Le strutture in acciaio, parte 2

Costruzioni in acciaio

Dalla scorsa lezione abbiamo iniziato a studiare le costruzioni in acciaio, quindi le costruzioni con scheletro in acciaio. Nel primo semestre abbiamo mostrato il sistema costruttivo in muratura portante; nel secondo semestre studieremo il sistema costruttivo in acciaio e poi il sistema costruttivo intelaiato in calcestruzzo armato. Due sistemi costruttivi (calcestruzzo armato e acciaio), che seguono la teoria dell’elasticità, cioè sono due sistemi elastici, sforzo-deformazione (quello che non succedeva nelle costruzioni in muratura, perché la muratura portante non segue la legge dell’elasticità, bensì si comporta come dei blocchi rigidi: questa è la grande differenza, strutturalmente parlando, tra i due sistemi costruttivi).

Note sulle costruzioni in acciaio

Costruzioni in acciaio: tabelle dove per ogni profilo c'è: il disegno del profilo; le dimensioni; la tipologia del profilo ed il carico, la resistenza ammissibile del materiale. Lo scheletro in acciaio deve essere ancorato ad una fondazione, perché la fondazione, qualsiasi sia il sistema costruttivo in relazione, per l’architettura moderna è in calcestruzzo cementizio armato.

Collegamento tra pilastro in acciaio e fondazione

Quindi come si fa a collegare un pilastro in acciaio con una piastra di fondazione o con un elemento di fondazione in calcestruzzo armato? Nel disegno capiamo bene innanzitutto perché dobbiamo utilizzare degli elementi come quel parallelepipedo in calcestruzzo armato, poi quella piastra, sempre in acciaio, di ripartizione e poi il pilastro.

Immaginiamo che il carico dell'edificio che il pilastro trasmette al suo piede, quindi sul terreno, è di 47,88MN/metroquadro e che la resistenza meccanica del terreno sia 0,958MN/metroquadro, quindi il terreno non riuscirebbe, in questo caso, a resistere a questa molto più grande sollecitazione che proviene dal pilastro. Affinché il terreno riesca a sostenere questo stato tensionale è necessario che questo venga distribuito su una superficie maggiore: si realizza un blocco di fondazione in calcestruzzo armato (nota: il blocco di fondazione vedremo che ha una sua armatura), che presenta una superficie tale da andare a resistere a questo stato tensionale indotto dal pilastro.

Dettagli tecnici del collegamento

Tra il blocco della fondazione e il pilastro in acciaio, che, in questo caso, è un pilastro a doppio T, con un'anima centrale e due ali, che vi abbiamo detto essere HEA600, ossia un pilastro HEA, dove 600 è la dimensione (inscritto in un quadrato di lato 60 cm), c’è la piattaforma di base in acciaio.

Nota: 600 perché gli elementi in acciaio si misurano in millimetri secondo il sistema convenzionale. Di solito, per la realizzazione dei pilastri si usano degli elementi HE, mentre per le travi degli elementi IPE.

Attacchi strutturali

Cosa succede quando dobbiamo attaccare un pilastro in acciaio ad una fondazione in calcestruzzo armato? Quando abbiamo degli edifici molto elevati, quando abbiamo degli edifici che trasmettono dei carichi molto elevati, si ricorre alla base del pilastro, dove si concentrano gli stati tensionali elevati e quindi pericolosi, alla realizzazione di elementi di appoggio (la piastra di appoggio in acciaio prevede una prima ripartizione dei carichi).

Quindi noi abbiamo un pilastro in acciaio, che può avere un profilo HE, HEA, scatolare, tubolare, etc., collegato ad una piastra di ripartizione sempre in acciaio e poi la piastra di ripartizione collegata al plinto di fondazione (questo parallelepipedo di fondazione) attraverso i cosiddetti tirafondi, cioè degli elementi bullonati, bulloni, che hanno lo stelo molto lungo, che viene annegato nel getto di calcestruzzo e va a giovare alla stabilità totale e globale del sistema pilastro-plinto di fondazione.

