Simulazione della pressione del vento sugli edifici – Eurocodice 1
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Studia l'impatto del vento sulla struttura dei tuoi edifici
EOLIOS realizza studi CFD per valutare i carichi aerodinamici sugli edifici.
- Calcolo dei coefficienti di pressione
- Studio di impatto strutturale
- Calcolo dei carichi delle facciate continue
- Studio di scenari critici di guasto
- Eurocodici
- Resistenza al vento dell'arredo urbano
- Edifici alti
- Studio del rumore del vento
- Studio della pressione massima di ingresso dei sistemi di trattamento dell'aria
Venti forti: un'azione strutturale complessa e pericolosa
L’azione del vento sugli edifici è intrinsecamente tridimensionale e fortemente dipendente dal contesto. I venti forti generano carichi aerodinamici che possono colpire non solo la struttura portante, ma anche l’involucro dell’edificio, le attrezzature tecniche, i sistemi di fissaggio e gli accessori esterni.
Oltre alle forze globali, gli effetti locali sono il principale fattore di rischio. La combinazione di altezza, geometria (angoli acuti, arretramenti, tetti complessi), porosità delle facciate e ambiente circostante (presenza di ostacoli, altri edifici, rilievi, ecc.) genera fenomeni aerodinamici avanzati: intense sovrappressioni e depressioni, gradienti di pressione elevati, accelerazioni locali del vento, effetti Venturi tra i volumi costruiti, vortici angolari e zone di ricircolo instabili.
Questi fenomeni possono portare a sollecitazioni estreme in aree molto localizzate, che spesso sono poco rappresentate dai metodi standard globali. Negli ambienti urbani densi, le interazioni tra gli edifici amplificano questi effetti, rendendo la valutazione del vento particolarmente sensibile alle ipotesi di calcolo.
L’incomprensione di questi meccanismi può portare a :
- sottodimensionamento locale degli elementi della facciata o del tetto,
- attrezzature tecniche che vengono strappate via,
- rischi per gli utenti delle aree pedonali esposte,
- deterioramento prematuro delle strutture e costi di riparazione elevati.
Controllare gli effetti del vento è quindi una questione di sicurezza, sostenibilità e controllo economico del progetto.
CFD: uno strumento ingegneristico avanzato per la gestione del rischio vento
La simulazione numerica dei flussi (CFD) fornisce un approccio fisico realistico all’azione del vento, superando i limiti dei metodi standard semplificati. Fornisce una rappresentazione tridimensionale, locale e continua dei flussi d’aria intorno agli edifici, incorporando la geometria reale del progetto e del suo ambiente circostante.
La CFD non solo permette di quantificare le forze, ma soprattutto di comprendere i meccanismi fisici alla base delle sollecitazioni. Questa comprensione è fondamentale per orientare le scelte progettuali, regolare le forme architettoniche, posizionare le attrezzature e definire soluzioni costruttive adeguate.
Un'analisi locale e direzionale delle sollecitazioni
A differenza degli approcci basati sui coefficienti medi dell’Eurocodice, la CFD permette :
- mappare accuratamente le pressioni e le depressioni su tutte le pareti,
- identificare le aree con picchi di pressione legati agli effetti degli angoli e dei bordi,
- analizzare le accelerazioni locali del vento e le zone di taglio,
- caratterizzare le interazioni aerodinamiche tra edifici vicini.
Questo approccio locale è particolarmente importante per gli edifici alti, le forme architettoniche non convenzionali, i progetti urbani densi e i siti soggetti a forti venti dominanti.
Supporto alle decisioni integrato nel processo di progettazione
Quando la CFD viene integrata nella fase a monte, diventa un vero e proprio strumento di progettazione. Può essere utilizzata per confrontare diverse varianti (layout, struttura, orientamento, schermi, frangivento), perottimizzare il dimensionamento degli elementi esposti e per fornire una giustificazione tecnica delle scelte fatte alle autorità di controllo e alle assicurazioni.
I feedback dimostrano che l’integrazione precoce della CFD riduce in modo significativo il rischio di una successiva rilavorazione e i relativi costi aggiuntivi.
Un quadro normativo controllato: integrazione rigorosa dell'Eurocodice 1
Gli studi condotti da EOLIOS rientrano rigorosamente nel quadro normativo dell’Eurocodice 1 – Azioni del vento (NF EN 1991-1-4) e del suo Allegato Nazionale. Questo documento è uno strumento essenziale per la progettazione di edifici resistenti al vento.
La CFD non viene utilizzata come alternativa agli standard, ma come strumento complementare, coerente e giustificabile.
Caratteristiche del terreno
La tabella seguente, tratta dall’allegato nazionale dell’Eurocodice, fornisce i valori di z0(altezza di scabrezza apparente) in base alla natura del sito. Nel contesto degli studi urbani, la rugosità imposta per i calcoli corrisponde a una rugosità urbana di tipo IV.
