CORSO DI LAUREA IN SCIENZE DELL’ ARCHITETTURA
SCHELETRO PORTANTE di ACCIAIO
Le costruzioni metalliche, come quelle di legno, sono realizzate per assemblaggio di elementi prefabbricati (travi, pilastri o colonne, lastre, ecc...) la cui forma e le cui dimensioni sono, da un lato rispondenti ai requisiti dell’opera, dall’altro conseguenti ai
vincoli di produzione, trasporto e montaggio.
Trattandosi di elementi e sistemi costruttivi industrializzati, l’impresa di costruzione metallica gioca un ruolo molto importante
nella messa a punto del progetto tecnologico. Gli elementi verticali e orizzontali, nello scheletro di acciaio, sono realizzati con
profilati a caldo. (vedi pagina 2)
Le sezioni sono diverse (quadrate, circolari, angolari, a doppia T, a I, a L, etc.), oppure possono essere composte. Data l’ampia
gamma delle sezioni in commercio, la loro forma e le elevate prestazioni meccaniche del materiale, è possibile realizzare travi, e quindi solai, con grandi luci, di spessore relativamente modesto, anche in presenza di forti carichi..
La sezione ridotta dei pilastri consente un maggior utilizzo della superficie lorda per ogni piano.
Per gli edifici di acciaio non ci sono operazioni “a umido” ed anche gli elementi “a secco” sono soltanto in parte assemblati in cantiere, quindi l’ingombro nel cantiere stesso è molto ridotto, con notevoli vantaggi per l’agibilità operativa.
Profilati a L, a Z ed a T in acciaio .
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Diverse sezioni di profilati a caldo:
Diverse sezioni di sagomati a fred-
Il materiale di partenza viene riscal-
do:
dato e dev’essere portato alla tem-
La laminazione a freddo è un proces-
peratura di massima plasticità. Suc-
so di lavorazione meccanica a tem-
cessivamente passa molto veloce-
peratura ambiente o quasi.
mente nei rulli che sono in realtà
delle gabbie di laminazione.
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I vantaggi nelle costruzioni in acciaio sono principalmente i seguenti:
•
la notevole distanza fra i pilastri consente maggiore flessibilità nell’utilizzo dello spazio interno;
•
lo scheletro portante interno può essere modificato nel tempo dato che gli elementi sono uniti con metodi industriali
a secco;
•
possono essere rinforzati con l’aggiunta di parti supplementari per sopportare carichi maggiori;
•
si possono aumentare le luci libere sopprimendo alcuni pilastri;
•
può essere aumentato il numero di piani;
•
possono essere aggiunte o smontate singole parti dell’edificio.
Il peso di uno scheletro portante in acciaio è molto inferiore a quello in c.a.; ma la relativa leggerezza rende tuttavia l’edificio,
soprattutto quando è alto e sottile, particolarmente sensibile all’azione orizzontale del vento e comporta l’adozione di elementi costruttivi di irrigidimento, al fine di contrastare le deformazioni. (vedi schemi pagina 5)
Profilati a T a spigoli tondi in acciaio Fe 320. Tavola riassuntiva dei
valori tipici dei profilati.
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Colonne e pilastri in acciaio; il problema della snellezza.
Negli edifici a telaio il pilastro che porta le travi, i
solai di piano intermedio e di copertura, trasmette i carichi gravitazionali alle fondazioni; l’entità
delle sollecitazioni è funzione della posizione del pilastro all’interno dello scheletro
portante.
In linea teorica il pilastro è destinato a portare
carichi assiali di compressione, ma il modo con
cui è collegato agli altri elementi costruttivi, condiziona il tipo di sollecitazione cui è soggetto.
Nella pratica il carico perfettamente assiale
non si verifica quasi mai, perché il pilastro non
è mai perfettamente rettilineo e simmetrico; il carico non è mai perfettamente centrato.
