Definizione – Etimologia
Dal lat. ex-pingere, e prima dal gr. epéigo (composto di epi, sopra e dalla radice ig-, premere), con spinta si definisce la forza totale agente su una superficie o su un’area, applicata dall’esterno, avente una direzione principale preponderante rispetto alle altre.
Forze spingenti in architettura
In architettura, strutture di copertura o di orizzontamento inclinate o arcuate (dette spingenti), esercitano sulle strutture verticali sottostanti una spinta orizzontale che deve essere adeguatamente trattenuta per garantirne l’equilibrio globale. A differenza dell’architrave infatti, che trasmette ai muri di appoggio un solo carico verticale, l’arco, e le strutture da esso derivate (volte e cupole), esercitano spinte laterali (orizzontali) sulle strutture sottostanti, particolarmente pericolose per gli edifici in muratura. Tali spinte sono calcolabili con il metodo di Méry (o anche di Moseley) limitando lo studio statico della struttura ad arco ad un semiarco e sostituendo all’azione della parte rimossa una spinta orizzontale in chiave, uguale ed opposta a quella alle reni, ottenibile attraverso la risoluzione delle equazioni cardinali della statica (equilibrio alla rotazione).
Per reindirizzare tali spinte laterali verso il basso si devono predisporre strutture che generino forze di controspinta o di trazione tali da neutralizzarne la spinta ribaltante. A seconda dell’azione che esercitano, tali strutture si dividono in:
- Strutture di sostegno laterale, che agiscono frazionando gradualmente le spinte orizzontali fino ad annullarle, attraverso un presidio passivo (muri di contraffortamento o rinfianchi) o attivo (archi rampanti). In questo senso, la costruzione del muro d’appoggio con piede maggiore e sviluppo a riseghe, così come l’ampliamento della sezione muraria con contrafforti localizzati nei punti di concentrazione della spinta, ha rappresentato la soluzione tradizionale al problema della stabilità dei piedritti.
- Strutture di sostegno verticale, che, aggiungendo carichi verticali in modo mirato, rafforzano i sostegni laterali impedendone la rotazione verso l’esterno. La loro azione sulla spinta orizzontale è di progressivo indirizzamento verso il basso, fino allo scarico al piede entro la sezione resistente del muro portante (es. pinnacoli); strutture di trazione, che bilanciano le spinte verso l’esterno esercitando una trazione in senso contrario al ribaltamento (tiranti, catene e cerchiature). La disposizione dei tiranti deve essere studiata in funzione del tipo di spinta che sono chiamati a trattenere, oltre che in funzione del materiale in cui sono realizzati. A questi elementi raramente è destinato un compito attivo e il loro funzionamento è previsto in caso di carichi accidentali o rari, come gli eventi sismici. La loro funzionalità è assicurata dalla capacità di trasmettere le forze da parte della muratura. Devono essere preventivamente tesati poiché la rigidezza della muratura è tale che, prima che i tiranti entrino in funzione per assorbire la spinta, la struttura potrebbe deformarsi in modo tale da rendere inutile la loro presenza, almeno fino all’innescarsi del meccanismo.
Per spinta sismica si intende la forza statica equivalente, proporzionale alla massa della struttura su cui agisce in direzione orizzontale (solitamente pari a 10-30% del peso), che produce deformazioni corrispondenti a quelle massime prodotte dal terremoto atteso, secondo una semplificazione dell’azione dinamica che tiene conto della zona sismica, tipologia del terreno, quota relativa delle masse dell’edificio, nonché delle sue caratteristiche geometriche e funzionali (fattore di struttura e d’importanza).
La spinta in idraulica
In idraulica, la spinta idrostatica è la forza esercitata da un fluido in quiete su una qualsiasi superficie piana o curva. In proposito Stevino (1548-1620) formulò la legge secondo cui “la pressione di un fluido in quiete ad una certa profondità h è calcolabile come la somma della pressione in superficie e quella esercitata dalla forza peso del liquido al di sopra della quota h)”. La spinta idrostatica è quindi calcolabile come la sommatoria dei diversi contributi dovuti a queste pressioni sull’intera superficie ed ha sempre direzione normale alla superficie stessa.
Anche il celebre principio di Archimede secondo cui “Un corpo immerso in un fluido riceve una spinta dal basso verso l’alto pari al peso del volume di fluido spostato” è dimostrabile a partire dalla legge di Stevino, infatti la spinta di galleggiamento è proprio dovuta alla differenze fra le spinte agenti sulle diverse superfici del corpo (si pensi, per semplicità, a un cubo).
La spinta di Archimede si applica al baricentro della massa del fluido spostata (detto anche centro di carena) ed è diretta verso l’alto; quando la spinta idrostatica è inferiore al peso di un certo solido, questo affonda, altrimenti galleggia. In questo secondo caso la spinta idrostatica dovuta alla porzione di solido immersa nel fluido sarà uguale al peso del solido stesso. Qualora sia presente, la spinta idrostatica assume valori che risultano essere significativi nel calcolo globale di stabilità di un corpo. Considerando ad esempio la superficie d’una piscina di dimensioni pari a 1m x 1m, e con una profondità d’acqua paria 4 m, il peso sopportato dalla porzione del fondo della piscina considerato è pari a 3,924 t ed è evidente come tale spinta debba essere adeguatamente considerata nel dimensionamento delle opere.
Un caso particolare delle spinte idrostatiche sono le sottospinte e cioè le forze esercitate dalla falda acquifera sulle fondazioni. Esse causano un significativo alleggerimento delle strutture, e nel caso di opere a gravità (quali ad esempio i muri di sostegno), possono incidere significativamente sul dimensionamento strutturale. Nel caso di fondazioni di piscine o di serbatoi interrati lo spessore della fondazione deve essere dimensionato in modo da resistere adeguatamente all’azione di dette sottospinte senza fessurarsi anche nella condizione più gravosa, che risulta essere in questo caso quella di serbatoio vuoto.
La spinta in geotecnica
In geotecnica, la spinta del terreno è la forza che le terre esercitano su strutture finalizzate al loro contenimento quali muri di sostegno, paratie ecc. Così come i fluidi, anche le terre spingono sempre in direzione normale alle superfici considerate. L’entità della spinta del terreno è influenzata da diversi fattori, quali il suo peso specifico, il livello della falda acquifera, l’angolo di attrito e l’eventuale coesione.
A seconda delle diverse condizioni in cui si trovano le terre, si possono distinguere tre tipi di spinte che si verifica in corrispondenza delle condizioni di rottura del terreno:
- spinta attiva si verifica quando la superficie su cui agisce la spinta si allontana dal terreno rispetto alla sua configurazione indisturbata (ad esempio a tergo di un muro di sostegno);
- spinta passiva, e si verifica quando il terreno risulta essere compresso dalla superficie;
- spinta a riposo quella che si verifica quando la posizione della superficie rimane indisturbata.
Le spinte del terreno hanno un’azione instabilizzante sui muri di sostegno, sia rispetto alla verifica a scorrimento, sia rispetto a quella al ribaltamento; vista la notevole incertezza che le caratterizza, e la loro variabilità nel tempo, nelle verifiche geotecniche è opportuno utilizzare adeguati coefficienti di sicurezza, indicati nelle normative di riferimento.
Bibliografia
Lancellotta R., Le verifiche di sicurezza in Geotecnica, Bologna, 2004; Méry E., Sur l’équilibre des voûtes en berceau, Parigi, 1840; Stevin S., De Beghinselen des Waterwichts, 1586.
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