Studio delle deformazioni e delle sollecitazioni nelle strutture metalliche

Per la costruzione di strutture in metallo sicure in ambito edile c’è bisogno del cosiddetto calcolo di progetto o di verifica, che comprende una vasta gamma di operazioni matematiche che hanno, appunto, lo scopo di appurare che una costruzione sarà sicura. In ambito strutturale, non esiste mai quella che si potrebbe definire come progettazione pura, nel senso che non ci può essere una soluzione valida a livello universale, in considerazione delle molteplici variabili di un problema. In altre parole, è essenziale che la progettazione venga declinata in molteplici verifiche di affinamento, una volta che sono state individuate e definite tutte le variabili. 

I software di calcolo

Un aiuto prezioso proviene, senza dubbio, dai software di calcolo. È chiaro che tali programmi non possono in alcun modo sopperire a eventuali lacune del professionista o all’assenza di competenze specifiche. Insomma, c’è sempre e comunque bisogno di una figura che sia in possesso di conoscenze che permettano di procedere a un adeguato predimensionamento strutturale; dopodiché il computer potrà provvedere al calcolo di verifica definitivo. Le strutture vengono distinte in funzione di vari criteri, a cominciare dai materiali impiegati: è evidente, per esempio, che i capannoni in ferro sono diversi rispetto a costruzioni in legno. Più nel dettaglio, la classificazione in base ai materiali utilizzati prevede una distinzione fra muratura, legno, acciaio, calcestruzzo, acciaio e altri sistemi costruttivi. Inoltre, le strutture possono essere solid, shell o frame (vale a dire, rispettivamente, a 8 nodi, a guscio o a telaio), a seconda della tipologia di elementi da cui sono composte. Un'ulteriore differenziazione è fra le strutture iperstatiche e quelle isostatiche, sulla base di vincoli esterni e interni.

La differenza fra struttura iperstatiche e strutture isostatiche

Si parla di strutture isostatiche nel momento in cui il numero di equazioni di equilibrio della statica che si possono scrivere è pari al numero di gradi di libertà degli elementi idealmente rigidi che formano la struttura stessa. Quando non si verifica tale uguaglianza, si ha a che fare con strutture iperstatiche. Che cosa cambia in concreto? Le strutture isostatiche permettono di scrivere un certo numero di equazioni indipendenti con quello stesso numero di incognite, ed è sempre possibile una soluzione al problema al di là del livello di difficoltà correlato al calcolo manuale. Nel caso delle strutture iperstatiche, invece, il numero di equazioni indipendenti è inferiore a quello delle incognite, ed è questo il motivo per il quale diventa necessario aggiungere delle equazioni in più.

I riferimenti normativi

Le norme tecniche per le costruzioni contenute nel DM del 17 gennaio del 2018 rappresentano il principale quadro normativo di riferimento in materia di costruzioni civili, anche per ciò che riguarda le sollecitazioni e le deformazioni delle strutture metalliche. L’iter di calcolo prevede in primis un’analisi dei carichi caratteristici che agiscono sulla struttura, tenendo conto fra l’altro dei carichi di neve e dei carichi di vento, ma anche dei pesi propri strutturali e delle azioni sismiche. In seguito si può procedere con la scelta della giusta combinazione dei carichi. Una volta ricercate le reazioni vincolari esterne alla struttura, si possono calcolare le caratteristiche di sollecitazione dalle varie sezioni. Quindi arriva il momento di verificare la stabilità e la resistenza alle tensioni, così come gli stati limite di esercizio quali il degrado dei materiali, gli spostamenti e le deformazioni.

Il metodo degli stati limite

Il metodo degli stati limite permette di mettere a confronto le sollecitazioni di calcolo che agiscono su una struttura in metallo in relazione alle combinazioni dei carichi che sono previste per un dato stato limite. Questo metodo offre a chi se ne serve un vantaggio di non poco conto, vale a dire la possibilità di dover controllare unicamente le sollecitazioni che agiscono sulle sezioni più impegnate; per questo non è necessario passare attraverso le tensioni. La verifica di resistenza è da considerarsi soddisfatta unicamente nel caso in cui la tensione di calcolo risulti più bassa rispetto alla tensione resistente massima del materiale. 

Il metodo delle tensioni ammissibili

Una soluzione alternativa che può essere adottata è rappresentata dal metodo delle tensioni ammissibili, in base al quale vengono messi a confronto i valori delle tensioni ideali. Queste vengono calcolate sulla base di parametri specifici che variano a seconda del materiale che si sta prendendo in considerazione, e in funzione delle tensioni tangenziali e normali di un elemento infinitesimo della sezione resistente, secondo la combinazione dei carichi con la tensione ammissibile. Il valore della tensione massima resistente si ricava per mezzo di semplici prove di laboratorio che vengono effettuate su campioni standard (il taglio puro o la trazione semplice, per esempio), e ad esso può essere poi applicato il coefficiente di sicurezza.