Strutture in Acciaio: Introduzione

L’acciaio è una lega ferro-carbonio. La quantità di carbonio condiziona laresistenza e la duttilità (la prima cresce e la seconda diminuisce all’aumentaredel contenuto in carbonio). I più comuni acciai per carpenteria metallica hannoun contenuto in carbonio molto basso (da 0.17% a 0.22%) e sono quindiestremamente duttili. Una caratteristica importante è anche la tenacitàpdell’acciaio, cioè la sua capacità di evitare rottura fragile alle bassetemperature.

i ( di ) i li i i ll i i hLe normative (DM08 o Eurocodice 3) impongono limiti alle caratteristichemeccaniche (tensione di rottura e di snervamento) ed all’allungamento a rotturadei diversi tipi di acciaio, nonché limiti alla resilienza (legati alla temperaturaed al grado di saldabilità), necessari per garantire la tenacità.

Negli acciai sono contenute anche piccole quantità di manganese e silicio, chef i l ld bili à di l i l i (f f lf ) h dfavoriscono la saldabilità, e di altri elementi (fosforo, zolfo, ecc.) che sono daconsiderare impurità inevitabili. Per la saldabilità dell’acciaio è importante ilgrado di disossidazione: l’ossigeno presente nell’acciaio fuso si combina colcarbonio formando monossido di carbonio CO che nel raffreddamento tornaallo stato gassoso creando diffuse soffiature (l’acciaio viene dettoeffervescente); l’aggiunta di alluminio e silicio, che si combinano conff ); gg ,l’ossigeno formando ossidi che vengono poi eliminati, riduce la formazione dimonossido di carbonio (acciai calmati o semicalmati).

Normativa Italiana

STRUTTURE IN ACCIAIO - STRUTTURE CALCESTRUZZO ARMATO

Aspetti rilevanti nel confronto:

1) M d li à i di i il l l l d i1) Modalità costruttive: condizionano il comportamento strutturale, la scelta deimodelli di calcolo e l’importanza da dare ai dettagli.

2) i l’ l l l’ i i2) Rapporto tra resistenza e peso: l’elevato valore per l’acciaio consentel’adozione di sezioni decisamente ridotte rispetto a quelle usuali per le strutturein c.a..Tale aspetto comporta:- problemi di deformabilità;- problemi di instabilità;p ;- maggiore sensibilità a condizioni di carico trascurabili nel calcestruzzo armato;- rilevanti vantaggi nel caso di grandi luci e in zona sismica.

3) Diverso comportamento a trazione e compressione.

Modalità costruttive:C A : realizzazione in opera (maturazione del calcestruzzo) strutture monolitiche;- C.A.: realizzazione in opera (maturazione del calcestruzzo), strutture monolitiche;

-Acciaio: facilità e rapidità di montaggio (assemblaggio), necessità di intervenirecon accorgimenti per realizzare strutture continue, importanza dello studio dei

ll ticollegamenti.

Elevata deformabilità dellestrutture in acciaio rispetto astrutture in acciaio rispetto aquelle in c.a., problemi inesercizio molto rilevanti (l’EC3t tt i l t t li it di

Deformabilità:- Resistenza dell’acciaio molto elevata;- Sezioni molto ridotte.

tratta prima lo stato limite disevizio e poi quello ultimo).Instabilità:

- Strutture in acciaio molto snelle:- Strutture in acciaio molto snelle:a) Sensibilità al problema della stabilità inpresenza di aste compresse;b) Effetti del secondo ordine nell’analisib) Effetti del secondo ordine nell’analisiStrutturale;c) influenza della tridimensionalità

ll’i bili à d llsull’instabilità della struttura.

Sensibilità a schemi di caricoLeggerezza di strutture in acciaio: incidenza meno rilevante del peso propriorispetto agli altri carichi (variabili come neve e vento).Esempio: copertura non praticabile in acciaio:Peso proprio = 0.15 ÷ 0.3 kN/m2 ;p p ;Neve = 1.3 kN/m2, Vento = 0.3 ÷ 0.5 kN/m2;(Neve circa 80 % del carico totale di progetto).

