1. Introduzione:
Il carico del vento è un componente critico nella progettazione di qualsiasi struttura, in particolare per i sistemi principali di resistenza alla forza del vento (MWFRS). Lo standard ASCE 7-22 [1] descrive diversi casi di carico che tengono conto di diverse direzioni del vento ed effetti torsionali sugli edifici.
Storicamente, il Wind Load Wizard di RFEM 6 ha permesso la generazione automatica dei carichi del vento secondo l'ASCE 7 per i tradizionali Casi 1 e 3, che rappresentano gli scenari di carico tipici per il vento che agisce direttamente sulle facce principali di una struttura.
Con l'ultimo aggiornamento, RFEM 6 ora supporta i Casi 2 e 4, che tengono conto degli effetti di carico torsionale dovuti a pressioni del vento non uniformi sul diaframma. Questo miglioramento consente agli utenti di generare effetti di carico del vento più realistici basati su ASCE 7-22, specialmente per strutture con diaframmi irregolari o flessibili.
2. Comprensione dei Casi di Carico del Vento ASCE 7-22
Secondo l'ASCE 7-22, Capitolo 27, i casi di carico del vento per MWFRS sono definiti come segue:
- Caso 1: Muri sopravvento e sottovento caricati simultaneamente, senza torsione (pressione interna positiva).
- Caso 2: Come il Caso 1 ma include il carico di torsione dovuto al vento che agisce eccentricamente sull'edificio (pressione interna positiva).
- Caso 3: Direzione inversa del Caso 1 (pressione interna negativa).
- Caso 4: Direzione inversa del Caso 2 (pressione interna negativa con torsione).
Mentre i Casi 1 e 3 rappresentano distribuzioni di pressione simmetriche, i Casi 2 e 4 applicano un momento torsionale alla struttura per simulare la variazione della pressione del vento lungo la larghezza dell'edificio.
3. Implementazione in RFEM 6
3.1 Rilevamento Automatico dei Diaframmi
Il Wind Load Wizard di RFEM 6 ora rileva automaticamente i diaframmi definiti nel modello strutturale. Questo può avvenire in due modi:
- Attraverso il modulo aggiuntivo Building Model, che definisce automaticamente i diaframmi a ogni livello del piano.
- Definendo manualmente un diaframma con collegamento rigido utilizzando lo strumento Rigid Link nel modello.
Una volta rilevato un diaframma, il Wind Load Wizard valuta l'eccentricità della pressione del vento sul diaframma per determinare il momento torsionale che deve essere applicato in conformità con i Casi 2 e 4 dell'ASCE 7.
3.2 Generazione dei Casi di Carico
Quando si generano i carichi del vento secondo ASCE 7-22, RFEM 6 creerà automaticamente i seguenti casi di carico:
- Caso 1: Vento nella direzione A-B (es., 180°) — distribuzione di pressione standard.
- Caso 2: Vento nella direzione A-B con eccentricità torsionale.
- Caso 3: Vento nella direzione B-A — distribuzione di pressione inversa.
- Caso 4: Vento nella direzione B-A con eccentricità torsionale.
Ogni caso applica i corrispondenti coefficienti di pressione esterna (Cp) e coefficienti di pressione interna (GCpi) secondo i Capitoli 26 e 27, mentre il momento torsionale per i Casi 2 e 4 è applicato direttamente al piano del diaframma rilevato.
Per l'esempio di verifica nella sezione successiva, alcune direzioni e casi di carico sono stati disabilitati per semplificare l'esempio e il modello.
4. Esempio di Verifica
Per convalidare questa nuova funzionalità, un semplice edificio rettangolare con un tetto a due falde (mostrato sotto) è stato modellato in RFEM 6 e confrontato con calcoli manuali seguendo i Capitoli 26 e 27 di ASCE 7-22.