L’incidenza di questi fattori è diversa a seconda
T Hotel, particolare di cantiere. Esempio di ordito in acciaio.
della snellezza del pilastro.
tubolari, realizzate con ferri HE o profilati tubolari a sezione circolare o
Occorre notare che i ritti devono essere pen-
quadrata.
sati in ragione del carico, ovvero della sua enti-
Un ulteriore aspetto da valutare con cura è l'eventuale variazione
tà e della sua distribuzione, nonché in ragione del
dell'assetto modulare della trama statica.
tipo di connessione o vincolo previsto .
Se gli elementi portanti sono disposti l’uno sull’altro, per tutta l’altezza
Di norma, si preferiscono sezioni quadrate o
dell’edificio, la ripartizione dei carichi non presenta alcun problema.
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A sinistra: negli edifici
Tutto si complica quando le colonne sono sfal-
alti e nei grattacieli le
sate, oppure quando qualcuna manca. In questo caso
soluzioni di controventa-
occorrono opportune travi che trasmettono il carico
mento sono riconducibili
verso i sostegni rimasti. Queste grosse travi sono
a due alternative:
sempre sollecitate a flessione, e pertanto il pilastro
• telai rigidi sul perime-
superiore subisce un cedimento, generando problemi
tro dell’edificio e col-
considerevoli, in particolare nel sistema di facciata.
legamento fra i telai
Quindi si cercherà sempre di progettare grosse
esterni e quelli interni
travi con massima rigidità alla flessione. Nel ca-
tramite solai rigidi;
so di forti sollecitazioni possono occorrere travi alte
anche un piano: travi reticolari.
Soprattutto nel caso di edifici alti, si devono dimensionare le sezioni delle colonne, in modo che tutte
siano, più o meno, sollecitate allo stesso modo.
Per le sollecitazioni orizzontali è necessario che
in ogni piano vi siano almeno tre pareti verticali
• A destra: controventamento
dei
formanti
il
telai
nucleo
centrale dell’edificio,
e
collegamento
ad
controventate (vedi figura).Tali superfici possono
esso dei telai peri-
avere delle aperture, anche di dimensioni tali che di-
metrali attraverso i
ventino telai, tralicci o sistemi irrigiditi da puntoni e
solai rigidi.
travi.
In ogni caso deve essere garantita la ripartizione delle forze all’interno della superficie portante.
Questa ripartizione del carico avviene di solito attraverso le controventature di solai e tetti.
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Richard Rogers, Neo Bankside, Londra, 2008-2012
Situato al centro di Londra, di fronte alla Tate Modern Gallery, il Bankside è un complesso residenziale di 5 edifici che uniscono appartamenti di estremo lusso
a residenze sociali. Il progetto usa un linguaggio contemporaneo per inserirsi in un contesto variegato caratterizzato da materiali e forme differenti (mattoni
faccia a vista, vetrate, acciaio, superfici vetrate, vegetazione).
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Richard Rogers, Neo Bankside, Londra, 2008-2012
Di particolare rilevanza, anche espressiva, sono le grandi controventature di facciata, ammorbidite dalla presenza di schermature lamellari in legno, posti tra i
due strati della pelle a doppio involucro vetrato ed alternati a solidi pannelli coibentati, dai colori caldi.
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Richard
Rogers,
Neo
Bankside, Londra, 20082012
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Norman Foster, Hearts Tower, New York, 2000-2006
Situato lungo la Ottava strada, il nuovo grattacielo si sviluppa per 46
piani al di sopra del vecchio quartiere generale, un edificio Art Déco
progettato negli anni ’20.
Del vecchio edificio, svuotato per poter costruire il nuovo grattacielo
all’interno dei muri perimetrali, rimangono soltanto le facciate Art
Déco.
Al momento della demolizione parziale della vecchia struttura, sono
stati conservati tutti i materiali con l’idea di riutilizzarli per il futuro
grattacielo.
Infatti lo scheletro metallico della Hearst Tower è stato realizzato
utilizzando ben l’85% di acciaio riciclato.
