CENNI ALLE STRUTTURE IN ACCIAIO

1. INTRODUZIONE PAS2001 intende essere uno strumento utile per la fase di dimensionamento di massima (o proporzionamento) di componenti per sistemi strutturali in acciaio ad uso civile ed industriale. PAS2001 è una riunione di applicazioni destinate a semplificare l’uso di elementi in acciaio, composta da tre moduli, aventi per oggetto altrettanti differenti problemi tipici e comuni dell’analisi di strutture in acciaio.

q il primo modulo, Sagomario, è un profilario elettronico capace di elencare le principali caratteristiche geometriche di un’ampia gamma di profili, sia laminati a caldo sia formati a freddo. Fanno parte dell’insieme i profili IPE, HEA, HEB, HEM, i tubi tondi e quadri, gli angolari a lati eguali e diseguali, gli UPN, gli angolari accoppiati e gli UPN accoppiati. Oltre ai laminati è altresì parte di questo modulo un’ampia gamma di documenti con dati relativi ai profili formati a freddo e lamiere, unitamente alle relative tabelle di portata;

q il secondo modulo, Protravi, ha per obiettivo la scelta dei profili più adatti al dimensionamento di un certo numero di elementi strutturali tipici (travi appoggiate, incastrate, continue, mensole soggette a carichi distribuiti o concentrati, elementi caricati di punta). Dato uno schema ed un certo numero di criteri di progetto, basati sulla resistenza e la deformabilità , il programma sceglie quali sono i profili che soddisfano i requisiti richiesti. Ad una particolare scelta il programma fa poi corrispondere una sintetica relazione di calcolo che riepiloga i dati salienti del dimensionamento.

q il terzo modulo, Proreti, è dedicato alla verifica di travi reticolari a correnti paralleli. Il programma aiuta a scegliere le dimensioni più adatte della trave, data la sua luce, ed inoltre prepara automaticamente un modello piano completo di carichi, cerniere interne e vincoli a terra, consentendo all’utente di scegliere le sezioni usando un archivio ideato appositamente. Ciò fatto, il programma esegue il calcolo delle azioni interne e della deformata, le verifiche secondo le istruzioni CNR e presenta una relazione di calcolo riepilogativa (tabulato). Il programma consente la stampa e la sua anteprima con lo schema strutturale, le numerazioni dei nodi e delle aste, le reazioni vincolari ed i coefficienti di sfruttamento.

Al fine di meglio comprendere, da un punto di vista prettamente tecnico, il campo di utilizzo degli applicativi contenuti in PAS2001 vengono di seguito richiamati alcuni concetti essenziali legati alla teoria e al progetto delle costruzioni in acciaio, rimandando comunque ad una bibliografia più specifica approfondimenti o argomenti non trattati.

2. I SISTEMI STRUTTURALI IN ACCIAIO Lo scopo principale di una costruzione può essere quello di racchiudere e delimitare uno spazio (edificio) o di collegare due zone (ponte) o di resistere all’azione di forze naturali (dighe, muri di sostegno). In ogni costruzione è sempre possibile individuare la struttura, ossia quella parte che costituisce il 'veicolo' della trasmissione delle forze che derivano dal suo uso e/o dalla sua presenza sul suolo. Negli edifici del passato, la struttura risultava pressoché coincidente con la costruzione, così come accade ancora oggi per i ponti e i

viadotti. Negli edifici moderni invece, la struttura risulta molte volte ben distinta, dalle componenti accessorie (dette anche elementi non strutturali o elementi portati).

I sistemi intelaiati in acciaio possono essere classificati con riferimento a diversi criteri, ognuno dei quali associato a diverse finalità . Ponendo l’attenzione su quelli maggiormente utilizzati e trattati anche in ambito normativo internazionale, è possibile individuare come elementi “discriminanti” per la classificazione dei telai:

q la tipologia strutturale: si distinguono telai controventati e non controventati in base alla presenza o meno di uno specifico sistema strutturale in grado di trasferire in fondazione le azioni orizzontali dovute al vento o al sisma, oppure associati alle imperfezioni strutturali. Il sistema di controvento può essere realizzato con elementi in conglomerato cementizio armato, quali nuclei scatolari

o pareti a taglio

oppure mediante specifiche strutture in acciaio.

In assenza di uno specifico sistema di controvento, il telaio è allora non controventato

e gli elementi preposti ad assorbire i carichi verticali, devono consentire il trasferimento in fondazione anche delle azioni orizzontali;

q la sensibilità agli effetti del II ordine: si distinguono telai a nodi fissi e telai a nodi mobili sulla base dell’entità dello spostamento trasversale e della rilevanza degli effetti del secondo ordine con riferimento alla risposta strutturale.

Si sottolinea che non si ha automaticamente equivalenza tra i termini controventato e nodi fissi, poiché sono associabili a due diversi aspetti del comportamento strutturale. Il primo è riferito essenzialmente alla resistenza della struttura e fornisce indicazioni relative al meccanismo di trasferimento delle forze orizzontali; il secondo invece è relativo alla deformabilità trasversale.

