appunti architettura tecnica con Mura

Strutture portanti in CLS

Caleca ingegnere siciliano – parte degli scheletri e delle fondazioni

Monica Lavagna Lavagna: composizione fisica di un organismo edilizio (architettura tecnica) come viene costruita l’architettura. Un edificio è schematizzato come più elementi di fabbrica. Ciascun elemento di fabbrica è composto da un altro elemento costruttivo funzionale, ossia un elemento che ha una precisa funzione al suo interno. A loro volta sono costituiti da elementi costruttivi base (tronco di legno) che a loro volta sono composti da materie prime (legno).

Lo scheletro portante è un elemento di fabbrica che ha il ruolo di garantire la sicurezza statica e meccanica dell'edificio. (Trama spaziale di elementi orizzontali e verticali assemblati tra loro definiti da travi e pilastri) È l’unico elemento che non ha il compito di delimitare uno spazio. Deve sopportare carichi e resistere a sollecitazioni a cui l’edificio stesso è sottoposto.

Apertura parentesi statica

Le sollecitazioni sono il risultato delle forze agenti, della configurazione reciproca tra sistema di forze agenti e vincoli presenti nella struttura. Le forze verticali generano diverse sollecitazioni: flessione, compressione, trazione, taglio, ecc.

La particolare configurazione che il sistema di forze ha, produce uno stato di sollecitazione che a sua volta produce internamente uno stato di sforzo interno agli elementi. Il materiale deve essere compatibile alla capacità di sopportare tali sforzi. L’edificio è legato alla forza propria della massa (forza gravitazionale peso), al peso delle persone e degli arredi al suo interno (carichi di esercizio definiti dalla normativa con un range di valori al di sotto dei quali non si può scendere). Carichi accidentali (neve 500-600 kg a m²) e sollecitazioni sismiche (sintetizzate in forze orizzontali come il vento).

• Pesi propri
• Pesi di esercizio
• Carichi accidentali

Trilite e telaio (archetipi)

Trilite e telaio sono entrambi composti da due elementi verticali (montanti) e uno orizzontale (traverso), si differenziano per il vincolo che sussiste tra elemento orizzontale e verticale: nel trilite abbiamo il vincolo d’appoggio, nel telaio ho il vincolo d'incastro (trave e pilastro sono continui).

I vincoli sono un sistema che impedisce alcuni movimenti (gradi di libertà). Questo si traduce in un diverso comportamento e conseguenze meccaniche nella struttura. Qualunque trave è soggetta a flessione e taglio.

Tipica domanda d'esame (telai in cemento armato)

Una sezione di trave sopporta sforzi di compressione in alto e trazione in basso.

Nel trilite, la flessione ha valore massimo in mezzeria (sezione critica) ed è nulla nell’appoggio. Il pilastro risulta esclusivamente sottoposto a compressione (uso materiali rigidi mattoni, pietra).

Nel telaio abbiamo flessione e taglio con una differenza: il diagramma della flessione cambia con un andamento parabolico traslato verso l’alto, negli incastri il valore della flessione assume il suo valore massimo. Qui il vincolo deve sopportare tale sforzo che viene trasferito al pilastro, risultando in pressoflessione (materiali elastici, calcestruzzo armato, acciaio e legno). La differenza non sta nella trave, ma a livello del pilastro: nel trilite è sottoposto a compressione, nel telaio la flessione dalla trave viene trasferita al pilastro, che risulta sottoposto a pressoflessione.

Considerazioni sulla progettazione

Partire da piante, scheletro portante progetto, setti murari necessari a reggere travi e solai edificio, verificare allineamento. Le luci devono essere compatibili con le travi. Studio involucro e copertura, chiusure verticali e orizzontali, e ripartizione interne. Sez 1:50 materiali presenti nell’edificio, i dettagli spiegano come quel singolo componente è costruito, capendo cosa si mette in opera prima e dopo. 3 Marzo 2020.

Utilizzare uno scheletro portante porta a strutturare un edificio con maggiore snellezza, con l’utilizzo di pilastri si ha una distribuzione migliore dei carichi dei solai da cui è possibile utilizzare delle murature che inglobano finestra a nastro, permettendo maggiore circolazione di luce all’interno dell’edificio. Si utilizzano materiali elastici, CLS, legno, acciaio.

Il CLS è un impasto di materiale legante, con inerti di varie granulometria e additivi, per migliorare difetti. Ottengo una massa più o meno fluida che con l’aria indurisce. Il pilastro nel trilite semplicemente lavora a compressione, nel telaio a causa della continuità del materiale lavora con la combinazione di pressione e flessione. Il taglio e la flessione sono sopportati solo da materiali elastici, la compressione anche da materiali rigidi. Nell’architettura corrente, gli scheletri portanti vengono realizzati con tre materiali: CLS, acciaio e legno.

