SCHELETRO PORTANTE di ACCIAIO -...

CORSO DI LAUREA IN SCIENZE DELL’ ARCHITETTURA

1 DISPENSE DEL LABORATORIO INTEGRATO DI PROGETTO E COSTRUZIONE 2 - MODULO ARCHITETTURA TECNICA

SCHELETRO PORTANTE di ACCIAIO

Le costruzioni metalliche, come quelle di legno, sono realizzate per assemblaggio di elementi prefabbricati (travi, pilastri o co-

lonne, lastre, ecc...) la cui forma e le cui dimensioni sono, da un lato rispondenti ai requisiti dell’opera, dall’altro conseguenti ai

vincoli di produzione, trasporto e montaggio.

Trattandosi di elementi e sistemi costruttivi industrializzati, l’impresa di costruzione metallica gioca un ruolo molto importante

nella messa a punto del progetto tecnologico. Gli elementi verticali e orizzontali, nello scheletro di acciaio, sono realizzati con

profilati a caldo. (vedi pagina 2)

Le sezioni sono diverse (quadrate, circolari, angolari, a doppia T, a I, a L, etc.), oppure possono essere composte. Data l’ampia

gamma delle sezioni in commercio, la loro forma e le elevate prestazioni meccaniche del materiale, è possibile realizzare tra-

vi, e quindi solai, con grandi luci, di spessore relativamente modesto, anche in presenza di forti carichi..

La sezione ridotta dei pilastri consente un maggior utilizzo della superficie lorda per ogni piano.

Per gli edifici di acciaio non ci sono operazioni “a umido” ed anche gli elementi “a secco” sono soltanto in parte as-

semblati in cantiere, quindi l’ingombro nel cantiere stesso è molto ridotto, con notevoli vantaggi per l’agibilità operativa.

Profilati a L, a Z ed a T in accia-

io .



Diverse sezioni di sagomati a fred-

do:

La laminazione a freddo è un proces-

so di lavorazione meccanica a tem-

peratura ambiente o quasi.

Diverse sezioni di profilati a caldo:

Il materiale di partenza viene riscal-

dato e dev’essere portato alla tem-

peratura di massima plasticità. Suc-

cessivamente passa molto veloce-

mente nei rulli che sono in realtà

delle gabbie di laminazione.



Profilati a T a spigoli tondi in accia-

io Fe 320. Tavola riassuntiva dei

valori tipici dei profilati.

I vantaggi nelle costruzioni in acciaio sono principalmente i seguenti:

• la notevole distanza fra i pilastri consente maggiore flessibilità nell’utilizzo dello spazio interno;

• lo scheletro portante interno può essere modificato nel tempo dato che gli elementi sono uniti con metodi industriali

a secco;

• possono essere rinforzati con l’aggiunta di parti supplementari per sopportare carichi maggiori;

• si possono aumentare le luci libere sopprimendo alcuni pilastri;

• può essere aumentato il numero di piani;

• possono essere aggiunte o smontate singole parti dell’edificio.

Il peso di uno scheletro portante in acciaio è molto inferiore a quello in c.a.; ma la relativa leggerezza rende tuttavia l’edificio,

soprattutto quando è alto e sottile, particolarmente sensibile all’azione orizzontale del vento e comporta l’adozione di ele-

menti costruttivi di irrigidimento, al fine di contrastare le deformazioni. (vedi schemi pagina 5)



T Hotel, particolare di cantiere. Esempio di ordito in acciaio.

Colonne e pilastri in acciaio; il problema del-

la snellezza.

Negli edifici a telaio il pilastro che porta le travi, i

solai di piano intermedio e di copertura, trasmet-

te i carichi gravitazionali alle fondazioni; l’entità

delle sollecitazioni è funzione della posizio-

ne del pilastro all’interno dello scheletro

portante.

In linea teorica il pilastro è destinato a portare

carichi assiali di compressione, ma il modo con

cui è collegato agli altri elementi costruttivi, con-

diziona il tipo di sollecitazione cui è soggetto.

