PRE.1 STRUTTURE PREFABBRICATE CARATTERISTICHE TIPOLOGICHE E TECNOLOGICHE

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COMPLEMENTI DI TECNICA DELLE COSTRUZIONI

ING. STEFANO DE SANTIS ANNO ACCADEMICO 2020-2021

PRE.1

STRUTTURE PREFABBRICATE

CARATTERISTICHE TIPOLOGICHE E TECNOLOGICHE

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STRUTTURE PREFABBRICATE

Strutture realizzate mediante l’associazione e/o il

completamento in opera di più elementi prefabbricati, costruiti in un luogo diverso rispetto alla collocazione definitiva, attraverso processi sottoposti a controllo di produzione.

❑ La prefabbricazione strutturale si evolve e diffonde in Italia negli anni ‘50 e ‘60, con la richiesta di abitazioni e siti

produttivi, e la carenza di acciaio

❑ La prefabbricazione e la tecnologia della precompressione si sono evolute di pari passo

❑ I primi elementi strutturali ad essere realizzati con elementi prefabbricati sono state le coperture, seguite poi anche dagli elementi verticali e di interpiano (travi e solai)

❑ La prefabbricazione rappresenta ancora oggi un settore di grande ricerca e innovazione teorica e tecnica, finalizzate alla ottimizzazione dei materiali, delle forme, dei processi produttivi e delle attività realizzative.

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Strutture realizzate mediante l’associazione e/o il

completamento in opera di più elementi prefabbricati, costruiti in un luogo diverso rispetto alla collocazione definitiva, attraverso processi sottoposti a controllo di produzione.

❑ Elementi prefabbricati a produzione occasionale: realizzati a pié d’opera o in impianti temporanei allestiti per uno

specifico cantiere. Pezzi unici che rispondono ad esigenze particolari e specifiche, sostanzialmente uniche nel loro genere.

❑ Elementi prefabbricati a produzione di serie dichiarata:

realizzati in stabilimento e appartenenti ad una tipologia ricorrente ma progettati di volta in volta su commessa con caratteristiche geometriche (dimensioni) e dettagli

(armature) non standard, rispondenti ad esigenze specifiche.

❑ Elementi prefabbricati a produzione di serie controllata:

realizzati in stabilimento e appartenenti ad una tipologia compiutamente determinata, con caratteristiche

(dimensioni, armature) predefinite in base ai progetti originari.

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Lezione 1: Caratteristiche tipologiche e tecnologiche

❑ Aspetti tecnologici e di impiego

❑ Vantaggi e limiti della prefabbricazione

❑ Strutture con elementi monodimensionali, a pareti portanti, con moduli monolitici

❑ Solai e coperture

❑ Sistemi di connessione

❑ Destinazioni d’uso e soluzioni progettuali

Lezione 2: Progetto, verifica e adeguamento

❑ Analisi strutturali e verifiche di sicurezza, coefficienti parziali

❑ Predimensionamento e curve di utilizzo

❑ Verifiche per fasi

❑ Schemi strutturali

❑ Comportamento sismico: vulnerabilità, principi di progettazione, adeguamento 1

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Testi e normative di riferimento

❑ Di Niro G. Edifici prefabbricati. Guida pratica alla scelta, alla progettazione ed al calcolo di edifici realizzati con strutture prefabbricate in c.a.p. e c.a.v. Maggioli, 2014.

❑ CNR 10025/98. Istruzioni per il progetto, l'esecuzione ed il controllo delle strutture prefabbricate in calcestruzzo.

❑ RELUIS-DPC 2005-2008. Strutture prefabbricate: catalogo delle tipologie esistenti. 2008.

Altri testi e normative di approfondimento

❑ Marini G. Strutture prefabbricate in cemento armato. Maggioli, 2019.

❑ Mordà N. Strutture prefabbricate. Comportamento e adeguamento sismico.

Maggioli, 2014*.

❑ RELUIS-DPC 2005-2008. Schedario collegamenti in strutture prefabbricate. 2007.

❑ RELUIS-DPC 2010-2013. Linee di indirizzo per interventi locali e globali su edifici industriali monopiano non progettati con criteri antisismici 2012.

* Non più in commercio

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❑ Solai in latero-cemento con travetti in c.a. o c.a.p. prefabbricati

❑ Impalcati/solai misti acciaio-cls con predalles in c.a. (con funzione di cassero a perdere)

❑ Traversina ferroviaria in c.a.p.