La trama triangolare delle travi in acciaio, che incorniciano diagonalmente le grandi porzioni della vetrata, disegna un modulo a forma di
diamante. Non si tratta di una semplice scelta estetica. Le forme
triangolari hanno infatti consentito un risparmio di acciaio del 20% in
meno rispetto alle quantità utilizzate per una tradizionale struttura,
pari a 2mila tonnellate di acciaio.
La Hearst Tower è stata concepita nel massimo rispetto ambientale.
Non solo per l’utilizzo di materiali riciclati e scelte progettuali volte
all’impiego di minori quantità di acciaio, perché la torre consuma il
25% di energia in meno rispetto ai tradizionali grattacieli newyorkesi.
Un record in termini di risparmio energetico, che è stato premiato
c o n
l a
c e r t i f i c a z i o n e
L E E D .
Il vetro a bassa emissione scelto per il rivestimento esterno consente
la penetrazione della luce naturale e protegge al tempo stesso
l’edificio dall’eccessivo riscaldamento.
Inoltre all’interno sono installati, su ogni piano, dei sensori che regolano l’intensità della luce artificiale a seconda della quantità di luce
naturale che penetra dall’esterno.
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Norman Foster, Hearts Tower, New York, 2000-2006
La copertura raccogliere l’acqua piovana, che viene convogliata in una cisterna situata nel sottosuolo, in grado di contenere fino a 53 mc. di acqua, sufficiente per soddisfare la metà del fabbisogno dell’intero edificio.
La sua applicazione più spettacolare trova spazio nell’atrio (foto in alto), dove una cascata di acqua riciclata di 8 metri umidifica l’ambiente in inverno e lo raffresca in estate.
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Le travi sono di norma composte da un profilato IPE a C o doppio T; l’altezza dipende dal momento flettente.
Se per grandi luci o elevati carichi, l’altezza della trave supera quella dei profili in commercio (600 mm) si utilizzano travi
composte e travi reticolari.
Per ottenere questi elementi si utilizzano tecniche e mano d’opera artigianale.
Le tipologie di travi ottenibili sono molteplici; per esempio se tagliamo l’anima di un IPE secondo una linea mediana, possiamo
suddividere la trave in due metà che possono essere riunite con uno sfalsamento, così da ottenere un nuovo profilato con un altezza maggiore.
Le travi reticolari sono invece costituite da elementi lineari tesi e compressi
e sono basate sulla ripetizione del triangolo indeformabile.
Le aste compresse hanno sezione tubolare, circolare o quadrata. Si usano anche
profili a L o angolari accoppiate, per ottenere una sezione il più possibile quadrata.
Le aste tese sono invece costituite da
barre d’acciaio a sezione circolare, profili ad L affiancati a formare una T, funi e
catene.
Gli attacchi tra le varie aste devono essere
tali da determinare il funzionamento a cerniera.
Esempi di travi alveolari .
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2-
attacco
rigido
trave a traliccio e colonna
3-
nodo saldato e
giunzione saldata di
corrente inferiore di
trave reticolare
2
1
1-
trave reticolare leggera.
3
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2
1
1-
esempio di travatura reticolare in elementi profilati
2-
nodo della briglia inferiore di una capriata triangolare
3-
nodo della briglia superiore di una capriata triangolare
3
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Nodo di capriata a traliccio
Nodo di capriata, inferiore.
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Particolari di elementi
strutturali
reticolari in acciaio.
1-
appoggio di
capriata saldato.
2-
nodo
di
capriata superiore.
2
1
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Occorre poi ponderare con estrema cura il nodo tra trave
e pilastro, valutando quale tipo di connessione sia più opportuno adottare.
Tra le tipologie più ricorrenti occorre citare:
-trave interrotta, pilastro passante
-trave passante, pilastro interrotto
Se al posto del conglomerato cementizio usiamo l’acciaio,
o strutture prefabbricate ecc., potremo realizzare pilastri a
doppia altezza e travi interrotte, o, al contrario, travi continue e pilastri interrotti.
