Appunti di Tecnologia dei sistemi edilizi ed impiantistici

STRUTTURE DI ELEVAZIONE VERTICALE

CALCESTRUZZO E CALCESTRUZZO ARMATO

Il calcestruzzo è un materiale conosciuto sin dai tempi degli antichi romani che

realizzavano strutture miscelando acqua, calce, sabbie pozzolaniche e mattoni/pietre

macinate, una tecnologia applicata ad esempio nel Pantheon.

Alla fine dell’Ottocento, in Francia, viene sperimentato il primo sistema di

applicazione del calcestruzzo ad elementi metallici, noto come calcestruzzo armato.

Il calcestruzzo moderno è realizzato con 4 componenti

principali, con l’aggiunta di eventuali additivi: acqua,

sabbia, ghiaia e cemento, le cui proporzioni variano

(pur restando in un certo intervallo di valori) in base alle

caratteristiche prestazionali richieste per il materiale.

3

Per 1m di calcestruzzo si ha in media:

- 3

Sabbia: 0,4 m

- 3\

Ghiaia: 0,8 m

- Legante: 300 Kg

- Acqua: 150 L

Il calcestruzzo armato è un materiale che si ottiene dall’unione di calcestruzzo e sistemi di barre

metalliche in acciaio (generalmente circolari) chiamati armature. Questa scelta si basa sulle

proprietà meccaniche dei due materiali: il calcestruzzo ha una buona resistenza a compressione,

mentre l’acciaio ha il compito di resistere agli sforzi di trazione.

L’unione dei due materiali è resa possibile dalle caratteristiche stesse degli elementi:

- A parità di ΔT le dilatazioni termiche dei due materiali sono molto simili,

- L’acciaio è annegato nel calcestruzzo e pertanto è protetto dall’ossidazione

- Vi è un’elevata aderenza tra l’acciaio e il calcestruzzo, grazie anche alla superficie delle barre

stesse che presenta delle irregolarità proprio a questo scopo

Le armature metalliche sono

realizzate in barre di acciaio a

sezione tonda trafilate a caldo. Le

normative impongono una

classificazione universale per gli

acciai: troviamo la sigla Fe, seguita

dalla lettera B e dal valore del

carico di snervamento unitario di quel tipo di acciaio.

Nella progettazione di un elemento strutturale in calcestruzzo

armato, non è sufficiente conoscere la sezione resistente minima

per i due materiali, ma bisogna considerare con precisione anche

la posizione delle barre all’interno della sezione (andranno

posizionate nelle parti più sollecitate a trazione), pertanto è 9

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necessario conoscere con precisione come sono distribuiti gli sforzi sull’elemento.

La carpenteria è l’insieme delle opere provvisionali necessarie a contenere il

getto e l’armatura fino a quando il getto non si è indurito. La prima fase nella

realizzazione di un elemento in calcestruzzo è proprio la posa dei casseri o

casseforme, tipicamente realizzate in pannelli di legno o con elementi appositi

metallici. Successivamente, all’interno del cassero viene disposta l’armatura,

secondo quanto calcolato dal progettista. Si procede poi con il getto del

calcestruzzo che ha bisogno di diversi giorni per far presa e indurire. Solo allora

si procede con la fase di disarmo, ovvero la rimozione dei casseri.

L’armatura di un elemento in calcestruzzo armato si dividono in diverse tipologie:

- Armatura Longitudinale: si dispone lungo la lunghezza

dell’elemento; nel caso di pilastri è costituita dai ferri

verticali, disposti agli angoli e /o lungo il perimetro del

pilastro, mentre nelle travi è presente non solo sul

perimetro, ma anche, in quantità maggiore, nelle parti più

sollecitate a trazione della sezione, tipicamente nella parte più bassa.

- Staffe: sono gli elementi che definiscono il perimetro dell’armatura, disposte

trasversalmente rispetto all’armatura longitudinale. Generalmente

sono quadrate o tonde, a seconda della forma dell’elemento.

Possono essere realizzati con elementi singoli ancorati singolarmente

all’armatura longitudinale, o continue, realizzate invece con elementi

unici a spirale. Nel caso dei pilastri, le staffe evitano lo spanciamento

dell’armatura longitudinale a causa dei carichi verticali che porta allo

sgretolamento della componente in calcestruzzo più esterna; nelle

travi resistono allo sforzo di taglio.

- Spilli: elementi disposti trasversalmente all’armatura longitudinale ma posizionati all’interno

della sezione e non sul perimetro come le staffe.

Il calcestruzzo è in genere applicato alle strutture a telaio, costituite da sistemi travi-pilastri, irrigidite

da controventi. In questo tipo di strutture i solai non sono elementi portanti ma contribuiscono

all’irrigidimento verticale della struttura. Il posizionamento dei pilastri deve tener conto non solo

delle esigenze strutturali ma anche della fruibilità dei vari spazi dell’edificio. 10

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TELAI IN ACCIAIO

I telai strutturali in acciaio sono realizzati dall’unione di più profilati metallici o

composizione di profilati metallici uniti tra loro. Questi telai hanno forme e sezioni

standardizzate e sono disponibili in diverse misure. I principali sono gli IPE, utilizzati

per le travi, e gli HE (nelle loro varianti HEA, HEB e HEM più o meno pesanti) che sono

invece utilizzati per i pilastri. L’acciaio ha ottime proprietà di resistenza meccaniche

sia a trazione sia a compressione.

