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    CdL Architettura

    TECNOLOGIA DELLARCHITETTURA A 2012_13 prof. S. Rinaldi

    Sistemi ed elementi costruttivi in acciaio

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    INDICE Caratteristiche dei materiali metallici Pag. 3

    Processi produttivi 7

    Semilavorati di impiego comune 11

    Lacciaio nella storia delle costruzioni 12

    Elementi costruttivi 16

    Nodi e connessioni 18

    Concezione strutturale 20

    Bibliografia 23

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    CARATTERISTICHE DEI MATERIALI METALLICI Le caratteristiche principali dei metalli sono l'isotropia, la resistenza meccanica e la tenacit. L'isotropia fa s che i metalli siano resistenti in modo simile rispetto a qualsiasi direzione di sollecitazione e in ogni loro parte. Questo fatto, in combinazione con l'elevata resistenza meccanica e tenacit rende i metalli particolarmente adatti all'impiego come materiali strutturali (sia nelle costruzioni edili, sia nelle macchine). Unaltra caratteristica dei metalli quella di essere sottoposti a fusione e miscelazione con altri metalli, finalizzata a costituire delle leghe. I metalli puri generalmente sono pi duttili delle leghe a cui danno luogo. I metalli pi utilizzati nel campo delle costruzioni sono l'acciaio e l'alluminio; e tra questi, l'acciaio il metallo notevolmente pi utilizzato per scopi strutturali. L'acciaio una lega di ferro e carbonio. Il ferro viene usato in lega con il carbonio perch allo stato puro risulta molto duttile. Aggiungendo alla lega quantit di carbonio maggiore di quella caratteristica degli acciai si ottengono le ghise. Gli acciai sono caratterizzati da un tenore di carbonio compreso tra 0,02 e 2,06% e le ghise da un tenore di carbonio compreso tra 2,06 e 6,67. Gli acciai comunemente impiegati nelle costruzioni sono leghe di ferro-carbonio ottenute dall'affinazione della ghisa allo stato fuso in convertitori a ossigeno. Tra gli acciai al carbonio quelli per impieghi strutturali maggiormente diffusi sono i tipi Fe360; Fe430, Fe510, identificati dalla sigla Fe, indicante il simbolo chimico del ferro, seguita dal valore della tensione di rottura espresso in MPa.1 Tali materiali rientrano nella categoria degli acciai dolci o non legati e sono caratterizzati da un ridotto tenore di carbonio (C

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    sono poco slanciati), sono infatti interessati da sforzi di flessione modesti e lavorano quindi pi che altro a compressione semplice. Nel corso dell'ottocento nei paesi industrializzati (primo tra tutti l'Inghilterra) l'impiego pi caratteristico della ghisa era in effetti diretto alla realizzazione di pesanti colonne in edifici industriali le cui pareti esterne erano in muratura massiccia. Tali elementi strutturali venivano prodotti mediante fusione e colatura in stampi e potevano perci arricchirsi di modanature e ornamenti ricavati negli stampi stessi (soluzione che non rientra, come si vedr, nelle consuetudini dei tipi di acciaio pi utilizzati). Oggi il campo degli impieghi della ghisa si per lo pi ristretto a impieghi non strutturali: tubazioni, radiatori, caldaie, e nel settore delle costruzioni i prodotti in ghisa costituiscono complessivamente circa l1% dei matriali ferrosi prodotti Nel campo delle costruzioni civili, l'acciaio, se paragonato agli altri materiali da costruzione, caratterizzato da un elevato "rendimento meccanico" dato dal rapporto tra la resistenza unitaria e il peso specifico il che consente di realizzare strutture leggere e al tempo stesso capaci di offrire elevate prestazioni meccaniche. L'elevato rendimento meccanico, unito alla grande duttilit, ovvero alla capacit del materiale di subire sensibili deformazioni in campo plastico, rendono inoltre l'acciaio particolarmente idoneo a essere impiegato nelle applicazioni progettuali che richiedono una notevole capacit di "dissipazione energetica' da parte dell'organismo strutturale, quali appunto le costruzioni in zone sismiche. In aggiunta occorre considerare che la vasta gamma di acciai prodotti oggigiorno dall'industria siderurgica consente al progettista di disporre, nella fase della concezione progettuale, di un ulteriore grado di variabilit: la resistenza del materiale. Tale prerogativa, ossia la possibilit di utilizzare, nell'ambito di una stessa struttura, membrature formalmente identiche ma con caratteristiche meccaniche diverse, nota convenzionalmente come "quarta dimensione" della costruzione metallica. Da un punto di vista poi dell'analisi strutturale, vale a dire la previsione e l'interpretazione della risposta meccanica di un sistema strutturale, non va infine dimenticata la naturale predisposizione delle costruzioni metalliche a essere modellate in modo semplice e affidabile, sia mediante le teorie strutturali classiche sia attraverso le pi recenti tecniche di simulazione numerica. I vantaggi del costruire in acciaio non sono ovviamente solo di tipo strutturale ma riguardano anche la possibilit di realizzare strutture di elevato "pregio architettonico", in cui la regolarit delle forme non pi un elemento invariabile della geometria della costruzione. Altro vantaggio la possibilit di permettere, in modo rapido ed economico, "trasformazioni e riparazioni" anche sostanziali di organismi strutturali esistenti, consentendo anche l'eventuale recupero delle membrature sostituite. Come pure vanno sottolineate le potenzialit dell'acciaio nel campo del recupero dell'edilizia esistente dove, grazie alle sue caratteristiche tecnologiche e meccaniche, consente soluzioni ottimali per ogni classe di intervento, dal semplice consolidamento degli elementi portanti agli interventi generalizzati di recupero, ristrutturazione e riqualificazione funzionale. Gli aspetti di carattere economico, infine, sono spesso condizionati positivarnente dalla possibilit di industrializzare il processo produttivo" degli elementi costruttivi nonch dalladozione di tecniche di montaggio in cantiere rapide ed efficienti, soprattutto se paragonate a quelle in uso per altri

    Fig. 2 Colonna e capitello in ghisa nella biblioteca S. Genevieve di H. Labrouste

    (Parigi 1860)

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    sistemi costruttivi. Naturalmente le costruzioni in acciaio, oltre che dai pregi, sono anche caratterizzate da alcune problematiche tipiche che, come i pregi, sono in gran parte legate alle propriet del materiale base. Da un punto di vista strutturale, infatti, si riscontra generalmente l'impossibilit di sfruttare appieno l'elevato rendimento meccanico del materiale e ci al fine di evitare la realizzazione di strutture eccessivamente snelle e come tali particolarmente sensibili nei riguardi dei "fenomeni d'instabilit" globali e locali. In aggiunta, l'elevato rapporto tra il modulo elastico e la resistenza specifica del materiale rendono spesso condizionanti ai fini del progetto i requisiti di funzionalit, intesi come limitazione delle deformazioni e/o vibrazioni in esercizio. Ulteriore inconveniente che, a causa della notevole quantit di energia necessaria alla lavorazione e al trasporto dell'acciaio, l'energia incorporata in questo materiale elevata, pari a circa 26,8 GJ/tonn. superiore a quella del cls, del laterizio e del legno. Grazie alla sua resistenza strutturale, l'acciaio pu per essere impiegato in quantit relativamente piccole, e ci consente di contenere la quantit complessiva di energia incorporata nei componenti in acciaio utilizzati nelle costruzioni, la quale in effetti, come si detto, mediamente risulta inferiore a quella del cls e del laterizio. Un terzo inconveniente rappresentato dal fatto che l'integrit delle strutture edilizie in acciaio minacciata dalle alte temperature generate dagli incendi e a causa del fatto che esse provocano una consistente perdita di resistenza meccanica al materiale. Le misure dirette alla protezione delle strutture edilizie in acciaio dal calore in genere prevedono di evitare di lasciare "a vista " tali strutture".3 Le strategie per la protezione delle strutture in acciaio dal calore degli incendi prevedono in genere la protezione delle strutture stesse mediante rivestimento con altri materiali: solitamente calcestruzzi gettati in opera, intonaci, involucri formati da pannelli di gesso o cartongesso, pannelli di protezione contenenti vermiculite o fibre minerali, oppure muratura. Altro sistema di protezione rappresentato dallapplicazione di strati protettivi. A tal fine possono essere applicati, mediante spruzzatura, leganti miscelati con materiali sciolti che, per la loro scarsa conduttivit e la loro elevata temperatura di fusione, ne accrescono la resistenza al calore. La scarsa conduttivit richiesta a tali materiali appunto finalizzata a ostacolare la trasmissione del calore agli strati sottostanti. I materiali pi utilizzati a questo scopo sono la vermiculite espansa, la perlite espansa, fibre minerali come lana di vetro o fiocchi di gesso. I leganti impiegati nelle malte e negli intonaci in oggetto possono essere a base cementizia o gessosa (ovviamente tra essi e gli inerti non deve esservi incompatibilit). Un'altra strategia che implica la spruzzatura quella che prevede limpiego di particolari vernici, dette intumescenti cm. Lo spessore di applicazione delle vernici intumescenti varia di solito da 0,5 a 1,5 cm Quando sottoposte a calore, esse carbonizzandosi si gonfiano, raggiungendo spessori di 5-10 cm e formando uno strato compatto in grado di proteggere il materiale di supporto dall 'azione del fuoco.

