Laboratorio di Costruzione dell’architettura

Le costruzioni in acciaio sono state introdotte intorno alla fine del ‘700 esubito sono state capite le potenzialità per l’uso nelle strutture degliedifici moderni.

I vantaggi del costruire in acciaio non sono ovviamente solo di tipostrutturale ma riguardano anche la possibilità di realizzare strutture dielevato "pregio architettonico", in cui la regolarità delle forme non è piùun elemento invariabile della geometria della costruzione.

Altro vantaggio è la possibilità di permettere, in modo rapido edeconomico, "trasformazioni e riparazioni" anche sostanziali di organismistrutturali esistenti, consentendo anche l'eventuale recupero dellemembrature sostituite.

Gli aspetti di carattere economico, infine, sono spesso condizionatipositivamente dalla possibilità di “industrializzare il processo produttivo"degli elementi costruttivi nonché dall’adozione di tecniche di montaggioin cantiere rapide ed efficienti, soprattutto se paragonate a quelle in usoper altri sistemi costruttivi.

Naturalmente le costruzioni in acciaio, oltre che dai pregi, sono anchecaratterizzate da alcune problematiche tipiche che, come i pregi, sono ingran parte legate alle proprietà del materiale base.

Da un punto di vista strutturale, infatti, si riscontra generalmentel'impossibilità di sfruttare appieno l'elevato rendimento meccanico delmateriale e ciò al fine di evitare la realizzazione di struttureeccessivamente snelle e come tali particolarmente sensibili nei riguardidei "fenomeni d'instabilità" globali e locali.

In aggiunta, l'elevato rapporto tra il modulo elastico e la resistenzaspecifica del materiale rendono spesso condizionanti ai fini del progetto irequisiti di funzionalità, intesi come limitazione delle deformazioni e/ovibrazioni in esercizio.

A causa della notevole quantità di energia necessaria alla lavorazione eal trasporto dell'acciaio, l'energia incorporata nell’acciaio è elevata, pari acirca 26,8 GJ/tonn. superiore a quella del cls, del laterizio e del legno.

Grazie alla sua resistenza strutturale, l'acciaio può però essere impiegatoin quantità relativamente piccole, e ciò consente di contenere la quantitàcomplessiva di energia incorporata nei componenti in acciaio utilizzatinelle costruzioni, la quale in effetti mediamente risulta inferiore a quelladel cls e del laterizio.

Un altro inconveniente è rappresentato dal fatto che l'integrità dellestrutture edilizie in acciaio è minacciata dalle alte temperature generatedagli incendi e a causa del fatto che esse provocano una consistenteperdita di resistenza meccanica al materiale.Le misure dirette alla protezione delle strutture edilizie in acciaio dalcalore in genere prevedono di evitare di lasciare "a vista " tali strutture.

Le strategie per la protezione dellestrutture in acciaio dal calore degli incendiprevedono in genere la protezione dellestrutture stesse mediante rivestimento conaltri materiali:- involucri formati da pannelli di gesso o

cartongesso, pannelli di protezionecontenenti vermiculite o fibre minerali

- con intonaci (malte a base di gesso) sureti zincate di supporto

- calcestruzzi gettati in opera- vernici intumescenti

Soluzione per la protezione di pilastri e travi inacciaio dal calore degli incendi medianterivestimento in pannelli di gesso.

Legenda: 1. Rivestimentoa due strati dilastre di gesso; 2. Telaioin acciaio profilato afreddo di supporto alrivestimento; 3. Trave inacciaio e doppio T; 4.Soletta in c.a.; 5. Angolariin acciaio; 6. Montanti inacciaio profilato a freddo;7. Pilastro a H.

Involucri formati da pannelli di gesso o cartongesso, pannelli di protezionecontenenti vermiculite o fibre minerali

Altro sistema di protezione èrappresentato dall’applicazione di stratiprotettivi.A tal fine possono essere applicati,mediante spruzzatura, malte miscelatecon materiali sciolti che, per la loroscarsa conduttività e la loro elevatatemperatura di fusione, ne accrescono laresistenza al calore. La scarsaconduttività di tali materiali è finalizzata aostacolare la trasmissione del calore aglistrati sottostanti.I materiali più utilizzati a questo scoposono la vermiculite espansa, la perliteespansa, fibre minerali come lana di vetroo fiocchi di gesso. I leganti impiegatinelle malte e negli intonaci in oggettopossono essere a base cementizia ogessosa.