In sezione: il pilastro (l'anima e le due ali sezionate); piastra di ripartizione in acciaio collegata attraverso i due tirafondi. Il numero dei bulloni di questi tirafondi non è sempre 2 (2 è il numero minimo), ma possiamo trovarci, ad esempio, casi di 8 bulloni: ciò dipende dalla tipologia di collegamento che stiamo andando a realizzare, dai carichi, dalle sollecitazioni.

Scelta dei nodi

In base ai carichi che esistono possiamo capire quanti e che tipo di bulloni dobbiamo mettere per garantire un ottimale collegamento tra la struttura in elevazione ed il plinto di fondazione. Il tirafondo, annegato nel getto di cls, all’estremità è uncinato, piegato: oggi si usano barre filettate e uncinate, non più lisce, così da evitare lo sfilamento della barra e ci sia una completa compenetrazione e lavorazione comune tra l’el. in acciaio (il tirafondo) ed il cls. (anche il cls è armato con dei ferri propri).

Stiamo facendo una struttura in elevazione di 4,5 piani fuori terra, quindi di media altezza, e deve essere totalmente a piombo il pilastro: innanzitutto dobbiamo realizzare il plinto di fondazione annegando nel getto anche i tirafondi in acciaio, posizionati grazie all’utilizzo di una dima in acciaio. Annegati i nostri tirafondi, che possono essere 4,8, immaginiamone 8, si toglie la dima in acciaio e si posizionano, prima dell’ancorare il pilastro e la piastra, quelli che sono noti come “controdadi”.

Messo il controdado, si inserisce, in maniera verticale, il pilastro e la piastra (si va ad inserire nei fori che vengono precedentemente realizzati nella piastra). Poi si mette a piombo il tutto, regolando i vari controdadi in maniera regolare ed uniforme, dopodiché eventuali spazi che vengono a trovarsi sono riempiti attraverso una malta cementizia espansiva, fondamentale per evitare che man mano che costruiamo una struttura in acciaio, poi avremo una struttura fuori asse, cioè non perfettamente a piombo.

C’è, quindi, un attacco tra pilastro e piastra e pilastro-piastra attaccati tramite tirafondi al plinto di fondazione. Come si attacca la piastra al pilastro? I tre metodi principali di collegamento sono chiodatura, bullonatura e saldatura: in questo caso, il metodo più semplice è saldare a tutto perimetro il pilastro alla piastra (solitamente questo avviene già in stabilimento, quindi quando arriviamo in cantiere ci troviamo già il pezzo pilastro-piastra, già con la piastra con i suoi fori per l'alloggiamento dei bulloni, che può essere poi messa in opera tranquillamente sulla nostra fondazione).

Esame e scelta del nodo

Quindi quando studiate l’attacco in fondazione e lo chiederemo all’esame, direte che si compone di due parti: di una parte metallica connessa poi alla struttura in elevazione e di una parte in calcestruzzo armato ampia tanto da sopportare lo stato tensionale indotto dal pilastro. Per garantire il nodo in fondazione, possiamo utilizzare due metodi: nudo a incastro o nudo a cerniera. La differenza sta nel fatto che il vincolo cerniera ammette rotazione infinitesime, mentre il vincolo incastro non ammette niente, né traslazioni orizzontali, né transazioni verticali e né rotazione: quindi la scelta di un nodo cerniera e di un nodo incastro è fondamentale quando stiamo progettando la nostra opera.

In base a cosa avviene la scelta? Solitamente un nodo cerniera viene utilizzato quando alla struttura si vuole ridurre, per esempio, il grado di iperstaticità della struttura (nota: esistono strutture isostatiche, iperstatiche e labili) o per andare a rendere la struttura potenzialmente adattabile ad eventuali cedimenti. Ovviamente il tutto dipende dallo schema statico che noi vogliamo andare a dare alla struttura che stiamo realizzando, per esempio nel caso di una pensilina in acciaio, quella degli autobus, che ha dei pilastri in elevazione e una struttura a sbalzo collegata con questi pilastri (e poi c’è il manto di copertura che può essere in lamine metalliche, in vetro, etc.), il nodo in fondazione è un nodo incastro.

