Appunti di Tecnica delle costruzioni

Tecnica delle costruzioni M (A-K)

Capitolo 1 - Introduzione

Analisi strutturale e progetto

L'ingegneria strutturale è una disciplina che si occupa di ideare, calcolare, realizzare e gestire valide costruzioni a supporto della società, nel soddisfacimento delle proprie necessità e dei propri desideri, basandosi su metodi scientifici e tecniche opportune.

Problemi di meccanica delle strutture

• Problemi non strutturali e mal posti
• Problemi strutturali e ben posti
  • Schemi da individuare
  • Schema globale definito
• I materiali devono essere inquadrati e definiti i limiti di resistenza
• Condizioni al contorno vanno specificate e interpretate
• La soluzione è unica
• La soluzione non è unica

Le soluzioni devono essere praticabili, economiche ed estetiche; le valutazioni di praticabilità, economicità e di estetica sono primarie e fondamentali.

Schema di un percorso logico (fasi)

Quello che è il tipico processo seguito nell'ingegneria strutturale:

• Identificare il problema, i vincoli, i parametri
• Identificazione soluzioni che sembrano soddisfare tutti o gran parte dei vincoli
• Valori approssimati delle azioni sulle strutture e delle dimensioni degli elementi principali
• Stima quantità e costi
• Revisione delle soluzioni praticabili con l'apporto di eventuali modifiche
• Da qui si passa dal progetto concettuale ad un'analisi di dettaglio delle soluzioni più promettenti: Analisi strutturali, meccanica dei solidi, criteri di progetto e verifiche secondo normative
• Identificazione della soluzione di migliore
• Raffinamento delle analisi e del progetto
• Documentazione finale e disegni
• Poi si passa alla fase di costruzione

Principali tipologie di strutture

Costruzioni in calcestruzzo armato

• Gettato in opera: è la tecnica più diffusa e le fasi costruttive in generale sono la disposizione di armature, casserature e getto per la realizzazione degli elementi.
  • Edificio a telaio: sono edifici a struttura intelaiata in cui viene costruito lo scheletro portante (travi, pilastri e fondazioni), e la distribuzione dei carichi avviene dall'alto verso il basso tra i vari elementi fino alle fondazioni.
    • Percorso dei carichi: Se si ipotizza che il carico agisce sul solaio, esso si trasferisce in parte alla trave a sinistra e in parte alla trave a destra, poi dalla trave il carico verrà trasferito sui pilastri e scaricato a terra negli elementi di fondazione che diffondono il carico sul terreno.
    • Se poi vado a considerare delle forze orizzontali come vento o azione sismica, si può ipotizzare uno schema con travi rigide, in cui su tutti i pilastri e travi avrò un diagramma del momento. Il telaio riesce a trasferire le forze a terra lavorando a flessione.
    • Invece, se le travi assumono un comportamento flessionale (travi flessibili), cioè siano infinitamente deformabili rispetto al pilastro, allora la loro rigidezza diventa trascurabile rispetto a quella del pilastro. In questo caso la trave lavora solo a sforzo normale, mentre i pilastri si comportano come delle mensole e il diagramma del momento sul pilastro diventa a mensola.
    • Il meccanismo più efficace per portare una forza orizzontale è quello a travi rigide perché i momenti alla base sono più piccoli e la deformata è più ridotta.
    • Un edificio con telaio in una sola direzione lavora bene sulle azioni verticali e su quelle orizzontali lungo le direzioni delle travi mentre sarà più problematica l'altra direzione. Una soluzione per lavorare bene in entrambe le direzioni è quella di posizionare solai e travi in entrambe le direzioni, ottenendo due telai ortogonali tra loro. I componenti della struttura a telaio che resiste a carichi orizzontali sono chiamati sistemi di controvento.
  • Solaio a fungo: è una variante di edificio a telaio costituito da pilastri e solai con l'assenza delle travi. Il solaio bidirezionale (lastra inflessa) dovrà lavorare in tutte le direzioni e se ho un carico applicato, questo dovrà trasferirsi ai pilastri più vicini. Questo tipo di struttura non può essere realizzato in zone sismiche perché poco resistente ad azioni orizzontali. Per maggiore stabilità si realizzano dei vani quadrati all'interno rigidi e resistenti ad azioni orizzontali, che saranno utilizzati come vano ascensore o scala. Quindi si differenziano nettamente la parte che porta i carichi verticali (solaio a fungo) da quella che porta i carichi orizzontali (sistema controvento).
  • CAP (calcestruzzo armato prefabbricato): in questo caso gli elementi strutturali vengono realizzati in stabilimento e assemblati in opera, e spesso viene applicata una precompressione per garantire maggior resistenza. Gli schemi strutturali sono molto semplici, in cui si hanno due pilastri incastrati alla base che sostengono una grossa trave a due pendenze. Questo costituisce il telaio principale che si ripete, e la parete esterna è realizzata da pannelli di tamponamento. La copertura è realizzata da un'altra serie di elementi prefabbricati che poggiano sulla trave principale. Le travi risultano semplicemente appoggiate e quindi non ci sarà trasferimento di momento da trave a pilastro. Quindi per azioni verticali la trave sarà inflessa mentre i pilastri saranno soggetti solo a sforzo normale, mentre per azioni orizzontali sfrutto il comportamento a mensola dei pilastri. Oggi giorno si fa spesso ricorso al CAP, per esempio nei capannoni industriali, perché permette di portare carichi più alti e coprire luci maggiori. Naturalmente si tratta di una struttura semplicemente appoggiata e quindi i carichi verticali si distribuiscono dall'alto verso il basso tra gli elementi strutturali.
  • Edifici a parete: è una struttura prefabbricata per uso uffici o servizi, in cui non vengono più usati i pilastri ma solo dei pannelli prefabbricati che posso usare sia per gli elementi verticali sia per gli elementi di solaio.
  • Edificio a parete non prefabbricato: esempio grattacielo la Meridiana, Bologna. La struttura è costituita da una serie di pareti messe tutte nella stessa direzione in cemento armato che poi hanno delle aperture perché ovviamente ci sono delle stanze. Nell'altra direzione non ci sono grossi elementi strutturali ma muri di tamponamento. I solai hanno tutti la stessa orditura e scaricano sulle due pareti portanti che vanno da cielo a terra. I solai flessionali sono deformabili, quindi queste pareti si comportano come delle mensole. L'edificio avrà lo stesso comportamento nelle due direzioni orizzontali? No, avrà maggior resistenza lungo la direzione X. Un altro esempio è costituito da delle pareti bidimensionali di polistirolo, all'interno delle quali è presente un'intercapedine in cui viene gettato il cls, cioè formano un cassero a perdere. Questa tecnologia è utilizzata per edifici medio-bassi o ad uso residenziale.

