CARICO PER M²

Comprendere la terminologia e la classificazione dei carichi è la base per qualsiasi progettista. Il carico per m² è un indicatore chiave che riflette la pressione o la forza distribuita su un’unità di superficie. Secondo la ДБН В.1.2-2:2006 «Carichi e azioni. Norme di progettazione», tutti i carichi sono classificati in permanenti, variabili (di lunga e breve durata) e speciali.

I carichi permanenti comprendono il peso proprio delle strutture portanti e di involucro, delle fondazioni, degli impianti tecnologici e delle tramezzature fisse. Per la fondazione USP, si tratta del peso della piastra stessa, dell’isolante, degli strati del pavimento, dei muri, dei solai e della copertura. È importante notare che per la USP, che di norma include un sistema di pavimento radiante e tutti gli impianti, il peso proprio può essere significativo. Ad esempio, una piastra in calcestruzzo di spessore 100-200 mm ha un peso proprio di circa 2,5 kN/m² ogni 100 mm di spessore.

I carichi variabili si suddividono in:

• Di lunga durata: carichi da impianti fissi, mobili, stoccaggio prolungato di materiali, nonché carichi prolungati dovuti alle persone. Per gli edifici residenziali, secondo le ДБН, il carico variabile normativo uniformemente distribuito sui solai può essere compreso tra 1,5 kN/m² e 2,0 kN/m².
• Di breve durata: comprendono i carichi da neve, vento, carichi da persone temporaneamente presenti, mezzi mobili e attrezzature. I carichi da neve sono determinati secondo la mappa delle zone nevose dell’Ucraina (da 0,8 kN/m² per la zona I a 2,0 kN/m² per la zona V, ДБН В.1.2-2:2006). I carichi del vento vengono calcolati tenendo conto della pressione dinamica del vento e dei coefficienti aerodinamici, che dipendono dalla forma dell’edificio e dal territorio circostante. Per la maggior parte delle regioni dell’Ucraina, la pressione dinamica del vento varia da 0,3 kPa a 0,5 kPa.

I carichi speciali sono quelli sismici, da esplosione, da urto, nonché le deformazioni causate da cedimenti irregolari del terreno. Per l’Ucraina, i carichi sismici sono determinati secondo la ДБН В.1.1-12:2014 «Costruzione in zone sismiche», che suddivide il territorio in zone in base al livello di attività sismica. Ad esempio, per Kyiv l’intensità sismica è di 6 gradi sulla scala MSK-64.

Il calcolo dei carichi viene sempre eseguito tenendo conto dei coefficienti di sicurezza per il carico (γf), che di norma superano l’unità (ad esempio, 1,1–1,3 per i carichi permanenti e 1,2–1,4 per quelli variabili), per garantire un margine di resistenza delle strutture. Ciò garantisce che la fondazione USP sia in grado di sopportare non solo i carichi di progetto, ma anche i loro possibili aumenti durante l’esercizio.

La capacità portante del terreno è un parametro critico che determina la possibilità e il tipo di fondazione, in particolare per la USP, che ha un’ampia superficie di contatto con il terreno. Prima di progettare una fondazione USP è necessario condurre indagini geologico-ingegneristiche, disciplinate dalla ДБН Б.2.1-10:2009 «Indagini ingegneristiche per la costruzione».

Principali parametri del terreno da determinare:

• Tipo di terreno: sabbie, sabbie limose, argille limose, argille, torba. Ogni tipo ha proprie caratteristiche di comprimibilità e resistenza.
• Proprietà fisico-meccaniche: angolo di attrito interno (φ), coesione specifica (c), modulo di deformazione (E), indice dei vuoti (e), densità (ρ). Questi parametri influiscono direttamente sul calcolo della capacità portante.
• Livello della falda acquifera (РГВ): un РГВ elevato richiede misure aggiuntive di impermeabilizzazione e drenaggio, e può anche ridurre la capacità portante di alcuni terreni.
• Rigonfiamento da gelo: per i terreni soggetti a rigonfiamento (argille, argille limose) è importante la profondità di gelo (ДБН В.2.1-10:2009), che in Ucraina varia da 0,8 m al sud a 1,4 m al nord. La USP, grazie al suo isolamento termico integrato, riduce al minimo i rischi di rigonfiamento da gelo sotto la fondazione.

