Obiettivi Formativi

L'obiettivo del corso è quello di fornire le conoscenze e le metodologie di base per: - individuare in una costruzione l'organismo strutturale resistente e differenziarlo dagli elementi di completamento, aventi valenza architettonica, distributiva e funzionale; - determinare le azioni sulle costruzioni rispetto alle quali esse devono garantire un adeguato livello di sicurezza, secondo criteri probabilistici dell'affidabilità strutturale; - scegliere il modello strutturale e i metodi di analisi più adeguati per valutare le sollecitazioni sulle strutture; - determinare le proprietà meccaniche dei materiali da costruzione più comuni (calcestruzzo, acciaio), utili per una corretta progettazione dell'organismo strutturale, tenendo conto delle inevitabili incertezze; - progettare e verificare le strutture in cemento armato e acciaio, garantendo al contempo funzionalità e resistenza, sfruttando i moderni criteri semi-probabilistici agli stati limite; - tenere conto nella progettazione delle risorse di resistenza dovute alla duttilità dei materiali, secondo i più recenti criteri di progettazione antisismica. Il corso si prefigge di: OF1: fornire allo studente una adeguata conoscenza teorica e metodologico-operativa della Tecnica delle Costruzioni; con particolare riferimento al progetto e la verifica di semplici strutture realizzate con i materiali tipici dell’Ingegneria Civile (cemento armato e acciaio), integrando le nozioni teoriche acquisite nel corso di Scienza delle Costruzioni e rendendole applicabili a problemi strutturali reali, utilizzando opportune tecniche analitiche. OF2: fornire gli strumenti di base per modellare correttamente la struttura resistente di un organismo edilizio o di una infrastruttura e le azioni esterne (vento, sisma), sfruttando consapevolmente le caratteristiche dei materiali, ed effettuando con rigore metodologico le verifiche di stabilità, nel rispetto dei requisiti funzionali e strutturali e delle normative vigenti nel settore delle costruzioni; fornire gli strumenti utili per progettare e realizzare opere edili in conformità ai materiali scelti, alle metodologie costruttive, alla funzionalità , agli standard normativi; trasferire le capacità adeguate sia per ideare e sostenere argomentazioni teoriche che per risolvere problemi specifici relativi alla progettazione integrata di edifici e infrastrutture, la pianificazione e l'esecuzione di indagini sul patrimonio edilizio esistente. OF3: fornire gli strumenti per formulare e sviluppare pensieri e riflessioni autonome e originali nella ricerca di soluzioni ingegneristiche a problemi di media difficoltà, per sapersi pronunciare sulle prestazioni degli edifici e delle infrastrutture, in relazione alle varie fasi (programmazione, progettazione, esecuzione, gestione) e alle prescrizioni normative; saper valutare criticamente gli effetti di azioni esterne (vento, sisma), al fine di verificarne le ricadute progettuali in termini di sicurezza e funzionalità OF4: fornire gli strumenti per comunicare con linguaggio tecnico appropriato, non solo con esperti del settore, ma anche ad interlocutori non specialisti, le problematiche e le soluzioni applicative specifiche della Tecnica delle Costruzioni. OF5: far crescere la consapevolezza di essere capaci di intraprendere con un elevato grado di autonomia studi di livello superiore, e di essere in grado di sfruttare le conoscenze acquisite per la soluzione dei problemi dell'ingegneria civile e di seguire con profitto corsi di aggiornamento tecnico e normativo, con l'obiettivo di tenersi sempre al passo con il progresso scientifico e tecnologico del settore delle costruzioni.