CLS e il suo utilizzo

Con Le Corbusier si realizzano edifici nuovi con forme nuove rispetto a quelle passate, dando maggiore articolazione dello spazio. Il CLSA è l’unione di due materiali distinti, il CLS e l’acciaio. È un impasto artificiale, che ha il vantaggio senza forma, che posso plasmare come voglio. La produzione deriva dal mescolamento di due elementi: leganti e inerti, che miscelati tra loro formano un impasto semifluido che in poco tempo indurisce, riacquista la sua compattezza e rigidità divenendo una pietra artificiale.

Il legante è il cemento, derivato dal carbonato di calcio e altri elementi, cotto ad altissime temperature, che poi viene macinato per ottenere una sottile polvere. Tale pasta ha la particolarità che una volta idratato, forma un gel che nel giro di poco tempo, con l’acqua evaporata a causa di reazione esotermica, il reticolo molecolare acquista rigidità. All’interno del gel restano intrappolati gli inerti che vengono compressi l’uno sull’altro nel cemento.

Ghiaia e sabbia (la differenza è il calibro) sono gli inerti, il cemento è il legante idraulico, l’acqua deve essere pulita, priva di cloruri, libera da particolari sostanze biologiche. Sabbia è un diametro di pochi mm, la ghiaia invece di cm. Possono essere naturali (purché non dal mare) o artificiali tramite la produzione derivata da scarti di pietre che vengono macinate. Ad uso strutturale il CLS la ghiaia non fa differenza, a vista spesso si preferisce usare ghiaia naturale per le sue caratteristiche di usura date dal tempo trascorso.

Di questi materiali la ghiaia è il materiale maggiormente presente, un minimo di legante la compatta. 0.8 m³ 0.4 m³ di sabbia, 300 kg di cemento di cm 150 kg di acqua. La sabbia occupa gli interstizi tra un elemento e l’altro all’interno dell’impasto. Poca acqua rende difficile la lavorazione dell'impasto, troppa acqua porta alla fluidità eccessiva che porta alla separazione degli inerti tra loro, portandoli al depositamento sul fondo. Il rapporto è 1/2.

Una volta creato l’impasto esiste un metodo per la verifica dell’impasto del CLS, con il cono di Abrams e ne si determina l’abbassamento. La forma gliela do io con i casseri che tradizionalmente sono fatti in legno oppure plastici e acciaio. A distanza di 2-3 giorni, vengono tolti per consentire al CLS di maturare tramite il contatto con l’aria. Il CLS raggiunge le sue prestazioni dopo 28 giorni.

Il CLS quando viene prodotto deve garantire certe sicurezze effettuate con la prova del CLS o piantando il chiodo (se penetra facilmente il CLS non è maturo a sufficienza). Oppure si prelevano dei campioni e si esegue RCK o FCK.

I CLS speciali, vengono realizzati tramite l’utilizzo degli additivi, per esempio il colore grigio caratteristico, può essere variato partendo da un cemento bianco, e aggiungendo additivi a base di ossidi che mi danno diverse tonalità.

Acciaio

Acciaio, viene messo all’interno del CLS tramite elementi sottili e lineari, che consente di sopportare sforzi di trazione e tangenziale. Il CLS solo compressione. Acciaio e CLS hanno lo stesso coefficiente di dilatazione termica.

Come si mette? Prima di fare il getto: si predispongono i casseri, e all’interno metto le armature, e faccio il getto in modo che non resti nessuno spazio vuoto tramite vibratori, divenendo un elemento solidale con il CLS.

Ci sono due tipi di armature, longitudinale e trasversale:

• Longitudinali: sono delle barre sottili che hanno uno sviluppo longitudinale rispetto all’elemento (assorbono lo sforzo di trazione). Sono maggiori in prossimità delle fibre tese (intradosso trilite) (estradosso telaio), quindi maggiori quantità di armatura.
• Trasversali: forma di anelli chiusi, staffe, garantiscono la resistenza agli sforzi di tipo tangenziale. Sono provocate dal taglio, è maggiore in prossimità dei vincoli (appoggi) le staffe si infittiscono. Un minimo di armatura si mette per definire il perimetro dell’elemento. (3 staffe a metro garantiscono la massa compattezza del CLS, sostenuti dai reggi staffe)

Maggiori sono i carichi, maggiori sono le sollecitazioni, dove gli sforzi sono maggiori, più armature. Ferri longitudinali fi 14-16. Staffe 8-10 (perché devono avere profili chiusi, quindi facilmente sagomabili).