    Fig. 3 Soluzione per la protezione di pilastri e travi in acciaio dal calore degli

    incendi mediante rivestimento in pannelli di gesso.

    Legenda: 1. Rivestimento a due strati di lastre di gesso; 2. Telaio in acciaio profilato a freddo di supporto al rivestimento; 3. Trave in acciaio e doppio T; 4. Soletta in c.a.; 5. Angolari in acciaio; 6. Montanti in acciaio profilato a freddo; 7. Pilastro a H.

    Fig. 4 Protezione di un pilastro e di una trave in acciaio mediante intonacatura.

    L'intonaco applicato a una rete in acciaio, la quale a sua volta fissata ai profilati mediante bande di fissaggio in

    acciaio o una struttura in acciaio profilato a freddo.

    Legenda: 1. Intonaco di gesso con inerti di vermiculite; 2. Guide angolari in acciaio piegato a freddo; 3. Rete elettrosaldata; 4. Bande di fissaggio.

    3 Le strutture in acciaio a vista sono riservate alle situazioni nelle quali lindebolimento strutturale derivante da un eventuale incendio non comporti la perdita di vite umane (come avviene principalmente nel caso di strutture di copertura, per esempio capriate o travi reticolari di grandi dimensioni collocate in edifici pubblici velocemente sfullabili e aperti verso l'esterno, come impianti sportivi o saloni di esposizione}.

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    La comparsa sul mercato delle vernici intumescenti ha permesso di esporre alla vista le strutture in acciaio, che prima di allora dovevano essere nascoste da rivestimenti resistenti al fuoco in pannelli o tavole o essere rivestite da spessori di materiale (malte o intonaci) pi consistenti. La soluzione delle vernici intumescenti offre per una resistenza al fuoco minore di quella offerta dalle soluzioni viste in precedenza, corrispondente a circa 30-60 minuti mediamente. Un ultimo inconveniente connesso all'impiego dei materiali ferrosi consiste nel fatto che l'ssidazione del ferro, dell'acciaio e della ghisa awiene con modalit tali da rendere questi metalli vulnerabili alla corrosione degli agenti atmosferici. Le leghe del ferro (non tutte, peraltro) costituiscono l'unico gruppo tra metalli impiegati in edilizia a temere l'effetto dell'ossidazione. Non che gli altri metalli siano esenti da ossidazione: semplicemente, la patina ossidata in quei casi rimane compatta e protegge dall'ossidazione gli stati sottostanti di materiale. L'idrossido di ferro cio la ruggine, invece caratterizzato da scarsa resistenza meccanica e scarsa tenacit e tende quindi a sfaldarsi, lasciando gli strati sotto stanti di materiale alla merce dell'ulteriore avanzata della ruggine. Ne deriva che l'ossidazione compromette le prestazioni dei materiali ferrosi: ferro, acciaio e ghise. La pellicola di idrossido che si forma sui metalli non ferrosi pu essere di vario colore. Quella che si forma sullo zinco di colore bruno e quella che si forma sul rame verde (dovuta al solfato di rame). Quella che si forma sui metalli ferrosi bruno-rossastra Le strategie di protezione del ferro e delle leghe di ferro e carbonio contro la corrosione si basano su trattamenti superficiali mirati a renderli meno attaccabili dalla ruggine. In alternativa, possibile impiegare leghe di per se stesse non danneggiabili dall'ossidazione, come gli acciai inossidabili. I trattamenti superficiali mirati a rendere meno attaccabili le superfici degli oggetti in materiali ferrosi prevedono spesso la ricopertura della lega con uno strato superficiale metallico che non possa essere danneggiato dall'ossidazione applicato per via elettrolitica o per via termica. Il trattamento elettrolitico per l'applicazione dello strato di rivestimento prevede che i due metalli vengano immersi in soluzione in presenza di corrente elettrica, cos da creare una forte differenza di potenziale tra l'uno e l'altro. Come metallo di apporto viene utilizzato un metallo pi elettronegativo dell 'acciaio. Il metallo di apporto costituisce infatti il polo negativo (anodo) e quello di base (appunto, l'acciaio) il polo positivo (catodo). L'applicazione di una corrente esterna rende molto pi forte la migrazione di ioni che gi avrebbbe naturalmente luogo dall'uno all'altro. I metalli impiegati come materiali di rivestimento sono abitualmente il cromo, il nickel, lo zinco, lo stagno e il rame. Nel caso in cui lo strato protettivo sia applicato per via termica, il metallo di base viene immerso nel metallo di apporto fuso. Il metallo di apporto di gran lunga pi utilizzato a tale scopo lo zinco. La zincatura per immersione si effettua immergendo lelemento di acciaio da zincare nello zinco fuso alla temperatura di 450 C.

    Fig. 5 Inclusione di un pilastro e di una trave in acciaio in membrature strutturali

    in c.a. o cls.

    Anche in questo caso il legame tra lo strato di rivestimento in zinco e il supporto in acciaio costituito da una sottile pellicola di lega di zinco e acciaio che viene a formarsi tra i due strati. La zincatura termica pi frequente della zincatura elettrolitica. La durata della zincatura di un componente in acciaio zincato mediamente di 20-25 anni.

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    Oltre che ricoprendoli con altri tipi di metallo, gli elementi strutturali in acciaio possono venire protetti dalla corrosione verniciandoli, La maggior parte degli elementi strutturali in acciaio sono verniciati, Di solito le vernici utilizzate sono organiche di origine sintetica, come le pitture acriliche, poliuretaniche o epossidiche. La verniciatura dell'acciaio pu essere effettuata sia su elementi in acciaio zincato o ricoperto con altra lega metallica di protezione, sia su elementi in acciaio non zincato ne protetto con alcuna lega metallica, In quest'ultimo caso, chiaramente la loro resistenza alla corrosione minore. Grazie alle soddisfacenti prestazioni meccaniche di tali verniciature, le lamiere verniciate possono essere formate o lavorate (avvitate, aggraffate o talvolta saldate) anche successivamente alla preverniciatura.

    PROCESSI PRODUTTIVI

    Produzione della materia prima Nella moderna siderurgia i procedimenti pi comunemente utilizzati per produrre acciaio possono essere ricondotti a due: acciaio ottenuto dal minerale oppure dalla fusione dei rottami di ferro. Nel primo caso lo stabilimento per la produzione denominato a "ciclo integrale'': questo significa che necessario disporre di tutti quegli impianti ed attrezzature che consentano la trasformazione chimico fisica del minerale (ossidi di ferro) in acciaio. Il minerale necessita di un'accurata preparazione e miscelazione con altre sostanze (in particolare calcare) per ottenere quell'arricchimento e quella composizione chimico-fisica necessari per la sua trasformazione. I metodi di trattamento sono molti e tutti volti a far s che il minerale e gli altri componenti aggregati siano trasformati in "piccoli pezzetti'', denominati "pellets'', cos da renderli atti alla preparazione della carica dell'altoforno. Quest'ultimo un forno del tipo a "tino'', continuo, nel quale il minerale, sottoposto ad alta temperatura si trasforma in ghisa (ferro ad alto contenuto di carbonio). La temperatura alla quale inizia la riduzione del minerale intorno agli 800 gradi centigradi ed ottenuta mediante la combustione del carbone coke, caricato assieme al minerale.4 All'uscita dall'altoforno la ghisa viene colata direttamente in un contenitore mobile su rotaie, chiamato carro siluro, tramite il quale viene trasportata all'acciaieria per la trasformazione in acciaio. Il processo per la preparazione dell'acciaio consiste nella decarburazione della ghisa e nell'aggiunta di componenti che consentano di ottenere quel grado di durezza e resistenza desiderato. Per far ci occorre nuovamente riscaldare la ghisa in appositi forni, denominati convertitori, nei quali la ghisa si affina e si trasforma in acciaio. Tutto quanto sopra descritto parte integrante di uno stabilimento siderurgico a ciclo integrale. In Italia, gli stabilimenti di questo tipo sono perlopi gli ex ITALSIDER (Taranto, Piombino, Genova e Trieste, per citare i

    Fig. 6 Processi produttivi dellacciaio

    4 I processi e gli impianti utilizzati per la preparazione della carica dell'altoforno sono, sinteticamente, i seguenti: - produzione del carbon coke: si ottiene dalla combustione del carbon fossile nelle cokerie: sono batterie di forni contigui (in genere da 20 a 30), nei quali da una parte si immette il carbon fossile e, dall'altra dopo la combustione, si estrae il coke, che verr successivamente inviato all'altoforno. - trasformazione del minerale in pellets: impianti di lavaggio, frantumazione, setacciatura, omogeneizzazione e pellettizzazione .