Nella pratica il carico perfettamente assiale

non si verifica quasi mai, perché il pilastro non

è mai perfettamente rettilineo e simmetrico; il ca-

rico non è mai perfettamente centrato.

L’incidenza di questi fattori è diversa a seconda

della snellezza del pilastro.

Occorre notare che i ritti devono essere pen-

sati in ragione del carico, ovvero della sua enti-

tà e della sua distribuzione, nonché in ragione del

tipo di connessione o vincolo previsto .

Di norma, si preferiscono sezioni quadrate o

tubolari, realizzate con ferri HE o profilati tubolari a sezione circolare o

quadrata.

Un ulteriore aspetto da valutare con cura è l'eventuale variazione

dell'assetto modulare della trama statica.

Se gli elementi portanti sono disposti l’uno sull’altro, per tutta l’altezza

dell’edificio, la ripartizione dei carichi non presenta alcun problema.



Tutto si complica quando le colonne sono sfal-

sate, oppure quando qualcuna manca. In questo caso

occorrono opportune travi che trasmettono il carico

verso i sostegni rimasti. Queste grosse travi sono

sempre sollecitate a flessione, e pertanto il pilastro

superiore subisce un cedimento, generando problemi

considerevoli, in particolare nel sistema di facciata.

Quindi si cercherà sempre di progettare grosse

travi con massima rigidità alla flessione. Nel ca-

so di forti sollecitazioni possono occorrere travi alte

anche un piano: travi reticolari.

Soprattutto nel caso di edifici alti, si devono dimen-

sionare le sezioni delle colonne, in modo che tutte

siano, più o meno, sollecitate allo stesso modo.

Per le sollecitazioni orizzontali è necessario che

in ogni piano vi siano almeno tre pareti verticali

controventate (vedi figura).Tali superfici possono

avere delle aperture, anche di dimensioni tali che di-

ventino telai, tralicci o sistemi irrigiditi da puntoni e

travi.

In ogni caso deve essere garantita la ripartizione del-

le forze all’interno della superficie portante.

Questa ripartizione del carico avviene di solito attra-

verso le controventature di solai e tetti.

• A destra: controven-

tamento dei telai

formanti il nucleo

centrale dell’edificio,

e collegamento ad

esso dei telai peri-

metrali attraverso i

solai rigidi.

A sinistra: negli edifici

alti e nei grattacieli le

soluzioni di controventa-

mento sono riconducibili

a due alternative:

• telai rigidi sul perime-

tro dell’edificio e col-

legamento fra i telai

esterni e quelli interni

tramite solai rigidi;



Richard Rogers, Neo Bankside, Londra, 2008-2012

Situato al centro di Londra, di fronte alla Tate Modern Gallery, il Bankside è un complesso residenziale di 5 edifici che uniscono appartamenti di estremo lusso a residenze sociali. Il progetto usa un linguaggio contemporaneo per inserirsi in un contesto variegato caratterizzato da materiali e forme differenti (mattoni faccia a vista, vetrate, acciaio, superfici vetrate, vegetazione).



Richard Rogers, Neo Bankside, Londra, 2008-2012

Di particolare rilevanza, anche espressiva, sono le grandi controventature di facciata, ammorbidite dalla presenza di schermature lamellari in legno, posti tra i due strati della pelle a doppio involucro vetrato ed alternati a solidi pannelli coibentati, dai colori caldi.



