CAPITOLO 3: LE STRUTTURE IN ACCIAIO
3.1 I sistemi costruttivi in acciaio
La convenienza nella scelta dell’acciaio tra i vari materiali impiegabili nel campo dell’ingegneria civile si rivede nelle numerose qualità che lo caratterizzano positivamente, come la durabilità, la versatilità, la prefabbricabilità, la sostenibilità, nonché l’economicità e la rapidità di posa in opera. L’elevata densità del materiale, unitamente al suo legame costitutivo, che mostra valori di resistenza meccanica molto alti nel campo elastico e una elevata duttilità in campo plastico, hanno determinato la possibilità di modificare le sezioni piene degli elementi utilizzati, ottimizzandole per ottenere una riduzione del peso complessivo dell’elemento, conservando in buona parte le resistenze dettate dalla geometria della sezione. Il progresso tecnologico ha consentito inoltre un costante miglioramento delle prestazioni dell’acciaio strutturale, grazie alla sottoposizione dei profili a trattamenti termici convenzionali, isotermici o termochimici finalizzati al contrasto dei fenomeni di usura e di degrado naturale che inevitabilmente interessano i manufatti nel corso della loro vita. Date le numerose peculiarità tipiche del materiale, negli anni si è osservato un crescente sviluppo delle tipologie costruttive
42
degli edifici intelaiati e controventati in acciaio, grazie alle quali è stato possibile realizzare principalmente edifici adibiti a uso industriale, strutture particolarmente sviluppate in altezza come torri e grattacieli e opere di ingegneria civile più complesse quali ponti sospesi o strallati. Molto diffuse sono anche le tipologie costruttive miste, che possono presentarsi in varie forme, a seconda del sistema strutturale considerato. Tra quelle più utilizzate è possibile trovare strutture in calcestruzzo armato prefabbricato o gettato in opera, sovrastate da coperture in acciaio piane o inclinate, decisamente meno pesanti dei solai in laterocemento, oppure scheletri costituiti da profili metallici con impalcati realizzati da soletta collaborante in calcestruzzo e tamponamenti realizzati in muratura o con lastre piene in c.a. prefabbricato. Possono inoltre essere considerate miste le strutture realizzate con profili in acciaio semplici o composti, inglobati all’interno di involucri di calcestruzzo oppure ancorati ad altri elementi portanti attraverso idonei dispositivi di collegamento.
Nelle costruzioni in acciaio la struttura ha tipicamente una configurazione ad ossatura portante spaziale, come si osserva dalla Figura 3.1 in cui sono indicati i principali elementi costruttivi che completano l’opera. Tuttavia, per i sistemi intelaiati regolari in pianta ed in elevazione è conveniente, se possibile, individuare modelli di calcolo piani sui quali basare il dimensionamento strutturale. Di conseguenza la progettazione, nell’ipotesi generalmente soddisfatta di solai infinitamente rigidi nel loro piano, risulta spesso conservativa, oltre che semplificata.
Figura 3.1 – Composizione tipo di un edificio in acciaio (BERNUZZI)
Appare quindi di fondamentale importanza affrontare in modo corretto il dimensionamento dei sistemi intelaiati piani garantendo però sempre la piena rispondenza tra modello di calcolo e
43
struttura reale. I sistemi intelaiati in acciaio possono essere classificati con riferimento a diversi criteri, ognuno dei quali associato a precise finalità. Ponendo l’attenzione su quelli maggiormente utilizzati e considerati anche in ambito normativo internazionale, è possibile individuare come elementi discriminanti per la classificazione dei telai:
- la tipologia strutturale;
- la risposta nei confronti della stabilità trasversale; - il grado di continuità dei nodi trave-colonna.
Sulla base della tipologia strutturale, la presenza o di uno specifico sistema di controventamento in grado di trasferire alla base dell’edificio tutte le azioni orizzontali dovute al vento o al sisma, o associate alle imperfezioni strutturali, determina la distinzione tra telai controventati e non controventati (Figura 3.2). Il sistema di controvento può essere realizzato con elementi in cemento armato oppure mediante specifici sistemi in acciaio e rappresenta lo strumento in grado di ridurre almeno dell’80% gli spostamenti trasversali della struttura. In assenza di detto sistema, l’azione di contrasto alle forze laterali dovrà essere affidata agli elementi già presenti nello schema portante dell’opera, che devono essere dimensionati per il trasferimento in fondazione delle azioni orizzontali. “Nel caso in cui il telaio sia efficacemente controventato, la progettazione risulta semplificata in quanto è possibile operare il dimensionamento del sistema privo di controvento per tutti i soli carichi verticali e del controvento per tutte le azioni verticali e orizzontali che gravano su esso”30.