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    pi importanti). Gli stabilimenti siderurgici che producono acciaio direttamente dai rottami non necessitano di impianti e macchinari finalizzati alla produzione della ghisa ed alla sua trasformazione in acciaio. Sono pertanto, a parit di prodotto, di dimensioni e valori minori, permettendo la realizzazione di stabilimenti anche di capacit modesta, le cosiddette mini-acciaierie, con accettabili rapporti tra investimento e capacit produttiva, senza rinunciare a volumi di produzione anche ragguardevoli. Oltre a ci presentano altri vantaggi, che compensano l'elevato consumo di energia elettrica necessario per il loro funzionamento: maggior elasticit di impiego (si possono produrre anche acciai inox), rapidit di messa in marcia, maggior possibilit di controllare i processi di trasformazione chimica, indipendenza dell'installazione da porti o altre importanti stazioni di smistamento merci. L'acciaio, in questi impianti, ottenuto dalla fusione dei rottami di ferro opportunamente preparati e selezionati per evitare inconvenienti durante la trasformazione (esplosioni, cattiva qualit). La fusione avviene nel forno elettrico che, di norma, di due tipi: - forno ad arco - forno ad induzione. Nei forni ad arco, i pi impiegati, il calore viene apportato dalla radiazione dell'arco che si forma tra gli elettrodi di grafite ed il bagno. La potenza in gioco pu variare da 500 ad oltre 100.000 kVA. La capacit del forno misurata dal diametro del bacino.I consumi sono dell'ordine di 500-700 kwh per tonnellata di prodotto. La temperatura dell'arco raggiunge i 3500 gradi centigradi. I forni ad induzione, sono basati sul principio del passaggio di un intenso flusso elettromagnetico (e quindi di calore), dove la carica metallica rappresenta il secondario di un trasformatore. In genere vengono impiegati quando si vuol procedere ad una rifusione.

    Produzione dei semilavorati Una volta prodotto, all'acciaio si deve imprimere la forma finale desiderata. Questa parte del processo di fabbricazione dell'acciaio comune alle due modalit di produzione sopra descritte. Due sono i modi di procedere, laminazione e colata continua. L'acciaio pu essere colato "in fossa'' nelle lingottiere, nelle quali solidifica e viene successivamente laminato sino a diventare prodotto finito. Ottenuto il lingotto, si procede alla sua trasformazione nel prodotto desiderato nel laminatoio, che pu essere a "caldo'' o a "freddo''. Con il processo di laminazione a caldo il lingotto viene prima riscaldato a temperature fino a 1200 C e quindi portato alla forma finale da una serie di cilindri disposti in diverse posizioni, nelle cosiddette "gabbie'' di laminazione. I principali tipi di laminatoio consistono in due, tre, quattro cilindri sovrapposti, contenuti nelle gabbie. Il lingotto viene schiacciato tra i cilindri, passando sempre in una sola direzione, o mutando alternativamente la direzione al cambiare del senso di rotazione dei cilindri, sino ad ottenere lo spessore desiderato. I vari tipi di laminatoi, chiamati "treni'', che vengono usualmente impiegati per ottenere i diversi prodotti, sono: - laminatoi sbozzatori di prima laminazione (da lingotti), che producono: blumi (sezione quadra) bramme (sezione rettangolare)

    Fig. 7 Progressive deformazioni del lingotto dacciaio per produrre un

    profilato a doppio T

    LAMINAZIONE Il materiale costretto a passare tra due cilindri rotanti in senso inverso l'uno rispetto all'altro e si trasforma in lamina; si sfrutta la propriet tecnologia chiamata "malleabilit".

    TRAFILATURA Consiste nel far passare una barra di data sezione in un foro di sezione pi piccola. La barra sottoposta allo sforzo di trazione, per cui si deforma e si allunga, sfruttando la duttilit.

    ESTRUSIONE Consiste nel costringere il materiale a passare attraverso un'apertura detta "matrice" della forma voluta. Il materiale sottoposto a uno sforzo di compressione e assume la forma e le dimensioni della matrice.

    FUCINATURA I materiali a caldo vengono deformati per mezzo di urti o pressioni con martelli.

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    tubi; - laminatoi sbozzatori di seconda laminazione che producono: billette (sezione quadra) e lamierini - laminatoi finitori che producono:larghi piatti, lamiere, profilati, vergella e nastro. La laminazione a freddo ha lo scopo di ottenere, con una deformazione plastica, senza apporto di calore, una superficie del metallo pi compatta e liscia, con marcate variazioni delle caratteristiche meccaniche del prodotto usata per la produzione di lamiere (lastre) grecate (profilate) o la produzione di profilati a C, l, l, U e Q(omega) di sezione modesta, di basso peso e resistenza elevata in rapporto al peso. Lo spessore dei componenti laminati a freddo solitamente inferiore ai 3 mm.la lunghezza massima delle lastre prodotte per laminazione non dettata da limitazioni produttive, ma dipende dalla lunghezza massima dei pezzi agevolmente trasportabili, che si aggira attorno ai 13 m. La trafilatura frequente nella produzione di tondini, cavi o fili ad alta resistenza. In questo caso, barre o fili metallici vengono tirati attraverso matrici (fori) sempre pi strette. L'estrusione utilizzata per ottenere elementi allungati di sezione trasversale anche complicata, purch a sviluppo longitudinale rettilineo, in questo caso barre o fili metallici vengono spinti attraverso matrici (fori), anche in questo caso di dimensioni sempre pi ridotte.Tale processo di lavorazione utilizzato anche per la produzione di semilavorati in altri materiali come, ad esempio, i profilati per gli infissi in alluminio e in PVC. l'estrusione dell'acciaio per un 'operazione difficile, decisamente pi impegnativa della trafilatura.5 L'imbutitura un tipo di lavorazione che prevede che una lastra metallica venga compressa tra una forma e una controforma al negativo. In campo edilizio, il prodotto pi tipicamente ottenibile per imbutitura sono le lamiere (lastre) profilate, ossia ondulate o grecate. Fuori dal campo edilizio, i componenti delle carrozzerie impiegati dall'industria automobilistica sono prodotti per imbutitura. Un oggetto comune che potrebbe prestarsi bene a essere prodotto per imbutitura una maschera. Oggetti che non possono essere prodotti per imbutitura sono quelli caratterizzati dalla presenza di sottosquadri. Una volta formati i semilavorati standard sono spesso necessarie ulteriori lavorazioni che, in relazione agli specifici utilizzi, sono effettuate prima della messa in opera. Tali lavorazioni sono prevelentemente caratterizzate da asportazione di materiale, le principali sono: la fresatura, la tornitura e la foratura. In definitiva, lofferta che la produzione industriale del settore mette a disposizione dei progettisti caratterizzata da: semilavorati da selezionare a catalogo di cui sono note le caratteristiche dimensionali e prestazionali, prodotti da acciaierie; sistemi costruttivi coordinati e integrati prodotti da aziende di carpenteria metallica che possono operare anche come imprese esecutrici con appalti chiavi in mano; sistemi di componenti preassemblati di produzione industriale. Allo scopo di sintetizzare le sequenze logico-operative relative alla produzione dellacciaio per ledilizia utile il seguente schema.

    STAMPAGGIO I materiali vengono deformati per mezzo di urti o pressioni con magli o presse che forzano il pezzo fra due stampi.

    IMBUTITURA I materiali, in genere lamine, a freddo vengono deformati per mezzo di urti o pressioni con magli o presse che attivano un punzone contro una matrice

    Fig. 8 Lavorazioni mediante deformazione plastica per la formatura

    dei semilavorati

    FRESATURA Il pezzo si muove di moto traslatorio (avanzamento) mentre l'utensile di moto rotatorio (taglio); tali movimenti si possono combinare in vario modo. Le fresatrici sono le macchine utensili pi versatili, e possono lavorare con grande precisione superfici piane o sagomate, esterne o interne.