Metodi per determinare la capacità portante:

• Prove in situ: prova penetrometrica statica (CPT) e dinamica (DPT), prove pressiometriche, prove di carico su piastra. Questi metodi permettono di valutare direttamente il comportamento del terreno sotto carico in condizioni naturali. Ad esempio, la prova penetrometrica statica permette di ottenere un profilo continuo delle proprietà del terreno in profondità, particolarmente prezioso per la USP, poiché il carico si distribuisce su una superficie considerevole.
• Prove di laboratorio: prove di compressione per determinare il modulo di deformazione, prove di taglio per determinare l’angolo di attrito interno e la coesione.

Per la USP, l’ampia superficie di contatto permette di distribuire il carico su una superficie maggiore di terreno, riducendo la pressione specifica e consentendo l’uso della fondazione su terreni con capacità portante inferiore rispetto alle fondazioni a nastro o a plinti isolati. È importante che sotto la USP venga creato un cuscinetto di sabbia e ghiaia, che svolge il ruolo di drenaggio e di ulteriore strato portante, migliorando la distribuzione dei carichi. Il calcolo del cedimento della fondazione è obbligatorio e deve rispettare i valori limite stabiliti dalla ДБН В.2.1-10:2009 (ad esempio, per gli edifici residenziali il cedimento limite di norma non supera i 150 mm).

A seconda del tipo di terreno, la capacità portante specifica può variare da 0,1 MPa (100 kPa o 100 kN/m²) per le argille morbide a 0,5 MPa (500 kN/m²) per sabbie compatte e terreni rocciosi. Una valutazione accurata permette di ottimizzare la struttura della USP, riducendone lo spessore e l’armatura se necessario, oppure, al contrario, rinforzarla in condizioni di terreno complesse.

Per ulteriori informazioni sulla scelta dei terreni edificabili, che influisce direttamente su questi calcoli, consultate il nostro materiale Come scegliere il terreno.

La Platea Svedese Isolata (USP) non è semplicemente una fondazione, ma un sistema ingegneristico integrato che distribuisce in modo ottimale il carico dell’edificio sul terreno e allo stesso tempo svolge funzioni di isolamento termico e di alloggiamento degli impianti tecnologici. La sua struttura si differenzia notevolmente dalle fondazioni tradizionali, il che influisce sui metodi di calcolo dei carichi.

Elementi costruttivi della USP:

• Sistema di drenaggio: garantisce l’allontanamento delle acque superficiali e di falda, prevenendo l’inzuppamento e il cambiamento delle proprietà del terreno sotto la piastra.
• Cuscinetto di sabbia e ghiaia: crea una base uniforme, distribuisce ulteriormente il carico e previene la risalita capillare dell’acqua. Lo spessore del cuscinetto è di norma 200-400 mm.
• Polistirene estruso (XPS): uno strato di XPS di spessore 100-200 mm viene posizionato sotto la piastra e lungo il suo perimetro, svolgendo funzioni di isolamento termico e protezione dal rigonfiamento da gelo. Fornisce anche un certo grado di ammortizzazione. È importante utilizzare XPS ad alta resistenza a compressione, almeno 250 kPa (25 t/m²), preferibilmente 300-500 kPa, per sopportare i carichi di esercizio.
• Piastra in calcestruzzo: l’elemento portante principale, armato con due reti di armatura. Lo spessore della piastra varia di norma da 150 a 250 mm a seconda dei carichi e delle luci.
• Sistema di «pavimento radiante»: i tubi di riscaldamento vengono posati direttamente nella piastra in calcestruzzo, il che rende la USP una soluzione già pronta per il riscaldamento.

