4 Capitolo Definizione della Struttura Portante
Nel capitolo in oggetto si descrivono le strutture in acciaio progettate, con riferimento ai materiali utilizzati ed alle tecniche costruttive dei vari componenti edilizi che le compongono.
La struttura progettata è un capannone industriale in acciaio denominato "struttura principale"
all'interno del quale sono dislocate altre due strutture in acciaio, chiamate a loro volta "strutture secondarie". Il capannone tin oggetto è destinato ad essere sede di un impianto di imbottigliamento di acqua naturale, la cui sorgente è situata più a valle, in un lotto a pochi metri di distanza. Nelle strutture contenute all'interno del capannone si sono collocati i servizi annessi all'impianto creando degli ambienti separati dall' area produttiva al fine di realizzare una zona da essa indipendente e protetta dall'ambiente industriale, sia dal punto di vista termico che acustico.
Il lotto di terreno su cui è prevista la realizzazione dell'opera è situato nel comune di Casciana Terme in provincia di Pisa e si trova in zona collinare lungo la strada provinciale del Monte Vaso.
4.1 Descrizione della parte strutturale dell'edificio 4.1.1 Conformazione strutturale
Struttura principale (capannone in acciaio)
La struttura principale, ovvero il capannone in acciaio, è un corpo di fabbrica le cui dimensioni in pianta sono compatte e regolari e pari a 50 m in direzione longitudinale e 40 m nella direzione ad essa ortogonale. Le notevoli dimensioni sono dovute agli spazi richiesti dall'impianto di imbottigliamento e ai servizi ad esso connessi. L'edificio risulta regolare in altezza.
L'ossatura portante è costituita da dieci telai in acciaio (telai principali) ad interasse variabile per motivi legati alla distribuzione degli spazi interni; i primi due interassi misurano rispettivamente 630 e 476 cm, mentre i restanti telai sono distanziati gli uni dagli altri di 550 cm. I telai sono raccordati, nel piano ad essi ortogonale, dagli arcarecci di copertura e dalle travi secondarie. Tali elementi a loro volta sorreggono la copertura e ne distribuiscono i pesi alle sottostanti travature reticolari.
La struttura in esame è simmetrica, infatti il singolo telaio in acciaio è composto a sua volta da due telai simmetrici connessi, in corrispondenza dei correnti delle travature reticolari, tramite travi di collegamento. La luce coperta con una singola travatura è pari a 18,80 m. Si è reso necessario strutturare il capannone in questo modo (due metà simmetriche) perché il macchinario per l'imbottigliamento e la zona per lo stoccaggio del prodotto finito richiedevano lo stesso spazio di ingombro. Come soluzione strutturale per la trave a sostegno della copertura si è optato per una travatura reticolare piuttosto che una trave in parete piena perché quest'ultima, dato l'entità della luce, avrebbe dato luogo ad una freccia eccessiva ai fini delle verifiche di deformabilità.
Poiché la copertura ha una lieve inclinazione sull'orizzontale ( = 6°), l'altezza delle colonne in acciaio che sorreggono le travature è variabile; complessivamente l'altezza dell'edificio è di circa 10 m. Lungo la direzione longitudinale (piano z - y) le colonne sono vincolate al piede tramite cerniera, mentre lungo la direzione trasversale (piano z - x) tramite incastro. Si è reso necessario inserire
degli elementi verticali di controventatura, nel piano ortogonale al telaio principale, atti a stabilizzare la struttura nei confronti delle azioni orizzontali (vento e sisma). Date le notevoli dimensioni della struttura si sono introdotte anche delle crociere verticali, sia lungo i lati longitudinali esterni che interni del capannone, per migliorarne la risposta nei confronti delle azioni orizzontali.
Le colonne interne sorreggono per le prime cinque campate un corridoio centrale provvisto di un solaio di calpestio, realizzato in lamiera grecata collaborante, e di una copertura leggera in cartongesso. Entrambi gli orizzontamenti sono caratterizzati da una porzione in aggetto, sorretta da travi in acciaio incastrate alle colonne. L'aggetto è stato realizzato per ottenere una luce di passaggio compatibile con il flusso di visitatori previsto in entrambi i sensi di marcia. Si rammenta infatti che questo è uno spazio creato appositamente per la fruizione dell'impianto di imbottigliamento da parte dei visitatori esterni. Il corridoio è chiuso tramite pareti vetrate alloggiate all'interno di appositi infissi, connessi alla struttura portante del corridoio.