Richard Rogers, Neo

Bankside, Londra, 2008-

2012



Norman Foster, Hearts Tower, New York, 2000-2006

Situato lungo la Ottava strada, il nuovo grattacielo si sviluppa per 46 piani al di sopra del vecchio quartiere generale, un edificio Art Déco progettato negli anni ’20. Del vecchio edificio, svuotato per poter costruire il nuovo grattacielo all’interno dei muri perimetrali, rimangono soltanto le facciate Art Déco. Al momento della demolizione parziale della vecchia struttura, sono stati conservati tutti i materiali con l’idea di riutilizzarli per il futuro grattacielo. Infatti lo scheletro metallico della Hearst Tower è stato realizzato utilizzando ben l’85% di acciaio riciclato. La trama triangolare delle travi in acciaio, che incorniciano diagonal-mente le grandi porzioni della vetrata, disegna un modulo a forma di diamante. Non si tratta di una semplice scelta estetica. Le forme triangolari hanno infatti consentito un risparmio di acciaio del 20% in meno rispetto alle quantità utilizzate per una tradizionale struttura, pari a 2mila tonnellate di acciaio. La Hearst Tower è stata concepita nel massimo rispetto ambientale. Non solo per l’utilizzo di materiali riciclati e scelte progettuali volte all’impiego di minori quantità di acciaio, perché la torre consuma il 25% di energia in meno rispetto ai tradizionali grattacieli newyorkesi. Un record in termini di risparmio energetico, che è stato premiato c o n l a c e r t i f i c a z i o n e L E E D . Il vetro a bassa emissione scelto per il rivestimento esterno consente la penetrazione della luce naturale e protegge al tempo stesso l’edificio dall’eccessivo riscaldamento. Inoltre all’interno sono installati, su ogni piano, dei sensori che rego-lano l’intensità della luce artificiale a seconda della quantità di luce naturale che penetra dall’esterno.



Norman Foster, Hearts Tower, New York, 2000-2006

La copertura raccogliere l’acqua piovana, che viene convogliata in una cisterna situata nel sottosuolo, in grado di contenere fino a 53 mc. di acqua, sufficien-te per soddisfare la metà del fabbisogno dell’intero edificio. La sua applicazione più spettacolare trova spazio nell’atrio (foto in alto), dove una cascata di acqua riciclata di 8 metri umidifica l’ambiente in inverno e lo raf-fresca in estate.



Le travi sono di norma composte da un profilato IPE a C o doppio T; l’altezza dipende dal momento flettente.

Se per grandi luci o elevati carichi, l’altezza della trave supera quella dei profili in commercio (600 mm) si utilizzano travi

composte e travi reticolari.

Per ottenere questi elementi si utilizzano tecniche e mano d’opera artigianale.

Le tipologie di travi ottenibili sono molteplici; per esempio se tagliamo l’anima di un IPE secondo una linea mediana, possiamo

suddividere la trave in due metà che possono essere riunite con uno sfalsamento, così da ottenere un nuovo profilato con un al-

tezza maggiore.

Esempi di travi alveolari .

Le travi reticolari sono invece costitui-

te da elementi lineari tesi e compressi

e sono basate sulla ripetizione del tri-

angolo indeformabile.

Le aste compresse hanno sezione tubola-

re, circolare o quadrata. Si usano anche

profili a L o angolari accoppiate, per otte-

nere una sezione il più possibile quadrata.

Le aste tese sono invece costituite da

barre d’acciaio a sezione circolare, pro-

fili ad L affiancati a formare una T, funi e

catene.

Gli attacchi tra le varie aste devono essere

tali da determinare il funzionamento a cer-

niera.



1 - trave reticolare leggera.

2 - attacco rigido

trave a traliccio e co-

lonna

3 - nodo saldato e

giunzione saldata di

corrente inferiore di

trave reticolare

1

2

3



1 - esempio di travatura reticolare in elementi profilati

2 - nodo della briglia inferiore di una capriata triangolare

3 - nodo della briglia superiore di una capriata triangolare

1 2

3



Nodo di capriata a traliccio

Nodo di capriata, inferiore.



Particolari di ele-

menti strutturali

reticolari in accia-

io.

1 - appoggio di

capriata saldato.

2 - nodo d i

capriata superio-

re.

1

2



Occorre poi ponderare con estrema cura il nodo tra trave

e pilastro, valutando quale tipo di connessione sia più op-

portuno adottare.

