Calcolo carico del vento

Metodo di calcolo del carico del vento

Questo calcolatore del carico del vento determina la pressione di progetto su tetti, recinzioni, edifici e altre strutture. Il calcolo viene eseguito per zone per un edificio rettangolare, un tetto a due falde e una parete piena o recinzione con risvolti laterali, considerando la velocità di base del vento relativa alla zona, la categoria del terreno, l’altezza della struttura, la geometria e la superficie esposta, i coefficienti di pressione esterna e, quando previsto, la pressione interna.

Per ogni zona, i risultati comprendono il fattore di esposizione, il coefficiente aerodinamico risultante e la pressione di progetto del vento in kN/m² e kgf/m². Il segno della pressione viene mantenuto: un valore positivo indica una pressione diretta verso la superficie, mentre un valore negativo indica una depressione.

Valori di riferimento e raccomandazioni

Norme e sequenza di calcolo

Norme. I coefficienti dell’azione del vento e le regole per la suddivisione delle superfici in zone si basano sulla EN 1991-1-4 «Eurocodice 1: Azioni sulle strutture - Parte 1-4: Azioni in generale - Azioni del vento». Il coefficiente parziale utilizzato per ottenere il valore di progetto si basa sulla EN 1990 «Eurocodice - Criteri generali di progettazione strutturale».

Sequenza di calcolo. Per prima cosa si calcola la pressione di base del vento a partire dalla velocità di base del vento. Successivamente si determina la pressione cinetica di picco in funzione della categoria del terreno e dell’altezza di riferimento. L’edificio, il tetto o la parete vengono quindi suddivisi in zone, a ogni zona viene assegnato un coefficiente aerodinamico, si considera la pressione interna quando selezionata e infine si applica il coefficiente parziale.

Velocità di base del vento. Il calcolo utilizza la velocità di base del vento vb in m/s. Questa deve già includere i coefficienti di direzione e stagionale secondo vb = cdir · cseason · vb,0. I valori di cdir, cseason e della velocità fondamentale di base del vento vb,0 sono determinati dall’Appendice Nazionale alla EN 1991-1-4.

Pressione di base del vento. Nel calcolo viene utilizzata una densità dell’aria pari a ρ = 1.25 kg/m³. La pressione cinetica di base viene calcolata dal quadrato della velocità del vento:

qb = 0.5 · ρ · vb2 / 1000

Con la velocità espressa in m/s, questa formula fornisce qb in kN/m². Per esempio, raddoppiando la velocità del vento, la pressione aumenta di quattro volte.

Categoria del terreno ed effetto dell’altezza

Rugosità del terreno. Per le cinque categorie di terreno vengono utilizzate le seguenti lunghezze di rugosità z0 e altezze minime di riferimento zmin:

• Categoria 0: z0 = 0.003 m, zmin = 1 m.
• Categoria I: z0 = 0.01 m, zmin = 1 m.
• Categoria II: z0 = 0.05 m, zmin = 2 m.
• Categoria III: z0 = 0.3 m, zmin = 5 m.
• Categoria IV: z0 = 1.0 m, zmin = 10 m.

Altezza di riferimento. Le dimensioni geometriche vengono inserite in mm, mentre l’altezza utilizzata per il profilo del vento viene convertita in metri. Se l’altezza di riferimento è inferiore a zmin per la categoria di terreno selezionata, viene utilizzato zmin. Il limite superiore dell’altezza di riferimento è 200 m.

Coefficiente di rugosità. Viene prima calcolato il fattore del terreno kr, seguito dal coefficiente di rugosità cr(z) e dall’intensità di turbolenza Iv(z):

kr = 0.19 · (z0 / 0.05)0.07

cr(z) = kr · ln(z / z0)

Iv(z) = 1 / ln(z / z0)

Il calcolo assume un coefficiente orografico pari a c0 = 1.0 e un fattore di turbolenza pari a kI = 1.0.

Fattore di esposizione. La colonna k mostra il rapporto tra la pressione cinetica di picco alla quota selezionata e la pressione cinetica di base:

k(z) = (1 + 7 · Iv(z)) · cr2(z)

qp(z) = qb · k(z)

Di conseguenza, a parità di velocità di base del vento, la pressione risultante varia con l’altezza e con la categoria del terreno.

Edificio rettangolare

Direzione del vento. Per il vento che agisce sulla parete A, d è considerata la dimensione trasversale al vento e b la profondità dell’edificio nella direzione del vento. Per il vento che agisce sulla parete B, queste dimensioni vengono scambiate. Ciò influisce sia sulle dimensioni delle zone sia sui coefficienti delle pareti sopravento e sottovento.