Strutture di grande luce o in zona sismica• Eventuali problemi dovuti a depressione provocata dal vento;p p p ;• Possibilità di realizzare con l’acciaio strutture di grande luce;• Strutture in zona sismica in acciaio: azione sismica ridotta rispetto al c.a.

grazie all’elevata capacità dissipativa dell’acciaio (duttilità)grazie all elevata capacità dissipativa dell acciaio (duttilità).

Comportamento a trazione e compressioneComportamento a trazione e compressione• Per la struttura in acciaio soggetta a compressione: rischio di instabilità

locale, dell’elemento o della struttura.

Diagramma limite M-N: differenza cemento armato - acciaio

ASTE REALI E ASTE IDEALI – IMPERFEZIONI

Le strutture si calcolano nell’ipotesi che l’asta sia “ideale” cioè perfettamentep prettilinea, omogenea, isotropa ed esente da stati tensionali interni precedentil’applicazione del carico. In realtà le aste prodotte industrialmente presentanoinevitabilmente delle imperfezioni.inevitabilmente delle imperfezioni.Le imperfezioni possono essere:• meccaniche• geometriche.Per le imperfezioni meccaniche, sia nei profili laminati a caldo che in quellilaminati a freddo e a composizione saldata, sono presenti imperfezioni chelaminati a freddo e a composizione saldata, sono presenti imperfezioni cheriguardano le caratteristiche meccaniche, quali:- la presenza di tensioni residue (stati tensionali autoequilibrati nelle sezionitrasversali);trasversali);- la disomogenea distribuzione delle caratteristiche meccaniche nelle sezionitrasversali e lungo l’asse dei profilati.

Nei profili laminati a caldo le tensioni residue si formano a causa del processo diraffreddamento successivo alla laminazione (600°C) e possono venire modificateda eventuali processi termici o da raddrizzamento di natura meccanica.

Nella figura seguente è schematizzato il processo temporale dell’andamentodello stato tensionale della sezione del profilo a seguito del suo raffreddamento.de o stato te s o a e de a se o e de p o o a segu to de suo a edda e to.

Con il termine di imperfezioni geometriche si indicano tutte le variazioni didimensione o forma dell’asta rispetto alla geometria ideale.

1. Si hanno imperfezioni geometriche della sezione trasversale che dipendonoda:

variazioni degli spessori e delle dimensioni delle lamiere nei profili saldati;- variazioni degli spessori e delle dimensioni delle lamiere nei profili saldati;- mancata ortogonalità degli elementi che compongono le sezioni.

2 Inoltre si osservano imperfezioni geometriche dell’asse dell’asta con la2. Inoltre si osservano imperfezioni geometriche dell asse dell asta con ladeviazione dell’asse dell’asta dalla sua posizione ideale perfettamenterettilinea.

Le imperfezioni geometriche possono condizionare in modo evidente ilLe imperfezioni geometriche possono condizionare in modo evidente ilcomportamento degli elementi strutturali. Le normative impongono di tenerneconto.

PROFILATI METALLICI

COLONNE O PILASTRI

Profilati industrialitubolariColonne saldate

Profilati industrialibaionetta

50

100

EstOvest

Colonne composte

01°

Trim.3°

Trim.

OvestNord

Colonne a sezione variabile

C l t ll tCalastrellate tralicciate

SOLAI NELLE COSTRUZIONI IN ACCIAIO

• Pannelli in C.A. o misti con laterizio gettati in opera (soluzione a, b);

L’impalcato può essere realizzato con:

• Pannelli in C.A. o misti con laterizio prefabbricati (soluzione c, d);• Lamiere grecate riempite con materiale inerte (soluzione e);• Lamiere grecate riempite con calcestruzzo collaborante (soluzione f).g p ( )

I solai composti inI solai composti inacciaio-calcestruzzo sonosolitamente costituiti da

l i t diuna lamiera grecata diacciaio su cui vieneeseguito un getto dicalcestruzzo normale oalleggerito.