I dieci telai in acciaio (tramite gli arcarecci) sorreggono una copertura a manto erboso (verde intensivo), calpestabile. Per creare un substrato, in grado di assorbire e distribuire in modo adeguato i carichi provenienti dalla copertura (in particolare il sovraccarico di esercizio e il peso dei vari strati componenti il manto erboso), si è reso necessario disporre un solaio in lamiera grecata collaborante. Tale soluzione strutturale, per sua natura, da luogo ad un solaio infinitamente rigido nel suo piano, rendendo dunque inutile la presenza dei controventi di falda, poiché la copertura risulta stabilizzata nei confronti delle azioni orizzontali (neve e sisma) dal solaio stesso.
Ai fini strutturali si individuano i due seguenti telai: telaio trasversale e longitudinale:
Figura 4.1: telaio trasversale del capannone in acciaio (struttura principale)
Figura 4.2:telaio longitudinale del capannone in acciaio (struttura principale)
Strutture secondarie
Le strutture secondarie sono due distinte strutture in acciaio, poste all'interno della struttura principale, e separate da essa tramite opportuni giunti sismici. Entrambe le strutture constano di due piani fuori terra. Esse sono regolari e compatte in pianta e regolari anche in altezza. Il solaio del primo livello è un normale solaio di calpestio in lamiera grecata collaborante, mentre la copertura è un controsoffitto in cartongesso, con una propria orditura in profili in acciaio ancorati alle travi della struttura. Il controsoffitto è stato inserito per limitare l'altezza degli ambienti sia per motivi acustico - illuminotecnici che termici. Le strutture sono separate dalla zona dell'impianto, sul quale si affacciano, tramite divisori fonoisolanti sia opachi che vetrati.
Nel caso del solaio di calpestio si è reso necessario introdurre delle travi secondarie rompitratta, per diminuire la luce delle travi principali, in modo da renderla compatibile con quella richiesta dalla lamiera grecata scelta.
Le colonne a sostegno delle strutture secondarie sono a sezione variabile, ovvero sono ottenute dall'unione di due profili di sezione diversa, mediante interposizione di flangia nervata, alla quale sono saldati a completa penetrazione i due elementi. Questa scelta è stata fatta per tenere in conto che i carichi trasmessi dal controsoffitto in cartongesso sono molto minori rispetto a quelli trasmessi dalle travi a sostegno del solaio di calpestio.
Figura 4.3: telaio longitudinale della struttura secondaria
Figura 4.4:telaio trasversale della struttura secondaria
L'interpiano del piano terra (al netto delle rifiniture) è di 345 cm, mentre quello del secondo piano misura 315 cm, per una altezza totale di circa 650 cm dal livello di calpestio del piano terra.
In entrambi i casi l'ossatura portante è costituita da telai in acciaio orditi nelle due direzioni principali. Lungo la direzione trasversale (piano z - x) le travi a sostegno degli orizzontamenti sono incastrate alle colonne in acciaio e queste ultime sono incastrate al piede. Lungo la direzione longitudinale (piano z- y) le travi sono incernierate alle colonne in acciaio, cosi come queste ultime risultano incernierate al piede.
Dato lo schema statico assunto dalle strutture si è reso necessario introdurre elementi di controventatura nel piano z - y, ovvero quello ortogonale al piano principale, atti a stabilizzare le strutture nei confronti delle azioni orizzontali. La stessa necessità si verifica anche per la copertura, ovvero l'orditura di travi a sostegno del controsoffitto in cartongesso; dunque sono stati progettati anche dei controventi di falda. Diverso è il caso del solaio di calpestio, in quanto essendo stato realizzato con lamiera grecata collaborante diventa solaio infinitamente rigido nel suo piano e quindi le travi che lo sostengono sono stabilizzate, nei confronti delle azioni orizzontali, dal solaio stesso.
Ai fini strutturali si individuano i due telai sopra illustrati: telaio trasversale e longitudinale, a carattere generale si riportano solo i telai della struttura secondaria 1.