Learning Goals

The aim of the course is to: - identify the main resistant system in a structure, and distinguish it from the non-structural components, having instead a mere architectural function; - carefully determine the actions in a structure, with regard to the structures should exhibit an appropriate level of strength according to the reliability-based framework; - select the most appropriate structural model and analysis type (linear, nonlinear) to assess the stresses caused by the external actions; - properly determine the mechanical properties of commonly used construction materials, useful for an appropriate design, accounting for the unavoidable randomness affecting their behavior, in order to guarantee an adequate safety margin; - design and verify the structural members in reinforced concrete structures as well as in steel structures, guaranteeing both functionality and strength requirements, in compliance with semi-probabilistic ultimate limit states principles; - account for the ductility of the reinforced concrete structures and steel structures, according to the modern design principles of structures under seismic loads. The course aims to: OF1: provide students with an appropriate knowledge of theoretical concepts and of methodology-operative aspects with regard to the problems of structural engineering, with particular emphasis on the design and verifications of simple structures realized with common constructions materials (reinforced concrete and steel), by complementing the concepts acquired during the course of Structural Mechanics and making the latter concepts applicable to real structural problems, by using appropriate analytical techniques; OF2: provide students with the basic tools of the Structural Engineering, in order to correctly model the resisting structures of a building system or infrastructure and the external loads (wind, earthquake), by taking into account the characteristics of the materials, and making the safety and stability verifications with a proper methodological rigor, having in mind the functional and structural requirements; provide useful tools to make the structural analysis of building systems in compliance with the chosen materials, the constructive methodologies, the functionality, and the standard requirements; transfer the knowledge to elaborate and support theoretical arguments and to solve specific problems related to the integrated design of buildings and infrastructures, the plan and execution of structural investigation on the existing building stock; OF3: provide tools to formulate and develop thoughts and autonomous, original re-elaborations for the search of engineering solutions of medium-difficulty problems, in order to express a critical judgment on the performance of buildings and infrastructures, with regard to the various phases (plan, design, execution and maintenance) and to the standard requirements; critically assess the effects of the external loads acting on structures, in order to verity the design implications in terms of safety and functionality; OF4: provide students the ability to discuss the problems and the related applicative solutions of the Structural Engineering with a proper technical language, not only with experts having the same technical background, but also with non-specialized people coming from different fields; OF5: enhance the awareness of being able to cope with higher-level studies in an autonomous way, and be able to exploit the concepts acquired in the course to solve problems of civil engineering, as well as to attend specialized courses with the aim to keep up-to-dated with the scientific and technology progress in the field of civil engineering structures.

Metodi didattici

Il corso, al fine di raggiungere gli obiettivi formativi previsti, viene erogato mediante lezioni frontali (24 ore) ed esercitazioni in aula (24 ore). Le lezioni frontali sono svolte con l'ausilio di computer, proiettando su schermo gli appunti in PowerPoint relativi all'argomento trattato. Alla fine della lezione tali appunti vengono forniti agli studenti, essendo utili come guida per lo studio a casa. Le esercitazioni vengono svolte dal docente su alcuni esempi fondamentali e successivamente dagli studenti sotto la guida del docente.

Teaching Methods

The course, in order to achieve the expected objectives, is held through oral lectures (24 hours) accompanied by seminars and exercises (24 hours). Lectures in the classroom are held through computer, by projecting slides in PowerPoint related to the topics. At the end of each lecture, the slides are distributed among the students, and are a useful reference for homework. Exercises in the classroom are performed by the teacher through fundamental examples and, afterwards, guided exercises with teacher support are carried out by students.

Prerequisiti

Conoscenze di Analisi Matematica (concetti di limite, derivata, integrale, equazioni differenziali), conoscenze di Fisica (concetti di forza, attrito, resistenza), conoscenze di Meccanica Razionale (equilibrio di forze, tensioni, deformazioni), conoscenze di Scienza delle Costruzioni (equazioni di equilibrio e di congruenza per i mezzi continui, equazioni costitutive dei materiali, criteri di resistenza dei materiali duttili e fragili, stabilità dell’equilibrio, risoluzione di sistemi isostatici, metodo delle forze e delle deformazioni per la risoluzione di sistemi iperstatici).

Prerequisites

Mathematics concepts (limit, derivative, integral, differential equations), physics concepts (force, friction, resistance), rational mechanics concepts (equilibrium of forces, stresses, deformation), structural mechanics concepts (equilibrium and compatibility of continua, constitutive equations of materials, strength criteria for ductile and brittle materials, stability of equilibrium, statically determinate systems, statically indeterminate systems).