❑ Barriera di sicurezza stradale (New Jersey)

❑ Cabine elettriche monoblocco

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❑ Tempi di realizzazione più brevi, con minori interferenze con il traffico o l’operatività di altre strutture o infrastrutture in prossimità del cantiere (es: sovrappassi stradali e ferroviari)

❑ Realizzazione e maturazione di elementi strutturali in condizioni controllate, che garantiscono resistenza e durabilità superiori, e con incertezze minori rispetto ai getti in opera.

❑ Perfezionamento di processi produttivi del cls: molti stabilimenti producono regolarmente la classe C60/75, cls ad alte prestazioni fino alla classe C85/100, e cls speciali

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❑ Processi produttivi interamente controllati e certificati in qualità.

❑ Possibilità di realizzare strutture in c.a.p. a fili pre-tesi, con luci medio-grandi

❑ Possibilità di standardizzare i processi produttivi per produzioni di massa su larga scala (ha accompagnato il boom di edilizia economica popolare negli anni ‘60)

❑ Possibilità di eseguire una progettazione ed una realizzazione mirata, in funzione della destinazione d’uso dell’edificio e delle esigenze della committenza

❑ Riduzione degli scarti di materiale e smaltimento semplificato a fine vita

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❑ Strutture con intrinseca resistenza al fuoco (normalmente R180)

❑ Razionalizzazione dei processi esecutivi, con risparmio di tempi, costi e attrezzature:

o Costo dei casseri: −75%

o Costo dei ponteggi: −75÷90%

o Costo dei getti in opera: −90%

❑ Maggiore sicurezza sul lavoro grazie alla riduzione e semplificazione delle operazioni da svolgere in cantiere

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❑ Peso elevato: non adatte a luci grandi, sismicità elevata, terreni con poca capacità portante.

❑ Tipicamente assemblate a costituire schemi statici semplici e isostatici, con poche capacità dissipative e poche (o nulle) riserve di resistenza: non adatte a zone ad elevata sismicità

❑ Soggette ad importanti spostamenti in testa ai pilastri: potenziale problematica per la funzionalità e gli impianti

❑ Soggette ad effetti torsionali indotti dal sisma in presenza di nuclei scala/ascensori eccentrici

❑ Sensibili alle delicate operazioni di assemblaggio in cantiere

❑ Limitate dalla possibilità di trasporto e movimentazione

❑ Da concepire considerando varie fasi, inclusi movimentazione, stoccaggio, trasporto

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❑ Strutture ad elementi monodimensionali

❑ Strutture a pannelli portanti

❑ Elementi di copertura

❑ Sistemi di connessione

❑ Moduli monolitici

RELUIS08

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❑ Strutture in cui la funzione portante è affidata a pilastri e travi prefabbricati.

❑ Tipicamente, i pilastri del primo livello sono connessi alla fondazione con continuità e quelli dei livelli superiori sono collegati ai pilastri sottostanti attraverso connessioni pilastro-pilastro,

anch’esse in grado di ripristinare la continuità (incastro interno)

❑ I pilastri sono dotati di mensole tozze (generalmente realizzate in stabilimento con lo stesso getto del pilastro, più raramente gettate in opera, con armatura di collegamento già presente.

❑ Le travi sono appoggiate alle mensole attraverso dispositivi di connessione che trasferiscono le azioni orizzontali (in una sola o entrambe le direzioni) ma non i momenti flettenti (vincolo di cerniera interna).

STRUTTURE PREFABBRICATE – CARATTERISTICHE TIPOLOGICHE E TECNOLOGICHE

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Pilastri

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Travi

❑ Spesso realizzate in cemento armato

precompresso (c.a.p.) oppure, nel caso di luci modeste, in cemento armato vibrato (c.a.v.).

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Strutture intelaiate

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❑ Le principali limitazioni nella realizzazione di telai di pilastri e travi prefabbricati sono legate allo schema statico e sono:

o Momenti flettenti molto elevati alla base dei pilastri, che richiederebbero sezioni molto grandi ed elementi difficili (o impossibili) da movimentare.

o Spostamenti in testa elevati, con compromissione della fruibilità degli ambienti ed il

funzionamento degli impianti (con limitazioni variabili in funzione della destinazione d’uso) o Instabilità dei pilastri.

❑ Le possibili soluzioni consistono in

o Post-tensione dei solai, che ripristina la continuità impalcato-pilastro, riducendo i momenti alla base e gli spostamenti in testa.

o Controventamento del telaio per aumentarne la rigidezza laterale, utile anche per migliorare il comportamento rispetto alle azioni orizzontali (es: sisma).

