CALCOLO DEI CARICHI TRASMESSI DALL’EDIFICIO

Per un calcolo corretto delle fondazioni e delle strutture portanti dell’edificio è criticamente importante distinguere chiaramente i tipi di carichi e applicare i corrispondenti coefficienti normativi. Secondo la DBN V.1.2-2:2006 ‘Carichi e azioni’, i carichi si suddividono in permanenti, temporanei (di lunga durata, di breve durata) e speciali. I carichi permanenti includono il peso proprio di tutti gli elementi dell’edificio: fondazione, pareti, solai, copertura, impianti tecnologici, nonché il peso delle finiture non rimovibili. I loro valori di calcolo si ottengono moltiplicando i valori normativi per il coefficiente di sicurezza sul carico, che per la maggior parte dei materiali da costruzione è di 1,1–1,3. Ad esempio, per le strutture in cemento armato il coefficiente è spesso assunto pari a 1,1, per quelle metalliche — 1,05, per il terreno — 1,15.

I carichi temporanei, a loro volta, si suddividono in carichi di lunga e di breve durata. Ai carichi di lunga durata appartengono quelli derivanti da attrezzature fisse, mobili, tramezzi, che possono variare durante il periodo di esercizio, nonché i carichi da neve per determinate regioni. I carichi di breve durata sono il peso delle persone, delle attrezzature mobili, dei veicoli, i carichi da vento e quelli da neve non classificati come di lunga durata. I valori di calcolo dei carichi temporanei sono determinati anch’essi tenendo conto dei coefficienti di sicurezza, che variano da 1,2 a 1,4 a seconda del tipo di carico e della sua variabilità.

I carichi speciali sono azioni che si verificano raramente ma con intensità significativa, come quelli sismici, da esplosione e quelli derivanti da deformazioni della base (ad esempio, cedimenti, fenomeni carsici). Per l’Ucraina, in particolare per le regioni occidentali, i carichi sismici vengono calcolati in conformità con la mappa di zonizzazione sismica e la DBN V.1.1-12:2014 ‘Costruzione nelle regioni sismiche dell’Ucraina’. Un approccio integrato alla loro considerazione è la garanzia della stabilità dell’edificio. Tutti questi parametri formano lo schema di calcolo, che è la base per l’analisi successiva e la scelta del tipo di fondazione ottimale. Ignorare uno qualsiasi di questi componenti può portare a una determinazione scorretta della capacità portante e, di conseguenza, a situazioni di emergenza. Il corretto utilizzo delle DBN non è una semplice formalità, ma una componente critica della progettazione professionale.

Per determinare il carico permanente complessivo dell’edificio è necessario calcolare accuratamente il peso di ogni suo elemento costruttivo. Questo processo inizia con la determinazione del peso specifico dei materiali. Ad esempio, per il mattone in laterizio il peso specifico è di circa 1600-1900 kg/m³, per il calcestruzzo cellulare — 400-800 kg/m³, per il legno (pino, abete) — 400-550 kg/m³. Le soluzioni costruttive moderne, come i pannelli XLAM, hanno un peso specifico di circa 470-500 kg/m³, notevolmente più leggero rispetto alle tradizionali pareti monolitiche o in muratura, ma richiedono una considerazione precisa degli strati di isolamento termico e delle finiture.

Il peso delle pareti viene calcolato come prodotto del peso specifico del materiale, del volume (lunghezza, altezza, spessore) e della quantità. È importante tenere conto di tutti gli strati del ‘pacchetto’ della parete: parte portante, isolante (lana minerale, EPS, XPS), intonaco, rivestimento. Ad esempio, una parete esterna in mattoni di laterizio con spessore di 380 mm con isolante di 150 mm in lana minerale (150 kg/m³) e intonaco (20 mm, 1800 kg/m³) avrà un peso notevolmente maggiore rispetto a una parete in legno lamellare GL24h di spessore 200 mm. I solai si calcolano in modo analogo: peso della struttura portante (travi, lastre), massetto, pavimentazione, isolamento acustico, controsoffitto. Per i solai interpiano si utilizzano spesso lastre in cemento armato (2500 kg/m³) o travi in legno con tavolato, il che influisce significativamente sulla massa complessiva.

La copertura include il peso della struttura del tetto (in legno, metallica), dell’isolante, dell’impermeabilizzazione e della barriera al vapore, del listellaggio e del manto di finitura (lamiera metallica — 5-7 kg/m², tegole in laterizio — 40-60 kg/m²). Il coefficiente di sicurezza per il peso proprio degli elementi è generalmente assunto pari a 1,1. La somma di questi valori fornisce il carico permanente normativo. Per un calcolo preciso è necessario utilizzare le schede tecniche dei materiali dei produttori e gli standard DBN, nonché tenere conto dei parametri geometrici di tutti gli elementi dell’edificio con precisione millimetrica, poiché anche deviazioni minime possono influire significativamente sul carico complessivo di una grande struttura.