Verifiche dell'apprendimento

La verifica dell’apprendimento è effettuata con un esame orale, al fine di verificare l'apprendimento degli strumenti teorici e analitici forniti durante il corso, insieme alla discussione degli elaborati progettuali assegnati durante il corso e inerenti la progettazione e la verifica di elementi di strutture in cemento armato e in acciaio. Durante la prova orale sono oggetto di valutazione il rigore metodologico e la proprietà di linguaggio nell'esposizione degli argomenti. Il voto finale è espresso in trentesimi e tiene conto della valutazione ottenuta durante la prova orale.

Assessment

Verification of learning is carried out through an oral exam to verify the learning of theoretical concepts of the course, and the discussion of the exercises and projects related to the design and assessment of structural elements of reinforced concrete and steel structure, which are assigned during the course. During the oral exam, methodological rigor and the language confidence in the presentation of the topics are also evaluated. The final grade is expressed out of thirty and takes into account the evaluation obtained during the oral exam.

Programma del Corso

PARTE PRIMA - SICUREZZA E AZIONI 1. La sicurezza e l'affidabilità strutturale 1.a. Approccio probabilistico alla valutazione della sicurezza 1.b. Variabili aleatorie e distribuzione di probabilità 1.c. Metodi probabilistici di livello III e II 1.d. Metodi di affidabilità normativi: Metodi semi-probabilistici (livello I) 2. Le azioni sulle costruzioni 2.a. Carichi permanenti e imposti 2.b. Carichi da neve, da vento, variazioni termiche 2.c. Combinazione delle azioni 2.d. Cenno alle azioni sismiche 3. Richiami di analisi strutturale PARTE SECONDA - COSTRUZIONI IN CEMENTO ARMATO 4. I materiali da costruzione 4.a. Comportamento del calcestruzzo 4.b. Effetti della temperatura, ritiro e viscosità del calcestruzzo 4.c. Legami costitutivi pluriassiali del calcestruzzo 4.d. Comportamento dell'acciaio di armatura 4.e. Aderenza acciaio-calcestruzzo: modello fisico e teorico 5. Calcolo elastico e stato limite di esercizio 5.a. Materiali e ipotesi di calcolo 5.b. Calcolo delle tensioni in condizioni di esercizio 5.c. Verifica delle sezioni soggette a flessione semplice e composta con piccola e grande eccentricità 5.d. Limitazione delle tensioni 5.e. Stato limite di fessurazione 5.f. Calcolo dell'apertura delle fessure 5.g. Stato limite di deformazione 5.h. Calcolo delle frecce 6. Stato limite ultimo per flessione e pressoflessione 6.a. Legami costitutivi del calcestruzzo e dell'acciaio 6.b. Sezioni soggette a tensioni normali 6.c. Comportamento della sezione inflessa: metodo dello stress block, legame parabola rettangolo ed elasto-plastico del calcestruzzo 6.d. Comportamento della sezione inflessa: legame elastico-incrudente dell'acciaio 6.e. Comportamento della sezione pressoinflessa 6.f. Domini di pressoflessione retta su sezioni ad armatura doppia simmetrica e non simmetrica 6.g. Sezione circolare 6.h. Verifiche in pressoflessione deviata 7. Stato limite ultimo per taglio 7.a. Trattazione elastica 7.b. Travi senza armatura a taglio 7.c. Travi armate a taglio: meccanismo di Ritter-Mörsch 7.d. Travi armate a taglio: meccanismo a inclinazione variabile 7.e. Verifica della sezione e progetto delle armature 7.f. Traslazione del momento flettente 8. Stato limite ultimo per torsione 8.a. Modello a traliccio spaziale 8.b. Verifica della sezione e progetto delle armature 8.c. Sollecitazioni composte 9. Applicazioni progettuali 9.a. Progetto di un solaio in latero-cemento 9.b. Progetto di una travata in calcestruzzo armato 9.c. Progetto di un pilastro in calcestruzzo armato PARTE TERZA - COSTRUZIONI IN ACCIAIO 10. Il materiale acciaio delle strutture metalliche 10.a. Le principali caratteristiche dell'acciaio da carpenteria metallica 10.b. Processi di lavorazione, trattamenti termici 10.c. I prodotti in commercio 10.d. Le imperfezioni meccaniche e geometriche 11. Classificazione delle sezioni trasversali 11.a. L'influenza dei fenomeni di instabilità 11.b. Classificazione dei profili secondo le NTC 12. Elementi in acciaio soggetti a trazione 13. Elementi in acciaio soggetti a compressione 13.a. La resistenza: verifiche secondo le NTC 14. Elementi in acciaio soggetti a flessione 14.a. Deformabilità, sensibilità alle vibrazioni, resistenza, stabilità 15. Elementi in acciaio soggetti a presso-flessione e a forze trasversali 15.a. Verifiche di resistenza e stabilità di elementi soggetti a pressoflessione 16. Applicazioni progettuali 16.a. Progetto di un solaio in lamiera grecata 16.b. Progetto di elementi strutturali di un edificio in acciaio “pendolare” e verifiche di deformabilità