Meccanismo di distribuzione dei carichi: la USP, grazie alla sua struttura monolitica e alla grande superficie, funziona come un’unica piastra flessibile o rigida, appoggiata su una base elastica. Ciò permette di distribuire uniformemente i carichi concentrati provenienti da muri e colonne su una superficie di terreno molto più ampia. Questa architettura riduce notevolmente la pressione specifica sul terreno rispetto alle fondazioni a nastro o a plinti isolati, il che rende la USP una scelta ideale per la costruzione su terreni con capacità portante relativamente bassa.

Per l’analisi della distribuzione dei carichi si utilizza spesso il metodo degli elementi finiti (FEA). La FEA permette di modellare con precisione l’interazione della piastra con il terreno, tenendo conto della disomogeneità della base e delle geometrie complesse dei carichi. Software come SCAD Office, Lira-SAPR, ANSYS permettono di visualizzare i campi di tensione e deformazione, ottimizzando le dimensioni e l’armatura della piastra. Ciò garantisce un’elevata precisione dei calcoli e un risparmio di materiali, mantenendo la resistenza e la rigidità necessarie.

Un calcolo preciso dei carichi statici è una fase chiave della progettazione della fondazione USP. Ciò comprende l’analisi delle forze verticali che agiscono sulla piastra e la determinazione della sua reazione. La metodologia si basa sui principi della meccanica delle costruzioni e su documenti normativi come la ДБН В.1.2-2:2006 «Carichi e azioni. Norme di progettazione» e la ДБН В.2.1-10:2009 «Basi e fondazioni di edifici e strutture».

Fasi del calcolo:

1. Raccolta dei dati iniziali: elenco completo dei carichi permanenti, variabili (di lunga e breve durata) e speciali. Per la USP ciò comprende il peso proprio della piastra, dell’isolante, degli impianti, nonché il peso di muri, solai, copertura, mobili, attrezzature e neve.
2. Determinazione dei valori normativi dei carichi: valori stabiliti dalle norme per determinati tipi di edifici e regioni. Ad esempio, per i solai di edifici residenziali il carico variabile normativo può essere di 1,5 kN/m², e per i sottotetti di 1,0 kN/m².
3. Applicazione dei coefficienti di sicurezza per il carico (γf): per passare dai valori normativi a quelli di progetto. Questi coefficienti sono sempre superiori a 1,0 (ad esempio, 1,1–1,3 per i carichi permanenti e 1,2–1,4 per quelli variabili) e garantiscono il margine di resistenza necessario della struttura. Carico di progetto = Carico normativo × γf.
4. Costruzione degli schemi di calcolo: la USP può essere considerata come una piastra su base elastica. Per calcoli semplificati si può utilizzare il modello di Winkler (base elastica come insieme di molle indipendenti), ma per risultati più precisi si applicano modelli più complessi che tengono conto dell’interazione del terreno (ad esempio il modello di Pasternak).
5. Determinazione delle sollecitazioni interne: calcolo dei momenti flettenti, delle forze di taglio e della pressione sul terreno sotto la piastra. Questi valori sono necessari per progettare l’armatura della piastra.
6. Verifica della capacità portante: confronto della pressione di progetto sul terreno con la capacità portante normativa del terreno (R), tenendo conto del coefficiente delle condizioni di esercizio (γc). La pressione di progetto sul terreno non deve superare R/γc. Viene inoltre effettuata una verifica dei cedimenti e delle deformazioni.

Esempio: per una tipica casa a due piani con struttura a telaio, i carichi di progetto complessivi sulla fondazione possono essere di 10-15 kN/m². Se la capacità portante del terreno è di 150 kPa (150 kN/m²), la pressione specifica dalla USP sarà notevolmente inferiore alla capacità portante, il che indica affidabilità. Per evitare errori nei calcoli e ottimizzare il progetto, è importante utilizzare software specializzato, che aumenta notevolmente la precisione e la velocità di lavoro, ad esempio nello sviluppo di progetti.

Oltre ai carichi statici, sulla fondazione USP agiscono anche sollecitazioni dinamiche, che richiedono un’analisi separata. Si tratta di carichi da vento, neve e sismici, nonché, in alcuni casi, carichi vibrazionali da impianti o traffico. Ignorare le sollecitazioni dinamiche può portare alla rottura della struttura o a un degrado prematuro.