Possiamo pensare di realizzare lo scheletro portante con
un altro elemento costruttivo, costituito sempre da traverso e ritto, detto PORTALE.
Il portale è una unità, ovvero è costruito a terra, contemporaneamente e poi ribaltato e collocato in opera.
Nodi tra pilastro e pilastro
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Il portale solitamente viene
prefabbricato,
risulta
però
molto difficile il suo trasporto.
Per questo motivo è preferibile
costruirlo a piè d’opera.
Una volta sovrapposti questi elementi occorre unirli nei nodi: le
Nodo trave pilastro:
connessioni, i vincoli sono semi cerniere sempre uguali e
spesso assai semplici da costruire.
Ulteriore variante si ottiene ponendo una cerniera fra i due elementi costruttivi: otterremo un
arco a tre cerniere.
Si possono verificare nodi di
notevole complessità, costruttiva e statica, quando sul pilastro convergono travi secondo
Nodo trave pilastro: esempi di nodi con trave interrotta e pilastro passante.
tre o quattro direzioni.
In questi casi acquista particolare importanza il modo di
unione dei componenti:
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- collegamenti chiodati ( non più non usati);
- collegamenti con bulloni;
- collegamenti saldati.
Negli edifici alti, lo scheletro portante è generalmente d’acciaio, perché ha resistenze molto superiori a quelle del cemento armato e consente di ridurre notevolmente la sezione degli elementi resistenti,in quanto l’ordine di grandezza della resistenza
a compressione per il conglomerato cementizio armato è di circa 100 Kg/cm2, mentre per l’acciaio è di oltre 2000 Kg/cm2.
Questi dati indicano che a parità di carico la sezione di uno scheletro d’acciaio è 20 volte minore di quella di uno scheletro in conglomerato cementizio armato.
Alla destra in basso:
nodo
tra
pilastro
e
trave con pilastro passante e trave interrotta.
Il pilastro trasmette il
carico che grava su di
esso
al
resto
della
membrature, mediante le piastre di colleIn alto: nodo tra pilastro e trave
gamento.
reticolare.
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1
4
Esempi di nodo alla base del
pilastro, particolari costrutti-
2
vi:
1-
4,5 - Nodo tra
vincolo di cerniera
2,3 - vincolo di incastro.
3
5
pilastro e trave.
.
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Nodo tra pilastro e trave, con trave passante. Il pilastro trasmette il carico che grava su di
esso al resto della membrature, mediante la piastra di collegamento.
Nodo tra pilastro e trave.
Nodo tra trave e colonna passante. Particolare costruttivo.
Notare come il vincolo sia reso rigido dal ricorso ad elementi di
raccordo.
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Nodo tra pilastro e
trave, con pilastro
Inoltre il costo si riduce notevolmente al diminuire dell’ingombro
passante. il ricorso
della struttura portante e aumentano gli spazi utili.
ad elementi di rac-
In definitiva otteniamo un edificio molto alto con uno scheletro molto
cordo tesi a rende-
snello che però ha una forte tendenza ad oscillare se sottoposto a
re rigido il nodo,
consente di assimilare lo stesso ad un
sollecitazioni orizzontali.
In passato per evitare le oscillazioni si eseguivano dei muri
molto spessi o si addossavano ad essi dei contrafforti.
incastro.
Nodo di portale a parete piena.
Se noi, allo scheletro portante d’acciaio, aggiungiamo dei blocchi
con pareti di cls contenenti scale, ascensori e/o tutte le canalizzazioni impiantistiche, e se li colleghiamo ai solai, le azioni orizzontali che
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Attacco bullonato di trave a traliccio tubolare su colonna mono tubolare.
Particolare costruttivo di arco a tre cerniere.
Nodo bullonato e giunzione a flangia per montante tubolare.
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investono le pareti vengono trasferite attraverso i solai, alle torri che grazie ala loro forma e peso elevato riducono le oscillazioni dell’edificio.
Un altro modo di limitare le oscillazioni è quello di intervenire direttamente sullo scheletro portante.