Oltre ai carichi permanenti, un’importanza decisiva per la stabilità dell’edificio hanno gli effetti temporanei e speciali. I carichi da neve vengono determinati in base alle mappe delle zone nevose dell’Ucraina, riportate nella DBN V.1.2-2:2006. Per la maggior parte delle regioni dell’Ucraina, il valore normativo del carico da neve Sg varia da 80 kg/m² (I zona nevosa, ad esempio, il sud della regione di Odessa) a 180 kg/m² (V zona nevosa, ad esempio, i Carpazi). Per la regione di Kiev è di circa 100 kg/m² (II zona nevosa). Il valore di calcolo si ottiene moltiplicando quello normativo per il coefficiente di sicurezza sul carico da neve (generalmente 1,4) e il coefficiente di forma della copertura, che dipende dal suo angolo di inclinazione e dalla configurazione (ad esempio, per tetti a due falde con angolo di inclinazione fino a 30° è pari a 1,0, a 60° — 0).

Anche i carichi da vento sono regolati dalla DBN V.1.2-2:2006 e dipendono dalle zone di vento (pressione normativa del vento W0 da 30 a 85 kg/m²), dall’altezza dell’edificio, dalle sue caratteristiche aerodinamiche e dal coefficiente di pulsazione. Per Kiev il carico da vento di base W0 è di 40 kg/m². Il calcolo dei carichi da vento è complesso e richiede di tenere conto sia della pressione frontale sia della depressione sulle superfici laterali e sottovento. Il coefficiente di sicurezza per il carico da vento è generalmente assunto pari a 1,4. I carichi di esercizio (da persone, mobili, attrezzature) per gli edifici residenziali sono stabiliti dalla DBN V.1.2-2:2006 e sono generalmente pari a 150 kg/m² per gli ambienti residenziali, 200 kg/m² per cucine e bagni, e fino a 400 kg/m² per spazi pubblici o garage. Il coefficiente di sicurezza è 1,2.

I carichi speciali, come quelli sismici, sono specifici per determinate regioni dell’Ucraina. Il loro calcolo si basa sull’accelerazione del terreno e sulle caratteristiche dinamiche dell’edificio. Nella progettazione è importante tenere conto delle combinazioni di carichi che possono agire simultaneamente. Le DBN prevedono diverse combinazioni: di base (permanenti + temporanei) e speciali (permanenti + temporanei + speciali). Ogni combinazione deve essere verificata per determinare lo scenario più sfavorevole per la fondazione e gli elementi portanti. I moderni pacchetti di calcolo, come SCAD Office o LIRA, consentono di automatizzare questo processo, ma richiedono all’ingegnere una profonda comprensione della fisica dei processi e dei requisiti normativi.

La scelta della tecnologia costruttiva ha un’influenza diretta sul carico complessivo che l’edificio eserciterà sulla base del terreno. Confrontiamo alcuni sistemi costruttivi diffusi dal punto di vista del loro peso specifico e dell’impatto complessivo sulla fondazione. Le case in mattoni, tradizionalmente considerate solide e durature, appartengono alla categoria delle strutture pesanti. Il peso delle pareti in mattoni pieni può raggiungere 1900 kg/m³, e la massa complessiva di una casa in mattoni a due piani con superficie di 150-200 m² può superare le 300-400 tonnellate, senza contare fondazione e copertura. Ciò richiede fondazioni a nastro massicce, spesso profonde, o a platea, con un’elevata capacità portante del terreno.

Le case a telaio (telaio in legno o metallo con rivestimento) sono notevolmente più leggere. Il peso specifico delle strutture di parete, incluso isolante e rivestimento, raramente supera 150-250 kg/m². Il peso complessivo di una casa della stessa superficie può essere di 50-80 tonnellate. Ciò consente di utilizzare fondazioni più leggere e meno profonde, come quelle a nastro poco profonde, a plinti isolati o UŠP (platea svedese isolata). Ciò non solo riduce i costi di materiali e scavo, ma diminuisce anche il rischio di rigonfiamento da gelo grazie alla minore massa e alla migliore coibentazione della fondazione. Per le case a telaio si utilizza spesso una fondazione a nastro poco profonda, che garantisce un appoggio sufficiente.