Protezione di un pilastro e di una trave in acciaio mediante intonacatura.L'intonaco è applicato a una rete in acciaio, la quale è a sua volta fissataai profilati mediante bande di fissaggio in acciaio o una struttura inacciaio profilato a freddo.

Legenda: 1. Intonaco di gesso con inerti di vermiculite; 2.Guide angolari in acciaio piegato a freddo; 3. Reteelettrosaldata; 4. Bande di fissaggio.

Un'altra strategia che implica la spruzzatura è quella che prevedel’impiego di particolari vernici intumescenti.Lo spessore di applicazione delle vernici intumescenti varia di solito da0,5 a 1,5 cm. Quando sottoposte a calore, esse carbonizzandosi sigonfiano, raggiungendo spessori di 5-10 cm e formando uno stratocompatto in grado di proteggere il materiale di supporto dall'azione delfuoco.

La comparsa sul mercato delle verniciintumescenti ha permesso di esporrealla vista le strutture in acciaio, cheprima di allora dovevano esserenascoste da rivestimenti di spessorepiù consistente.La soluzione delle vernici intumescentioffre però una resistenza al fuocominore di quella offerta dalle soluzioniviste in precedenza, corrispondente acirca 30-60 minuti mediamente.

Gli elementi in acciaio vengono prodotti industrialmente mediante unprocesso di laminazione a caldo o di sagomatura a freddo e sono cosìclassificati:• elementi laminati a caldo:- profilati, lamiere; larghi piatti, barre;

• elementi sagomati a freddo:- lamiere grecate, profili sottili.

I profilati sono barre di acciaio aventi sezioni particolari a contornoaperto o cavo.Le lamiere sono manufatti di spessore non superiore a 50 mm e dilarghezza pari alla massima dimensione del laminatoio.I larghi piatti sono manufatti di spessore non superiore a 40 mm elarghezza compresa tra 200 e 1000 mm.

I tipi di sezione e le dimensionigeometriche dei profilati sono unificate inambito europeo; le loro caratteristichesono riportate in un sagomario.I profili a doppio T sono utilizzatisoprattutto come travi e pilastri distrutture a telaio.Ne esistono due distinte tipologie: IPE edHE.I profili IPE hanno una larghezza b dell’alapari alla metà dell’altezza h.

I profili HE hanno invece b=h; esiste unaserie normale, HEB, nella quale èeffettivamente b=h fino ad una altezza di300 mm (per altezze maggiori b rimanecostantemente pari a 300 mm), una serieleggera, HEA, ed una serie pesante, HEM,che hanno spessori maggiori e piccoledifferenze nell’altezza rispetto alla serienormale.

A parità di area dellasezione (e quindi di pesoe costo) i profili IPEhanno momento d’inerziae modulo di resistenzanettamente maggiorerispetto agli HE e sonoquindi più convenienti incaso di aste soggette aflessione semplice; sonoinadatti a sopportaremomento flettente in duepiani diversi.

I momenti d’inerzia dei profili HE nelle duedirezioni hanno una minore differenza e ciò rendequesti profili più adatti ad essere usati come pilastri(perché sono soggetti a sforzo normale oltre che amomento flettente e questo inoltre agisce spesso indue direzioni).

I profili a C e gli angolari sono usati soprattuttocome aste di travature reticolari o aste dicontroventatura; vengono spesso accoppiati a duea due sia perché ciò conferisce simmetria allasezione composta sia per comodità di realizzazionedei collegamenti.

I larghi piatti e lamiere permettono direalizzare, per semplice saldatura obullonatura, elementi strutturali fuorimarca.

In commercio sono disponibili:a) una vasta gamma di profili saldati adoppio T realizzati con lamiere e larghipiatti dello spessore di 12-14-19-22-25-26 mm che raggiungono altezze di 1700mm;b) alcuni tipi di profilati ibridi la cuisezione è realizzata accoppiando lamieree larghi piatti di qualità diversa;c) una vasta gamma di profilati dalleforme più fantasiose.