Di seguito analizziamo separatamente le due strutture per evidenziare gli aspetti che diversificano una dall'altra.
Struttura secondaria 1
Tale struttura al piano terra ospita gli spogliatoi, la mensa, i bagni per gli operai dell'impianto ed anche i magazzini per lo stoccaggio di materiali vari, coinvolti nel processo di imbottigliamento.
Attraverso una scala autoportante in acciaio e un ascensore, sostenuto da una propria struttura in acciaio, si accede al primo piano, ove sono dislocati gli uffici relativi all'impianto stesso e dunque non aperti al pubblico. Per creare una via di fuga in caso di incendio, si sono previsti duesbalzi distinti che collegano il primo piano con una scala antincendio esterna.
Le dimensioni in pianta del corpo di fabbrica sono modeste e sono 17,50 m lungo la direzione longitudinale e circa 11 m per quella trasversale. Lungo la direzione trasversale si sono previsti sei telai che si ripetono nello spazio con interasse variabile (il cui ordine di grandezza medio è di circa 3 m). I suddetti telai hanno tre campate anche esse di luce variabile (rispettivamente: 476 cm;217 cm 412 cm). Lungo la direzione longitudinale si sono disposti quattro telai principali il cui interasse è dettato dalle luci delle campate del telaio trasversale. I telai in esame hanno cinque campate le cui luci, variabili, coincidono con gli interassi dei telai trasversali sopra descritti.
Il solaio di calpestio è prolungato all'esterno della struttura tramite uno sbalzo (denominato S1), sorretto rispettivamente da travi a mensola, incastrate alle colonne in acciaio della struttura secondaria e, da travi secondarie ad esse incernierate. Lo sbalzo ha una luce pari a 2 m.
Diversamente lo sbalzo denominato S2 è ancorato alle colonne della struttura principale, mediante travi a mensola, ad esse incastrate, e travi secondarie a loro volta incernierate alle suddette. risulta sismicamente indipendente dal solaio di calpestio della struttura in esame. Anche in questo caso la luce dello sbalzo è di 2 m.
Struttura secondaria 2
Al piano terra sono dislocati rispettivamente il laboratorio di analisi per il controllo della qualità dell'acqua imbottigliata e due locali destinati a magazzino. Il primo piano è la continuazione del
"percorso visitatori", di cui fa parte anche il corridoio centrale della struttura principale, dal quale è stato separato mediante giunto sismico. In particolare il calpestio della struttura secondaria esaminata connette il percorso destinato ai visitatori con la struttura attigua al capannone , all'interno della quale sono contenuti i collegamenti verticali tra i vari edifici del complesso,oggetto della presente tesi. Dato che i due livelli ospitano funzioni destinate ad essere fruite da utenti di tipo diverso, non si rende necessario il loro collegamento verticale.
Le dimensioni in pianta del corpo di fabbrica sono minori rispetto a quelle della struttura secondaria 1; infatti la struttura in esame misura 16,10 m lungo la direzione longitudinale e 4,12 m lungo la trasversale. Lungo quest'ultima direzione si sono disposti cinque telai ad interasse variabile. I suddetti hanno un unica campata di luce appunto pari a 412 cm. Lungo la direzione trasversale sono presenti solamente due telai longitudinali a quattro campate di luce variabile (telai di bordo) e pari all'interasse di quelli trasversali. A causa della presenza del giunto sismico, si è reso necessario costruire una piccola porzione di solaio in aggetto dalle colonne della struttura secondaria, per rendere il solaio del corridoio e della struttura in esame due masse sismicamente indipendenti. La porzione in aggetto è stata realizzata con la stessa metodologia utilizzata per le situazioni analoghe.