Carichi del vento: vengono determinati secondo la ДБН В.1.2-2:2006. Dipendono dalla regione (mappe delle zone eoliche dell’Ucraina), dall’altezza dell’edificio e dalla sua forma aerodinamica. Il vento genera sia pressione sulle superfici sopravvento sia aspirazione su quelle sottovento, e può anche causare torsione e vibrazioni. Per gli edifici alti questi effetti possono essere considerevoli. Sebbene la USP sia una fondazione bassa, i carichi del vento sulla parte fuori terra dell’edificio si trasmettono attraverso muri e telaio alla piastra, creando un’eccentricità che va considerata nel calcolo della pressione sul terreno.

Carichi da neve: sono disciplinati anch’essi dalla ДБН В.1.2-2:2006 e vengono determinati secondo la mappa delle zone nevose dell’Ucraina. La neve è un carico distribuito sulla copertura, che si trasmette attraverso muri e solai alla fondazione. È importante considerare il possibile accumulo non uniforme di neve (sacche di neve), che può creare carichi locali in eccesso. Per la USP ciò è importante, poiché un carico da neve eccessivo, in particolare su strutture leggere a telaio, può aumentare la pressione complessiva sul terreno.

Carichi sismici: vengono calcolati secondo la ДБН В.1.1-12:2014 «Costruzione in zone sismiche». L’Ucraina è suddivisa in zone di intensità sismica da 6 a 9 gradi sulla scala MSK-64. I carichi sismici sono forze inerziali generate dall’accelerazione della base. Per la USP, che è una piastra monolitica, l’azione sismica si distribuisce su tutta la superficie della fondazione. Il calcolo comprende la determinazione dei periodi propri di vibrazione dell’edificio e degli spettri di risposta del terreno. La fondazione USP, grazie alla sua rigidità e superficie, può resistere efficacemente ai carichi sismici, ridistribuendoli e riducendo al minimo le deformazioni del terreno. Tuttavia, è necessario progettare accuratamente l’armatura della piastra per assorbire queste forze dinamiche. In generale, per le opere nelle regioni sismicamente attive, l’uso della USP richiede un’analisi approfondita dell’interazione del sistema «terreno-fondazione-edificio» con metodi di calcolo dinamico. Ad esempio, per la regione di Odessa (7 gradi) o la Transcarpazia (fino a 9 gradi), questa analisi è un compito ingegneristico obbligatorio e complesso.

Una corretta considerazione di tutti i fattori dinamici permette di aumentare la sicurezza e l’affidabilità della fondazione USP, in particolare nelle condizioni del clima e della geologia ucraini.

L’introduzione della modellazione informativa degli edifici (BIM) e del metodo degli elementi finiti (FEA) ha rivoluzionato la progettazione delle fondazioni USP, garantendo una precisione, un’efficienza e un’ottimizzazione delle risorse senza precedenti. Queste tecnologie permettono di creare modelli virtuali dell’edificio e della sua fondazione, integrando tutti i dati su carichi, materiali e condizioni del terreno.

Il BIM (Building Information Modeling) non è semplicemente un modello 3D, ma un sistema complesso che contiene tutte le informazioni sull’opera edile. Per la progettazione della USP, il BIM permette di:

• Raccogliere dati con precisione: integrazione dei dati architettonici, strutturali e impiantistici (impianti, pavimento radiante) in un unico modello. Ciò rende impossibili collisioni ed errori già in fase di progettazione.
• Calcolare automaticamente i carichi: il software BIM può calcolare automaticamente i carichi permanenti dal peso proprio delle strutture, oltre a visualizzare le zone di azione dei carichi variabili e speciali.
• Coordinare e comunicare: tutti i partecipanti al progetto (architetti, ingegneri strutturisti, tecnici, committenti) lavorano su un unico modello, il che semplifica lo scambio di informazioni e il processo decisionale.
• Determinare i volumi di lavoro e il computo metrico: il BIM permette di generare automaticamente le specifiche dei materiali e i calcoli dei volumi di lavoro, aumentando notevolmente la precisione dei preventivi.