Oltre ai profili tradizionali esistono i profili a sezione chiusa (cavi all’interno) e a sezione composta,

che sono invece ottenuti accoppiando due profili a sezione aperta.

L’acciaio dei profilati è diverso da quello delle barre per calcestruzzo armato ma è prodotto

anch’esso in misure e sezioni universali standardizzate.

Le unioni tra i vari elementi che compongono la struttura

in acciaio possono essere realizzate per bullonatura,

tramite elementi puntuali che distribuiscono il carico alla

lamiera del profilo, o per saldatura, una giunzione

continua realizzata con lo stesso materiale dei due

elementi da unire.

Per accoppiare profili metallici per bullonatura, si ricorre

spesso a piastre in acciaio di varie forme (piane, ad L…)

connesse agli elementi, come indicato nelle immagini

seguenti. I profilati e le piastre da unire per bullonatura

vengono forati in officina secondo il progetto strutturale e

arrivano in cantiere pronti per l’installazione e l’unione con i bulloni, che devono poi essere avvitati

e stretti con una determinata tensione. 11

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Le unioni bullonate devono essere progettate in funzioni dei carichi da sostenere; il collasso

dell’unione bullonata può avvenire in diverse modalità: rottura a taglio del bullone (1), rottura per

rifollamento della piastra (2), rottura a taglio della piastra (3) o rottura a trazione della piastra. 12

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La connessione degli elementi può non riguardare solo

elementi in acciaio ma anche collegamenti acciaio-

calcestruzzo. Poiché le fondazioni sono sempre in calcestruzzo

armato, il pilastro in acciaio deve essere connesso alla

fondazione. L’elemento ad H del pilastro viene generalmente

fissato per saldatura ad una piastra piana forata che funge da

basamento. Si procede poi annegando degli elementi metallici

specifici nel getto di calcestruzzo

della fondazione. Questi elementi,

detti tirafondi, hanno una forma a “J” che nella parte bassa

si agganciano ai ferri di armatura del calcestruzzo, mentre

nella parte superiore, che sporge dall’elemento in

calcestruzzo, presentano una filettatura. Questi elementi

vengono poi fatti coincidere con i fori nella piastra saldata

al pilastro e connessi tramite bullonatura. Talvolta può

essere interposta un’altra piastra tra i due elementi con

funzione di livellamento delle irregolarità del calcestruzzo.

CONTROVENTAMENTO

Nelle strutture a telaio (indipendentemente dal materiale in cui sono realizzate) si rende necessaria

la realizzazione di elementi di irrigidimento che rendano più stabile l’edificio sotto l’azione dei

carichi orizzontali e torsionali, come vento o sismi.

Affinchè una struttura sia rigida e controventata, occorre realizzare i controventi almeno su un

campo per ogni livello e per ogni dimensione (considerando l’edificio come un elemento in 3

dimensioni). Per il controventamento di un campo della struttura a telaio si possono usare diverse

soluzioni, in base ad altre necessità dell’edificio come la presenza di porte o finestre. 13

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Gli elementi di controventamento sono solitamente realizzati con tiranti o profili in acciaio. In

entrambi i casi si procede fissando ai pilastri o alle travi del campo da irrigidire, una piastra metallica

su cui andranno imbullonati gli elementi di controventamento. Nel caso di dei tiranti, appositi

elementi filettati vengono fissati allla piastra per bullonatura, e a partire da questi elementi si

sviluppa il tirante, costituito da un cavo in acciaio, con un’estremità filettata in modo tale da essere

avvitato nell’apposito alloggiamento e in modo tale da poterne regolare la trazione.

Un’altra soluzione prevede invece che i controventi siano realizzati con dei profilati di acciaio, piani

o ad L, fissati sempre tramite bullonatura alle piastre descritte al caso precedente.

Nel caso in cui la soluzione scelta per il controventamento preveda l’intersezione di elementi

all’interno del campo (non solo su travi o pilastri) si procede ancorandoli con le stesse modalità ad

una piastra d’acciaio forata. I controventi vengono realizzati con le stesse modalità anche nei solai,

dove sono spesso lasciati a vista.

L’introduzione di murature piene in calcestruzzo armato in alcuni punti della struttura a telaio può

fungere da controventamento irrigidendo la struttura. 14

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STRUTTURE DI ELEVAZIONE ORIZZONTALE

Il solaio è la frontiera di separazione tra gli elementi spaziali di un piano e quelli del piano successivo.

Tale elemento funge sia una funzione di separazione, sia una funzione di supporto e sostegno.

Possiamo distinguere le chiusure orizzontali in partizioni interne orizzontali se dividono due piani

dell’edificio, oppure chiusure se dividono l’interno dall’esterno.

I solai, sul piano orizzontale, hanno una direzione di riferimento detta “di armatura” o di “orditura”

che corrisponde alla direzione in cui sono posati gli elementi del solaio stesso, trasversale alle

componenti portanti.Le componenti portanti (che possono essere travetti in C.A., profili in acciaio,

predalles…) poggiano alle estremità sugli elementi strutturali dell’ed