Terreno e struttura di fondazione
In base alle indagini geologiche affrontate sul territorio di Casciana Terme, risulta che il terreno del sito in esame è ascrivibile alla categoria delle "Argille Azzurre", dunque è un terreno di natura argillosa. Le fondazioni sono dirette e sono del tipo a trave rovescia, con sezione a T, in entrambe le direzioni. La struttura di fondazione è unica per tutte le strutture in acciaio; per questo motivo, laddove si ha la presenza contemporanea delle colonne della struttura principale e secondaria, la sezione trasversale delle travi è di notevoli dimensioni. Ove le strutture in elevazione coincidono solo con le strutture secondarie (travi rovesce interne) le dimensioni della sezione trasversale si riducono. Ugualmente nella porzione centrale del capannone, dove le colonne sono disposte solo lungo i lati longitudinali, per diminuire il volume di calcestruzzo, le travi rovesce sono state sostitute da cordoli di opportune dimensioni. Per una descrizione maggiormente accurata delle strutture di fondazione si rimanda al capitolo 8 della presente tesi, ad esse interamente dedicato. Si anticipa in questa sede che, in base alle dimensioni della sezione trasversale, sono state individuate tre tipi di travi rovesce: tipo A (travi longitudinali), tipo B (trasversali), tipo C (trasversali e longitudinali a sostegno unicamente delle strutture secondarie) ed infine i relativi cordoli (tipo B e C ).
Il solaio contro terra (livello di calpestio del capannone e delle strutture secondarie) è un solaio realizzato mediante casseri modulari in plastica (igloo), posati a secco ed incastrati su piano di appoggio regolare, opportunamente predisposto e, con getto di completamento in calcestruzzo.
A fianco si riporta un esempio generico di solaio su casseri modulari.
Figura 4.5:illustrazione di un solaio contro terra a igloo
4.1.2 Materiali impiegati
Si riportano le principali caratteristiche dei materiai utilizzati per il progetto in esame.
Strutture in acciaio
Tutti i singoli profili utilizzati per la realizzazione delle strutture metalliche sono profili laminati a caldo in acciaio strutturale S275, conforme alle norme armonizzate alla serie UNI EN 1021. Nella seguente tabella sono riportati i valori nominali delle proprietà del materiale.
ACCIAIO S 275 VALORE DELLA GRANDEZZA
Modulo elastico E = 210000 N/mm Modulo di elasticità trasversale = 2 1 +⁄ N/mm Coefficiente di Poisson = 0,3
Coefficiente di espansione termica lineare = 12 10 C-1
Densità = 7850 kg/m3
Tensione caratteristica di snervamento !"= 275 N/mm2 Tensione caratteristica di rottura #"= 430 N/mm2
Tabella 4.1: proprietà dell'acciaio strutturale S275
Fondazioni in cemento armato
Unicamente le travi rovesce di fondazione sono realizzate in cemento armato normale per uso strutturale C 28/35, completamente gettato in opera e barre in acciaio per cemento armato B450C.
Anche per questo materiale riportiamo i valori nominali delle proprietà che lo individuano.
CALCESTRUZZO C28/35 VALORE DELLA GRANDEZZA
Resistenza caratteristica cubica %&" = 35 N/mm Resistenza caratteristica cilindrica &" = 28 N/mm Resistenza caratteristica a trazione &#" = 0,70 '0,30 f)*⁄+, Resistenza tangenziale caratteristica di
aderenza -" = 2,25 η &#"
Modulo elastico istantaneo &/= 32308 N/mm Tabella 4.2:proprietà del calcestruzzo C28/35 e dell'acciaio da c.a B450C
4.2 Tecniche costruttive e materiali impiegati per i componenti edilizi
Nel paragrafo corrente si descrivono i principali elementi costruttivi utilizzati nelle opere in acciaio, analizzando prima le partizioni orizzontali e infine quelle verticali. In questo caso il capannone e le strutture secondarie vengono descritti contemporaneamente perché in alcune casi gli elementi costruttivi sono i medesimi.
4.2.1 Elementi orizzontali
Copertura
La copertura del capannone è un solaio in lamiera grecata collaborante, atto a sostenere in particolare il sovraccarico di esercizio (copertura calpestabile) e il carico derivante dalla copertura a prato (verde intensivo). In base alla portanza nei confronti dei carichi verticali si è scelto un solaio con le seguenti caratteristiche:
• 2,12 m luce massima del solaio considerando uno schema statico di trave semplicemente appoggiata
• 0,80 mm spessore lamiera grecata;
• 12 cm spessore totale solaio al grezzo;
• 1,63 kN/m2 peso proprio del solaio al grezzo.
come si evidenzia nelle seguenti tabelle fornite dalla azienda produttrice:
Figura 4.6:caratteristiche solaio in lamiera grecata di copertura
Dato che il solaio fa da supporto al manto erboso si è scelto una lamiera arricchita da una speciale protezione nei confronti della corrosione prodotta da umidità costante. La protezione si ottiene grazie all'applicazione di un film protettivo resistente all'ossidazione, su entrambi i lati delle lastre grecate.