    TORNITURA Il pezzo si muove di moto rotatorio, mentre l'utensile di moto traslatorio (avanzamento e taglio). L'utensile pu essere fatto avanzare parallelamente o a varie angolazioni rispetto all'asse di rotazione, in modo da produrre superfici cilindriche o coniche.

    FORATURA Il pezzo sta fermo mentre l'utensile (punta elicoidale) si muove contemporaneamente di moto rotatorio (movimento di taglio) e traslatorio (avanzamento); sono macchine molto versatili e possono avere le dimensioni e le forme pi varie. Fig. 9 Lavorazioni dei semilavorati per

    asportazione di materia

    5 Esistono infatti consistenti limitazioni dimensionali nei pezzi in acciaio cos ottenibili: la lorosezione deve essere almeno inscrivibile in un cerchio con raggio di 15 cm; ma questa dimensione massima troppo esigua per molti usi strutturali.

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    SEMILAVORATI DI IMPIEGO COMUNE Gli elementi in acciaio vengono prodotti industrialmente mediante un processo di laminazione a caldo o di sagomatura a freddo e sono cos classificati: elementi laminati a caldo:

    - profilati, lamiere; larghi piatti, barre; elementi sagomati a freddo:

    - lamiere grecate, profili sottili.

    Elementi laminati a caldo I profilati sono barre di acciaio aventi sezioni particolari a contorno aperto o cavo; le lamiere sono manufatti di spessore non superiore a 50 mm e di larghezza pari alla massima dimensione del laminatoio; i larghi piatti sono manufatti di spessore non superiore a 40 mm e larghezza compresa tra 200 e 1000 mm. I tipi di sezione e le dimensioni geometriche dei profilati sono unificate in ambito europeo; le loro caratteristiche sono riportate in un sagomario. I profili a doppio T sono utilizzati soprattutto come travi e colonne di strutture a telaio. Ne esistono due distinte tipologie: IPE ed HE. I profili IPE hanno una larghezza b dellala pari alla met dellaltezza h. I profili HE hanno invece b=h; per essere pi preciso, esiste una serie normale, HEB, nella quale effettivamente b=h fino ad una altezza di 300 mm (per altezze maggiori b rimane costante-mente pari a 300 mm), una serie

    Fig. 6 Profilati a doppio T

    (sin. Alto NP; des. Alto IPE; sin. Basso T a spigoli arrotondati; T a spigoli vivi)

    Fig. 7 Profilati a doppio T

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    leggera, HEA, ed una serie pesante, HEM, che hanno spessori maggiori e piccole differenze nellaltezza rispetto alla serie normale. A parit di area della sezione (e quindi di peso e costo) i profili IPE hanno momento dinerzia e modulo di resistenza nettamente maggiore rispetto agli HE e sono quindi pi convenienti in caso di aste soggette a flessione semplice; il momento dinerzia per molto basso e ci li rende inadatti a sopportare momento flettente in due piani diversi ed anche molto sensibile allinstabilit in un piano. I momenti dinerzia dei profili HE nelle due direzioni hanno una minore differenza e ci rende questi profili pi adatti ad essere usati come colonne (perch le colonne sono soggette a sforzo normale oltre che a momento flettente e questo inoltre agisce spesso in due direzioni).I profili a C e gli angolari sono usati soprattutto come aste di travature reticolari o aste di controventatura; vengono spesso accoppiati a due a due sia perch ci conferisce simmetria alla sezione composta sia per comodit di realizzazione dei collegamenti. I larghi piatti e lamiere permettono di realizzare, per semplice saldatura o bullonatura, elementi strutturali fuori marca. In commercio sono disponibili:

    a) una vasta gamma di profili saldati a doppio T realizzati con lamiere e larghi piatti dello spessore di 12-14-19-22-25-26 mm che raggiungono altezze di 1700 mm; b) alcuni tipi di profilati ibridi la cui sezione realizzata accoppiando lamiere e larghi piatti di qualit diversa. Luso contemporaneo di acciai di diversa resistenza permette di avere una quarta dimensione nelle co-struzioni in acciaio; c) alcuni tipi di profilati detti Jumbo realizzati con lamiere o larghi piatti di notevole spessore; d) una vasta gamma di profilati dalle forme pi fantasiose.

    profilario per ferri piatti e larghi piatti (la prima cifra relativa alla larghezza la

    seconda allo spessore)

    Elementi sagomati a freddo Le lamiere grecate sono semilavorati ottenuti mediante piegatura a freddo di lamierini o lamiere sottili. Trovano vastissimo impiego come elementi orizzontali e verticali di chiusura. I profili sottili sono elementi strutturali con sezioni, in genere a contorno aperto, ottenute mediante piegatura a freddo di nastri di acciaio di spessore di circa 3-4 mm. Nellambito dei profili sottili si

    (sin. Alto HE; des. Alto U normale; sin. Basso L a lati uguali; L a lati disuguali)

    Fig. 8 Piatti

    Fig. 9 Profilato a doppio T fuori standard

    realizzato con larghi piatti

    Fig. 10 Semilavorati formati a freddo (Tubi)

    Fig. 11Semilavorati formati a freddo (lamiere grecate)

    Fig. 12 Semilavorati formati a freddo (profilati)

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    possono ottenere le sezioni pi varie che realizzano il massimo sfruttamento del materiale, anche per forma con conseguente ottimizzazione del peso strutturale. Lesiguo spessore di questi profili richiede una particolare attenzione del progettista ai pericoli connessi con fenomeni di corrosione e/o di instabilit locale.

    LACCIAIO NELLA STORIA DELLE COSTRUZIONI

    Dal punto di vista metallurgico il ferro si trova in natura combinato, quasi esclusivamente, con altri elementi; si hanno cos gli ossidi, i solfuri, i carbonati di ferro, ecc.6 Solo nel periodo preistorico l'uomo utilizza il ferro naturale, detto meteorico, che presenta un grado di purezza variabile dal 98 al 100 %; quando l'uomo abbia scoperto il sistema di estrarre il ferro dai suoi minerali non dato di saperlo, n si conoscono i primi sistemi produttivi del materiale, tuttavia probabile che gli albori dell'industria siderurgica si debbano ricercare intorno al XV secolo a.C., tra i popoli dell'Asia Minore; da questi si diffuse in tutto il bacino del Mediterraneo, determinando una lenta ma costante evoluzione della civilt: ebbe inizio cos il primo periodo storico dell'umanit. La civilt del ferro si svilupp nel periodo conclusivo della preistoria; il metallo veniva impiegato per la costruzione di armi o di strumenti di lavoro, prodotti in sostituzione dei primitivi elementi in bronzo. Non da credere che la scoperta del metallo abbia ingenerato una violenta e repentina variazione nella civilt di quei popoli che ne vennero a contatto: segn piuttosto l'inizio di un lungo periodo nel quale, lentamente, la civilt del ferro sostitu quella del bronzo. In questo periodo si inizi una produzione di oggetti minuti; poi, intorno al I millennio a.C. si apr il periodo storico che port alla cosidetta civilt classica. L'apparizione di questo metallo e la scoperta delle sue possibilit d'impiego non furono certo contemporanee in tutti i paesi, anzi dobbiamo dire che, non conosciamo la data di inizio di questo periodo, e non conosciamo nemmeno quale, o quali furono i paesi che per primi entrarono nell'et del ferro. Per quanto riguarda l'ltalia si ritiene che l'industria estrattiva del ferro fosse gi conosciuta in Toscana, all'inizio del primo millennio, attraverso lo sfruttamento del minerale esistente nell'isola d'Elba; non si conosce esattamente n il procedimento seguito, n la consistenza dei quantitativi di materiale lavorato in un'unica fusione. Si ritiene tuttavia che il minerale, ridotto in pezzi, fosse posto in piccoli fornelli e fuso mediante l'impiego di legna di pino; sotto la spinta del calore l'ossigeno, contenuto nell'ossido, si combinava con il carbonio liberando il ferro che pertanto risultava composto di una massa spugnosa, ricca di scorie che venivano successivamente eliminate attraverso una

    6 Elemento di transizione della tavola periodica di simbolo Fe e numero atomico 26. In virt della sua duttilit, era utilizzato sia a scopo decorativo che nella produzione di armi e utensili gi in et preistorica; il pi antico reperto rinvenuto, un gruppo di grani di ferro ossidato [G] trovati in Egitto, risale infatti al 4000 a.C. Durante l'et del Ferro, nel I millennio a.C., le tecniche di lavorazione divennero sempre pi raffinate e questo metallo sostitu quasi completamente il bronzo, una lega di rame e stagno, segnando l'inizio della moderna metallurgia. Esso il costituente principale di alcuni meteoriti e del nucleo centrale della Terra. A causa della elevata reattivit con l'ossigeno, si rinviene allo stato elementare o nativo in piccole quantit e in poche regioni, tra le quali la Groenlandia e l'Irlanda. Solo alcuni minerali del ferro costituiscono giacimenti sfruttabili industrialmente; ricordiamo: l'ematite, la magnetite, la siderite e la limonite e la pirite che utilizzata prevalentemente nella produzione dell'acido solforico. Piccole quantit di composti di ferro sono presenti nelle acque, nelle piante e in quasi tutti gli alimenti; esso inoltre un componente essenziale negli organismi animali, perch presente nella molecola dell'emoglobina. Le reazioni fisico-chimiche tra il ferro e il carbonio sono alla base del processo di formazione della ghisa e dell'acciaio.