Questa rugosità condiziona direttamente il profilo della velocità del vento, un elemento fondamentale per definire le condizioni di input del modello CFD.
Definizione della velocità di riferimento
La velocità di base vb,0 corrisponde a un evento di vento estremo ma raro (periodo di ritorno medio di circa 50). Questa velocità è definita su un periodo di 10 minuti a 10 m dal suolo in un’area di campagna aperta. Dipende quindi dall’area geografica ed è quindi definita dalla zonizzazione dell’Eurocodice.
La velocità di base vb,0 può essere corretta in base al contesto specifico del progetto utilizzando 2 coefficienti rappresentativi per costituire la velocità di riferimento vb:
- Il coefficiente di direzionecdir: tiene conto del fatto che i venti più forti non soffiano sempre nella direzione più sfavorevole. In altre parole, consente di ridurre la velocità di riferimento quando le direzioni critiche del vento sono improbabili.
- Coefficiente di stagione cseason: tiene conto del fatto che i venti estremi non si verificano regolarmente durante l’anno. Per le strutture permanenti, il coefficiente mantiene un valore di 1 (massimo). Invece, per le strutture temporanee come le impalcature, il coefficiente può assumere un valore inferiore.
La velocità di riferimento può quindi essere corretta come segue:
Vb =cdir x cseason x vb,0
Coefficiente orografico c0 (z)
Il coefficiente orografico tiene conto dell’influenza del rilievo del terreno (colline, creste, scarpate) sulla velocità del vento. Gli effetti dell’orografia possono essere trascurati se la pendenza media del terreno rispetto al vento è inferiore a 3°, nel qual casoco(z)=1.
Coefficiente di rugosità cr (z)
Il coefficiente di rugositàCr(z) è un coefficiente che tiene conto della rugosità apparente del terreno (edifici, alberi, città) per calcolare la variazione media della velocità in funzione dell’altitudine. Si ottiene da un’equazione con i parametri :
- z0 la lunghezza di rugosità della categoria di terreno utilizzata
- zmin il limite inferiore di validità dell’aspetto logaritmico del coefficiente di rugosità
- zmax l’altezza massima dell’area di studio
- kr il fattore terreno
Il coefficiente di rugosità è quindi regolato dalla seguente equazione :
Cr(z) = kr*ln(z/z0) per zmin ≤ z ≤ zmax
Cr(z) =Cr(zmin) per z ≤ zmin
Velocità media
La velocità media Vm(z) tiene conto della velocità di riferimento Vb e dei parametri di rugosità apparente associati a un terreno di categoria IV. Viene calcolata secondo l’Eurocodice utilizzando la seguente formula:
Vm (z) = Vb *Cr(z) *Co(z)
Eseguendo un’iterazione di questa equazione, è possibile ottenere un profilo di velocità logaritmico.
Venti impetuosi
Una volta determinato il profilo della velocità media del vento, è possibile calcolare il profilo della velocità massima delle raffiche per il progetto. Questo tiene conto dell’intensità turbolenta e della variabilità temporale del vento. Questo profilo si ottiene con la seguente formula:
Vr(z) = sqrt[1+7*kl/ln(z/z0)]*Vm(z)
Dove z è l’altezza, z0 è la lunghezza di rugosità per la categoria di terreno in esame, kl è il coefficiente di turbolenza per la categoria di terreno in esame e Vm(z) è la velocità media determinata in precedenza.
Viene quindi prodotto un secondo profilo di velocità. Questo verrà utilizzato comeinput del dominio per le simulazioni future.
Modellazione CFD: un approccio robusto e controllato
Ricostruzione dell'ambiente costruito
L’area di studio viene modellata su un perimetro sufficiente a garantire lo sviluppo completo dei flussi. Gli edifici circostanti sono inclusi per catturare gli effetti di mascheramento, canalizzazione e interazione aerodinamica.
Le semplificazioni geometriche vengono effettuate in modo controllato per preservare i meccanismi fisici e garantire la stabilità numerica dei calcoli.
Modellazione dello strato limite atmosferico
Il vento può essere descritto con la nozione di strato limite atmosferico, che si suddivide in tre sotto-strati:
- Lo strato esterno, o sub-strato inerziale, ha uno spessore di circa un chilometro (variabile da 0,5 a 3 km).
- Lo strato limite superficiale, spesso da 10 a 100 m. Rappresenta circa il 10% dello spessore dello strato limite atmosferico. È il punto in cui c’è un gradiente significativo nella velocità del vento e nella temperatura. La direzione del vento rimane relativamente costante con l’altezza.
- Il sotto-strato ruvido, spesso alcuni metri. Qui i flussi sono tridimensionali, disordinati e fortemente influenzati dagli ostacoli.