Tra le tipologie più ricorrenti occorre citare:

-trave interrotta, pilastro passante

-trave passante, pilastro interrotto

Se al posto del conglomerato cementizio usiamo l’acciaio,

o strutture prefabbricate ecc., potremo realizzare pilastri a

doppia altezza e travi interrotte, o, al contrario, travi conti-

nue e pilastri interrotti.

Possiamo pensare di realizzare lo scheletro portante con

un altro elemento costruttivo, costituito sempre da traver-

so e ritto, detto PORTALE.

Il portale è una unità, ovvero è costruito a terra, contem-

poraneamente e poi ribaltato e collocato in opera.

Nodi tra pilastro e pilastro



Il portale solitamente viene

prefabbricato, risulta però

molto difficile il suo trasporto.

Per questo motivo è preferibile

costruirlo a piè d’opera.

Una volta sovrapposti questi ele-

menti occorre unirli nei nodi: le

connessioni, i vincoli sono se-

mi cerniere sempre uguali e

spesso assai semplici da co-

struire.

Ulteriore variante si ottiene po-

nendo una cerniera fra i due ele-

menti costruttivi: otterremo un

arco a tre cerniere.

Si possono verificare nodi di

notevole complessità, costrut-

tiva e statica, quando sul pila-

stro convergono travi secondo

tre o quattro direzioni.

In questi casi acquista parti-

colare importanza il modo di

unione dei componenti:

Nodo trave pilastro: esempi di nodi con trave in-

terrotta e pilastro passante.

Nodo trave pilastro:



- collegamenti chiodati ( non più non usati);

- collegamenti con bulloni;

- collegamenti saldati.

Negli edifici alti, lo scheletro portante è generalmente d’acciaio, perché ha resistenze molto supe-

riori a quelle del cemento armato e consente di ridurre notevolmente la sezione degli elementi resi-

stenti,in quanto l’ordine di grandezza della resistenza

a compressione per il conglomerato cementizio arma-

to è di circa 100 Kg/cm2, mentre per l’acciaio è di ol-

tre 2000 Kg/cm2.

Questi dati indicano che a parità di carico la se-

zione di uno scheletro d’acciaio è 20 volte mino-

re di quella di uno scheletro in conglomerato ce-

mentizio armato.

In alto: nodo tra pilastro e trave

reticolare.

Alla destra in basso:

nodo tra pilastro e

trave con pilastro pas-

sante e trave interrot-

ta.

Il pilastro trasmette il

carico che grava su di

esso al resto della

membrature, median-

te le piastre di colle-

gamento.



Esempi di nodo alla base del

pilastro, particolari costrutti-

vi:

1 - vincolo di cerniera

2,3 - vincolo di incastro.

4,5 - Nodo tra

pilastro e trave.

.

1

2

5

4

3



Nodo tra pilastro e trave, con trave passante. Il pilastro trasmette il carico che grava su di

esso al resto della membrature, mediante la piastra di collegamento.

Nodo tra trave e colonna passante. Particolare costruttivo.

Notare come il vincolo sia reso rigido dal ricorso ad elementi di

raccordo.

Nodo tra pilastro e trave.



Nodo di portale a parete piena.

Nodo tra pilastro e

trave, con pilastro

passante. il ricorso

ad elementi di rac-

cordo tesi a rende-

re rigido il nodo,

consente di assimi-

lare lo stesso ad un

incastro.

Inoltre il costo si riduce notevolmente al diminuire dell’ingombro

della struttura portante e aumentano gli spazi utili.

In definitiva otteniamo un edificio molto alto con uno scheletro molto

snello che però ha una forte tendenza ad oscillare se sottoposto a

sollecitazioni orizzontali.

In passato per evitare le oscillazioni si eseguivano dei muri

molto spessi o si addossavano ad essi dei contrafforti.