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Post-tensione degli impalcati

Controventamento del telaio

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Pannelli di tamponamento

❑ Elementi tradizionalmente considerati come strettamente non portanti

❑ Progettati, insieme alle loro connessioni con gli elementi portanti (travi e pilastri) per portare solo il proprio peso, in direzione verticale

❑ In presenza di azioni orizzontali (sisma) possono prodursi sollecitazioni sugli elementi strutturali non previsti in fase di progetto e/o possono manifestarsi crisi negli elementi di connessione

Mordà N. Strutture prefabbricate. Comportamento e adeguamento sismico. Maggioli, 2014

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❑ Strutture con elementi portanti verticali costituiti da pannelli prefabbricati di grande formato, generalmente di altezza pari all’interpiano.

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Stabilimento Barilla (Parma)

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❑ Generalmente i pannelli sono elementi pieni di c.a., con le superfici esterne lisce che non richiedono livellamenti a altre lavorazioni in cantiere.

o Pannelli portanti: spessore 12÷14cm, con almeno 4cm di appoggio per i solai o Pannelli non portanti: spessore

7÷10cm, senza appoggio di estremità per i solai

❑ Possono essere impiegati pannelli multi- strato che incorporano uno strato portante in c.a., uno strato di materiale isolante, ed un ricoprimento (più sottile), sempre in c.a.

❑ In alternativa, i pannelli di tamponamento possono includere le finiture superficiali

esterne, strati di isolamento acustico, strati di resistenza al fuoco, in funzione della

destinazione d’uso.

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❑ Si può ricorrere a pannelli sottili prefabbricati (tipo predalle) da

impiegare come casseri a perdere per il getto di pareti-setto in c.a.

❑ La struttura deve essere concepita per avere un adeguato

comportamento di insieme nello spazio, tale cioè da assicurare la collaborazione delle pareti nelle due direzioni della pianta, sia nei confronti delle azioni verticali che di quelle

orizzontali (es: sisma).

❑ A questo scopo possono essere previsti incatenamenti

perimetrali/interni orizzontali/verticali.

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Organizzazione strutturale e disposizione in pianta dei pannelli

Sistema longitudinale

❑ Pannelli portanti paralleli al lato lungo

❑ Pannelli di facciata limitati nelle aperture

❑ Servono elementi di

controventamento trasversali

Sistema trasversale

❑ Pannelli portanti paralleli al lato corto

❑ I pannelli di facciata (paralleli al lato lungo) hanno una sufficiente

rigidezza nel piano per ripartizione le azioni orizzontali

❑ E’ il sistema più impiegato

Sistema incrociato

❑ Sono portanti sia i pannelli paralleli che quelli ortogonali al lato lungo

❑ Elevata rigidezza di insieme

❑ Scarsa flessibilità nella

distribuzione planimetrica degli ambienti

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❑ Travi doppia pendenza

❑ Copertura piana con trave ad I o ad R

❑ Copertura con doppia orditura di travi

❑ Copertura tegolo/trave

❑ Copertura a Shed

❑ Coperture reticolari

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❑ Gamma di soluzioni semplici dal punto di vista statico e realizzativo per luci non troppo grandi

❑ Soluzione ottimizzata per geometria sia in profilo (secondo il principio della trave di uniforme resistenza) che in sezione (forma ad I, tranne che in appoggio).

❑ Gli elementi di copertura secondari vengono appoggiati sulle travi (in genere sull’estradosso, o su appositi alloggiamenti laterali), con o senza aperture a Shed

Travi a doppia pendenza

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Travi a doppia pendenza: elementi di copertura secondari

Arcarecci in c.a. o in c.a.p. con sezione a I o a T

Pannelli binervati in c.a. o in c.a.p., con soletta all’intradosso o

all’estradosso

Pannelli alveolari o in laterocemento Voltine

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Travi a doppia pendenza realizzate a conci

❑ Soluzione concettualmente analoga a quella delle travi a doppia pendenza singole.

❑ Caratterizzata da due o tre conci prefabbricati, che costituiscono uno schema simmetrico dopo essere stati solidarizzati a piè d’opera o in opera tramite postensione di cavi

❑ Impiegata per le grandi luci (30÷40m) che superano il limite di trasportabilità stradale delle travi.

❑ Utilizzata in genere per edifici industriali monopiano

❑ Le possibilità per gli elementi di copertura secondari solo le stesse delle travi a doppia pendenza singole.