| Parametro | Simbolo | Valore |
|---|---|---|
| Larghezza dell'edificio | B | 32 ft |
| Lunghezza dell'edificio | L | 40 ft |
| Altezza alla gronda | he | 20 ft |
| Altezza al colmo | hr | 30 ft |
| Altezza media del tetto | hm = (he + hr)/2 | 25ft |
| Inclinazione del tetto | θ | ≈33° |
4.1 Determinare i Parametri di Pressione del Vento di Progetto
Seguendo la Sezione 26.10 di ASCE 7-22:
Per questo esempio, c’è qz per le pareti sopravvento seguendo
- Categoria di Rischio III
- V=107 mph
- Kz = 0.57 (Esposizione B, da 0 a 15 piedi)
- Kz = 0.62 (Esposizione B, a 20 piedi)
- Kh = 0.66 (Esposizione B, a 25 piedi)
- Kzt = 1.0
- kd = 0.85
- Ke = 1.0
- G = 0.85
4.2 Coefficienti di Pressione Esterna
Da ASCE 7-22 Fig. 27.3-1 (tetto a due falde, inclinazione 18°):
| Superficie | Cp |
|---|---|
| Parete sopravvento | +0.8 |
| Parete sottovento | -0.5 |
| Pareti laterali | -0.7 |
| Tetto (sopravvento) | -0.12 |
| Tetto (sottovento) | -0.6 |
4.3 Pressioni di Progetto
Assumendo un coefficiente di pressione interna GCpi = +/- 0.18
| Superficie | Cp | GCpi | p+ (psf) | p- (psf) |
|---|---|---|---|---|
| Parete Sopravvento (0-15 ft) | +0.8 | +-0.18 | 6.70 | 12.62 |
| Parete Sopravvento (20 ft) | +0.8 | +-0.18 | 7.54 | 13.423 |
| Parete Sottovento | -0.5 | +-0.18 | -9.92 | -4.00 |
| Parete Laterale | -0.7 | +-0.18 | -12.82 | -6.91 |
| Tetto Sopravvento | -0.23 | +-0.18 | -6.25 | -0.25 |
| Tetto Sottovento | -0.6 | +-0.18 | -11.34 | -5.42 |
4.4 Momenti Torsionali di Progetto
Momento Torsionale attorno all'asse Z (+GCpi)
Caso 2:
Caso 4:
5. Confronto con Wind Load Wizard di RFEM 6
In RFEM 6, utilizzare il Wind Load Wizard con ASCE 7-22 e gli stessi parametri:
- Il programma calcola automaticamente qz e qh in base all'altezza media del tetto e l'altezza delle pareti.
- I valori Cp sono stati assegnati a ciascuna superficie in base all'orientamento e all'inclinazione delle pareti e del tetto.
- Per i Casi 1 e 3, sono state generate pressioni simmetriche.
- Per i Casi 2 e 4, è stata rilevata l'eccentricità del diaframma e un ulteriore momento torsionale è stato applicato secondo ASCE 7-22 27.3-8
Le pressioni risultanti e la distribuzione dei carichi da RFEM 6 si sono allineate strettamente con i valori calcolati manualmente, confermando l'accuratezza dell'implementazione. Le piccole differenze (≤ 5%) possono essere attribuite al campionamento geometrico più preciso del programma delle elevazioni delle superfici e delle zone di pressione.
Confronto dei risultati tra i calcoli manuali e RFEM 6:
5.1 Pressioni di Progetto da RFEM 6
I seguenti valori sono presi da RFEM 6, più specificamente il Caso 1 e la pressione interna positiva/negativa. Il confronto sarà effettuato con i valori analitici calcolati manualmente dalla sezione 4 di questo articolo. Il file del modello può essere trovato in fondo alla pagina per un confronto individuale:
- Categoria di Rischio III
- V = 107 mph
- Kz = 0.57 (Esposizione B, da 0 a 15 piedi)
- Kz = 0.62 (Esposizione B, a 20 piedi)
- Kh = 0.6565 (Esposizione B, a 25 piedi)
- Kzt = 1.0
- kd = 0.85
- Ke = 1.0
- G = 0.85
Nota: qz non è mostrato nel Wind Load Wizard
Assumendo un coefficiente di pressione interna GCpi = +/- 0.18
| Superficie | Cp | GCpi | p+ (psf) | p- (psf) |
|---|---|---|---|---|
| Parete Sopravvento (0-15 ft) | +0.8 | +-0.18 | 6.761 | 12.649 |
| Parete Sopravvento (20 ft) | +0.8 | +-0.18 | 7.535 | 13.460 |
| Parete Sottovento | -0.5 | +-0.18 | -9.895 | -4.007 |
| Parete Laterale | -0.7 | +-0.18 | -12.675 | -6.787 |
| Tetto Sopravvento | -0.23 | +-0.18 | -6.193 | -0.305 |
| Tetto Sottovento | -0.6 | +-0.18 | -11.285 | -5.397 |
5.3 Momenti Torsionali di Progetto da RFEM 6
Momento Torsionale attorno all'asse Z (+GCpi)
In RFEM 6, il momento torsionale è calcolato internamente e i parametri non sono mostrati. La ragione è che il calcolo richiesto per questo è complesso e sarebbe difficile mostrarlo nella finestra di dialogo.