Il copriferro garantisce la continuità del CLS e protegge dagli agenti esterni, dall’ossidazione. Minimo 2 cm di spessore, più è grande il ferro più è grande il copriferro. In prossimità del mare lo spessore è 4 cm.

In caso di incendio il ferro del CLS, a 800 gradi circa perde la sua resistenza meccanica repentinamente, indebolendo la struttura e portandola al collasso. Un bello strato rallenta il surriscaldamento. L’interferro è lo spazio tra un’armatura e la sua vicina armatura.

6 Aprile 2020

L’armatura va messa dove gli sforzi a trazione e a taglio risultano maggiori nella trave o pilastro. Funzionamento CLS, come si arma e perché! Eventuali domande. I setti murari si armano trasversalmente con ferri longitudinali al posto delle staffe posizionati a seconda della quota tramite spilli.

Scheletri in acciaio

Acciaio è stato utilizzato prima del CLS, viene utilizzato già nell'800, quando si ha la costruzione di nuovi edifici ad uso civile (stazione civile) quando c’era la necessità di coprire spazi con grandi luci. Con la rivoluzione industriale si è usato l’acciaio per capacità di resistenza rispetto alla pietra 20-25 volte superiore. A Chicago si inizia alla fine del 800 dopo il grande incendio, a costruire i palazzi di 10-15 piani, grazie anche all’invenzione dell’ascensore.

L’acciaio è una lega di ferro e carbonio (2%) (maggiore carbonio rende il materiale più rigido) riduce quindi la sua eccessiva deformabilità e garantendone elasticità e prestazioni meccaniche. (Carbonio elemento più resistente in natura, come il diamante)

In caso di incendio l’acciaio si plasticizza, dunque aumenta la propria deformabilità. Le pitture intumescenti costituiscono dei cuscinetti termici che proteggono. L’acciaio è molto sensibile all’ossidazione, col calore aumenta la sua deformabilità, a 500-600 gradi aumenta il suo campo plastico, facendo collassare la struttura. Lo si riveste con coperte termiche (malte speciali o isolanti termici, pitture intumescenti). I danni degli incendi allo scheletro portante sono irreversibili.

La sua eccessiva leggerezza può essere un'arma a doppio taglio: per gli edifici con un’altezza relativa contenuta, è sensibile alle azioni orizzontali. Si introduce il controvento per contrastare. Nel caso dell’acciaio si assemblano elementi prefabbricati. Profilati a caldo (elementi monoblocco che rispondono a risposte meccaniche), sono materiali che si utilizzano per garantire eccellenti risposte meccaniche (compongono scheletro portante). I sagomati a freddo invece, lavorano per resistenza per forma, adatti quindi per tutte le risposte a sforzi strutturali leggeri.

I profilati

• Profilo aperto, hanno diverse forme T, I, L (IPE, HE, UPN)
• Profilo chiuso, hanno una sezione con poligono chiuso, tubolari. A freddo si ottengono attraverso il piegamento di una lamiera sottile

17 Aprile 2020. L’acciaio viene sempre prodotto in uno stabilimento che poi viene assemblato in cantiere, quindi pezzi prefabbricati che possono essere profilati a caldo o dei sagomati a freddo (hanno grado di resistenza maggiore). Per le travi vengono utilizzati profilati prevalentemente IPE e HE. Le ali di IPE sono più efficaci per la resistenza di sforzi a taglio e flessione. Le HE sono più adatte alla realizzazione di pilastri. I sagomati a freddo sono strutturalmente più deboli, e dunque sono utilizzati come casseri a perdere per contenere dei getti, rivestimenti o realizzare coperture leggere.

La difficoltà dell’acciaio sta nell’assemblaggio di pezzi di esso in cantiere. Quattro possibili modi per collegare travi e pilastri in base alla gerarchia che li voglio dare. Il nodo costituisce un elemento di raccordo tra trave pilastro, la forma dipende dal tipo di vincolo, quindi forme differenti e articolate.