Riguardo alla finitura a prato, si ricorda che è del tipo"intensivo leggero a prato". Il sistema scelto permette di creare un manto erboso, caratterizzato anche dalla presenza di piccoli arbusti, elementi di arredo e pavimentazioni, per una completa fruibilità della copertura. Il tutto attraverso una stratigrafia di spessore e peso limitati. Di seguito le principali caratteristiche della stratigrafia:
Figura 4.7:particolare del solaio di copertura del capannone
• 1) solaio in lamiera grecata collaborante + massetto
• 2) isolante;
• 3) membrana antiradice;
• 4) strati di drenaggio orizzontale e verticale;
• 5)accumulo idrico con drenaggio e areazione integrato;
• 6) telo filtrante ;
• 7) substrato colturale
• 1,8 kN/m2 peso complessivo a saturazione:
• 20 cm spessore medio stratigrafia.
Come si vede dal particolare tecnico sopra riportato, il solaio è adagiato sugli arcarecci. Il sistema di copertura verde scelto si adatta anche alle pendenze, grazie alla presenza di cuciture e asole, sugli strati di drenaggio che permettono la loro connessione creando una catena continua e solidale che evita lo scivolamento verso il basso.
Controsoffitto in cartongesso del corridoio centrale e delle strutture secondarie Il controsoffitto in cartongesso, utilizzato come copertura del corridoio centrale e delle strutture secondarie è dotato di una propria orditura metallica (singola), attraverso la quale è ancorato alle travi appositamente predisposte per fungervi da sostegno. Il controsoffitto in aderenza è dotato di isolamento in lana minerale, per aumentarne il potere fonoisolante e di protezione al fuoco .
Figura 4.8:illustrazione del controsoffitto in cartongesso ad orditura metallica singola
Solaio di calpestio del corridoio centrale e delle strutture secondarie
Il solaio di calpestio del corridoio centrale e delle strutture secondarie è in lamiera grecata collaborante. In base alla portanza nei confronti dei carichi verticali, valutata sula base del solaio più sollecitato sia dal punto di vista dei carichi gravanti che delle luci coperte, si è scelto un solaio con le seguenti caratteristiche:
Figura 4.9: particolare del solaio di calpestio
• 3,43 m luce massima del solaio considerando uno schema statico di trave semplicemente appoggiata
• 1,20 mm spessore lamiera grecata;
• 12 cm spessore totale solaio al grezzo;
• 2,40 kN/m2 peso proprio del solaio al grezzo.
Il solaio più sollecitato corrisponde a quello della "struttura secondaria 2" che funge da calpestio per il "percorso visitatori".
Gli strati di finitura sono i seguenti:
• 1) solaio in lamiera grecata collaborante;
• 2) massetto,
• 3) isolante;
• 4) malta per posa della pavimentazione;
• 5) pavimentazione.
L'intero solaio assume uno spessore totale di 22 cm.
Si mostrano le tabelle fornite dalla azienda produttrice che riassumono le caratteristiche principlai del solaio analizzato:
Figura 4.10: caratteristiche solaio in lamiera grecata di calpestio
Si precisa che il solaio di calpestio di entrambi gli sbalzi della struttura secondaria 1 è realizzato con le modalità e i materiali appena descritti.
4.2.2 Elementi verticali
La struttura principale essendo un capannone industriale, non è dotata di tamponamenti interni (a parte l'elemento di chiusura del corridoio centrale )ma solo esterni.
Tamponamento esterno
Si è previsto un tamponamento esterno a" doppia pelle ", ovvero il primo strato del tamponamento è una parete strutturale in vetro, a montanti e traversi (baraccatura) alla quale sono connesse le lastre in vetro mediante gli infissi a taglio termico. Il secondo strato è un rivestimento esterno in acciaio Corten anch'esso sorretto da una struttura metallica.