Le lamiere grecate sono semilavoratiottenuti mediante piegatura a freddo dilamierini o lamiere sottili.Trovano vastissimo impiego comeelementi orizzontali e verticali di chiusura.I profili sottili sono elementi strutturali consezioni, in genere a contorno aperto,ottenute mediante piegatura a freddo dinastri di acciaio di spessore di circa 3-4mm. Nell’ambito dei profili sottili sipossono ottenere le sezioni più varie cherealizzano il massimo sfruttamento delmateriale, anche “per forma” conconseguente ottimizzazione del pesostrutturale. L’esiguo spessore di questiprofili richiede una particolare attenzionedel progettista ai pericoli connessi confenomeni di corrosione e/o di instabilitàlocale.

Tabella dei valori di carico massimo ammissibile per lamiere grecatein funzione di spessore e distanza tra gli appoggi

Dimensioni di un pannello in lamiera grecata

TraviPer le travi si utilizzano profili a doppio T, poiché consentono di ottimizzare la resistenza agli sforzi di flessione, presentando poco materiale in corrispondenza dell’asse neutro e più materiale in corrispondenza delle sollecitazioni maggiori.Ma questi profilati a doppia T, hanno altezza il doppio o il triplo della larghezza e sono denominati IPE. Lunghezze variabili da 4 a 15 m e sezioni in mm, variabili da 80 a 600 mm.

PilastriGli elementi portanti verticali sono di solito formati da profili chiusitubolari quadrati, rettangolari o circolari o da profilati tipo HE checome i profilati chiusi a base quadrata presentano uguali valori diinerzia nelle due direzioni principali, e quindi minore sensibilità afenomeni di instabilità per snellezza.

Pilastro realizzato con dueprofilati a doppio T e diagonali ad L

PilastriI pilastri vengono in genere realizzati con sezioni a doppio T, con altezza uguale alla larghezza, denominati HE.Essi hanno lunghezze variabili fra 4 e 15 m e sezioni, misurate in mm, variabili fino a 300 mm, oltre queste misure le ali non aumentano in larghezza.La denominazione indica forma e dimensioni (es. HE 100, HE 150, HE 200, ecc.).Una ulteriore classificazione dipende dallo spessore delle ali: HEA per ali sottili ed HEB per ali normali. Questi ultimi sono quelli più utilizzati.

PilastriI pilastri possono essere anche realizzati attraverso l’unione disemilavorati connessi tra loro a formare elementi composti; questascelta può derivare da esigenze strutturali o architettoniche.

FondazioniIl collegamento dei pilastri alle fondazioni avviene tramite piastrebullonate a tirafondi preventivamente annegati nel getto di calcestruzzo della fondazione.

SolaiI solai composti in acciaio-calcestruzzo sono costituiti da una lamieragrecata di acciaio su cui viene eseguito un getto di calcestruzzo normaleo alleggerito. La lamiera ha la funzione di cassero durante la costruzionee costituisce parte o tutta l’armatura longitudinale dopo l’indurimento delcalcestruzzo.Poiché non è sufficiente la semplice adesione chimica fra la lamiera e ilcalcestruzzo, sono previste opportune lavorazioni superficiali o particolarisagome per garantire l’aderenza fra i due materiali.

I solai misti in lamiera grecata e calcestruzzo hanno un ingombromodesto, ed una notevole leggerezza, se si rapporta il loro peso al caricoche possono sostenere.

Inoltre la posa di questi solai, una volta approntata l’orditura di sostegno,richiede solamente l’appoggio della lamiera sulla struttura, dopo di che ilsolaio svolge la sua funzione portante senza alcuna attesa, accelerandocosì i lavori e consentendo di procedere contemporaneamente su piùpiani.

Inoltre, l’elasticità funzionale è la prerogativa più nota e riconosciuta deisolai metallici.Infatti su di essi sono consentiti interventi di ogni tipo, quali peresempio:tagli, aggiunte, saldature, modifiche, rinforzi e così via, che rendonoelastiche e, entro certi limiti, modificabili le loro prestazioni, in modo dapoter adattare ogni solaio alle esigenze che di volta in volta sipresentano.

Lamiera grecataLamiera grecata

Elemento di connessione

Estradosso lamiera

grecata

Connessione tra le

lamiere

I solai metallici con calcestruzzo o senza possono presentare freccesuperiori a quelle dei solai tradizionali in laterocemento.