• Pilastro interrotto trave passante
• Trave interrotta pilastro passante
• Entrambi elementi interrotti
• Entrambi elementi passanti

Le giunzioni possono essere realizzate tramite:

• Chiodatura: Inizialmente si utilizzavano i chiodi, vengono surriscaldati e inseriti all’interno di fori, vengono battuti, deformandone fusto e: è un metodo non più utilizzato per rimuovere bisogna rompere il chiodo, è difficile da mettere in opera, il raffreddamento doveva essere immediato, e generava delle cricche, imperfezioni che costituivano dei punti di debolezza e quindi fragili.
• Bullonatura: Funziona allo stesso modo nei fori, è una vita bella filettata, che si fa passare all’interno dei fori e dalla parte opposta anziché essere battuto, si utilizza un dado che blocca le parti per attrito. È un sistema completamente reversibile. Il limite è che non consente di realizzare qualunque tipo di vincolo con le strutture, realizzo appoggi ma ho difficoltà per gli incastri.
• Saldatura: Viene realizzata una saldatura o a completa penetrazione o solo per quella parte di sezione necessaria per i carichi (saldatura per cordone d’angolo). La saldatura ha bisogno di un tempo di raffreddamento che deve essere più naturale possibile per evitare punti di debolezza.

Come si realizza un appoggio e incastro: squadrette meccaniche che impediscono ogni possibile movimento anche infinitesimale. Per l’incastro ovviamente le piastre bullonate vanno collocate in modo da poter vincolare ogni tipo di movimento.

Nel mercato l’acciaio è standardizzato, 600 mm. Nel caso si richiedano pezzi speciali per averle su misura. Curiosità. Peter Rais, ingegnere strutturista che dimensionò le strutture del Pompidou in Francia. A Sidney realizza le strutture del teatro.

Quando realizzo scheletri portanti in acciaio, l’acciaio ha dei maggiori problemi per la verifica alle deformazioni, dunque devo incrementare le dimensioni degli elementi in acciaio, perché in caso di snellezza, sarebbero eccessivamente deformabili. Dunque aumento il loro dimensionamento senza esagerare, oppure realizzo dei controventi: realizzo una maglia triangolare, generando l’impossibilità assoluta di realizzare dei movimenti rigidi: aggiungo un numero di aste, trasformando gli scheletri in strutture isostatiche in perfetto equilibrio. Il triangolo è la figura per eccellenza che garantisce indeformabilità a causa della sua forma, che consente una distribuzione dei carichi omogenea.

Il legno

Il legno è molto simile all’acciaio, tronchi che vengono assemblati in cantiere. Posso avere degli elementi come pilastri e travi passanti interrotti, ecc. Anche qui per la giunzione si ricorre a squadrette, bulloni, ecc. In sostanza cambiano:

• Il tipo di giunzione: incollaggio, possibilità di chiodare e bullonare, attraverso la sagomatura agli estremi si realizzano gli incastri.

Il legno è un materiale naturale, che si può coltivare e che contrariamente agli altri materiali, ha caratteristiche anisotrope, presenta difetti come nodi (anomalie interne). Ha un differente comportamento meccanico, in funzione degli sforzi agenti sulle fibre. La sua conformazione resiste bene agli sforzi paralleli alla direzione delle sue fibre. Se sono perpendicolari gli sforzi, il legno non ha una grande capacità di resistenza. Ha un’ottima resistenza di flessione e di taglio. Che forma hanno gli elementi lignei in edilizia? Semplici o geometrizzate, ricavate da sezioni quadrata (per pilastri) o rettangolare (per le travi).

I problemi del legno? Teme l’umidità, se l’accumula innesca la formazione di muffe o parassiti. Dunque si trattano con impregnanti facendo che venga protetto. Per proteggerlo dagli incendi si irrobustisce l’elemento in quanto brucia 1/2mm al minuto. È l’unico materiale che può necessitare di controventi, realizzati in legno o con elementi sottili in acciaio.

Il legno artificiale, ossia lamellare, è un derivato naturale, realizzato per correggere il fattore dimensione dato dai vincoli del tronco stesso e i nodi che rappresentano debolezza. L’incollaggio di tavole mi consente di dare forma, resistenza, isotropia, e nessun limite di luce. Ha ottime qualità dunque. Con l’incollaggio di resine naturali e non ottengo un materiale naturale. Il legno ha un’ottima resistenza all’umidità, si adatta. Il legno fa fatica a passare da diversi tipi di climi, in quanto non riesce e ritrovare quell’equilibrio che porta sfibrarsi. Ha una vita utile superiore a quella dell’acciaio.

20 Aprile 2020: I solai

Il solaio è la parte resistente di una chiusura orizzontale, ha solo ruolo portante dunque statica, garantendo resistenza meccanica di una chiusura orizzontale. Il solaio è una grande trave larga, deve rispondere a sollecitazioni di flessione e taglio. I solai sono divisi in due grandi famiglie che si differenziano per gli sforzi di flessione:

• Monodirezionali: la flessione è unica e netta. I supporti sono degli elementi contrapposti. Il vantaggio è lo sfruttamento della capacità del materiale in un'unica direzione.