Cenno di precompressione

Con la precompressione è possibile portare carichi più alti e superare luci maggiori come detto in precedenza. Se considero un elemento in cls soggetto ad un carico questo si inflette e considerando il diagramma delle deformazioni ci sarà l'intradosso della sezione che è tesa mentre l'estradosso della sezione è compressa sezione parzializzata, e la parte che lavora è quella compressa. Quindi se poi è presente un ferro di armatura questo sarà teso. L'idea del precompresso, sapendo che il cls lavora male a trazione, invece di partire con un elemento scarico viene realizzato il getto in cls con l'armatura tesata.

• Precompressione con cavi aderenti (pre-tesi): Si mette in tensione l'armatura con dei martinetti, dispongo i casseri, getto il calcestruzzo e aspetto la sua maturazione. Dopodiché rilascio il cavo, e questo preteso tende ad accorciarsi, ed essendo aderente al cls se lo porta con sé, cioè comporta una compressione iniziale al cls e avrò una sezione totalmente compressa/reagente. Ancora meglio è la situazione che vede l'armatura non baricentrica, ma risulta più complicata da calcolare.
• Precompressione con cavi scorrevoli (post-tesi): Si realizza l'elemento in calcestruzzo lasciando una cavità nella quale poi farò passare le barre d'armatura e quindi la cavità può essere rettilinea o curva. Disposti i cavi questi vengono fermati ad un'estremità con dei dispositivi meccanici, mentre dall'altra parte tramite un pistone idraulico si tira il cavo mettendolo in trazione. Il vantaggio di questa tecnica è che posso creare dei percorsi non per forza rettilinei.

Esempio di strutture in cemento armato

Esempio di strutture in cemento armato che non sono più edifici, le quali lavorano per forma, ovvero la loro forma particolare porta a dei vantaggi nella capacità di portare carichi.