Figura 3.2 – Esempi di telai controventati
Per quanto concerne la stabilità trasversale, la distinzione tra telai a nodi fissi e telai a nodi spostabili è legata alla stabilità trasversale del sistema strutturale, ossia all’entità degli effetti del secondo ordine sulla risposta strutturale in termini di spostamenti trasversali. In particolare, la struttura viene considerata a nodi fissi se gli spostamenti trasversali sono tanto piccoli da potere risultare ininfluenti sui valori delle azioni interne, come nel caso in cui le colonne hanno grande inerzia flessionale o le forze trasversali sono molto ridotte. Viceversa, una struttura si considera a nodi mobili qualora gli spostamenti trasversali siano influenti sulle azioni interne, come nel caso di contestuale assenza di controventi e presenza di colonne molto snelle o azioni orizzontali molto grandi.
44
La continuità flessionale affidata ai giunti trave-colonna influisce chiaramente sul comportamento dell’intero sistema strutturale. In dettaglio, sulla base della risposta del giunto in termini di relazione tra il momento nel giunto e la rotazione relativa tra trave e colonna, si possono individuare diverse tipologie di telai: pendolari, a nodi rigidi e semi-continui. Nel caso di telaio pendolare, ogni giunto è schematizzabile come una cerniera e pertanto sono ammesse rotazioni relative tra trave e colonna senza trasmissione dell’azione flettente. La trasmissione delle sollecitazioni al livello delle fondazioni deve essere demandata al sistema di controvento. In un telaio a nodi rigidi, invece, ogni giunto non consente alcuna rotazione relativa tra la trave e la colonna, pertanto si ha la trasmissione dell’azione flettente tra questi due elementi. In questo caso si parla anche di giunti a completo ripristino di resistenza. In ultimo, a rappresentare una condizione intermedia tra i due casi appena descritti vi è il telaio semi-continuo, costituito da giunti semi-rigidi che consentono una rotazione relativa tra trave e colonna e al contempo trasmettono l’azione flettente.
Relativamente alla progettazione delle strutture in acciaio, i principali riferimenti normativi sono costituiti dal più volte citato Decreto 17/01/2018 (NTC), dalla norma CNR-UNI 10011/88 e dalla serie di eurocodici EN 1993, nella quale si ritrovano le specifiche sezioni di interesse anche per il caso studio analizzato nell’ambito del presente lavoro, come quelle relative alla progettazione dei collegamenti bullonati o alla progettazione strutturale nei confronti della resistenza al fuoco. In linea con quanto riportato nel §2.4, relativamente alle principali metodologie per l’analisi strutturale, le norme tecniche per le costruzioni richiedono il rispetto per le strutture in acciaio dei limiti di deformabilità per gli elementi strutturali che costituiscono gli impalcati (Tabella 3.1) e per gli spostamenti orizzontali (Tabella 3.2), in termini di spostamento trasversale totale Δ e di interpiano δ, adimensionalizzati rispetto alle altezze cui si riferiscono. I limiti imposti dalla norma devono essere controllati con riferimento allo stato limite di esercizio e, in caso di specifiche esigenze tecniche o funzionali, possono essere opportunamente ridotti.
Elementi strutturali
Limiti superiori per gli spostamenti verticali
δmax/l δ2/l
Coperture in generale 1/200 1/250
Coperture praticabili 1/250 1/300
Solai in generale 1/250 1/300
Solai o coperture che reggono intonaco o altro materiale di
finitura fragile o tramezzi non flessibili 1/250 1/350
Solai che supportano colonne 1/400 1/500
Nei casi in cui lo spostamento può compromettere l’aspetto
dell’edificio 1/250
-
45
Figura 3.3 – Definizione degli spostamenti verticali per gli stati limite di esercizio
Tipologia dell’edificio
Limiti superiori per gli spostamenti orizzontali
δ/h Δ/H
Edifici industriali monopiano senza carroponte 1/150 -
Altri edifici monopiano 1/300 -
Edifici multipiano 1/300 1/500
Tabella 3.2 - Limiti di deformabilità per costruzioni ordinarie soggette ad azioni orizzontali