La progettazione dei sistemi strutturali in acciaio viene generalmente condotta sulla base del modello di telaio pendolare (in cui i giunti trave-colonna sono schematizzati con cerniere), soprattutto con riferimento a uso civile o industriale. Adottando questo modello con giunti trave-colonna però in grado di garantire un non trascurabile grado di continuità flessione (ossia, nei casi in cui si dovrebbe invece considerare il modello di telaio a nodi rigidi o di telaio semi-continuo), si può trascurare, a volte anche “pericolosamente”, l’azione flettente che viene trasmessa alle colonne (in realtà presso-inflesse). 3. ALCUNE CONSIDERAZIONI SULLE AZIONI NEI SISTEMI

PORTANTI ORIZZONTALI DI EDIFICI CIVILI ED INDUSTRIALI Tutte le costruzioni, per il semplice fatto di esistere, sono sottoposte ad una varietà di azioni, immediatamente riconducibili a forze concentrate o distribuite, alle quali devono resistere, indipendentemente dalla loro destinazione d’uso. Un importante compito del progettista è quindi quello di determinare quali azioni presumibilmente agiranno sull’opera oggetto di dimensionamento e di definirne i valori in modo “ragionevole”, ossia senza

eccedere (altrimenti l’opera risulta sovradimensionata) e allo stesso tempo non scegliendo carichi di entità troppo modesta (altrimenti si trovano a gravare azioni superiori a quelle considerate nella progettazione della struttura e pertanto questa non risulta sicura). I moderni approcci, correntemente usati per il dimensionamento strutturale, prevedono che venga sempre definito e tenuto debitamente in conto il periodo temporale di vita della struttura (vita di progetto) e si garantiscano resistenza, funzionalità e durabilità dell’opera durante tutto tale periodo. Esistono carichi che non variano durante la vita di progetto della struttura e vengono quindi definiti permanenti (una volta applicati restano sempre presenti sulla struttura e la loro intensità è costante). Altre azioni sono invece definiti variabili, o accidentali, in quanto la loro intensità può modificarsi variare durante la vita di progetto. Al riguardo queste, si distinguono in variabili di lunga durata e variabili di breve durata. Nel primo caso l’intensità delle azioni rimane costante per un periodo di tempo dello stesso ordine di grandezza della vita di progetto della struttura (ad esempio, il peso degli arredi in un edificio in cui è prevista un cambiamento della destinazione d’uso oppure i pesi propri di elementi non strutturali che potranno essere sostituiti durante la vita della struttura). Azioni variabili di breve durata sono quelle la cui intensità varia in un periodo di tempo sensibilmente inferiore alla vita della struttura (ad esempio l’azione associata alla neve, al vento oppure al terremoto). Una rigorosa determinazione dei carichi della struttura risulta alquanto problematica, si pensi nella realtà alle azioni gravanti su solai per edifici destinati a civile abitazione.

Pensando al mobilio, ad esempio, ci si rende conto come questo, variandone la posizione all’interno della stanza, provochi differenti sollecitazioni ogni qualvolta venga spostato. Inoltre risulta pressoché impossibile prevedere in fase progettuale l’esatta posizione dei sovraccarichi di questo tipo, comprendendo, oltre alle parti degli arredi, eventuali

tramezzature interne e il peso delle persone occupanti l’edificio. L’approccio seguito per la determinazione dei carichi prevede la definizione di un carico accidentale “forfetario”, gravante sull’intera superficie del solaio e stabilito in base alla destinazione d’uso della struttura. Questo carico “ideale”, i valori del quale possono apparentemente sembrare eccessivi, deve essere tale comunque da coprire tutte le possibili situazioni che si manifesteranno nell’uso della struttura. Ad esempio, il carico accidentale previsto per i balconi è di 400 kg/m2 sull’intera superficie del balcone. Tale valore potrebbe apparire eccessivo pensando al suo normale utilizzo, ma esso deve garantire sicurezza anche in occasioni in cui si può manifestare un affollamento del balcone per cause eccezionali, come una sfilata o un evento sportivo nella strada su cui si affaccia il balcone. La scelta corretta del carico agente sulla struttura è operata dal progettista sulla base delle indicazioni tecniche emanate da appositi organismi (per l’Italia il SERVIZIO TECNICO CENTRALE del MINISTERO DEI LAVORI PUBBLICI). Al riguardo, le norme italiane vigenti relative alla determinazione dei carichi, sono:

q · MINISTERO DEI LAVORI PUBBLICI. – Decreto Ministeriale del 16 gennaio 1996, “Norme tecniche relative ai “Criteri generali per la verifica di sicurezza delle costruzioni e dei carichi e sovraccarichi”·

q MINISTERO DEI LAVORI PUBBLICI. - Circolare n. 156 del 4 luglio 1996 relativa al Decreto Ministeriale riguardante le Norme tecniche relative ai “Criteri generali per la verifica di sicurezza delle costruzioni e dei carichi e sovraccarichi”.