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    lunga ed energica azione di fucinatura. Si anche scoperto che, attraverso l'adozione di particolari processi produttivi, che oggi potrebbero essere compresi sotto il nome di cementazione, si otteneva a causa dell'alta temperatura e della presenza di materie organiche, un ferro particolarmente ricco di carbonio, denominato acciaio; per migliorarne poi le caratteristiche operazioni, piuttosto delicate, tendevano ad esaltare le caratteristiche di durezza e di resistenza alla rottura del metallo. Una prima evoluzione interessante il settore siderurgico fu quella tendente ad ottenere una migliore attivazione della fiamma nelle cataste di legna e materiale da ridurre, insufflando l'aria nei piccoli forni, attraverso l'impiego di soffietti costruiti con pelli di capra, azionati sia a mano che a pedale; si sostitu pure, nel settore del combustibile, il carbone vegetale alla legna. operazioni, piuttosto delicate, tendevano ad esaltare le caratteristiche di durezza e di resistenza alla rottura del metallo. Soltanto alla fine del XVIII secolo, alcune fondamentali innovazioni nel processo di produzione consentirono lo sviluppo dell'industria siderurgica che, nel secolo successivo, fu in grado di produrre, su grande scala, ingenti quantit di ferro, ghisa ed acciaio a prezzi convenienti e quindi favorirne l'impiego diffuso nelle costruzioni. In particolare, un sostanziale miglioramento nella produzione siebbe quando Abraham Darby pens di affidare la combustione ad un materiale diverso dal legno: il carbon coke. Ma l'era dell'acciaio ha inizio a met dell'800, con altre innovazioni dei sistemi di produzione che fecero estendere le applicazioni del materiale in tutti i campi, con il progressivo miglioramento delle propriet del materiale e la riduzione costante dei costi; parallelamente, si verific un incremento delle attivit teoriche e un perfezionamento del calcolo, nasce la Scienza delle costruzioni. La vera svolta si ebbe nel 1856, con l'invenzione da parte dell'inglese Bessemer di un sistema rapido ed economico per affinare la ghisa liquida, trasformandola in acciaio; un ulteriore progresso si ebbe nel 1865 con la messa a punto del metodo Martin-Siemens, che permise di utilizzare rottami ferrosi nella produzione. Le prime applicazioni strutturali dell'acciaio si ebbero in Inghilterra e furono destinate alla costruzione di ponti. il primo, in assoluto, fu il ponte sul Severn a Coolbrokdale che aveva una luce libera di circa trenta metri ed era formato da due semiarchi, realizzati in un pezzo unico, poi uniti assieme in fase di costruzione. Lideazione e la realizzazione di tale manufatto si deve alla collaborazione di tre soggetti diversi; un progettista ideatore, John Wilkinson, figura centrale nello sviluppo delle applicazioni tecniche dell'acciaio; un industriale produttore, Abraham Darby ed unarchitetto, P.Pritchard che ne disegn la-struttura. Il successo .di questa realizzazione favor la diffusionedi questo,nuovo tipo costruttivo, e molti altri ponti in.ferro, di dimensioni sempre maggiori furono costruiti a cavallo tra il XVIII e il XIX secolo. Le prime forme di utilizzazione in edilizia, in termini di elementi strutturali autonomi, avvennero sotto forma di "colonne di ghisa", intorno al 1780, con la prima rivoluzione industriale. Esse sostituirono i ritti in legno, sostegni tradizionali della copertura delle prime filande inglesi. Le nuove macchine richiedono spazi coperti sempre pi ampi; la sostituzione del legno con la ghisa permise di aumentare la luce delle campate e rende possibile una migliore utilizzazione dello spazio.

    Fig. 13 Ponte sul Severn

    Fig. 14 Convertitore Bessemer

    Fig. 15 Il Cristal Palace (vista in sezione

    Fig. 16 Colonne in ghisa a sostegno della copertura della biblioteca S. Genevieve di H. Labrouste (Parigi

    1860)

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    Le travi con sezioni sagomate, sperimentate nei primi anni dell'800, furono prodotte industrialmente verso il 1835, avviando la sostituzione degli impalcati lignei con strutture miste di acciaio e laterizio; e intorno al 1850 si diede avvio a realizzazioni di travi metalliche reticolari, ottenute con l'unione di profilati prodotti per laminazione. Si interrompe cos una tradizione millenaria basata sull'uso della pietra e del legno. Intanto i progressi di quella che viene comunemente definita l'architettura degli ingegneri si evidenziavano nella realizzazione dei nuovi "santuari" della tecnica moderna; le stazioni ferroviarie e le strutture destinate ad ospitare le grandi esposizioni universali che celebravano i fasti della sempre pi imponente produzione industriale. Tra le realizzazioni pi significative e innovative di questo periodo spicca l'edificio costruito, per la prima Esposizione universale di Londra, da ser John Paxton nel 1851. il Palazzo di Cristallo costituisce un momento fondamentale non solo nella storia delle costruzioni in acciaio, ma dell'intera storia dell'architettura moderna. L'edificio infatti rappresenta il primo esempio "di costruzione interamente prefabbricata nella quale gli elementi, realizzati in officina, furono semplicemente assemblati sul posto da squadre di operai prevedendo, in sede di progetto, la sequenza delle fasi operative e gli opportuni mezzi meccanici necessari a velocizzare le operazioni di montaggio. In effetti, il Cristal Palace non esprimeva alcuna soluzione formale particolare; era piuttosto un processo costruttivo reso esplicito quale sistema totale, a partire dalla concezione, dalla fabbricazione e dal trasporto iniziali, fino alla costruzione e allo smantellamento finale.7 Mentre in Europa. in questo periodo, l'impiego dell'acciaio era esclusivamente, rivolto alla realizzazione di grandi "opere pubbliche a destinazione non abitativa. negli Stati Uniti invece si diffondeva, soprattutto a partire dalla ricostruzione di Chicago, il tipo architettonico dell'edificio alto multipiano. I protagonisti di questa ricostruzione sono stati, dalla storiografia architettonica. indicati collettivamente con il termine di scuola di Chicago. In essa alcuni ingegneri di grande valore sono protagonisti dell'introduzione della nuova tipologia edilizia del grattacielo che fu caratterizzata dall 'impiego della struttura portante metallica dapprima circoscritta ai pilastri interni in ghisa completati da massicce murature perimetrali in mattoni, poi via via sempre pi come esclusivo elemento della struttura portante evidenziata nelle facciate caratterizzate da grandi superfici vetrate. Alcune importanti innovazioni tecniche resero possibile la realizzazione dei grattacieli di Chicago, ...la struttura a scheletro in acciaio. Perfezionata soprattutto da W. Le Baron ]enney, consente di aumentare l'altezza senza dover temere ingombri eccessivi dei piedritti nei piani bassi; e di aprire lungo le pareti, vetrate pressoche continue; i nuovi sistemi di fondazioni; l'ascensore di sicurezza a vapore, istallato da Otis a New York nel 1857, compare a Chicago nel 1864;...mentre nel 1887 comincia a diffondersi l'ascensore elettrico. Ascensore, telefono e posta pneumatica consentono di far funzionare alberghi, magazzini e uffici di qualsiasi grandezza e con qualsiasi numero di piani.8 Dal punto di vista della concezione strutturale e costruttiva gli

    Fig. 17 Particolare della struttura a scheletro di un grattacielo della

    scuola di Chicago

    Fig. 18 Magazzini Carson, Pirie & Scott di L.Sullivan (1906)