Al suolo, il vento è rallentato dagli ostacoli e dalle asperità del terreno. Al di sopra del suolo, negli strati geostrofici indisturbati (circa 5 km di altezza), il vento non è più influenzato dallo stato della superficie terrestre. Tra questi due strati, la velocità del vento cambia con l’altitudine dal suolo, seguendo un profilo logaritmico. Questo fenomeno è noto come wind shear verticale.
Analisi direzionale multi-caso
Le simulazioni vengono effettuate per le otto direzioni principali della rosa dei venti, corrispondenti a una raffica di vento estrema secondo l’Eurocodice 1. Questo approccio multi-caso permette di identificare gli orientamenti più penalizzanti e di caratterizzare gli effetti direzionali del sito.
I valori delle direzioni intermedie (NNE, NEE, SEE, ecc.) possono essere stimati tramite interpolazione lineare delle direzioni simulate più vicine.
Uso avanzato dei risultati e convalida
Analisi fisica e interpretazione degli esperti
Oltre ai risultati, l’esperienza di EOLIOS consiste nell’interpretazione fisica dei flussi. Le simulazioni permettono di identificare con precisione l’origine dei picchi di pressione, di comprenderne i meccanismi (stallo, interazione vortice/struttura, incanalamento) e di proporre leve di ottimizzazione.
I risultati includono:
- mappe di pressione e coefficienti di pressione,
- analisi direzionali comparative,
- identificazione delle aree critiche,
- raccomandazioni per la progettazione.
La CFD consente un’analisi dettagliata dei dati sia per le geometrie semplici che per quelle complesse e l’identificazione tridimensionale delle sollecitazioni e degli effetti del sito.
Riferimenti incrociati con l'approccio analitico dell'Eurocodice
Per convalidare i calcoli effettuati. È possibile eseguire calcoli analitici secondo l’Eurocodice su geometrie ampiamente semplificate per fornire un ordine di grandezza delle dimensioni.
Infatti, è possibile calcolare una stima della pressione dinamica di picco utilizzando l’Eurocodice, che consentirà poi di stabilire valori medi di pressione aerodinamica sulle facce accoppiando la pressione dinamica di picco con coefficienti di pressione standard specifici per le diverse facce degli edifici, disponibili negli abachi dell’Eurocodice.
Il picco di pressione dinamica può essere calcolato con la seguente formula:
qp(z) = [1 + 7 *Iv(z)] * 0,5 * ρ * vm(z)2
Inoltre, per h> 2b dove h è l’altezza della torre e b è la lunghezza della sua base nella direzione perpendicolare del vento, si assume qp(z)=qp(h) per h-b < z < h. Ne consegue che per z > h-b:
qp = [1 + 7 *Iv(h)] * 0,5 * ρ * vm(h)2
Il coefficiente di pressione varia in base alle dimensioni della superficie considerata. Il suo valore massimo è cpe,1, il coefficiente di pressione per una superficie A<di 1m2, che in pratica permette di calcolare i dispositivi di fissaggio di piccole dimensioni.
Le tabelle dell’Eurocodice forniscono questi coefficienti di pressione in funzione della geometria incontrata.
Infine, la pressione media massima su 1m2 viene determinata utilizzando la seguente formula: P = qp*cpe.
Competenza al servizio di progetti controllati
Grazie alla combinazione di una comprensione dettagliata dei requisiti delle norme, di competenze avanzate in materia di CFD e della capacità di interpretare fisicamente i risultati, EOLIOS aiuta i suoi clienti a garantire e ottimizzare i loro progetti di fronte ai rischi legati al vento.
La CFD diventa così uno strumento strategico per la riduzione dei rischi, la giustificazione tecnica e il controllo economico, al servizio di edifici sicuri, sostenibili e ad alte prestazioni.
Perché integrare l'Eurocodice con uno studio CFD?
L’Eurocodice 1 fornisce un quadro normativo indispensabile per la valutazione delle azioni del vento, basato su geometrie idealizzate e coefficienti globali. Garantisce la conformità normativa, ma raggiunge i suoi limiti non appena il progetto si inserisce in un contesto reale complesso.
La simulazione CFD permette di superare questi limiti integrando :
- l’effettiva geometria dell ‘edificio (forme complesse, rientranze, angoli, tetti atipici),
- l’ambiente urbano e gli effetti del sito (edifici vicini, maschere, canyon urbani, effetti Venturi),
- un’analisi locale e direzionale delle sollecitazioni, evidenziando i picchi di pressione e le aree critiche,
- considerazione dettagliata della turbolenza e delle raffiche, essenziale per la progettazione di elementi sensibili.
In combinazione con l’Eurocodice, la CFD diventa uno strumento di ingegneria decisionale, che permette di garantire le scelte progettuali, giustificare tecnicamente le ipotesi di dimensionamento e limitare i rischi di sottodimensionamento o eccessivo conservatorismo locale.
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