà una pressione. Il segno positivo applicato alla pressione del vento indica una compressione della superficie, il segno negativo indica invece una depressione sulla superficie.

Per calcolare correttamente la pressione netta risultante agente sulle superfici di una costruzione bisogna considerare sia la pressione interna alla costruzione che la pressione esterna e sommarne i contributi considerando i giusti segni positivi e negativi.

Pertanto è bene tenere a mente che:

• per le superfici esterne: la pressione del vento positiva è diretta verso l’interno della costruzione, la pressione del vento negativa è diretta verso l’esterno della costruzione;
• per le superfici interne: la pressione del vento positiva è diretta verso l’esterno della costruzione, la pressione del vento negativa è diretta verso l’interno della costruzione.

Ti riassumo quanto detto finora nelle immagini esplicative seguenti.

Azione del vento: pressione esterna, pressione interna e pressione netta

L’azione del vento da considerare nel calcolo si otterrà come somma della pressione interna e della pressione esterna, ciascuna presa con il proprio segno, dando origine alla pressione netta sulla superficie considerata. Pertanto sarà:

pressione netta = pressione esterna – pressione interna

Considerando la pressione netta agente sulla superficie esterna dell’edificio, se tale valore sarà positivo, si avrà una compressione della superficie, se tale valore sarà invece negativo si avrà una depressione sulla superficie.

Quanto detto finora potrebbe sembrare banale, ma ti assicuro che leggendo il testo normativo non è così immediato capire quale verso assegnare alla pressione interna ed esterna e come combinarle fra loro. Spero che questo paragrafo dell’articolo abbia contribuito a chiarire questo concetto.

Azione del vento su pareti verticali: la differenza fra edifici tozzi e snelli

Un altro parametro fondamentale da tenere in considerazione per applicare correttamente la pressione del vento sulle pareti verticali sopravento delle costruzioni è l’altezza dell’edificio, rapportata alle dimensioni in pianta, ossia la larghezza b, ortogonale alla direzione del vento, e la lunghezza d, parallela alla direzione del vento. Vediamo che ruolo gioca l’altezza della costruzione nel calcolo dell’azione del vento.

Per applicare correttamente l’azione del vento sulla faccia sopravento della costruzione, bisogna innanzitutto classificare l’edificio per stabilire se è un edificio tozzo oppure snello. La normativa tecnica definisce gli edifici tozzi e snelli nel seguente modo:

• edificio tozzo: l’altezza h è minore o uguale della larghezza b;
• edificio snello: l’altezza h è maggiore della larghezza b.

Ti faccio notare inoltre che, affinché sia valido il metodo di calcolo dell’azione del vento proposto dalla Normativa Tecnica, l’altezza dell’edificio deve essere minore o uguale a 5 volte la lunghezza d parallela alla direzione del vento. Per edifici con altezza maggiore di 5 volte la lunghezza dell’edificio occorreranno studi specifici per il calcolo dell’azione del vento.

Azione del vento: come distribuirla in altezza per edifici tozzi e snelli

L’entità dell’azione del vento dipende, fra i diversi fattori, dal coefficiente di esposizione. Il coefficiente di esposizione assume valori crescenti con l’altezza, quindi maggiore sarà l’altezza della costruzione, maggiore sarà l’entità dell’azione del vento. Il coefficiente di esposizione va valutato in corrispondenza della cosiddetta quota di riferimento che può coincidere o meno con la sommità dell’edificio, come vedremo a breve.

Per edifici tozzi, sulla faccia sopravento l’azione del vento sarà costante e calcolata applicando il coefficiente di esposizione valutato in corrispondenza della quota di riferimento pari alla sommità dell’edificio.

Per gli edifici snelli, sulla faccia sopravento l’azione del vento assumerà valore crescente in funzione dell’altezza. In particolare, fino alla quota z = b, l’azione del vento sarà costante e valutata applicando il coefficiente di esposizione calcolato alla quota di riferimento z = b. Per quote comprese fra z = b e z = h, la quota di riferimento per il calcolo del coefficiente di esposizione può essere scelta utilizzando uno dei due seguenti criteri:

• criterio semplificato: quota di riferimento pari alla sommità dell’edificio. L’azione del vento sarà pertanto costante nel tratto fra z = b e z = h. Si tratta di un calcolo semplificato, la forza totale applicata sarà maggiore di quella reale;
• criterio accurato: edificio suddiviso in tronchi di altezza arbitraria fra le quote z = b e z = h. L’altezza di riferimento per ciascun tronco sarà pari alla quota della sommità del tronco. Applicando questo criterio, il calcolo dell’azione del vento sarà più oneroso, ma i valori ottenuti saranno più aderenti alla realtà.