Course Syllabus

FIRST PART – Safety and actions 1. Safety and structural reliability 1.a. Probabilistic approach for the safety evaluation 1.b. Random variables and probability distribution 1.c. Limit state and collapse functions 1.d. Probabilistic methods of level III and II 1.e. Reliability methods based on building codes: semi-probabilistic methods (level I) 2. Actions on structures 2.a. Permanent and variable loads 2.b. Snow, wind and thermal loads 2.c. Combinations of loads 2.d. Seismic actions (fundamentals) 3. Basics of structural analysis SECOND PART – Reinforced concrete structures 4. Construction materials in reinforced concrete structures 4.a. Concrete behavior 4.b. Effects of temperature, shrinkage, viscosity of concrete 4.c. Multiaxial constitutive models for concrete 4.d. Steel behavior 4.e. Bond between concrete and steel: physical and theoretical model 5. Elastic calculation and operating limit state on reinforced concrete structures 5.a. Materials and calculation assumptions 5.b. Stress calculation in operating conditions 5.c. Verification of sections under simple and combined bending action 5.d. Combined bending with small and large eccentricity 5.e. Limitation of stresses 5.f. Cracking limit state 5.g. Crack width control 5.h. Deformation limit state 5.i. Deflection calculation 6. Ultimate limit state for bending and axial-bending 6.a. Constitutive models for concrete and steel 6.b. Sections subjected to normal stresses 6.c. Behavior of the section under bending: stress-block model, parabola-rectangular model, and elasto-plastic model for concrete 6.d. Behavior of the section under bending: hardening behavior of steel 6.e. Behavior of the section under combined bending and axial force 6.f. Interaction domains (axial-bending) on sections with double-symmetric re-bars and non-symmetric re-bars 6.g. Circular section 6.h. Verifications in biaxial bending 7. Ultimate limit state for shear 7.a. Elastic models 7.b. Beams without stirrups 7.c. Beams with stirrups: Ritter-Mörsch model 7.d. Beams with stirrups: variable strut inclination model 7.e. Design and analysis of the section, and design of the transverse reinforcement 7.f. Translation of bending moment 8. Ultimate limit state for torsion 8.a. Spatial truss model 8.b. Section verification and design of reinforcement 8.c. Combined actions 9. Design applications 9.a. Design of a reinforced concrete slab 9.b. Design of a reinforced concrete beam 9.c. Design of a reinforced concrete column THIRD PART – Steel structures 10. Steel material and steel structures 10.a. Main characteristics of steel 10.b. Manufacturing process, and thermal treatments 10.c. Markets products and sections 10.d. Geometric and mechanical imperfections 11. Classification of steel sections 11.a. Influence of buckling 11.b. Classification of sections according to Italian Building Code 12. Steel elements subjected to traction 13. Steel elements subjected to compression 13.a. Strength and verification according to Italian Building Code 14. Steel elements subjected to bending 14.a. Deformability, sensitivity to vibration, strength and stability 15. Steel elements subjected to combined axial-bending 15.a. Analysis and design of elements subjected to combined axial bending 16. Design applications 16.a. Design of a corrugated sheet slab 16.b. Design of structural elements of a steel building with hinged scheme and deformability verifications