In tal caso si opera realizzando nelle testate un’orditura bidimensionale, che conferisce maggiore rigidezza.
Negli scheletri di acciaio gli elementi compressi generalmente hanno sezione circolare o
quadrata, in modo che il raggio di inerzia sia uguale in tutte le direzioni, mentre gli elementi
inflessi hanno sezione inscrivibile in un rettangolo.
Essendo questi elementi prodotti industrialmente, possiamo trovarli in commercio in dimensioni standard.
Può capitare però, nel caso di grandi luci, di dover superare le altezze massime; in questo caso dobbiamo costruire l’elemento partendo da lamiere di acciaio di 2/3 cm che poi verranno saldate.
Esempi di vincoli
tra
travi
accoppiate
passanti e colonne passanti
in acciaio.
Esempi di vincoli tra travi e
setti in C.A.
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Colonne e pilastri in acciaio
Sollecitazioni nei pilastri in funzione delle
Il problema della snellezza
condizioni di carico:
Nello scheletro portante in acciaio, il pila-
nella prima immagine a destra pilastro compresso caricato in asse;
stro che porta le travi, i solai di piano e di
nella seconda immagine a destra pilastro
copertura, trasmette i carichi alle fonda-
snello sottoposto a compressione e flessione
zioni. L’entità dei carichi è funzione della
per carico di punta;
posizione del pilastro nello scheletro por-
nell’immagine sotto pilastro rigidamente collegato alla trave in un telaio, sottoposto a
tante. In linea teorica è destinato a porta-
flessione e compressione.
re carichi assiali di compressione, ma il
Berlino galleria d’arte moderna, Mies
modo con cui è collegato agli altri elementi dello scheletro condiziona nella realtà il tipo di sollecitazione cui è soggetto. Di solito la condizione di carico assiale
non si riscontra mai: il pilastro non è mai
perfettamente rettilineo e perfettamente
simmetrico e il carico non è perfettamente centrato.
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1
2
4
3
Nodo di incastro tra travi primarie e secondarie, semplice ( 1-2) e con ampliamento della sezione all’ incastro ( 3-4)
25
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Esempio
di
nodo tra trave
primaria e trave secondaria.
Particolare
costruttivo
di
un nodo rigido.
Particolare
di
controventi
verticali.
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Esempio di nodo tra trave primaria e trave secondaria.
Particolare di controventi orizzontali.
Esempi di nodi tra elementi in acciaio, durante le fasi di cantiere.
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Esempio di telaio strutturale in acciaio. Particolare
della Rockefeller Guest house, di Philip Johnson.
Occorre ricordare in fase di studio di un telaio in
acciaio che sempre deve essere garantita la ripartizione delle forze all’interno della superficie portante.
Questa ripartizione del carico avviene di solito attraverso le controventature di solai e tetti.
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Vedute della piazza coperta.
Schema
statico
della
trave armata.
Notare il profilo superiore sottoposto a flessione, i contraffissi verticali compressi, posti a
Nuova sede del Cis, Renzo Piano Building Workshop. Particola-
rompere la luce libera
re della trave armata.
di inflessione e il cavo
teso inferiore.
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Nuova
sede
del
CIS,
Renzo Piano; particolare
della trave armata, del
nodo con i pilastri e del
contraffisso.
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Connessioni
Scheletro portante in legno
trave
pilastro
nel caso di telai in legno:
A-
connessione tra mon-
Il legno è un materiale elastico, aniso- tante e trave passante con
tropo, idoneo a sopportare sollecitazioni di flessione, di compressione e di
angolari coprigiunti laterali e
piastra interna.
B-
connessione tra trave
trazione, in misura differente a seconda
e montante passante con
che tali sollecitazioni siano esercitate in
mensole scarpa metallica e
direzione normale, parallela, o tangenzia-
piastre chiodate.
le rispetto a quella delle fibre.