Per l’azione del vento sulle pareti verticali si avranno due combinazioni di carico, in quanto la pressione esterna andrà combinata con la pressione interna che può assumere segno positivo o negativo. Ti mostro di seguito una schermata di esempio estratta dall’app Eolo relativa all’azione del vento su pareti verticali per un edificio tozzo e per un edificio snello.

Azione del vento su coperture piane: coefficienti di pressione esterna e combinazioni di carico

Vediamo nel seguito del post quali sono i coefficienti di pressione esterna necessari per il calcolo dell’azione del vento sulle coperture piane degli edifici. Le coperture piane presentano una particolarità nell’applicazione dell’azione del vento in quanto bisognerà individuare la fascia sopravento e la fascia sottovento della copertura. Si otterranno 4 differenti combinazioni di carico per l’azione del vento in copertura.

Per il calcolo dell’azione del vento in copertura le NTC2018 e la Circolare 2019 prescrivono l’utilizzo di due coefficienti di pressione esterna, differenziati per la fascia sopravento e per la fascia sottovento della copertura piana. I coefficienti di pressione esterna per la copertura piana sono così definiti:

• fascia sopravento: c_pe,A = -0.80
• fascia sottovento: c_pe,B = ±0.20

Come puoi notare, il coefficiente della fascia sottovento c_pe,B presenta segno sia positivo che negativo. Pertanto nelle combinazioni di carico dovrà essere considerato una volta il valore positivo e una volta il valore negativo.

La lunghezza della fascia sopravento, nella direzione parallela alla direzione del vento, è definita come il valore minimo fra b/2, con b larghezza ortogonale alla direzione del vento, e l’altezza h della costruzione. La restante parte, sarà la fascia sottovento.

Nell’immagine seguente puoi vedere uno schema di esempio della fascia sopravento e sottovento estratto da Eolo, l’app per il calcolo dell’azione del vento sulle costruzioni.

Per l’azione del vento su coperture piane si avranno 4 combinazioni di carico che si ottengono permutando il segno positivo e negativo del coefficiente di pressione esterna c_pe,B per la fascia sottovento e il segno positivo e negativo della pressione interna.
Ti riporto di seguito gli schemi grafici delle 4 combinazioni di carico per il vento in copertura generate con l’app Eolo, la nuova app del blog per il calcolo dell’azione del vento sugli edifici.

Azione del vento su copertura a singola falda: coefficienti di pressione esterna e combinazioni di carico

Nel caso di copertura a singola falda le combinazioni di carico generate dall’azione del vento sono dieci, molto più numerose rispetto al caso di copertura piana che abbiamo appena analizzato. Vediamo come vengono generate le combinazioni di carico per copertura a singola falda, quali sono i coefficienti di pressione esterna e come valutare correttamente l’angolo di inclinazione della falda.

Coperture a singola falda: direzione e verso del vento

I primi due fattori che generano le dieci combinazioni di carico per l’azione del vento sulla copertura a singola falda sono la direzione e il verso dell’azione del vento. Nel caso di copertura a singola falda vanno considerate le seguenti direzioni dell’azione del vento:

• vento in direzione ortogonale alla linea di colmo;
  • verso positivo dell’azione del vento;
  • verso negativo dell’azione del vento;
• vento in direzione parallela alla linea di colmo.

Nel caso di vento ortogonale alla linea di colmo, va considerato sia il verso positivo sia il verso negativo dell’azione del vento, in quanto cambierà l’angolo di incidenza del vento sulla falda per la valutazione del coefficiente di pressione esterna.

Le NTC2018 e Circolare 2019, tramite un apposito abaco, forniscono un valore positivo ed uno negativo, in funzione dell’angolo di inclinazione della falda, per il coefficiente di pressione esterna. Ti riporto di seguito due schemi esemplificativi e l’abaco per il calcolo del coefficiente di pressione esterna, estratti dalla nuova app Eolo.

Nel caso di vento parallelo alla linea di colmo, la falda andrà suddivisa nella fascia sopravento e nella fascia sottovento. Su ciascuna fascia agirà un diverso valore della pressione del vento, valutata applicando i coefficienti di pressione c_pe,A per fascia sopravento e c_pe,B per fascia sottovento estratti dall’abaco seguente.

Vento su singola falda: come ottenere le dieci combinazioni di carico

Ora che abbiamo analizzato i singoli fattori che influiscono sulla pressione esterna in copertura generata dall’azione del vento, vediamo come combinarli fra loro per ottenere tutte le possibili combinazioni di carico. Ciascun valore della pressione esterna va combinato con il valore positivo e negativo della pressione interna, come prescritto dalle NTC2018.