Le tecnologie moderne, come la costruzione in legno lamellare (progetti in legno lamellare) o pannelli XLAM, occupano una posizione intermedia. Il peso delle pareti in legno lamellare (ad esempio, GL24h) è di circa 450-550 kg/m³, e dei pannelli XLAM — 470-500 kg/m³. Il peso complessivo dell’edificio sarà inferiore rispetto a quello in mattoni, ma superiore rispetto a quello a telaio. Ciò richiede un calcolo ingegneristico accurato, ma spesso consente di ottimizzare la fondazione, evitando una massa eccessiva. Ad esempio, per una casa in XLAM può essere efficace una fondazione a platea o a nastro, ma con una profondità di posa inferiore rispetto a quella in mattoni. Nella scelta della struttura è sempre necessario considerare non solo il costo dei materiali, ma anche l’impatto complessivo sulla fondazione, che può modificare notevolmente il budget del progetto e i tempi di esecuzione dei lavori.

La scelta del tipo di fondazione dipende direttamente dall’entità e dalla natura dei carichi trasmessi dall’edificio, nonché dalla capacità portante del terreno. Per le fondazioni a nastro, le più diffuse nell’edilizia a bassa densità, il carico si distribuisce linearmente sotto le pareti portanti. Il calcolo consiste nel determinare la larghezza della base della fondazione, che garantisca una pressione sul terreno non superiore alla sua resistenza di calcolo. A tal fine, il carico complessivo derivante dal tratto di parete (incluso il peso proprio della fondazione e del terreno sovrastante) viene diviso per la resistenza di calcolo del terreno (Rn) e la lunghezza del tratto. Secondo la DBN V.2.1-10:2009 ‘Basi e fondazioni di edifici e strutture’, la resistenza di calcolo del terreno viene determinata sulla base di indagini geologiche.

Le fondazioni a platea (platea monolitica), in particolare le platee svedesi isolate (UŠP), sono ideali per edifici con grande superficie e distribuzione uniforme dei carichi, oppure su terreni deboli ed eterogenei. La platea funziona come un’unica struttura spaziale, distribuendo uniformemente il carico su tutta l’area della base. Il calcolo della fondazione a platea consiste nel determinarne lo spessore e l’armatura, affinché la platea possa sopportare sia i momenti flettenti locali sia quelli complessivi. Il carico complessivo sulla platea viene diviso per la sua area, e la pressione ottenuta viene confrontata con la resistenza di calcolo del terreno. Il vantaggio della UŠP consiste anche nella minimizzazione dell’effetto del rigonfiamento da gelo grazie a un’efficace coibentazione lungo il perimetro.

Le fondazioni su pali vengono utilizzate su terreni deboli, molto comprimibili o in presenza di carichi significativi trasmessi dall’edificio (ad esempio, edifici pluripiano). Il carico dell’edificio viene trasmesso ai pali, che a loro volta lo trasmettono a strati di terreno più densi e resistenti, situati a una profondità significativa. Il calcolo della fondazione su pali include la determinazione del numero, del diametro e della lunghezza dei pali, nonché delle dimensioni della trave di fondazione (cordolo) che unisce i pali. La capacità portante di un singolo palo viene calcolata tenendo conto della resistenza del terreno lungo la superficie laterale del palo e sotto la sua base. Ogni tipo di fondazione ha i propri vantaggi e svantaggi, e la scelta dipende da una valutazione integrata delle condizioni geologiche del terreno e di tutti i tipi di carichi della futura struttura.

Nella progettazione edilizia moderna, i calcoli manuali dei carichi e delle fondazioni sono insufficienti per garantire il livello di precisione e ottimizzazione necessario. Gli ingegneri utilizzano attivamente pacchetti software specializzati, come SCAD Office, LIRA-SAPR, SAP2000, ETABS, Autodesk Robot Structural Analysis. Questi programmi consentono di creare modelli 3D dettagliati dell’edificio e della sua fondazione, simulare diversi scenari di carico (inclusi quelli sismici e dinamici), nonché eseguire calcoli con il metodo degli elementi finiti.

I pacchetti software consentono non solo di determinare l’entità dei carichi sulla base del terreno, ma anche di calcolare lo stato tensio-deformativo delle strutture, ottimizzare le dimensioni degli elementi (travi, colonne, platee) e la loro armatura. Un aspetto importante è la corretta applicazione dei coefficienti di sicurezza, che tengono conto dell’incertezza delle caratteristiche dei materiali, dei carichi e dei metodi di calcolo. Ad esempio, il coefficiente di sicurezza del materiale (coefficiente delle condizioni di lavoro) per il calcestruzzo può essere di 1,15-1,3, per l’armatura — 1,0-1,1. Per i terreni, il coefficiente di sicurezza generalmente varia da 1,2 a 1,4.