La FEA (Finite Element Analysis) è un potente metodo numerico per calcolare lo stato tensio-deformativo di strutture complesse, come la USP. L’applicazione della FEA in combinazione con il BIM permette di:

• Analizzare in dettaglio la distribuzione dei carichi: la FEA modella la USP come un insieme di piccoli elementi, il che permette di determinare con precisione le tensioni e le deformazioni in ogni punto della piastra e della base di terreno sottostante. Ciò è particolarmente importante per comprendere il comportamento della piastra sotto l’azione dei carichi concentrati da muri e colonne, nonché per ottimizzare l’armatura.
• Modellare l’interazione «terreno-fondazione»: la FEA permette di considerare le proprietà elastiche del terreno (modello di Winkler o modelli più complessi) e la disomogeneità della base, il che fornisce risultati molto più precisi rispetto ai metodi analitici semplificati.
• Ottimizzare lo spessore della piastra e l’armatura: in base ai risultati della FEA è possibile determinare con precisione la quantità e la disposizione necessarie dell’armatura, nonché lo spessore ottimale della piastra, il che permette di risparmiare calcestruzzo e acciaio senza compromettere la resistenza.
• Analizzare i carichi dinamici: la FEA permette di eseguire il calcolo dinamico della USP sotto carichi sismici, del vento e vibrazionali, il che è di fondamentale importanza per edifici in condizioni di esercizio complesse.

Grazie all’integrazione di BIM e FEA, la progettazione della USP si trasforma in un processo altamente tecnologico, che garantisce la massima affidabilità, durabilità ed economicità. Questo è parte integrante degli approcci moderni all’edilizia in Ucraina e nel mondo. Queste tecnologie permettono di considerare con maggiore precisione tutti i fattori, comprese le particolarità costruttive delle case modulari o di altri tipi di edifici, ottimizzando l’efficienza complessiva del progetto.

Anche applicando tecnologie all’avanguardia e rispettando le ДБН, nel processo di calcolo dei carichi e progettazione della USP possono verificarsi errori tipici. Evitarli è la chiave per l’affidabilità e la durabilità della fondazione.

Errori tipici:

• Indagini geologico-ingegneristiche insufficienti: ignorare o eseguire studi del terreno semplificati è uno degli errori più diffusi. Senza dati precisi sulla capacità portante, il tipo di terreno e il livello della falda acquifera, tutti i calcoli successivi non saranno validi. Ad esempio, sottovalutare la rigonfiabilità del terreno può portare a un sollevamento non uniforme e a deformazioni della piastra in inverno.
• Determinazione errata dei carichi normativi: spesso ci si dimentica di considerare tutte le categorie di carico (ad esempio, un’incompleta considerazione dei carichi variabili di lunga durata o della neve per le regioni con abbondanti precipitazioni). Un’applicazione errata dei coefficienti di sicurezza può anche portare a una sottostima o sovrastima della resistenza.
• Ignorare i carichi dinamici: soprattutto nelle regioni sismicamente attive dell’Ucraina o nei luoghi con carichi del vento elevati, rinunciare all’analisi dinamica è un errore critico.
• Armatura insufficiente o posizionamento errato dell’armatura: anche se i calcoli sono eseguiti correttamente, errori nello schema di armatura o una sua quantità insufficiente (soprattutto nelle zone di momenti flettenti elevati, ad esempio sotto i muri portanti) possono portare a fessure e rottura della piastra. La percentuale minima di armatura è di norma dello 0,1-0,2% della sezione del calcestruzzo.
• Scelta errata dell’XPS: l’uso di polistirene con bassa resistenza a compressione ne provocherà la deformazione sotto il peso della piastra e dell’edificio, causando cedimenti e fessure. La resistenza a compressione dell’XPS deve essere almeno 250 kPa.
• Assenza o errato sistema di drenaggio: il ristagno d’acqua sotto la piastra provocherà l’inzuppamento del terreno, il cambiamento della sua capacità portante e, possibilmente, il danneggiamento della fondazione.
• Controllo di qualità dei lavori insufficiente: anche il miglior progetto può essere rovinato da un’esecuzione dei lavori di scarsa qualità (compattazione errata del cuscinetto, posa non uniforme del calcestruzzo, scostamenti dallo schema di armatura).