Per questo motivo è bene non posare pavimenti monolitici o realizzati condimensioni troppo grandi, in quanto la flessibilità dei solai puòdeterminare fessurazioni irregolari o sbriciolamento negli spigoli acontatto.

È perciò consigliabile usare pavimenti flessibili o di piccole dimensioni;inoltre si dovranno adottare pavimenti leggeri in modo tale che il ridottopeso (e quindi costo) sia il più logico complemento dell’insieme solaio-struttura, che rappresenta nei solai metallici il miglior vantaggio.

I passaggi e le aperture attraverso i solai devono essere possibilmentedisposti in modo da non interessare le nervature, ma solo la parte trauna nervatura e l’altra.

Anche i tramezzi dovranno essere definiti con maggior accuratezza inquanto il loro posizionamento dovrà tener conto dell’entità delle freccedel solaio metallico; adozione di pareti divisorie prefabbricate e leggereacquista perciò notevole interesse.

I muri di tamponamento esterno, se eseguiti con sistemi tradizionali,dovranno essere appoggiati su di un’idonea orditura.

Una delle questioni che più influiscono sul comportamento dellecostruzioni in acciaio è quella della connessione tra gli elementi dellastruttura; infatti essa costituisce un problema di duplice natura:costruttivo – esecutivo, progettuale – strutturale.Nel primo caso riguarda le condizioni di esecuzione e montaggio incantiere, nel secondo la trasmissione delle sollecitazioni tra gli elementidella struttura portante.Dal punto di vista esecutivo i principali sistemi di connessione sono: labullonatura e la saldatura, che spesso sono impiegati in combinazionetra loro.

Connessioni saldate trapilastri e travi

Connessioni bullonate trapilastri e travi

Connessioni saldate-bullonate tra pilastri e travi

Bullonatura sistema di connessione che prevede l’utilizzo di elementimobili che fanno da connettore e che necessitano di forature preventivedegli elementi da unire.Generalmente le connessioni effettuate in cantiere sono bullonate mentrele saldature si effettuano in officina.

La bullonatura è un sistema di connessione reversibile e particolarmenteaffidabile; i bulloni sono costituiti da vite, rondella e dado di acciaiofilettato, soggetti a sforzi di taglio, e interposizione di piastre checonsentono la sovrapposizione degli elementi da unire.La distanza tra i bulloni deve rispettare precise regole per evitare che ifori siano troppo ravvicinati, di solito gli interassi tra i fori sono nonminori di 2,5 volte il loro diametro.

Le fasi di cantiere prevedono generalmente:- un pre-assemblaggio a piè d’opera degli elementi,- il montaggio attraverso un primo serraggio delle piastre di giunzione e

la messa a piombo,- il serraggio finale dei bulloni effettuato con chiavi dinamometriche.Queste consentono di calibrare lo sforzo a cui sottoporre i bulloni.

Le saldature si effettuano in officina.

La saldatura permette attraverso la fusionemetallica di ottenere collegamenti monolitici.Le saldature vengono realizzate sfruttando ilprincipio dell’arco voltaico ed utilizzandogeneratori elettrici a basso voltaggio emateriale di apporto che fonde assieme ailembi degli elementida unire.

Le saldature possono avvenire persovrapposizione o di testa con l’aggiunta omeno di piastre. Per la corretta esecuzione diuna saldatura occorre l’impiego di manodoperaspecializzata.

Spessore e lunghezza delle saldature vengonocalcolate in sede di progetto.

La trasmissione delle sollecitazioni tra pilastro etrave o tra trave principale e trave secondariapuò avvenire mediante connessioni articolate origide.

Le prime, realizzate mediante bullonatura, sonoassimilate a vincoli di semi incastro, le secondesi realizzano per saldatura con ripristino dellasezione resistente.

Nelle strutture a telaio pluripiano si mantiene disolito la continuità dei pilastri interrompendo letravi, ma poiché non è facile trasportare profilatidi lunghezza superiore ai 10 metri, si devonooperare giunzioni tra tratti di pilastri.Nelle strutture a telaio le travi principali sonoquelle che trasferiscono i carichi ai pilastri e lesecondarie quelle, che di solito, portano i solai.