C - collegamento di trave
doppia con caviglia e bullo-
Gli edifici a scheletro portante in legno
ne.
hanno tutte le caratteristiche proprie de-
D-
gli edifici realizzati con altri materiali:
stre di travi e montanti
elementi strutturali verticali e orizzontali,
E-
distinzione funzionale e costruttiva fra
connessione con pia-
connessione a 4 vie
con montante continuo e
piastre metalliche interne
scheletro portante e di tamponatura.
A differenza degli altri materiali, il
legno viene usato quasi esclusivamente in elementi rettilinei, a sezione rettangolare o quadrata.
I vari elementi possono essere connessi
menti metallici, di applicazione rapida, poco costosa ma
tramite incastri, che non richiedono l’uso
poco resistenti al fuoco.
di parti metalliche, ma comportano una
Occorre notare che nel caso di telai statici lignei, le sezioni
lavorazione lunga e la riduzione della se-
delle travi sono più sviluppate in altezza che in larghezza.
zione resistente, oppure attraverso ele31
DISPENSE DEL LABORATORIO INTEGRATO DI PROGETTO E COSTRUZIONE 2 - MODULO ARCHITETTURA TECNICA
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Nodo tra montante e plinto in C.A. i montanti devono essere preservati dall’
umidità, discostando di 15
cm la base del montante
dal terreno a dal plinto. La
connessione è per tramite
di gambo metallico, con
due profilati a T o con due
profilati a U annegati nel
plinto
Griglie di travi reticolari in legno lamellare.
Travi
con
uguale
spessore
(a),
corrente
superiore
sovrapposto
(b)
con
e
con sezioni di diversa altezza (c-d).
Griglie di travi a parete piena in legno lamellare. Connessioni
ottenute con connettori metallici (a-b-c), con giunto metallico
cruciforme (d-e) con flange saldate a un elemento tubolare (f-g)
e con piastra metallica (h).
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DISPENSE DEL LABORATORIO INTEGRATO DI PROGETTO E COSTRUZIONE 2 - MODULO ARCHITETTURA TECNICA
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Ciò avviene poiché questo elemento deve avere un momento di
inerzia rilevante rispetto all’asse baricentrico, così da assicurare resistenza sufficiente.
Per quanto riguarda i ritti, le sezioni più utilizzate sono la quadrata e la circolare. Quest’ultima è la più adatta perché ha un
momento di inerzia uguale in tutte le direzioni e quindi
da più garanzie di stabilità, perché non ha piani di sbandamento preferenziali.
Tipi strutturali in legno lamellare:
Travi a due appoggi ed elementi a più appoggi.
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DISPENSE DEL LABORATORIO INTEGRATO DI PROGETTO E COSTRUZIONE 2 - MODULO ARCHITETTURA TECNICA
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La resistenza al taglio del legno nella direzione delle fibre è molto scarsa,
mentre è molto superiore nella direzione ortogonale.
Nella fabbricazione dei legni artificiali (lamellare), infatti, si suddivide un
tronco in fogli che poi vengono riuniti alternando la direzione delle fibre.
migliorare il comportamento meccanico.
Esempi di tipi strutturali in legno lamellare:
Travi su due appoggi.
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DISPENSE DEL LABORATORIO INTEGRATO DI PROGETTO E COSTRUZIONE 2 - MODULO ARCHITETTURA TECNICA
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Portali a tre cerniere di
legno lamellare: esempi
di portale con piedritto
metallico, con montante
scomposto, e con montante incastrato.
Sistemi a tre cerniere di legno
lamellare:
esempi
di
capriate,
elementare e con puntoni spingenti.
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DISPENSE DEL LABORATORIO INTEGRATO DI PROGETTO E COSTRUZIONE 2 - MODULO ARCHITETTURA TECNICA
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Travi
reti-
colari
in
legno
la-
mellare.
Tavola delle
dimen-
sioni,
sezioni
per
di
travi rettilinee.
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DISPENSE DEL LABORATORIO INTEGRATO DI PROGETTO E COSTRUZIONE 2 - MODULO ARCHITETTURA TECNICA