Allora, in questo tipo di sistema, che è un sistema isostatico perché ha soltanto un vincolo, il vincolo al piede, quindi quasi completamente libero, abbiamo bisogno di un vincolo ad incastro, perché se mettessimo la cerniera il sistema sarebbe totalmente labile, per cui andrebbe incontro al ribaltamento. Il nodo incastro come si realizza? Dobbiamo realizzare un vincolo che non permette nessun tipo di movimento, un vincolo saldissimo: (in tal caso, vedi slide) abbiamo il nostro elemento pilastro a doppio T (anima e due ali), che è saldato alla piastra di fondazione, la quale viene poi bullonata sul plinto di fondazione.

Tutto ciò viene rafforzato tramite l’aggiunta di elementi sempre in acciaio (due elementi trapezoidali che vanno a bloccare le due ali e una specie di fazzoletto applicato sull’anima con degli elementi che vengono ancorati alla piastra), che vanno ad impedire che il pilastro possa muoversi. Il collegamento tra tutti questi elementi avviene tramite saldatura o bullonatura (anche se inizialmente per le strutture in acciaio (es. ponti) si utilizzava la chiodatura).

Ulteriori note sui nodi

Nota: le squadrette di irrigidimento (e piastre di forma trapezoidale) permettono la realizzazione del nodo incastro. Esempio di una tipologia di nudo incastro: pilastro e piastra di ripartizione con quattro bulloni, che vanno giù con i tirafondi. Le piastre in forma trapezia, che sono state chiodate all’ala del pilastro, e in sommità avete anche un’altra striscia di acciaio che è anch’essa chiodata a tutto l’insieme per rafforzare maggiormente, soprattutto al piede, all'estremità inferiore del pilastro, dove vengono le maggiori tensioni.

Nota: la pittura bianca ha lo scopo di proteggere il pilastro in acciaio e tutti gli elementi della ferramenta dal potenziale pericolo di ossidazione, etc. Nota: Sia il numero che il diametro dei bulloni deve essere opportunamente verificata, cioè si va a dimensionare attraverso opportune verifiche strutturali.

Tipologie di pilastro collegato in fondazione

• Ulteriori tipologie di un pilastro collegato in fondazione attraverso il nodo incastro: per esempio, il primo è un pilastro con due profili a C, che presenta il vano centrale aperto, collegato con canestrelli o canastrelli, e per garantire un nodo incastro si utilizza una piastra che viene collegata al pilastro e due squadrette di irrigidimento, collegate alla piastra di fondazione e alla piastra trapezoidale che si collega al pilastro.
• In pianta: la sezione delle due ali dei due profili a C; la piastra di fondazione e nei vari spazi che si vengono a creare tra i vari elementi in acciaio, si piazza il bullone ed il tirafondo (8 bulloni in tal caso); gli elementi di irrigidimento in acciaio.

Garanzia di un nodo a cerniera

Cosa succede quando dobbiamo garantire un nodo a cerniera, cioè un pilastro in acciaio collegato, vincolato, alla base tramite un nodo a cerniera? (Dobbiamo garantire un collegamento che vada a permettere una rotazione infinitesima, quindi un minimo spostamento del pilastro). Nella pratica costruttiva ci sono diverse tipologie di cerniere (a sfera, a rullo, etc.) e in questi dettagli già vediamo la differenza tra un vincolo incastro e un vincolo cerniera. Abbiamo l’utilizzo di pilastri a parete piena, però non è raro neanche l’utilizzo di pilastri con profili a I o a doppio T, etc. Ad esempio, nella sezione in slide vediamo un nodo cerniera e elementi diagonali che vengono bullonati al pilastro e sono dei profili solitamente a C. Piastra di ancoraggio, sistema di dadi e controdadi e tirafondi annegati nel getto di cls.