Raccomandazioni pratiche:

• Coinvolgete sempre geologi e progettisti strutturali certificati.
• Utilizzate le ДБН aggiornate e software collaudato.
• Eseguite un’analisi FEA dettagliata per i progetti complessi.
• Effettuate un controllo accurato in ogni fase della costruzione della USP, dalla preparazione della base alla gettata del calcestruzzo.
• Valutate la possibilità di utilizzare pannelli XLAM per la parte fuori terra dell’edificio, poiché il loro peso relativamente contenuto può ridurre il carico complessivo sulla fondazione.

Il rispetto di queste raccomandazioni e l’eliminazione degli errori tipici garantiranno la costruzione di una fondazione USP solida e affidabile, in grado di sopportare tutti i carichi di progetto per tutta la durata di esercizio.

Al termine della costruzione, il ruolo del controllo dei carichi sulla fondazione USP non finisce. L’esercizio dell’edificio richiede un monitoraggio periodico e il rispetto di determinate regole, per garantire la durabilità e la stabilità del sistema di fondazione. Un uso improprio o un cambiamento delle condizioni di esercizio possono portare al superamento dei carichi di progetto e, di conseguenza, a deformazioni o danni.

Aspetti chiave del monitoraggio:

• Ispezione visiva: ispezione regolare delle parti visibili della fondazione (zoccolo) e del terreno circostante per individuare fessure, cedimenti, danni al sistema di drenaggio. Prestate attenzione al cambiamento del livello della falda acquifera intorno all’edificio, che può influire sulla capacità portante del terreno.
• Sistema di drenaggio: verificare l’efficacia del sistema di drenaggio è fondamentale. L’intasamento dei tubi di drenaggio o il danneggiamento della geomembrana possono portare all’accumulo di acqua sotto la fondazione, riducendo la capacità portante del terreno e aumentando il rischio di rigonfiamento da gelo. Si raccomanda un controllo e una pulizia annuali.
• Valutazione dei cedimenti: per opere grandi o complesse può essere opportuno eseguire un monitoraggio geodetico dei cedimenti della fondazione. Ciò permette di individuare cedimenti non uniformi nelle fasi iniziali e adottare le misure necessarie. Secondo la ДБН В.2.1-10:2009, i valori limite della differenza di cedimento sono un indicatore importante dello stato della fondazione.
• Stato del marciapiede perimetrale: il marciapiede intorno all’edificio deve essere integro e garantire un efficace allontanamento delle acque superficiali dalla fondazione. Fessure o rotture del marciapiede possono portare a un inumidimento localizzato del terreno.

Mantenimento dei carichi di progetto in esercizio:

• Modifiche degli spazi interni: in caso di ristrutturazione o cambio di destinazione d’uso degli ambienti che comportino un notevole aumento dei carichi (ad esempio, la trasformazione di una camera in una biblioteca con un gran numero di libri o l’installazione di attrezzature pesanti), è necessario eseguire un nuovo calcolo dei carichi. Potrebbe essere necessario rinforzare i solai o persino la fondazione stessa.
• Ampliamenti e ristrutturazioni: qualsiasi ampliamento dell’edificio esistente o sopraelevazione di piani aggiuntivi deve essere accompagnato da un’analisi ingegneristica completa dei carichi sulla fondazione esistente. Ciò riguarda in particolare il peso delle nuove strutture, come le travi di solaio in legno.
• Lavori paesaggistici: cambiamenti nella morfologia del terreno, realizzazione di grandi terrazze, piscine o altre strutture pesanti vicino alla fondazione possono modificare le condizioni di drenaggio e la pressione sul terreno, richiedendo attenzione.

Garantire un monitoraggio adeguato e un esercizio responsabile della fondazione USP è di vitale importanza per preservarne l’integrità strutturale e la capacità di sopportare i carichi di progetto per tutta la durata di vita dell’edificio. Si tratta di un processo attivo, che richiede attenzione e azioni periodiche per prevenire potenziali problemi.