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Copertura piana con trave ad I o ad R (a T rovescia)

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Copertura piana con trave ad I o ad R (a T rovescia)

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Copertura piana con trave ad I o ad R: elementi di copertura secondari

Con pannelli alveolari Con pannelli nervati

Con elementi shed Con travi a Y

Con voltine

(tegoli alari distanziati, con elementi di completamento translucidi)

Con voltine (tegoli alari accostati per coperture cieche)

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Copertura con doppia orditura di travi

Generalmente utilizzate per grandi maglie strutturali. Sono costituite da:

❑ Sistema di travi principali: travi a bordi paralleli, con luci da 15÷25m

❑ Sistema di travi secondarie: travi a bordi paralleli o travi ad altezza variabile con luci da 6÷12m, poggiate alle travi principali all’estradosso o in appositi alloggiamenti

❑ Elementi di completamento (pannelli piani o coppelle)

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Copertura tegolo/trave

Copertura a tegoli e solaio nervato

❑ Sistema privo di travi: i tegoli sono poggiati direttamente sulla sommità dei pilastri.

❑ Generalmente i tegoli di copertura hanno profili speciali (ad esempio a T, V) per aumentare l’inerzia e massimizzare la superficie coperta.

❑ I tegoli possono essere affiancati per creare coperture cieche oppure distanziati con interposti elementi traslucidi che lasciano lassare la luce

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Copertura tegolo/trave

❑ I tegoli e, più in generale, gli elementi nervati, sono tipici delle strutture prefabbricate.

❑ Sono formati da una soletta (superiore o inferiore) e da una o più nervature in cui sono concentrate le armature di precompressione.

❑ Possono essere semplicemente appoggiati e affiancati, oppure solidarizzati con un getti di completamento in opera.

❑ I tegoli TT sono una delle tipologie più diffuse

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Copertura tegolo/trave: tegoli TT

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Copertura a Shed

Con travi a ginocchio e tegoli nervati Orditura a shed con travi inclinate

❑ Soluzione impiegata per portare luce in spazi di grandi dimensioni, in edifici monopiano in cui la superficie di copertura è molto grande rispetto alle superfici laterali e ben si presta a lasciar passare grandi quantità di luce naturale.

❑ Le superfici trasparenti sono generalmente orientate verso nord per consentire l’ingresso di illuminazione diffusa senza bisogno di protezioni particolari.

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Coperture reticolari

Piana Con falde in pendenza

Con profilo a shed Capriate

A doppia pendenza

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❑ Le unioni o connessioni sono i dispositivi che consentono di realizzare globalmente la struttura e localmente i sistemi di vincolo tra gli elementi prefabbricati.

❑ Sono costituite da tre parti:

o Due parti laterali (A e C), che corrispondono alle regioni delle membrature adiacenti al dispositivo i connessione in senso stretto

o Una parte centrale (B), il connettore vero e proprio: tipicamente una o più barre

filettate in acciaio, che assicurano la trasmissione delle forze orizzontali, e da appoggi in gomma (neoprene)

❑ Possono essere:

o A secco: con dispositivi meccanici, senza getti di sigillatura in opera o Umide: con getti di sigillatura che solidarizzano le parti adiacenti (A e C)

Mordà N. Strutture prefabbricate.

Comportamento e adeguamento

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❑ Le unioni sono classificate secondo il seguente schema logico:

o Ordine 1: unioni reciproche tra elementi di solaio o Ordine 2: unioni tra elementi di solaio e travi o Ordine 3; unioni tra travi e pilastri

(a cui vanno aggiunte le unioni tra segmenti di pilastro, e quelle tra segmenti di travi)

o Ordine 4: unioni tra segmenti di pilastro e fondazioni o Ordine 5: unioni tra pannelli di parete e struttura o Ordine 6: unioni tra pannello e pannello

o Ordine 7: unioni tra pannello e fondazione

Unioni tra elementi strutturali in senso stretto, ordinate secondo il percorso dei carichi

Unioni tra pannelli

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❑ Le unioni esibiscono un comportamento meccanico non lineare, con una prima fase elastica seguita da una fase anelastica, schematizzabile con un legame

costitutivo elasto-plastico.

❑ Le principali proprietà meccaniche sono:

o Resistenza: massimo valore delle forze che possono essere trasmesse tra le parti adiacenti o Duttilità: rapporto tra la massima deformazione

plastica e quella al limite dello snervamento o Dissipazione: energia dissipata in un ciclo di

carico

o Deformazione: valore di deformazione al limite di collasso, con perdita di funzionalità

o Decadimento: riduzione progressiva della

capacità portante con il numero di cicli di carico o Danneggiamento: deformazione residua allo

scarico rispetto al valore della deformazione massima

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❑ Realizzati mediante assemblaggio di elementi scatolari, talvolta combinati con pannelli

orizzontali interposti fra le pile di scatole sovrapposte, e altre volte scomposti in più parti per essere trasportabili e successivamente assemblati in opera.