    Fig. 19 Lake Shore Drive Appartments di Mies van der Roher (Chcago 1951)

    7 Cfr. K: Wachsmann, Una svolta nelle costruzioni il Saggiatore, Milano 1960. 8 Cfr. L.Benevolo Storia dell'architettura moderna Laterza, Bari 1971 pag.261

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    edifici di questo periodo sono caratterizzati da alcune sostanziali differenze; il primo Leiter Building (W. Le Baron Jenney 1879) ancora una costruzione ibrida con travi in ferro fucinato poggianti su colonne in ghisa all'interno e pilastri in muratura lungo le facciate. Successivamente, con l'introduzione dell 'acciaio colato, le colonne in ghisa sono soppiantate da pilastri e travi in profilati normalizzati assemblati alle travi mediante chiodatura. La concezione strutturale "a scheletro" dei primi edifici, in cui le pareti murarle conferivano la necessaria rigidezza all'insieme, viene soppiantata dalla struttura "a gabbia" in cui l'ossatura portante irrigidita da opportune controventature in acciaio, che divengono parte integrante della struttura delledificio. Grazie a questa nuova concezione si ottiene un sostanziale alleggerimento della struttura con conseguente maggiore utilizzabilit dello spazio interno e riduzione dei tempi di esecuzione, inoltre come evidente nel Reliance Building (D.H. Burnham 1895) e nei magazzini Carson, Pirie & Scott (L.Sullivan 1906) l'ossatura portante interna resa chiaramente visibile in facciata e completata da ampie partiture vetrate. Vengono cos, all'inizio del nuovo secolo, messi a punto gli elementi essenziali che caratterizzeranno la costruzione metallica nei decenni successivi. La massima espressione architettonica dei presupposti introdotti dalla scuola di Chicago, si ritrovano nella produzione americana di L. Mies van der Rohe che, applic al tema del grattacielo alcune sue precedenti sperimentazioni europee, infatti le case alte di Mies possono essere considerate come la sovrapposizione delle case di vetro a un piano progettate negli anni '30. In particolare, i punti caratterizzanti la sua concezione architettonica furono: la pianta, concepita su una maglia quadratata, la struttura metallica evidenziata in facciata, la superficie prevalentemente vetrata delle chiusure esterne. Un esempio significativo della poetica Miesiana costituito dai due edifici dei Lake Shore Drive Appartments costruiti a Chicago nel 1951. Nel secondo dopoguerra si afferm in America ed in Europa lidea di realizzare, a partire da componenti standard da montare in cantiere, veri e propri sistemi costruttivi smontabili e flessibili. In tal senso particolare rilevanza rivestono le ricerche e le sperimentazioni di alcune figure di geniali innovatori, quali: J. Prouv, K. Wachsmann e B. Fuller.

    Fig. 20 Lake Shore Drive Appartments

    (Particolare della facciata)

    Fig. 21 Particolare della facciata delledificio per abitazioni in Rue

    Mozart a Parigi di J. Prouv

    ELEMENTI COSTRUTTIVI Pilastri Gli elementi portanti verticali sono di solito formati da profili chiusi tubolari quadrati, rettangolari o circolari o da profilati tipo HE che come i profilati chiusi a base quadrata presentano uguali valori di inerzia nelle due direzioni principali, e quindi minore sensibilit a fenomeni di instabilit per snellezza. I pilastri possono essere anche realizzati atttraverso lunione di semilavorati connesi traloro a formare elementi composti; questa scelta pu derivare da esigenze strutturali o architettoniche. Il collegamento dei pilastri alle fondazioni avviene tramite piastre bullonate a tirafondi preventivamente annegati nel getto di calcestruzzo della fondazione.9

    Fig. 21 Profilati chiusi per la realizzazione di pilastri

    9 Le fondazioni degli edifici con struttura in acciaio sono sempre realizzate in calcestruzzo armato.

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    Solai I solai composti in acciaio-calcestruzzo sono costituiti da una lamiera grecata di acciaio su cui viene eseguito un getto di calcestruzzo normale o alleggerito. La lamiera ha la funzione di cassero durante la costruzione e costituisce parte o tutta larmatura longitudinale dopo lindurimento del calcestruzzo. Poich non sufficiente la semplice adesione chimica fra la lamiera e il calcestruzzo, sono previste opportune lavorazioni superficiali o particolari sagome per garantire laderenza fra i due materiali. I solai misti in lamiera grecata e calcestruzzo hanno un ingombro modesto, ed una notevole leggerezza, se si rapporta il loro peso al carico che possono sostenere. Inoltre la posa di questi solai, una volta approntata lorditura di sostegno, richiede solamente lappoggio della lamiera sulla struttura, dopo di che il solaio svolge la sua funzione portante senza alcuna attesa, accelerando cos i lavori e consentendo di procedere contemporaneamente su pi piani. Inoltre, lelasticit funzionale la prerogativa pi nota e riconosciuta dei solai metallici. Infatti su di essi sono consentiti interventi di ogni tipo, quali per esempio: tagli, aggiunte, saldature, modifiche, rinforzi e cos via, che rendono elastiche e, entro certi limiti, modificabili le loro prestazioni, in modo da poter adattare ogni solaio alle esigenze che di volta in volta si presentano.

    Tabella dei valori di carico massimo ammmissibile per lamiere grecate in funzione

    di spessore e distanza tra gli appoggi

    I solai metallici con calcestruzzo o senza possono presentare frecce superiori a quelle dei solai tradizionali in laterocemento. Per questo motivo bene non posare pavimenti monolitici o realizzati con dimensioni troppo grandi, in quanto la flessibilit dei solai pu determinare fessurazioni irregolari o sbriciolamento negli spigoli a contatto. perci consigliabile usare pavimenti flessibili o di piccole dimensioni; inoltre si dovranno adottare pavimenti leggeri in modo tale che il ridotto peso (e quindi costo); sia il pi logico complemento dellinsieme solaio-struttura, che rappresenta nei solai metallici il miglior vantaggio Anche i tramezzi dovranno essere definiti con maggior accuratezza in quanto il loro posizionamento dovr tener conto dellentit delle frecce del solaio metallico; adozione di pareti divisorie prefabbricate e leggere acquista perci notevole interesse. I muri di tamponamento esterno, se eseguiti con sistemi tradizionali, dovranno essere appoggiati su di unidonea orditura. I passaggi e le aperture attraverso i solai devono essere possibilmente disposti in modo da non interessare le nervature, ma