Ti riporto nell’elenco seguente tutte e dieci le combinazioni di carico:

• vento in direzione ortogonale alla linea di colmo;
  • verso positivo dell’azione del vento;
    • pressione esterna positiva combinata con:
      • pressione interna positiva; (comb. 1)
      • pressione interna negativa; (comb. 2)
    • pressione esterna negativa combinato con:
      • pressione interna positiva; (comb. 3)
      • pressione interna negativa; (comb. 4)
  • verso negativo dell’azione del vento;
    • pressione esterna positiva combinato con:
      • pressione interna positiva; (comb. 5)
      • pressione interna negativa; (comb. 6)
    • pressione esterna negativa combinata con:
      • pressione interna positiva; (comb. 7)
      • pressione interna negativa; (comb. 8)
  • vento in direzione parallela alla linea di colmo;
    • pressione esterna combinata con:
      • pressione interna positiva; (comb. 9)
      • pressione interna negativa; (comb. 10)

Azione del vento su copertura a doppia falda: coefficienti di pressione esterna e combinazioni di carico

L’azione del vento sulle coperture a doppia falda determina 6 possibili combinazioni di carico. Le NTC2018 e Circolare 2019 definisco due differenti tipologie di copertura a doppia falda distinguendo fra impluvio e displuvio. La differenza fra impluvio e displuvio consiste nella valutazione dell’angolo di incidenza della falda sopravento e sottovento rispetto al vento, ai fini del calcolo del coefficiente di pressione esterna.

Per valutare tutte le possibili combinazioni di carico bisognerà considerare il vento in direzione ortogonale alla linea di colmo e in direzione parallela alla linea di colmo. Vediamo come ottenere le diverse combinazioni di carico e come estrapolare i coefficienti di pressione esterna dagli abachi forniti dalla Normativa Tecnica.

Copertura a doppia falda: vento ortogonale alla linea di colmo

Nel caso di copertura a doppia falda, il coefficiente di pressione esterna sarà differenziato per la falda sopravento e per la falda sottovento. Per la falda sopravento il coefficiente di pressione esterna potrà assumere valore sia positivo che negativo. Pertanto andrà applicato nelle diverse combinazioni di carico con entrambi i segni.

Permutando i segni del coefficiente di pressione esterna e del coefficiente di pressione interna, otterremo 4 differenti combinazioni di carico. Te le riporto nell’immagine seguente, estrapolata dall’app Eolo.

Copertura a doppia falda: vento parallelo alla linea di colmo

Nel caso di vento parallelo alla linea di colmo, le due falde della copertura dovranno essere suddivise nella fascia sopravento e nella fascia sottovento. La lunghezza della fascia sopravento sarà pari al minimo fra b/2 e h, con b = larghezza dell’edificio ortogonale alla direzione del vento e h = altezza della costruzione.

Su ciascuna fascia agirà un diverso valore della pressione del vento, valutata applicando i coefficienti di pressione c_pe,A per fascia sopravento e c_pe,B per fascia sottovento estratti dall’abaco seguente.

Combinando la pressione esterna del vento con la pressione interna positiva e negativa, si otterranno altre due combinazioni di carico per vento parallelo alla linea di colmo.
Ti riporto di seguito uno schema 3D di esempio, estrapolato dalle schermate dell’app Eolo, per l’azione del vento in direzione parallela al colmo.

Azione del vento su coperture a padiglione: coefficienti di pressione esterna e combinazioni di carico

Per le coperture a padiglione investite dall’azione del vento si avrà sempre:

• una falda sopravento;
• una falda sottovento;
• due falde laterali, parallele alla direzione del vento.

Per ciascuna tipologia di falda le NTC2018 e la Circolare 2019 prescrivono di considerare un diverso coefficiente di pressione esterna da estrapolare tramite appositi abachi in funzione dell’angolo di inclinazione della falda. Ti riporto nelle immagini seguenti, estratte dall’app Eolo, gli abachi per il calcolo del coefficienti di pressione esterna.

Come puoi vedere dal grafico relativo alla falda sopravento, per ogni valore dell’angolo di inclinazione della falda, si avrà un valore positivo e uno negativo per il coefficiente di pressione esterna. Pertanto nelle diverse combinazioni di carico andranno considerati entrambi, applicando una volta il valore positivo e una volta il valore negativo.

Per ottenere le combinazioni di carico per l’azione del vento sulle coperture a padiglione, bisognerà considerare il segno positivo e negativo della pressione esterna sulla falda sopravento e il segno positivo e negativo della pressione interna.

Permutando i segni di queste due azioni sulla copertura, si otterranno 4 combinazioni di carico. Ti riporto nell’immagine seguente gli schemi 3D relativi alle combinazioni di carico del vento, estratti dall’app Eolo.

Azione del vento: pressione interna alle costruzioni

In questo paragrafo vedremo come calcolare la pressione interna agli edifici, generata dall’azione del vento che investe le costruzioni. Valutare correttamente la pressione interna è fondamentale per calcolare tutte le possibili combinazioni di carico che includono l’azione del vento.