• Ponte Leonardo da Vinci, ing. B. Bottau, 1957: La struttura è costituita da 3 archi che sostengono l'impalcato. Con il passaggio dei mezzi e il carico della struttura stessa, trasferisce i carichi dall'impalcato all'arco tramite dei montanti che lavorano per compressione. Il vantaggio dell'arco è che la risultante in ogni sezione risulta interna al nocciolo centrale d'inerzia, quindi si ha una sezione interamente compressa. Per i ponti in C.A. la soluzione ad arco è l'unica che permette di sfruttare la compressione del calcestruzzo. Mentre gli svantaggi dell'arco possono essere la difficoltà realizzativa e che si tratta di una struttura spingente e quindi agli appoggi dovrò avere dei terreni con capacità portante importante.
• Paul Sauer Bridge sullo Storms River Ing. Riccardo Morandi: Anche questo caso è un ponte ad arco a via superiore e confrontandolo con il precedente lo distinguono il numero e il posizionamento dei montanti (grande differenza). Il comportamento strutturale in questo caso ha dei montanti inclinati.
• Ponte sul torrente Tarodine, Ing. Riccardo Morandi: Esempio analogo, sempre di Morandi, è un ponte di luce minore rispetto al precedente che si trova sul nostro appennino costituito da 4 archi a forma parabolica e montanti inclinati. Su tale ponte è stato studiato l’effetto dell’inclinazione dei montanti, ci sono 3 casi e quella reale corrisponde al verde avente inclinazione di 17° rispetto la verticale. Studiando il grafico dell’eccentricità (e=M/N) dell’arco si vede come passando da montanti verticali a quelli inclinati nelle zone più significative come appoggi e mezzeria la situazione dei carichi migliora l’impalcato risulta compresso e quindi si riesce a sfruttare meglio il cls.
• Palestra della scuola Nazionale di Atletica Leggera Vaccaro, Musmeci: È un esempio di struttura reticolare in cls, che non sono molto diffuse perché complicate soprattutto nella realizzazione dei nodi. La copertura è formata da elementi inclinati che lavoravano per forma, cioè a sforzo normale e poggiavano direttamente su una grossa capriata.
• Palazzetto dello Sport, Nervi (Roma, Italia) e H. Isler, laboratorio di ricerca, Svizzera, 1968: Sono altri due esempi di strutture che funzionano per forma, ed emerge che gli spessori sono molto sottili perché sfruttano il comportamento a compressione del cls si riesce sfruttare al meglio il materiale. Prima dell’avvento della tecnologia per tracciare un arco si utilizzava una catena: si lasciava deformare sotto il suo peso ed essendo un elemento flessibile, lavorava solo a trazione, dopodiché si ribaltava la forma e si otteneva un arco che lavora solo a compressione.
• Ponte sul fiume Basento, Ing. Musmeci: Questo ponte è molto famoso sul Basento e ha una geometria complicatissima. È stata usata la struttura a guscio per sostenere l’impalcato che lavora per compressione ma tridimensionale, quindi non è più assolutamente un arco.
• Serbatoi in cls: Sono dei cilindri che funzionano come dei gusci asimmetrici. Studieremo nel corso come si possono calcolare le sollecitazioni in una struttura di questo tipo e poi andare a dimensionale. I metodi che studieremo il corso sono prevalentemente modelli analitici, quindi che consentono di fare dei conti relativamente semplici, che però possono essere utili nelle fasi iniziali di progettazione concettuale e confronto iniziale tra diverse soluzioni, dove uno vuole avere degli ordini di grandezza, delle quantità e delle sollecitazioni.

Costruzioni in acciaio

È un materiale più costoso del calcestruzzo ma naturalmente ha dei vantaggi come una resistenza maggiore e il fatto che resiste sia a trazione e sia a compressione. Questo fa sì che si possono tipicamente realizzare strutture più leggere, il materiale in sé è più pesante però gli elementi strutturali, essendo il materiale di prestazioni maggiori possono essere più leggeri. Inoltre, si ha grande flessibilità nella forma perché si può lavorare in tanti modi, collegare un po' come si vuole, quindi è molto usato per coperture e in strutture di forme un po' particolari.

Si possono costruire anche telai in acciaio ma in questo caso non risulta conveniente rispetto al cls, il funzionamento rimane praticamente lo stesso e l'unico vantaggio è quello che si utilizzano delle sezioni di pilastri (tipo HE) molto più ridotte. Uno svantaggio invece, è quello che le strutture a telaio in acciaio risultano più flessibili e quindi il solo telaio potrebbe non essere sufficiente per resistere alle forze orizzontali ma servirà l'inserimento di sistemi di controvento.

Per realizzare un telaio in acciaio che lavora a telaio devo fare in modo che i momenti si trasferiscono tra travi e pilastri e questo non è banale dal punto di vista dei collegamenti vuol dire che devo fare dei collegamenti che sono abbastanza costosi. Quindi spesso si preferisce utilizzare delle soluzioni nelle quali non si trasferisce il momento tra trave e pilastro, e sono quelle che si chiamano strutture pendolari. Le forze orizzontali sono lasciate agli elementi specifici come, ad esempio, pareti in cemento armato oppure sistemi diagonali. Quando abbiamo quindi degli elementi sempre in acciaio messi inclinati e quando sono applicati delle forze orizzontali, essi lavorano per sforzo normale e, ovviamente, quando l'elemento lavora per sforzo normale è molto più rigido rispetto all'elemento che lavora a flessione.

Si formano strutture reticolari che si chiamano a Croce di Sant'Andrea o a K.

Esempio tridimensionale

Schema di controvento per un edificio in acciaio in cui ci sono una serie di controventi a K e una serie di controventi anche messi in orizzontale sulla copertura. I primi servono a prendere le forze in direzione X, gli elementi lavorano per forza normale danno il loro contributo di rigidezza e resistenza, facendo arrivare le forze attraverso le travi. Se applico una forza in direzione Y (nera), il controvento che funziona è quello in copertura che serve a tenere fermi tutti i telai. Gli elementi sono tesi e scaricano la forza orizzontale del corrispondente piano alle due estremità della struttura.

Altri esempi di controvento invece che essere costituito da elementi reticolari in acciaio sono delle pareti in C.A. oppure un nucleo in C.A. in cui può essere creato un vano scala o ascensore.