L'immagine qui sotto mostra un piccolo esempio del modo in cui RFEM 6 esegue il calcolo:
M = 7.54 * A1 * 0.15 * b1 + 9.92 * A2 * 0.15 * b2 A1 ... area del carico sul diaframma sul lato sopravvento A2 ... area del carico sul diaframma sul lato sottovento b1 ... larghezza dell'edificio sul lato sopravvento b2 ... larghezza dell'edificio sul lato sottovento
Ecco i momenti per i Casi 2 e 4 che RFEM 6 ha calcolato:
Caso 2:
Mz,2 = 60.66 kip-ft
Caso 4:
Mz,4 = 80.84 kip-ft
6. Conclusione e Confronto dei Risultati
L'aggiunta dei Casi 2 e 4 in RFEM 6 rappresenta un avanzamento significativo nella generazione automatizzata dei carichi del vento secondo ASCE 7-22. Rilevando i diaframmi e applicando automaticamente gli effetti torsionali, gli ingegneri possono ora:
- Catturare l'intera gamma dei casi di carico MWFRS (1-4) senza input manuale
- Garantire la conformità con ASCE 7-22 Capitoli 26 e 27.
- Migliorare l'efficienza della modellazione e l'affidabilità del progetto.
Questo esempio di verifica ha dimostrato che il Wind Load Wizard di RFEM 6 produce risultati coerenti con i calcoli manuali dell'ASCE 7-22, offrendo agli utenti fiducia sia nell'accuratezza che nell'automazione. Questo è evidente nella tabella sottostante, che confronta i valori calcolati manualmente con i valori trovati in RFEM 6:
Nota: Valori come Kh e Cp sono arrotondati in un calcolo manuale, causando qualche discrepanza. RFEM 6 utilizza valori esatti.
Pressione Interna Positiva (+GCpi)
| Superficie | Pressione Analitica (psf) | Pressione RFEM 6 (psf) | RFEM/Analitico |
|---|---|---|---|
| Parete Sopravvento (0-15 ft) | 6.70 | 6.761 | 1.01 |
| Parete Sopravvento (20 ft) | 7.54 | 7.54 | 1.00 |
| Parete Sottovento | -9.92 | -9.895 | 1.00 |
| Parete Laterale | -12.82 | -12.675 | 0.99 |
| Tetto (Sopravvento) | -6.25 | -6.193 | 0.99 |
| Tetto (Sottovento) | -11.34 | -11.285 | 1.00 |
Pressione Interna Negativa (-GCpi)
| Superficie | Pressione Analitica (psf) | Pressione RFEM 6 (psf) | RFEM/Analitico |
|---|---|---|---|
| Parete Sopravvento (0-15 ft) | 12.62 | 13.423 | 1.00 |
| Parete Sopravvento (20 ft) | 10.50 | 12.649 | 1.00 |
| Parete Sottovento | -4.00 | -4.01 | 1.00 |
| Parete Laterale | -6.91 | -6.787 | 0.98 |
| Tetto (Sopravvento) | -0.33 | -0.305 | 0.92 |
| Tetto (Sottovento) | -5.42 | -5.397 | 1.00 |
Momenti Torsionali di Progetto (+GCpi)
| Caso | Momento Analitico (kip-ft) | Momento RFEM 6 (kip-ft)) | RFEM/Analitico |
|---|---|---|---|
| 2 | 63.25 | 60.66 | 0.96 |
| 4 | 89.82 | 80.84 | 0.90 |