Le strutture in acciaio degli edifici in genere sono costituite da telaimultipli (ossia a più campate complanari) paralleli collegati tra loro datravi perpendicolari ai piani su cui essi giacciono.I telai in acciaio degli edifici di piccole dimensioni possono essererealizzati impiegando profilati a caldo o a freddo, mentre i telai in acciaiodegli edifici di dimensioni medie o grandi sono sempre realizzatiimpiegando profilati a caldo.

I telai in acciaio si classificano in telai a trama larga e telai a tramastretta.I termini "largo" e "stretto" riferiti alla distanza di interasse tra ipilastri. I telai più utilizzati come strutture portanti degli edifici sono digran lunga quelli a trama larga con maglia strutturale rettangolare.

Struttura a telaio con travi principalicorte e travi secondarie più lungheche portano i solai

Struttura a telaio con travi principalilunghe e secondarie corte

Le luci tra i pilastri nelle maglie strutturali a maglia larga possonogiungere fino a 18 m. Solitamente si adottano luci tra i 4 e i 10 m, con isolai eventualmente appoggiati alle travi secondarie distanziate tra lorotra i 3 e i 5 m.In questi schemi per ripartire equilibratamente i carichi orizzontali, siadottano generalmente travi principali più corte e tozze, poiché piùsollecitate e travi secondarie più lunghe e snelle, poiché ricevono solo ilcarico delle proprie porzioni di solaio.I solai vengono sempre orditi nella direzione ortogonale a quella delletravi di ordine inferiore.

La connessione tra i pilastri e le travi può essere di due tipi:- A travi passanti- A pilastri passanti

Nel caso a travi passanti, le travi vengono appoggiate e poi fissate aipilastri sottostanti e i pilastri del livello superiore vengono fissati esovrapposti alle travi.

La struttura in acciaio più tipica èquella a telaio costituita da pilastricontinui e travi che si interromponoin corrispondenza dei pilastri,connesse ad essi con l'ausilio diangolari bullonati o saldati ai pilastri.Si possono usare anche pilastri conmonconi di travi oltre il nodo,realizzati mediante saldatura inofficina. A tali monconi vengono poipiù agevolmente fissate le travi,ottenendo maggiore resistenza aflessione dei nodi strutturali.

Le travi perimetrali possono anche esserefatte correre esternamente ai pilastri, in modotale da non doverle interrompere, e connessea essi con squadrette o angolari. In questocaso esse sono di solito a doppio T o a C.

Solitamente le ali dei pilastri sono parallelealla direzione delle travi principali.

Connessione articolata realizzata con bullonatura

Connessione rigida realizzata con saldatura e ripristino della sezione resistente

Connessioni tra pilastro e trave (sx. con pilastro continuo e trave interrotta,dx con trave continua e ripristino di sezionein corrispondenza del pilastro)

Semi-incastro

cerniera

incastro

incastro

Connessioni tra trave principale e secondaria(in sovrapposizione, in continuità, in spessore)

La connessione tra travi principali e travi secondarie viene generalmenterealizzata all’interno dello spessore della trave per contenere l’altezzacomplessiva del solaio.

Nel caso di posizionamento superiore, le travisecondarie vengono tagliate in modo da avereuna continuità con l’estradosso della traveprincipale, per una migliore posa dei solai.Stessa cosa nel caso di posizionamentoall’altezza dell’ala inferiore.

La linearità degli elementi nello schema strutturale a telaio comporta lanecessità di realizzare un irrigidimento dei telai attraverso deicontroventamenti.I controventamenti sono realizzati attraverso l’uso di connessioni rigidetra gli elementi mediante l’inserimento di profili predisposti in diagonalefra i telai, oppure con la predisposizione di pareti a setti portanti.L’irrigidimento dei nodi avviene attraverso elementi aggiuntivi qualipiastre e squadre di connessione tra travi e pilastri.Gli irrigidimenti si realizzano sia nei telai che nei solai. I solai stessi sonoelementi di controventamento orizzontale.I nuclei in c.a. sono in genere utilizzati per allocare i sistemi dicollegamento verticale (scale e ascensori) o per servizi tecnici e localiigienici e per addossare le canalizzazioni impiantistiche.