Le strutture in acciaio, parte 3

Connessioni nelle strutture in acciaio

Abbiamo già visto come si connettono le strutture metalliche, quindi con le unioni chiodate, quelle bullonate, le saldature e quelle per incollaggio. Ora dobbiamo capire in che modo possiamo collegare due elementi particolari, un nodo che è particolarmente importante nelle strutture in acciaio, che è quello tra il pilastro e la trave.

Tipologie di sollecitazioni e nodi

Quando voi collegate il pilastro alla trave, la trave trasmette al pilastro le sollecitazioni che si sviluppano per la presenza di cariche, che vengono poi trasmesse al pilastro. Queste sollecitazioni sono essenzialmente di due tipi: le sollecitazioni taglianti, che tenderebbero a far scorrere la trave rispetto al pilastro, e le sollecitazioni flessionali, che fanno ruotare la trave rispetto al pilastro.

Se il nodo trasmette tutte queste sollecitazioni, abbiamo che la trave, non solo non può slittare nel senso verticale rispetto al pilastro, ma non può neanche ruotare rispetto al pilastro: questo comporta la formazione di un nodo a incastro, quello che noi chiamiamo nodo rigido.

Viceversa, se il nodo impedisce sempre la traslazione della trave rispetto al pilastro, quindi si oppone al taglio, ma consente una rotazione della trave rispetto al pilastro, vuol dire che si trasmettono le sollecitazioni di taglio ma non quelle flessionali, quindi si parla di nodi articolati, ossia flessibili.

Poi ci sono delle situazioni intermedie, che in realtà impediscono parzialmente le rotazioni relative e quindi vengono definite semirigide.

Importanza della progettazione dei nodi

Quando realizzate il nodo trave-pilastro, il collegamento, la cosa più importante è che la trave non scivoli rispetto al pilastro, quindi non ci sia una traslazione relativa della trave rispetto al pilastro. Questo si ottiene trasmettendo tutte le sollecitazioni taglianti tra la trave e il pilastro.

Poi c’è la possibilità della trave di ruotare rispetto al pilastro e questo può essere consentito o impedito: se consentito, l'unione prende il nome di unione flessibile; se impedito, l'unione è un'unione rigida.

Quando dobbiamo realizzare delle unioni rigide? Quando dobbiamo realizzare la resistenza a quelle che abbiamo definito azioni laterali: se noi realizziamo, guardiamo per esempio la figura centrale di queste tre in alto, un edificio a gabbia che abbia tutti i nodi realizzati da unioni rigide, quindi che impedisce sia la traslazione, ma anche le rotazioni relative tra travi e pilastri, noi otteniamo anche una struttura resistente alle azioni laterali, cioè alle azioni orizzontali.

Abbiamo anche detto che, però, non sempre è necessario realizzare tutti i nodi rigidi, perché noi potremmo, come nel caso della prima figura, avere nodi articolati (i nodi articolati si rappresentano con un pallino, come se fosse una cerniera, mentre il nodo rigido con la continuità tra trave e pilastro).

Quindi noi potremmo realizzare un edificio a gabbia, in cui le unioni trave-pilastro sono tutte unioni articolate, cioè con questi nodi cerniera, e demandando ad alcune campate la funzione di irrigidire questa gabbia, attraverso l'inserimento di controventature diagonali, che possono essere così (vedi slide) o a croce di Sant’Andrea.

Oppure, potevamo sempre realizzare dei nodi articolati, dei nodi cerniera, e poi andare a realizzare o dei nuclei rigidi, per esempio in cls armato, o tutto il perimetro dell'edificio con dei setti rigidi. Il nucleo centrale rigido può essere addirittura una vanella o il nucleo degli ascensori, OPPURE i setti portanti rigidi del perimetro dell'edificio.

Tutto questo che abbiamo detto, vi fa comprendere che il nodo viene progettato, quindi viene previsto se realizzare un nodo che trasmetta sia le sollecitazioni flessionali che quelle taglianti oppure progettare nodi che trasmettono esclusivamente le sollecitazioni taglianti, consentendo una certa rotazione relativa tra i due elementi.

Progettazione di nodi articolati e rigidi

Progettare un nodo è molto importante: progettazione di un nodo che abbia dei punti deboli, che possano cedere prima in caso di sisma, in modo da preservare tutto il resto, come se fossero degli elementi di sacrificio, che però non mettono in pericolo la stabilità dell'intero edificio.

In Italia difficilmente progettiamo edifici con struttura in acciaio, se non limitatamente a capannoni industriali, però saper progettare bene una struttura in acciaio è fondamentale nel caso del recupero degli edifici storici, perché, molto spesso, i nuovi corpi di fabbrica o anche gli inserimenti all'interno degli edifici storici, vengono realizzati in acciaio, perché l'acciaio è un materiale reversibile (possiamo smontare) e quindi si inserisce molto bene in un contesto di edilizia storica ed esistente.

Vediamo come si realizza un nodo articolato, quindi un nodo che trasmette solo le sollecitazioni taglianti e non quelle flessionali, e come si progetta un nodo invece rigido, cioè che trasmetta quindi sia azioni di taglio che flessionali.