❑ Gli elementi prefabbricati tridimensionali hanno, in genere, dimensioni contenute in una sagoma dell’ordine di 3.20 x 6.50 x 2.80 metri, peso dell’ordine di 15 ÷ 20 tonnellate.

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❑ Utilizzata in passato essenzialmente per la realizzazione di edifici residenziali (si diffonde a partire dagli anni ‘50 nel nord ed est d’Europa, negli Stati Uniti ed in Giappone)

❑ Comporta una maggiore difficoltà di realizzo dei blocchi e un onere notevole di trasporto

❑ Offre una notevole velocità di montaggio e la possibilità di un grado di finitura dei locali quasi completo in sede di prefabbricazione

❑ E’ possibile anche inglobare gli impianti

❑ Non necessita di getti in opera né finiture e intonaci

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❑ Capannoni industriali-artigianali-commerciali

❑ Edifici multipiano

❑ Parcheggi multipiano (interrati e non)

❑ Centri commerciali ed ipermercati

❑ Poli logistici

❑ Edifici polifunzionali

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❑ La maglia strutturale e gli stessi elementi prefabbricati devono tenere conto delle specifiche attività: con celle frigorifere (depressione all’interno del capannone all’apertura), falegnamerie (resistenza al fuoco), lavorazione sostanze aggressive per il c.a., insilaggio (spinte del

materiale insilato), attrezzature speciali (ingombri, altezze, carichi), accesso di mezzi, installazione di carriponte.

❑ Devono essere previsti giunti tecnici (con raddoppio di pilastri) fra la zona destinata alle lavorazioni e quelle destinata a uffici.

❑ Deve essere prevista già in progetto la rete di impianti appesi alla copertura (0.5÷0.6kN/m²).

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❑ La prefabbricazione è entrata nella costruzione di edifici multipiano a destinazione terziaria con i solai alveolari estrusi, che permettono grandi carichi con ingombri ridotti, alte rigidezze nel piano, resistenza al fuoco (R180).

❑ Deve essere posta attenzione all’altezza delle travi reggisolaio ricalate (a T rovescia), che potrebbe interferire con le aperture.

❑ La post-tensione applicata agli impalcati intermedi permette di ripristinare la continuità trave-pilastro, con riduzione delle sezioni alla base e degli

spostamenti in testa (da cui dipende la funzionalità degli spazi e il funzionamento degli impianti).

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❑ La maglia strutturale deve essere studiata a partire dalla dimensione del posto auto (2.5mx5m) e delle corsia di manovra (5m): 5mx10m, 10mx15m, 15mx15m, 16mx16m.

❑ Deve essere garantita la resistenza al fuoco e l’installazione di impianti antincendio (e non solo) appesi all’intradosso dei solai.

❑ Deve essere minimizzato l’ingombro dei solai (in spessore) e dei pilastri (in pianta) usando solai alveolari e post-tensione.

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❑ Richiedono spesso luci grandi in alcuni ambienti

❑ Possono presentare maglie non regolari (ambienti con luci diverse)

❑ Richiedono soluzioni esteticamente gradevoli e luce naturale dalla copertura

❑ Gli impianti appesi ai solai possono essere a vista

❑ Deve essere progettato il collegamento tra gli elementi della struttura e i pannelli di tamponamento, le finiture, le vetrate

❑ Presentano spesso pensiline e grandi aggetti in facciata

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❑ Devono essere progettate le zone con baie di carico: pensiline, passo tra i pilastri, pannelli di apertura/chiusura

❑ In caso di celle frigorifere deve essere considerata in progetto la depressione prodotta dalla loro apertura. I pannelli di tamponamento devono inoltre garantire la coibentazione.

❑ Deve essere garantita la resistenza al fuoco.

❑ Maglia strutturale e altezze da progettare in funzione delle scaffalature per lo stoccaggio ed i muletti per la movimentazione.

❑ In caso di solai intermedi, deve essere determinato il carico accidentale (materiale stoccato) per il corretto dimensionamento.

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❑ Presentano spesso grandi luci

❑ Richiedono soluzioni esteticamente gradevoli

❑ E’ necessario l’ingresso di luce naturale

❑ Possono richiedere impianti o carichi particolari (es: piscine, cinema)

❑ Possono richiedere isolamento acustico (es: cinema, sale concerti o da ballo)

❑ Possono richiedere elementi con geometria particolare (es: gradinate e spalti, anfiteatri)

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Ing. Stefano De Santis

stefano.desantis@uniroma3.it