Il vetro utilizzato è a controllo solare per evitare l'effetto serra all'interno degli ambienti.
Unitamente alla selettività nei confronti dell'irraggiamento, garantisce anche elevate prestazioni termiche e di isolamento acustico, per evitare di trasmettere verso l'esterno i rumori provenienti dall'impianto di imbottigliamento. E' previsto l'inserimento di parti mobili per la collocazione di aperture.
Queste caratteristiche sono ottenute attraverso la seguente stratigrafia:
• vetro monolitico temprato di 8 mm (60/28) con deposito su faccia per permettere controllo solare;
• intercapedine di 15 mm riempito con aria disidratata;
• vetro stratificato interno ad alto potere fonoisolante di 8,5 mm;
Il vetro utilizzato è antisfondamento per ottenere una maggiore sicurezza per l'impianto di imbottigliamento. Il peso complessivo della stratigrafia è di 0,80 kN/m2 .
Sotto si mostra un esempio del tamponamento "doppia pelle " appena descritto.
Figura 4.11:parete strutturale in vetro
Figura 4.12:esempio di un tamponamento
"doppia pelle" composto da acciaio Corten e vetro
Parete vetrata del corridoio centrale e delle strutture secondarie
A causa dei forti rumori provocati dall'impianto di imbottigliamento il compito affidato ai divisori interni (sia vetrati che opachi) è anche quello di isolare acusticamente gli ambienti. Riguardo ai
tamponamenti trasparenti si è scelto di perseguire questo obiettivo attraverso la seguente stratigrafia:
• vetro acusticamente isolato
• intercapedine di 24 mm riempita con gas Argon
• vetro acusticamente isolato
Il peso totale, considerando anche l'infisso a taglio termico è di 0,64 kN/m2 , per un totale di 46 mm .
Il singolo vetro utilizzato all'interno della stratigrafia è un vetro stratificato con un PVB acustico che agendo come ammortizzatore tra le lastre in vetro ne impedisce la vibrazione e dunque riduce la trasmissione del rumore. Di fianco si mostra
un esempio relativo alla tipologia di vetro utilizzato. Figura 4.13:illustrazione della tipologia di vetro utilizzato
La tecnologia di realizzazione è la stessa utilizzata per il tamponamento esterno del capannone,ed anche in questo caso è previsto l'inserimento di parti mobili per la realizzazione di aperture.
Dato che i tamponamenti in vetro sono utilizzati come chiusure verticali per ambienti posti in quota, come il corridoio centrale e il secondo piano delle strutture secondarie, i vetri hanno una resistenza tale da essere anticaduta, e quindi sicuri per i fruitori degli ambienti della struttura.
Divisori interni opachi delle strutture secondarie
I tamponamenti interni opachi sono realizzati in cartongesso e sono stati utilizzati per gli ambienti delle strutture secondarie, sia come divisori tra gli spazi ad uso del personale addetto e la zona di produzione, sia come elemento di separazione all'interno degli uffici.
Per garantire un maggior benessere agli occupanti degli ambienti si sono utilizzati, tamponamenti con alto potere fonoisolante e con isolamento termico, sia al fine preservare i locali dalla contaminazione acustica nociva proveniente dall'impianto, sia per rendere gli uffici un luogo di lavoro confortevole. In ultima battuta anche per ottenere un microclima gradevole per chi usufruisce di tali ambienti; necessità richiesta in particolare per la zona della mensa, degli spogliatoi e degli uffici.
Il tamponamento in cartongesso utilizzato ha le seguenti caratteristiche:
• lastra in gesso rivestito con potere fonoisolante
• isolante in lana di roccia
• lastra in gesso rivestito con potere fonoisolante
Il tamponamento ha una singola orditura metallica alla quale sono ancorate le due lastre in gesso rivestito e l'isolante in lana di roccia., per uno spessore complessivo di 150 mm e un peso di 0,46 kN/m2 .
Figura4.14:tamponamento Il potere insonorizzante è garantito da un particolare nucleo di gesso modificato che rende il pannello particolarmente adatto all'assorbimento delle basse frequenze e dunque indicato per gli ambienti industriali.