Se vogliamo realizzare un nodo articolato, dobbiamo fare in modo, supponendo di avere un pilastro con un profilo a doppio T, in questo caso un HE, e una trave una con un profilo sempre a doppio T, in questo caso un IPE, di andare a connettere saldamente l'anima della trave, ma non in maniera salda le due ali.

Infatti, in questo primo esempio di nodo articolato prevede di connettere l'anima della trave all'ala del pilastro attraverso due angolari, sui quali siano già stati predisposti questi fori, perché questa è un’unione bullonata, quindi in officina si predisporranno sia i fori nella trave che i fori nell'ala del pilastro, stessi fori corrispondenti in questi due angolari.

Dopodiché si va in cantiere, si dispone la trave, facendo combaciare i fori, e si vanno a bullonare tutte queste giunzioni: quindi ci sarà questo elemento angolare, che viene bullonato all’ala del pilastro, poi quest'altra parte dell'elemento angolare, che viene bullonato all'anima della trave e all'altro elemento angolare ed infine l'altra aletta dell'elemento angolare, che viene bullonato sempre all'ala del pilastro.

In questo modo abbiamo ottenuto che l'anima della trave è collegata saldamente all’ala del pilastro, mentre le due ali della trave no: questo comporterà che se io carico la trave, la trave trasmetterà tutti i carichi per taglio, perché non riescono a scorrere l’uno rispetto all’altro (la trave e il pilastro), quindi i carichi vengono trasmessi attraverso le sollecitazioni di taglio al pilastro, mentre non avendo collegato saldamente le ali, avremo che la trave potrà in qualche modo ruotare rispetto al pilastro: è come se questo costituisse una sorta di cerniera che collega la trave al pilastro.

Questa è sempre la stessa unione vista in sezione: sezionando la trave e vedendo in vista il pilastro. Nella sezione laterale si vede molto bene la trave, il fazzoletto (si lascia un certo spazio libero per compensare eventuali imperfezioni dei profilati e questo, tra l'altro, lascia anche un po' il gioco per queste rotazioni infinitesime della trave rispetto al pilastro).

I fori vengono preparati in officina e poi bullonati in cantiere, ma in questo caso c'è un'operazione più semplice, ossia l'angolare viene già bullonato all'anima della trave in cantiere, in modo che la trave arriva in cantiere già con questi due angolari bullonati e quindi in cantiere si va a bullonare solo i due angolari all’ala del pilastro.

Vediamo un altro tipo di giunzione sempre articolata, quindi che chiameremo sempre nodo articolato. In questo caso colleghiamo la trave al pilastro, all'anima del pilastro, e colleghiamo le ali della trave all'anima del pilastro. Ora qualcuno di voi mi potrà dire che collegando le ali, per quello che abbiamo detto prima, non è più un’unione articolata, ma è un’unione rigida: in realtà questi angolari sono molto piccoli per poter impedire la rotazione, quindi pur avendo collegato le ali della trave al pilastro, realizziamo ancora un'unione articolata, perché quei piatti, quegli angolari, non sono sufficienti a impedire la rotazione: affinchè ci sia un nodo rigido le ali devono essere saldamente collegate al pilastro.

Quindi, in questo caso, le sollecitazioni taglianti vengono trasmesse e poiché l'azione di taglio è maggiore nella parte inferiore, l’angolare della parte inferiore è rinforzato, cioè è più grande rispetto a quello della parte superiore. Anche in questo caso gli angolari vengono bullonati in officina su uno dei due elementi e poi in cantiere sull'altro.

La stessa unione articolata si può realizzare attraverso due angolari, che collegano l'anima della trave al pilastro. Come il primo caso, l’unione si può realizzare attraverso saldatura: in officina i due angolari vengono saldati alla trave attraverso questa saldatura a mezza V, quindi le travi arrivano in officina con già questi angolari saldati, dopodiché vengono posizionati sull’ala del pilastro attraverso un semplice bullone (non è un bullone per realizzare l’unione, ma è soltanto per posizionare la trave rispetto al pilastro fintanto che non viene realizzata poi la saldatura del piatto al pilastro). La saldatura dell'angolare al pilastro viene effettuata a piè d'opera con una formazione a mezza V e dal lato della freccia.

NOTA: Quindi questi bulloni sono provvisori, poi si lasciano lì, ma in realtà servono solo a posizionare la trave durante l'operazione di saldatura.

Si raggiunge il nodo rigido quando la trave è collegata al pilastro e non si trasmettono sia le sollecitazioni taglianti, quindi la trave non scorre rispetto al pilastro, sia le sollecitazioni flessionali, quindi la trave non può ruotare rispetto al pilastro (quindi l'angolo che si forma tra trave e pilastro è indeformabile, come per il telaio che abbiamo visto inizialmente).

Il nodo rigido si raggiunge andando a connettere saldamente le ali della trave al pilastro. Primo esempio: L’anima della trave arriva in cantiere con questi piatti già bullonati in officina, che vengono poi saldati all’ala del pilastro e poi le ali vengono anch'esse saldate all’ala del pilastro con dei piatti di sostegno sotto. Queste saldature vengono effettuate in cantiere. Mentre la saldatura di questo piatto, di questo elemento che collega l'anima della trave...