La pressione interna va sommata alla pressione esterna, al fine di ottenere la pressione netta, ovvero l’azione finale che sollecita le superfici della struttura che stiamo analizzando. Nel seguito del post vedremo quali sono le diverse tipologie di costruzione prescritte dalle NTC2018 e Circolare 2019 e i relativi coefficienti di pressione interna da utilizzare nel calcolo.

Pressione interna: le tipologie di costruzioni ai sensi delle NTC2018 e Circolare 2019

Per calcolare la pressione interna agli edifici generata dall’azione del vento, il primo passo è classificare l’edificio oggetto di analisi, per individuare in quale tipologia rientra fra quelle prescritte dalla Normativa Tecnica.

Per classificare l’edificio, bisognerà calcolare la superficie totale delle aperture presenti su ogni faccia. A seconda della percentuale di aperture, rapportata alla superficie lorda della faccia, si individuerà una delle seguenti tipologie:

• Tipologia 1) edifici con percentuale di aperture maggiore del 30% per almeno due facce;
• Tipologia 2) edifici con una superficie dominante, ovvero con una superficie dotata di un’area totale di aperture pari ad almeno k volte l’area totale delle aperture presenti sulle rimanenti superfici. Tale tipologia si differenzia in 2.a o 2.b a seconda del valore del coefficiente k:
  • Tipologia 2.a) k = 2;
  • Tipologia 2.b) k = 3;
• Tipologia 3) porosità distribuita in maniera circa uniforme (caso tipico di civile abitazione);
• Tipologia 4) costruzione stagna (percentuale totale di aperture minore o uguale allo 0.02%)

All’interno dell’app Eolo, la classificazione dell’edificio verrà eseguita in automatico. Potrai inserire in input l’area delle aperture presenti su ogni singola faccia. L’algoritmo presente in Eolo individuerà la corrispondente tipologia di edificio.

Coefficienti di pressione interna per le diverse tipologie di costruzione

A seconda della tipologia di edificio in cui ricade la costruzione, saranno utilizzati diversi coefficienti di pressione interna. I coefficienti di pressione interna per le diverse tipologie di edificio sono i seguenti:

• Tipologia 1): in tal caso l’edificio viene classificato come tettoia, pertanto bisognerà eseguire il calcolo dell’azione del vento riferendosi alle prescrizioni valide per le tettoie;
• Tipologia 2.a): c_pi = 0.75 * c_pe, con c_pe = coefficiente di pressione esterna della superficie dominante;
• Tipologia 2.b): c_pi = 0.90 * c_pe, con c_pe = coefficiente di pressione esterna della superficie dominante;
• Tipologia 3): c_pi = +0.20 e c_pi = -0.30
• Tipologia 4): c_pi = 0

Come puoi vedere, il coefficiente di pressione interna può assumere valore sia positivo che negativo, pertanto nelle diverse combinazioni di carico andranno considerati entrambi.

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Scarica Eolo, l’app per il calcolo dell’azione del vento sulle costruzioni

Calcola l’azione del vento sulle costruzioni ai sensi delle NTC2018 e Circolare 2019 con Eolo, l’app implementata in Microsoft Excel. 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.

Compila i campi qui sotto, riceverai all’istante una mail contenente il link per eseguire il download.

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Scarica il Focus Normativo PDF sul calcolo dell’azione del vento

Tutte le prescrizioni della Normativa Tecnica NTC2018 e della Circolare 2019 riguardanti la valutazione dell’azione del vento sulle costruzioni raccolte in unico documento PDF scaricabile gratuitamente. Compila i campi qui sotto, riceverai all’istante un’email contenente il link per eseguire il download.

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Conclusioni

Siamo arrivati alla fine del post, se hai letto fin qui vuol dire che il calcolo dell’azione del vento è un argomento di tuo interesse. In quest’articolo ci siamo focalizzati sui coefficienti di pressione interna ed esterna e sulle combinazioni di carico. Per approfondire tutti gli altri fattori che entrano in gioco nel calcolo dell’azione del vento trovi tutte le info in quest’articolo del blog.

Nel calcolo dell’azione del vento, il coefficiente di pressione esterna ed interna gioca un ruolo fondamentale: assegna il segno positivo e negativo all’azione del vento e ne definisce l’entità a seconda della porzione di edificio investita dal vento (pareti verticali o copertura, fascia sopravento e sottovento etc.) e dei parametri geometrici (inclinazione della falda, dimensioni pareti etc.).

Spero che quest’articolo ti sia stato utile per comprendere come definire i coefficienti pressione interna ed esterna ai fini della corretta applicazione dell’azione del vento. Se ti è piaciuto puoi suggerirlo ai tuoi amici su Facebook e ai tuoi colleghi su Linkedin cliccando sui tasti di condivisione social in fondo alla pagina.

Al prossimo articolo.

Marco

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Codice articolo: 223