    Fig. 22 Profilati HE

    Fig. 23 Pilastro realizzato con due profilati a doppio T e diagonali ad L

    Fig. 24 Pilastro composto progettato da Mies per il padiglione di Barcellona

    Fig. 25 Collegamento tra pilastro e fondazione

    Fig. 26 Solaio in lamiera grecata

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    solo la parte tra una nervatura e laltra. I tavelloni sono elementi forati, con spessore tra 5 e 8 centimetri, larghezza di circa 25 centimetri e lunghezza che varia dai 50 ai 200 e pi centimetri; le tavelle hanno analoga configurazione ma sono di spessore minore (4-6 cm) e di lunghezza massima compresa tra i 40-50 centimetri. Mentre le tavelle trovano impiego nelle controsoffittature, nelle "fodere" di pareti verticali e in specifici interventi di isolamento termico (come coperture di pilastri e cordoli in c.a. per evitare i ponti termici), i tavelloni vengono impiegati sia per realizzare strutture orizzontali, appoggiati su appositi travetti o muricci, sia per strutture verticali di controfodera o tramezzature (sono correttamente impiegati, per quest'ultima destinazione, i tavelloni "gessati", ricoperti su una o su tutte due le facce maggiori di scagliola di gesso, che consente di ottenere una superficie piana senza necessit di ulteriore intonacatura), oltre ad avere un largo impiego nella relizzazione di arredi fissi interni quali pedane, mensole, muretti ecc. Dagli anni Ottanta in avanti si riacceso in Italia linteresse per i solai in acciaio, pertanto anche il solaio in acciaio e laterizio, nelle attuali riletture, dimostra consistenti vantaggi soprattutto quando sono richieste elevate prestazioni rispetto ai carichi (in connubio al sovrastante getto di calcestruzzo armato) e la necessit di controsoffittare gli intradossi per inserire gli impianti. Linterasse fra le travi in acciaio attestato sul valore di 4550 cm utilizzando i tavelloni da 45x20 cm (con spessori da 5 a 8 cm); tuttavia inserendo un adeguato getto di calcestruzzo armato, con o senza connettori alle travi in acciaio, linterasse pu aumentare fino al limite massimo di 120 cm, utilizzabile per le coperture inclinate non praticabili. Maggiore linterasse tra le travi e minore risulta la rigidezza del solaio che, pur garantendo la resistenza ai carichi, presenter una notevole flessibilit con alti valori della freccia in mezzeria. necessario verificare se la profondit di appoggio delle travi nei piedritti di sostegno adeguata soprattutto rispetto al materiale costituente i piedritti stessi. In generale per le murature sempre auspicabile linserimento di un cordolo in calcestruzzo armato, oppure altro sistema di ripartizione, per esempio una trave in acciaio, tranne nei casi di muratura di consistente spessore (oltre le tre teste di mattone). Nei solai in acciaio e laterizio la sovrastante soletta in calcestruzzo armato da considerarsi come sovraccarico, mentre, inserendo connettori, questi contrastano le forze di scorrimento tra la trave e la soletta, realizzando una sezione mista acciaio-calcestruzzo in cui il lembo superiore in calcestruzzo soggetto a compressione e buona parte della sezione in acciaio soggetta a trazione, mentre il laterizio interposto funge da cassaforma per il getto e da alleggerimento. Diverse sono le tipologie di connettori, ma i pi diffusi sono quelli a piolo saldato alla trave, oppure quelli infissi meccanicamente nellacciaio. In generale i connettori sono di altezza pari a circa 2/3 dello spessore del getto. Lo spessore minimo della soletta in calcestruzzo armato di circa 5 cm, mentre lo spessore delle ali delle travi in acciaio, per lutilizzo dei connettori, non deve essere inferiori ai 5 mm. Rispetto al sistema con la lamiera grecata, il solaio acciaio-laterizio dimostra un costo pi contenuto e qualche vantaggio rispetto allisolamento termico e acustico. Attualmente la ricerca, nel settore dei solai misti acciaio laterizio, sorprendentemente aperta a nuove soluzioni; per esempio

    Fig. 27 Dimensioni di un pannello in

    lamiera grecata

    Fig. 28 Solaio in acciaio e laterizio

    Fig. 29 Diverse tipologie di solai in acciaio e laterizio

    fig. 30 Tavellone (sigla T) si definisce tale quando h almeno 5,0 cm e L almeno

    50 cm.

    fig. 31 Profili di estremit

    Fig. 32 Profili laterali

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    verso nuovi laterizi appositamente disegnati per solai con travi in acciaio a doppio T, con intradosso liscio o rigato che pu essere lasciato a vista, sfruttando il connubio fra lacciaio e il colore del laterizio, oppure tornando a produrre laterizi curvi da interporre fra le travi a doppio T, realizzando solai con pseudo-voltine.

    NODI E CONNESIONI Una delle questioni che pi influiscono sul comportamento delle costruzioni in acciaio quella della connessione tra gli elementi della struttura; infatti essa costituisce un problema di duplice natura: costruttivo esecutivo, progettuale strutturale. Nel primo caso riguarda le condizioni di esecuzione e montaggio in cantiere, nel secondo la trasmissione delle sollecitazioni tra gli elementi della struttura portante. Dal punto di vista esecutivo i principali sistemi di connessione sono: la chiodatura, la bullonatura e la saldatura, che spesso sono impiegati in combinazione tra loro. Chiodatura e bullonatura sono sistemi di connessione che prevedono lutilizzo di elementi mobili che fanno da connettore e che necessitano di forature preventive degli elementi da unire. La saldatura permette atraverso la fusione metallica di ottenere collegamenti monolitici. La chiodatura, prevalentemente usata in passato, si effettua realizzando i fori e poi modellando il chiodo in opera mediante battitura a caldo. La bullonatura un sistema di connessione reversibile e particolarmente affidabile; i bulloni sono costituiti da vite e dado e come i chiodi sono soggetti a sforzi di taglio.10 La distanza tra i bulloni deve rispettare precise regole per evitare che i fori siano troppo ravvicinati, di solito gli interassi tra i fori sono non minori di 2,5 volte il loro diametro. Le saldature vengono realizzate sfruttando il principio dellarco voltaico ed utilizzando generatori elettrici a basso voltaggio e materiale di apporto che fonde assieme ai lembi degli elementi da unire. Le saldature possono avvenire per sovrapposizione o di testa con laggiunta o meno di piastre. Per la corretta esecuzione di una saldatura occorre limpiego di manodopera specializzata. Spessore e lunghezza delle saldature vengono calcolate in sede di progetto. Generalmente le connessioni effettuate in cantiere sono bullonate mentre le saldature si effettuano in officina. La trasmissione delle sollecitazioni tra pilastro e trave o tra trave principale e trave secondaria pu avvenire mediante connessioni articolate o rigide. Le prime, realizzate mediante bullonatura, sono assimilate a vincoli di semincastro, le seconde si realizzano per saldatura con ripristino della sezione resistente. Nelle strutture a telaio pluripiano si mantiene di solito la continuit dei pilastri interrompendo le travi, ma poich non facile trasportare profilati di lunghezza superiore ai 10 metri, si devono operare giunzioni tra tratti di pilastri. Nelle strutture a telaio le travi principali sono quelle che trasferiscono i carichi ai pilastri le secondarie quelle, che di solito, portano i solai. Le strutture in acciaio degli edifici in genere sono costituite da telai multipli (ossia a pi campate complanari) paralleli collegati tra loro da travi perpendicolari ai piani su cui essi giacciono. I telai in acciaio degli edifici di piccole dimensioni possono essere realizzati impiegando profilati a caldo o a freddo, mentre i telai in

    Fig. 33 Connessioni chiodate: A) sovrapposta, B) di testa con piastra coprigiunto, C) angolare con piastra cantonale.

    Fig. 34 Connessioni saldate tra pilastri e travi

    Fig. 35 Connessioni bullonate tra pilastri e travi

    Fig. 36 Connessione saldo-bullonata

    10 Il diametro dei bulloni riferito ai gambi e si misura dalla parte non filettata varia di solito tra i 12 e i 27 mm.

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    acciaio degli edifici di dimensioni medie o grandi sono sempre rea- lizzati impiegando profilati a caldo. I telai in acciaio si classificano in telai a trama larga e telai a trama stretta. I termini "largo" e "stretto riferiti alla distanza di interasse tra i pilastri. I telai pi utilizzati come strutture portanti degli edifici sono di gran lunga quelli a trama larga con maglia strutturale rettangolare. La struttura in acciaio pi tipica quella a telaio costituita da pilastri continui e travi che si interrompono in corrispondenza dei pilastri, connesse ad essi con l'ausilio di angolari in acciaio bullonati o saldati ai pilastri stessi. Le travi perimetrali possono anche essere fatte correre esternamente ai pilastri, in modo tale da non doverle interrompere, e connesse a essi con squadrette o angolari. In questo caso esse sono di solito a doppio T o a C. Solitamente le ali dei pilastri sono parallele alla direzione delle travi principali. La distanza tra i pilastri variabile tra i 3 e i 10 metri, i solai sono appoggiati su travi secondarie con interasse tra i 2 e i 5 metri.

    CONCEZIONE STRUTTURALE Le strutture in acciaio sono realizzate mediante lassemblaggio di elementi monodimensionali (profilati) o bidimensionali (lamiere) prodotti in stabilimenti siderurgici e preparati (taglio, foratura, saldatura) in officina. Le strutture in acciaio hanno quindi un grado di vincolo mutuo tra i vari elementi che tende ad essere il minimo possibile pertanto, lo studio dei collegamenti diventa una parte predominante del progetto delle strutture in acciaio, a cui si dedica pi tempo e pi cura che al progetto delle aste stesse e che spesso condiziona la scelta delle sezioni degli elementi strutturali. Ulteriore problema nel dimensionamento delle sezioni in acciaio riguarda la deformabilit. In numerosi casi la scelta della sezione condizionata pi dai limiti di deformabilit che dai limiti di resistenza. Luso di sezioni molto piccole rende le aste compresse e le strutture dotate di elementi compressi particolarmente sensibili al problema dellinstabilit (dellasta o dellintera struttura). Nelle strutture in acciaio quindi essenziale la verifica di stabilit delle aste compresse. Dimensionamento del pilastro Nelle costruzioni in acciaio si possono realizzare pilastri sottili grazie allelevata resistenza del materiale, tuttavia poich le strutture verticali compresse sono soggette a problemi di snellezza che determinano fenomeni di pressoflessione per carico di punta occorre verificare il rapporto tra la lunghezza del pilastro e la minore delle dimensioni della base oltre al tipo di collegamento alle estremit del pilastro. Ossia verificare la snellezza. La snellezza di un pilastro () si determina applicando la formula: = L 0 / min.11 che consente di determinare la effettiva lunghezza utile del pilastro al fine del suo dimensionamento e/o verifica. L 0 = 0,5L; 0,7L ; 1L a seconda dei vincoli di estremit (doppio

    Fig. 37 Connessione articolata realizzata con bullonatura

    Fig. 38 Connessione rigida realizzata con saldatura e ripristino della sezione

    resistente

    Fig. 39 Connessioni tra pilastro e trave (sx. con pilastro continuo e trave interrotta, dx con trave continua e ripristino di sezione

    in corrispondenza del pilastro)

    Fig. 40 tipi di taglio alle ali delle travi principali per consentire connessioni in

    continuit con travi secondarie

    11 Si definisce lunghezza dinflessione la lunghezza L0 = l da sostituire nel calcolo alla lunghezza L dellasta quale risulta nello schema strutturale. Il coefficiente deve essere valutato tenendo conto delle effettive condizioni di vincolo dellasta nel piano di flessione considerato. (Decreto Ministero dei lavori pubblici 9 gennaio 1996 Norme tecniche per il calcolo, lesecuzione ed il collaudo delle strutture in cemento armato, normale e precompresso e per le strutture metalliche).