La lamiera ha la funzione di cassero durante la costruzione e costituisce parte ol’ l i di l d l’i d i d l l P i hétutta l’armatura longitudinale dopo l’indurimento del calcestruzzo. Poiché non

è sufficiente la semplice adesione chimica fra la lamiera e il calcestruzzo, sonopreviste opportune lavorazioni superficiali o particolari sagome per garantirel’aderenza fra acciaio e calcestruzzo.

Altre caratteristiche:

- leggerezza e riduzione degli ingombri- velocità di realizzazione

f ilità di t li ttibilità bl i di t ll- facilità di taglio e scarsa suscettibilità a problemi di tolleranze- facilità nella realizzazione di aperture per il passaggio degli impianti.

Gli spessori della lamiera variano tra 0.7 e 1.5 mm mentre le altezze tra 40 e 80mm.

P i tPavimento;Calcestruzzo alleggerito;Getto di calcestruzzo;Lamiera grecata;g ;

Trave secondaria;

Trave principale;Trave principale;Controsoffitto.

I solai metallici con soletta di calcestruzzo sono posizionati velocementevelocemente.

Richiedono un contenimento ai bordi per prevenire la caduta d l l tdel calcestruzzo.

Il calcestruzzo è in genere pompato sulle lamiere del solaio.

I SISTEMI INTELAIATI A NODI RIGIDI IN ACCIAIO

Soluzione economicamente non convenienteSoluzione economicamente non conveniente.

I SISTEMI INTELAIATI A NODI MOBILI

solaioTrave secondaria

T i i l

Colonna o pilastro

Trave principaleTrave di bordo

Colonna o pilastro

l i di lControvento longitudinale

Controvento trasversale

SISTEMI di CONTROVENTAMENTO per TELAI PENDOLARI

Tipologia dei controventi (bracing)

I controventi si possono realizzare secondo varie forme,come ad esempio a X, K e forme a V. Con controventi ap ,X (a S. Andrea), le aste sono progettate trascurando ilcontributo dell’asta compressa (le aste sono elementimolto snelli che si instabilizzano con basse forze dimolto snelli che si instabilizzano con basse forze dicompressione).

Utilizzando controventi a K o V, le aste del controventoUtilizzando controventi a K o V, le aste del controventodevono essere progettati per resistere a forze dicompressione.

(a) Controvento a S. Andrea;

Piatti o angolari possono essere utilizzati percontroventi a X (a S. Andrea) mentre tubolari o sezionia H sono generalmente adottati per controventi a K o V ( ) ;

(b) Controvento K; (c) Controvento V.

a H sono generalmente adottati per controventi a K o V.

Controvento di faldaVento

Controvento verticale

R i i i f d iReazioni in fondazionedovute al vento

Esempi di Controventamento

Soluzione a: controvento acroce di S Andrea progettatocroce di S. Andrea progettatonon considerando le astediagonali compresse. Gliarcarecci risultano inflessi e

a)compressi.

Vento

Soluzione b: controventi ditestata con diagonali tese. Gliarcarecci risultano inflessi edeventualmente tesi.

b)Vento

Vento o sisma

a) b) )a) b) c)

Nucleo di controvento in calcestruzzo armato (a), intelaiato (b) e tralicciato (c).

GIUNTI DI DILATAZIONE

a) Senza giunto con 1 controvento (isostatico);b) Senza giunto con 1 controvento (isostatico); c) Senza giunto con 2 controventi (iperstatico);d) Con 1 giunto e con 2 controventi (isostatico);e) Con 1 giunto e con 2 controventi (isostatico).