Quando ci si riferisce a particolari situazioni non contemplate nelle norme, i carichi possono essere determinati sia per via sperimentale, sia mediante accurate analisi di dati e registrazioni relative al fenomeno in esame. Ad esempio per determinare gli effetti di venti ciclonici su di un grattacielo, oppure su un ponte strallato di grande luce, può essere necessario effettuare prove aerodinamiche su modelli in scala nella galleria del vento. 3.1 CARICHI PERMANENTI Come detto in precedenza, i carichi permanenti una volta applicati restano sempre presenti sulla struttura e la loro intensità è ipotizzata costante. Essi sono generalmente dovuti ai pesi degli elementi strutturali (solai, travi, pilastri) e di quelli non strutturali (tramezzature e tamponamenti) che però sono sempre presenti sulla struttura. Usualmente vengono ricondotti a carichi per unità di superficie (come nel caso dei solai) o dei carichi per unità di lunghezza (come nel caso delle travi che sostengono i solai). La normativa a proposito dei carichi permanenti recita: “Sono considerati carichi permanenti quelli non rimovibili durante il normale esercizio della costruzione, come tamponature esterne, divisori interni, massetti, isolamenti, pavimenti e rivestimenti del piano di calpestio, intonaci, controsoffitti ed impianti, ecc.”“Essi vanno valutati sulla base delle dimensioni effettive delle opere e dei pesi per unità di volume dei materiali costituenti”. Per determinare il peso di una struttura, una volta stabilita la dimensione dei suoi elementi e il materiale selezionato, si deve solo calcolare il volume degli elementi e moltiplicarlo per il suo ‘peso specifico’, ossia per il peso di un’unità di volume di materiale. Al riguardo, la normativa propone una tabella

che riporta i valori del peso specifico dei materiali più comunemente impiegati nell’edilizia civile ed industriale. Il progettista, sulla base del progetto architettonico o di una sua stima, deve tenere in conto anche del carico associato alla tramezzatura (tavolati e partizioni interne). In accordo alla vigente normativa, nel caso in cui questo abbia un peso minore di 1.5 kN/m2, è possibile valutare il peso totale della tramezzatura per piano e trasformarlo in un carico uniformemente distribuito, amplificato del 50% e spalmato sull’intero solaio.

3.2 CARICHI ACCIDENTALI I carichi accidentali o sovraccarichi, comprendono tutti i carichi derivanti dall’utilizzo della struttura (persone, macchine, attrezzature, pareti divisorie, neve, ghiaccio, vento, spinta delle terre, ecc..). Per ciascuno di questi viene proposto dalla normativa un valore minimo del sovraccarico variabile da considerare nella fase progettuale, in termini di carico verticale uniformemente ripartito, ossia spalmato sull’intera superficie del solaio.

Per le verifiche locali delle membrature sono poi anche riportati, nella medesima tabella, i valori dei carichi verticali concentrati (o meglio distribuiti su una superficie limitata, come specificato dalla normativa) e dei carichi orizzontali lineari (da usarsi ad esempio per le verifiche di parapetti e corrimani). 4. LA TRASMISSIONE DEI CARICHI Come già anticipato, in ogni costruzione esiste una struttura la quale ha tipicamente una configurazione spaziale. Con riferimento a sistemi intelaiati in acciaio regolari in pianta ed in elevazione

è possibile individuare modelli di calcolo costituiti da telai piani

associati alle direzioni principali dell’edificio in pianta. La progettazione basata su questi modelli semplificati risulta, nell’ipotesi usualmente soddisfatta di solai infinitamente rigidi nel loro piano, caratterizzata comunque da un soddisfacente grado di affidabilità strutturale, a patto che sia comunque garantita la piena rispondenza tra modello di calcolo e struttura reale. In molti casi i collegamenti trave-colonna sono realizzati con angolari e pertanto, non essendo possibile il trasferimento di sollecitazioni flettenti tra trave e colonna, viene utilizzato il modello di telaio pendolare. Si rende di conseguenza necessaria l’adozione di uno specifico sistema di controvento che impedisca alla struttura spostamenti trasversali associati alla labilità dovuta ai nodi trave-colonna. In dettaglio, essendo la struttura sempre un sistema portante tridimensionale risulta necessario disporre di due sistemi di controvento verticali (ognuno per una delle direzioni principali dell’edificio in pianta) in modo che in totale vi siano almeno 3 controventi non allineati. In aggiunta deve essere presente un controvento orizzontale in ogni piano dell’edificio, almeno per la fase di montaggio. Si precisa che, nel caso in cui si abbia regolarità in pianta ed in elevazione, la fase di analisi strutturale e la conseguente progettazione strutturale risulta indubbiamente semplificata. I carichi orizzontali sono trasferiti direttamente in fondazione dai sistemi di controvento, mentre il dimensionamento di travi e pilastri avviene sulla base di modelli estremamente semplici (rispettivamente, la trave in semplice appoggio e la colonna appoggiata-incernierata). In dettaglio, il solaio è infatti sostenuto dalle travi secondarie, supportate a loro volta direttamente dalle colonne o travi perpendicolari. Riferendosi quindi ad una situazione geometricamente regolare

e considerando la pianta del piano tipo

è possibile, in modo estremamente semplice, definire le aree di pertinenza dei carichi che andranno a gravare su trave secondaria,

trave principale

e sulla colonna