Se noi, allo scheletro portante d’acciaio, aggiungiamo dei blocchi

con pareti di cls contenenti scale, ascensori e/o tutte le canalizzazio-

ni impiantistiche, e se li colleghiamo ai solai, le azioni orizzontali che



Particolare costrutti-

vo di arco a tre cer-

niere.

Nodo bullonato e giunzione a flangia per montan-

te tubolare.

Attacco bullonato di trave a traliccio tubo-

lare su colonna mono tubolare.

investono le pareti vengono trasferite attraverso i solai, alle torri che grazie ala loro forma e peso ele-

vato riducono le oscillazioni dell’edificio.

Un altro modo di limitare le oscillazioni è quello di intervenire direttamente sullo scheletro portante.

In tal caso si opera realizzando nelle testate un’orditura bidimensionale, che conferisce mag-

giore rigidezza.

Negli scheletri di acciaio gli elementi compressi generalmente hanno sezione circolare o

quadrata, in modo che il raggio di inerzia sia uguale in tutte le direzioni, mentre gli elementi

inflessi hanno sezione inscrivibile in un rettangolo.

Essendo questi elementi prodotti industrialmente, possiamo trovarli in commercio in dimensioni stan-

dard.

Può capitare però, nel caso di grandi luci, di dover superare le altezze massime; in questo caso dobbia-

mo costruire l’elemento partendo da lamiere di acciaio di 2/3 cm che poi verranno saldate.



Esempi di vincoli tra travi e

setti in C.A.

Esempi di vin-

coli tra travi

a c c o p p i a t e

passanti e co-

lonne passanti

in acciaio.



Colonne e pilastri in acciaio

Il problema della snellezza

Nello scheletro portante in acciaio, il pila-

stro che porta le travi, i solai di piano e di

copertura, trasmette i carichi alle fonda-

zioni. L’entità dei carichi è funzione della

posizione del pilastro nello scheletro por-

tante. In linea teorica è destinato a porta-

re carichi assiali di compressione, ma il

modo con cui è collegato agli altri ele-

menti dello scheletro condiziona nella re-

altà il tipo di sollecitazione cui è sogget-

to. Di solito la condizione di carico assiale

non si riscontra mai: il pilastro non è mai

perfettamente rettilineo e perfettamente

simmetrico e il carico non è perfettamen-

te centrato.

Sollecitazioni nei pilastri in funzione delle

condizioni di carico:

nella prima immagine a destra pilastro com-

presso caricato in asse;

nella seconda immagine a destra pilastro

snello sottoposto a compressione e flessione

per carico di punta;

nell’immagine sotto pilastro rigidamente col-

legato alla trave in un telaio, sottoposto a

flessione e compressione.

Berlino galleria d’arte moderna, Mies



Nodo di incastro tra travi primarie e secondarie, semplice ( 1-2) e con ampliamento della sezione all’ inca-

stro ( 3-4)

1 2

4

3



Esempio di

nodo tra trave

primaria e tra-

ve secondaria.

P a r t i c o l a r e

costruttivo di

un nodo rigi-

do.

Particolare di

c o n t r o v en t i

verticali.



Esempio di nodo tra trave primaria e trave secondaria.

Particolare di controventi orizzontali.

Esempi di nodi tra elementi in acciaio, du-

rante le fasi di cantiere.



Esempio di telaio strutturale in acciaio. Particolare

della Rockefeller Guest house, di Philip Johnson.

Occorre ricordare in fase di studio di un telaio in

acciaio che sempre deve essere garantita la ripar-

tizione delle forze all’interno della superficie por-

tante.

Questa ripartizione del carico avviene di solito at-

traverso le controventature di solai e tetti.



Schema statico della

trave armata.

Notare il profilo supe-

riore sottoposto a fles-

sione, i contraffissi ver-

ticali compressi, posti a

rompere la luce libera

di inflessione e il cavo

teso inferiore.

Nuova sede del Cis, Renzo Piano Building Workshop. Particola-

re della trave armata.