La DBN V.1.2-14:2018 ‘Principi generali di garanzia dell’affidabilità e della sicurezza strutturale di edifici e strutture’ è il documento principale che regolamenta l’applicazione di questi coefficienti e i requisiti generali di affidabilità. Inoltre, è importante tenere conto degli stati limite. Si distinguono due stati limite principali: il primo — relativo alla capacità portante (perdita di resistenza, stabilità, deformazioni che portano al cedimento), il secondo — relativo all’idoneità all’esercizio normale (deformazioni eccessive, fessure, vibrazioni che compromettono il comfort). Ogni calcolo viene eseguito due volte — con i valori normativi e con i valori di calcolo dei carichi, tenendo conto dei corrispondenti coefficienti. L’uso di software con licenza e di ingegneri calcolatori qualificati è una condizione obbligatoria per garantire la sicurezza e la durabilità di qualsiasi progetto edilizio.

Ridurre il carico complessivo dell’edificio sulla fondazione è un compito chiave per ottimizzare i costi e aumentare la stabilità della struttura, specialmente su terreni difficili. Uno dei metodi più efficaci è l’uso di materiali da costruzione leggeri. Invece della tradizionale muratura in mattoni, si possono applicare tecnologie a telaio con profili in legno o metallo ed efficaci isolanti leggeri. Tali strutture di parete pesano 5-10 volte meno di quelle in mattoni, riducendo notevolmente il carico permanente.

Un’altra soluzione efficace è l’uso di moderne strutture in legno, come il legno lamellare o i pannelli XLAM. Garantiscono elevata resistenza e rigidità con un peso specifico relativamente contenuto. Ad esempio, le pareti in XLAM possono essere notevolmente più sottili di quelle in mattoni, pur avendo migliori caratteristiche termotecniche ed essendo meno massicce. Ciò consente di ridurre il volume dei lavori di fondazione, diminuire i costi per armatura e calcestruzzo, nonché abbreviare i tempi di costruzione.

Anche l’ottimizzazione dei sistemi di copertura svolge un ruolo importante. Invece della pesante tegola in laterizio, si possono utilizzare lamiera metallica, tegole bituminose o coperture a membrana, che hanno un peso minore. Anche la progettazione di solai efficaci con un peso proprio inferiore, ad esempio con l’uso di travi in legno invece di lastre in cemento armato, contribuisce alla riduzione complessiva del carico. È importante non solo scegliere materiali leggeri, ma anche ottimizzarne lo schema costruttivo. L’uso di telai spaziali, capriate e altre strutture efficaci consente di distribuire razionalmente i carichi e ridurre le sezioni degli elementi portanti. Questo approccio aiuta a creare edifici conformi ai moderni requisiti di efficienza energetica ed edilizia sostenibile, riducendo al contempo l’impronta ecologica del progetto.

Nel calcolo dei carichi e nella progettazione delle fondazioni in Ucraina è necessario tenere conto delle specifiche condizioni climatiche e del terreno, che differiscono notevolmente nelle diverse regioni. Il territorio dell’Ucraina è suddiviso in diverse zone di neve e vento, il che influisce sui valori normativi dei carichi temporanei. Ad esempio, nei Carpazi i carichi da neve sono notevolmente più elevati rispetto al sud del paese, il che richiede strutture del tetto e fondazioni rinforzate. Di conseguenza, le soluzioni ingegneristiche per i progetti nelle zone montane differiranno da quelle applicate, ad esempio, nella zona steppica.

Le condizioni del terreno sono probabilmente il fattore più importante. La profondità di gelo del terreno varia da 0,8 m nel sud a 1,4 m nel nord e nell’est. Per la regione di Kiev, come indicato nella DBN V.2.1-10:2009, la profondità di gelo normativa per limi e argille è di circa 1,0-1,1 m. Questo parametro è critico per determinare la profondità di posa della fondazione, per evitare deformazioni da rigonfiamento da gelo. Un livello elevato delle acque sotterranee (LAS), specialmente in terreni soggetti a rigonfiamento (argille, limi, sabbie fini), aumenta il rischio di rigonfiamento e riduce la capacità portante della base del terreno. In questi casi possono essere necessari sistemi di drenaggio, sostituzione del terreno o l’uso di fondazioni su pali.

Anche l’attività sismica è un aspetto importante. Sebbene la maggior parte dell’Ucraina non appartenga a zone ad alta sismicità, alcune regioni, come la Crimea, la Transcarpazia, la regione di Odessa e alcune parti della regione di Leopoli, sono soggette a carichi sismici fino a 7-8 gradi sulla scala MSK-64. Per queste zone, i progetti degli edifici devono rispettare requisiti rafforzati della DBN V.1.1-12:2014, che include calcoli sismici speciali e misure strutturali (ad esempio, telai rigidi, cordoli antisismici). Un’analisi geologico-ingegneristica completa del terreno è obbligatoria per ogni progetto edilizio in Ucraina, consentendo di tenere conto di tutte le particolarità locali e garantire la massima affidabilità e sicurezza della futura struttura.