Larghezza delle zone di bordo. Per le pareti laterali, la dimensione e viene prima calcolata come il valore minore tra la dimensione trasversale al vento e il doppio dell’altezza dell’edificio:

e = min(dimensione trasversale; 2h)

La prima zona di bordo si estende fino a e/5, la seconda fino a e, mentre la parte restante appartiene alla zona successiva. Se l’edificio termina prima del raggiungimento del limite di una zona, tale zona non viene inclusa nei risultati.

Coefficienti esterni delle pareti laterali. Il calcolatore utilizza valori cpe,10 pari a -1.2, -0.8 e -0.5 rispettivamente per le zone A, B e C. Si tratta di coefficienti cpe,10 applicabili a superfici caricate di circa 10 m² o superiori.

Parete sopravento D. Il coefficiente dipende dal rapporto tra l’altezza h e la profondità dell’edificio. Per h/profondità ≤ 0.25 viene utilizzato cpe,10 = +0.7; per h/profondità ≥ 1 viene utilizzato +0.8. Tra questi valori si applica un’interpolazione lineare.

Parete sottovento E. Per h/profondità ≤ 0.25 viene utilizzato cpe,10 = -0.3; per un rapporto pari a 1, il valore è -0.5; per h/profondità ≥ 5, il valore è -0.7. I coefficienti intermedi vengono ottenuti mediante interpolazione lineare.

Altezze di riferimento della parete sopravento. Se h ≤ dimensione trasversale, per l’intera parete viene utilizzato ze = h. Se dimensione trasversale < h ≤ 2 · dimensione trasversale, la parte inferiore utilizza un’altezza di riferimento pari alla dimensione trasversale, mentre la parte superiore utilizza h. Se h > 2 · dimensione trasversale, vengono utilizzati tre livelli: la dimensione trasversale, h - dimensione trasversale e h. Per le zone laterali e sottovento, la pressione cinetica di picco viene calcolata all’altezza h.

Tetto a due falde

Pendenza del tetto. L’angolo del tetto viene calcolato automaticamente a partire dall’altezza totale h, dall’altezza di gronda h1 e dalla larghezza dell’edificio d:

α = arctan((h - h1) / (d / 2))

Il calcolo viene eseguito per pendenze positive del tetto comprese tra 5° e 75°. Per gli angoli intermedi, i coefficienti vengono ottenuti mediante interpolazione lineare tra i valori tabellari più vicini aventi lo stesso segno.

Vento parallelo al colmo. Per il vento che agisce sulla parete A viene utilizzato il caso θ = 90°. Le righe dei risultati corrispondono alle zone F, G, H e I. I valori di cpe,10 per gli angoli 5°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75° sono: F — -1.6, -1.3, -1.1, -1.1, -1.1, -1.1; G — -1.3, -1.3, -1.4, -1.4, -1.2, -1.2; H — -0.7, -0.6, -0.8, -0.9, -0.8, -0.8; I — -0.6, -0.5, -0.5, -0.5, -0.5, -0.5.

Vento perpendicolare al colmo. Per il vento che agisce sulla parete B viene utilizzato il caso θ = 0°. Le righe corrispondono alle zone F, G, H, J e I. Per le pendenze del tetto per le quali la EN 1991-1-4 prevede due possibili rami di pressione, il calcolatore verifica entrambi e determina separatamente per ogni zona il valore più sfavorevole.

• 5°: F -1.7 / 0.0, G -1.2 / 0.0, H -0.6 / 0.0, I -0.6, J -0.6 / +0.2.
• 15°: F -0.9 / +0.2, G -0.8 / +0.2, H -0.3 / +0.2, I -0.4 / 0.0, J -1.0 / 0.0.
• 30°: F -0.5 / +0.7, G -0.5 / +0.7, H -0.2 / +0.4, I -0.4 / 0.0, J -0.5 / 0.0.
• 45°: F 0.0 / +0.7, G 0.0 / +0.7, H 0.0 / +0.6, I -0.2 / 0.0, J -0.3 / 0.0.
• 60°: F +0.7, G +0.7, H +0.7, I -0.2, J -0.3.
• 75°: F +0.8, G +0.8, H +0.8, I -0.2, J -0.3.

Geometria delle zone del tetto. Per il vento parallelo al colmo viene utilizzato e = min(d; 2h), con limiti caratteristici delle zone pari a e/10, e/2 e e/4. Per il vento perpendicolare al colmo viene utilizzato e = min(b; 2h), con i limiti principali pari a e/10 e e/4. Se il tetto termina prima del limite successivo, la zona assente non viene inclusa nei risultati.

Altezza di riferimento del tetto. Per tutte le zone del tetto a due falde viene utilizzata la pressione cinetica di picco qp(h) corrispondente all’altezza totale dell’edificio.