Vedute della piazza coperta.



Nuova sede del CIS,

Renzo Piano; particolare

della trave armata, del

nodo con i pilastri e del

contraffisso.



Scheletro portante in legno

Il legno è un materiale elastico, aniso-

tropo, idoneo a sopportare sollecitazio-

ni di flessione, di compressione e di

trazione, in misura differente a seconda

che tali sollecitazioni siano esercitate in

direzione normale, parallela, o tangenzia-

le rispetto a quella delle fibre.

Gli edifici a scheletro portante in legno

hanno tutte le caratteristiche proprie de-

gli edifici realizzati con altri materiali:

elementi strutturali verticali e orizzontali,

distinzione funzionale e costruttiva fra

scheletro portante e di tamponatura.

A differenza degli altri materiali, il

legno viene usato quasi esclusiva-

mente in elementi rettilinei, a sezio-

ne rettangolare o quadrata.

I vari elementi possono essere connessi

tramite incastri, che non richiedono l’uso

di parti metalliche, ma comportano una

lavorazione lunga e la riduzione della se-

zione resistente, oppure attraverso ele-

Connessioni trave pilastro

nel caso di telai in legno:

A - connessione tra mon-

tante e trave passante con

angolari coprigiunti laterali e

piastra interna.

B - connessione tra trave

e montante passante con

mensole scarpa metallica e

piastre chiodate.

C - collegamento di trave

doppia con caviglia e bullo-

ne.

D - connessione con pia-

stre di travi e montanti

E - connessione a 4 vie

con montante continuo e

piastre metalliche interne

menti metallici, di applicazione rapida, poco costosa ma

poco resistenti al fuoco.

Occorre notare che nel caso di telai statici lignei, le sezioni

delle travi sono più sviluppate in altezza che in larghezza.



Nodo tra montante e plin-

to in C.A. i montanti devo-

no essere preservati dall’

umidità, discostando di 15

cm la base del montante

dal terreno a dal plinto. La

connessione è per tramite

di gambo metallico, con

due profilati a T o con due

profilati a U annegati nel

plinto

Griglie di travi retico-

lari in legno lamella-

re.

Travi con uguale

spessore (a), con

corrente superiore

sovrapposto (b) e

con sezioni di diver-

sa altezza (c-d).

Griglie di travi a parete piena in legno lamellare. Connessioni

ottenute con connettori metallici (a-b-c), con giunto metallico

cruciforme (d-e) con flange saldate a un elemento tubolare (f-g)

e con piastra metallica (h).



Tipi strutturali in legno lamellare:

Travi a due appoggi ed elementi a più appoggi.

Ciò avviene poiché questo elemento deve avere un momento di

inerzia rilevante rispetto all’asse baricentrico, così da assicura-

re resistenza sufficiente.

Per quanto riguarda i ritti, le sezioni più utilizzate sono la qua-

drata e la circolare. Quest’ultima è la più adatta perché ha un

momento di inerzia uguale in tutte le direzioni e quindi

da più garanzie di stabilità, perché non ha piani di sbanda-

mento preferenziali.



Esempi di tipi strutturali in legno lamellare:

Travi su due appoggi.

La resistenza al taglio del legno nella direzione delle fibre è molto scarsa,

mentre è molto superiore nella direzione ortogonale.

Nella fabbricazione dei legni artificiali (lamellare), infatti, si suddivide un

tronco in fogli che poi vengono riuniti alternando la direzione delle fibre.

migliorare il comportamento meccanico.



Portali a tre cerniere di

legno lamellare: esempi

di portale con piedritto

metallico, con montante

scomposto, e con mon-

tante incastrato.

Sistemi a tre cerniere di legno

lamellare: esempi di capriate,

elementare e con puntoni spin-

genti.



Travi reti-

colari in

legno la-

m e l l a r e .

Tavola del-

le dimen-

sioni, per

sezioni di

travi rettili-

nee.

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