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    incastro, incastro cerniera, doppia cerniera) min = al raggio dinerzia e varia in funzione della forma e della dimensione minore e della base del pilastro il suo valore si ricava dalle tabelle. Da ci si desume che i pilastri sono meno soggetti a carico di punta quanto pi sono tozzi e vincolati alle estremit con incastri. Il progetto e la verifica delle strutture semplicemente compresse si effettua a partire dalla formula: = N/A < amm. Dove: la tensione di compressione nella sezione considerata amm. la ridotta del coefficiente di sicurezza, che dipende dal metodo di calcolo adottato e dalle normative, N il carico agente, A larea della sezione del pilastro. Il dimensionamento del pilastro parte dalla quantificazione del carico che deriva dal peso proprio e dai sovraccarichi agenti sul pilastro, perci per determinarlo occorre ipotizzare un dimensionamento di massima, per conoscere il peso a metro lineare del profilo, e quindi verificare che la di compressione della sezione scelta sia inferiore alla ammissibile. Infine occorre verificare il pilastro progettato rispetto al carico di punta.

    Esempio di progetto Si vuole dimensionare un pilastro per il quale: N = 240000 kg (peso proprio + sovraccarichi) Il Tipo di acciaio = Fe 360 la cui amm = 1600kg/cmq. Lincognita la sezione del pilastro; A (area della sezione del pilastro) = N/amm; per cui: A = 240000kg/1600kg = 150 cmq. Occorre quindi utilizzare un profilato la cui sezione abbia unarea non minore di 150 cmq, a seguito della consultazione delle tabelle si sceglie un profilo HEB da 320 mm, la cui area 161,3 cmq.> di 150 cmq. Se si effettua la verifica si ha: 240000/161,3 = 1487,9 kg/cmq < 1600 kg/cmq. Verifica al carico di punta del pilastro appena dimensionato: H pilastro cm 437; condizioni di vincolo: incastro e cerniera per HEB 320 dalle tabelle si ricava il valore di min. = 7,57 L0 = 437 x 0,7 = 305; = L0/ min = 305/7,57 = 40,2 (coefficiente di snellezza) In base a tale coefficiente dalle tabelle si ricava il valore di che un coefficiente maggiorativo da applicare al carico, per cui la formula di verifica diviene = N /A ossia 240000 x 0,9/161,3 = 1340 kg/cmq < 1600 kg/cmq. E verificato rispetto al carico di punta.

    Dimensionamento della trave Nel progetto della trave i parametri in gioco sono :

    La luce (distanza tra gli elementi verticali di sostegno; muri o pilastri)

    Il carico agente (che produce momento flettente e taglio) Il tipo di collegamento tra trave e elemento verticale

    (appoggio o incastro) Gli elementi da progettare sono :

    La sezione (tipo di profilo ed altezza ) La geometria della struttura (disposizione, interassi,

    presenza di sbalzi) I nodi (connessioni con le strutture verticali; articolate,

    rigide, cordoli)

    Fig. 41 Connessionii tra trave principale e secondaria

    (in sovrapposizione, in continuit, in spessore)

    Fig. 42 Struttura a telaio con travi principali corte e travi secondarie pi

    lunghe che portano i solai

    Fig. 43 Struttura a telaio con travi principali lunghe e secondarie corte

    Fig. 33 In funzione del tipo di vincolo la lunghezza teorica dinflessione varia da

    0,7L a 1L

    Fig. 34 Area dinfluenza dei

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    Le travi, che sono strutture inflesse, hanno una resistenza proporzionale al loro Modulo di resistenza che dipende dal momento dinerzia rispetto allasse verticale. (per questo motivo le travi pi efficienti sono quelle in cui laltezza maggiore della base) Sia il momento flettente che la deformazione della trave (freccia) aumentano in funzione della luce, ma mentre il momento flettente aumenta in ragione del quadrato della luce; la freccia aumenta in ragione della quarta potenza. Infatti il valore del momento in una trave appoggiata uniformemente caricata PL2/8; mentre il valore della freccia in mezzeria : cPL4/EJ (c = costante dipendente dal tipo di vincolo della trave; E = modulo di elasticit dellacciaio = 21000000kg/cm2; J = raggio dinerzia dipendente dalla forma e dalle dimensioni della sezione). Ci vuol dire che nelle travi in acciaio, caratterizzate da un elevato modulo di elasticit, occorre controllare le deformazioni che possono in alcuni casi essere incompatibili con le esigenze duso e con la conservazione degli elementi di completamento superiori (pavimenti, tramezzi ecc.) la normativa prevede valori max. della freccia in mezzeria da verificare in fase di progetto (non meno di 1/250 della Luce). La verifica a flessione di una trave si effettua a partire dalla formula di Navier: = M/W < amm Dove M il momento max. W il modulo di resistenza che dipende dalla sezione scelta e si ricava dalle tabelle (aumenta con laumentare dellaltezza del profilo) 12 Lefficienza strutturale di una trave rispetto a, momento flettente e freccia massima, aumenta se a parit di carico e di vincolo si prevede una certa quantit di sbalzo che riduce la luce delle travi e determina momenti negativi nella zona dei pilastri che equilibrano quelli positivi nelle parti centrali. Analoga condizione si verifica nelle travi continue su pi appoggi.

    Esempi di progetto Dimensionamento della trave (VERIFICA) Dati di partenza: Luce trave m. 5,00 carico 4000 kg/m. Trattandosi di una verifica ipotizziamo in modo empirico una sezione IPE la cui altezza, data la rilevante entit del carico, pari a 1/15 della luce; per cui L = 5000 mm /15 = 330 mm. Proviamo con un profilo IPE da 330 ricordando che per Fe 360 amm = 1600 Kgcm2

    Dalle tabelle ricaviamo W = 713 cm3 per cui: 1250000 / 713 = 1753 >1600. la sezione ipotizzata insufficiente. Occorre cambiare profilo proviamo con un HEB 240 il cui W = 938 cm3 per cui: 1250000 / 938 = 1332

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    - peso dei tavelloni (s =cm9) = 0,09x1x1x800kg/mc = 117 kg/m2 - calcestruzzo alleggerito di riempimento (s= cm 5) = 0,05x 1x1x1300kg/mc= 65Kg/ m2 - soletta in c.c.a. con rete elettrosaldata (s = 4cm) = 0,04x1x1x2500kg/mc= 100kg/m2 - Pavimento e massetto = 70kg/m2 per cui sommando si ricava il carico permanente = 362 Kg/ m2 Il Carico accidentale variabile in funzione della destinazione duso (per civili abitazioni) 200 kg/m2.

    Carico totale 562 kg/m2 2. Calcolo del Mmax Su ogni trave il carico q = 562x0,7= 393kg/m. La luce viene determinata in base alla massima distanza tra gli appoggi x 1,05 = 3,87x1,05= 4,06 m M per unipotesi di trave semplicemente appoggiata = ql2/8 per cui 393x4,062/8= 810 kgm Ricordando che M/W < amm avr: 81000/146,3 (modulo di resistenza per la sezione ipotizzata) = 553 1/250 della luce deformazione eccessiva. Dovremo utilizzare una IPE 200. Pertanto nonostante la sezione notevolmente inferiore resistesse bene al momento massimo occorre maggiorare laltezza per contenere la deformazione in mezzeria.

    Fig. 37

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