Pressione interna

Coefficiente di pressione interna. Se la pressione interna non viene considerata, si utilizza cpi = 0. Quando viene selezionata l’opzione EN per la pressione interna, vengono verificati due valori: cpi = +0.2 e cpi = -0.3. Per ogni zona viene scelta la combinazione che produce il maggiore valore assoluto della pressione risultante.

Effetto combinato delle pressioni. Per il tetto, la pressione esterna e quella interna sono riferite all’altezza h, quindi la pressione caratteristica risultante viene determinata dalla differenza tra i coefficienti:

wk = qp(h) · (cpe - cpi)

Per le pareti dell’edificio, la pressione esterna può essere calcolata alla propria altezza di riferimento ze, mentre la pressione interna si basa su qp(h). Le componenti esterna e interna vengono quindi calcolate separatamente e poi combinate per ottenere la differenza più sfavorevole. In questo caso, il coefficiente visualizzato c è un coefficiente risultante equivalente corrispondente alla pressione calcolata.

Parete piena o recinzione con risvolti laterali

Modello di calcolo. Il calcolo rappresenta una parete piena autoportante con un rapporto di solidità pari a φ = 1 e risvolti laterali lunghi almeno h. Per questa configurazione vengono utilizzati i coefficienti raccomandati di pressione netta cp,net della EN 1991-1-4.

Coefficienti di zona. Per le zone successive vengono utilizzati i coefficienti 2.1, 1.8, 1.4 e 1.2. I limiti delle zone si trovano a distanze di 0.3h, 2h e 4h dal bordo della parete.

Calcolo della pressione. Per tutte le zone viene utilizzata la pressione cinetica di picco qp(h) all’altezza della parete. La pressione interna non viene applicata a una parete autoportante perché il calcolo utilizza il coefficiente di pressione netta cp,net.

Conversione in pressione di progetto del vento

Coefficiente parziale. Dopo aver determinato la pressione caratteristica del vento, il calcolatore la moltiplica per γQ = 1.5. Questo è il valore raccomandato per un’azione variabile principale sfavorevole secondo la EN 1990; l’Appendice Nazionale può specificare valori diversi per una particolare situazione di progetto.

wd = γQ · wk

Unità del risultato. Il risultato principale è espresso in kN/m². Viene inoltre convertito in kgf/m² utilizzando 1 kN/m² = 101.97 kgf/m².

Appendici Nazionali. Il calcolatore utilizza i coefficienti raccomandati della EN 1991-1-4 e γQ = 1.5. Per la progettazione strutturale, la velocità regionale del vento, i coefficienti di direzione e stagionale e gli eventuali coefficienti definiti a livello nazionale devono essere ricavati dall’Appendice Nazionale applicabile nel paese in cui si trova la struttura.

FAQs

Perché la pressione del vento varia tra le zone dello stesso edificio?

Il flusso d’aria interagisce in modo diverso con le parti centrali delle superfici, con i bordi e con gli angoli. Nelle zone di bordo si verificano depressioni locali più intense, per cui i coefficienti di pressione esterna sono differenti. Il risultato può inoltre variare perché zone diverse possono utilizzare altezze di riferimento differenti.

Come si sceglie la categoria del terreno?

La categoria del terreno viene scelta in base alle caratteristiche della superficie e agli ostacoli presenti sul lato sopravento. Un terreno aperto con pochi ostacoli corrisponde normalmente alla categoria II, le aree suburbane e i boschi alla categoria III e le aree urbane densamente edificate alla categoria IV. Il terreno sopravento rilevante può cambiare anche al variare della direzione del vento.

Perché la pressione del vento calcolata può essere negativa?

Un segno negativo rappresenta una depressione: la pressione esterna agisce allontanandosi dalla superficie rispetto alla direzione positiva adottata. Questo è comune sulle pareti laterali, sulle superfici sottovento e in molte zone del tetto. Per verificare la resistenza della struttura sono importanti sia il valore sia la direzione del carico del vento.

Perché vengono verificati due valori della pressione interna?

La pressione interna può aumentare la pressione esterna oppure aumentare la depressione. Per questo motivo, quando viene selezionata l’opzione EN, il calcolatore verifica sia cpi = +0.2 sia cpi = -0.3 e mantiene per ogni zona la combinazione più sfavorevole. In questo modo vengono considerate entrambe le possibili direzioni della pressione interna con un’unica procedura di calcolo.

Dove si trova la velocità di base del vento da utilizzare nel calcolo?

I valori regionali del vento sono specificati nell’Appendice Nazionale alla EN 1991-1-4 per il paese in cui si trova la struttura. Il calcolatore utilizza vb, cioè la velocità dopo l’applicazione del coefficiente di direzione cdir e del coefficiente stagionale cseason. Poiché la pressione del vento dipende dal quadrato della velocità, anche una variazione relativamente piccola di vb può influire sensibilmente sul carico del vento calcolato.