Fondamenti di Tecnologia dell'Architettura

Le fondazioni

Le fondazioni sono il collegamento statico tra edificio e suolo, molto più ampie rispetto alle strutture in elevazione. I dati necessari per definire le fondazioni sono:

• Capacità portante del terreno
• Carichi trasmessi a terra
• Posizione delle strutture in elevazione verticale
• Forma dell’area

Le fondazioni si dividono principalmente in due tipologie:

• Dirette: per terreni resistenti pochi metri sotto il piano di campagna
• Indirette: per terreni resistenti molto in profondità o terreni poco resistenti

Fondazioni dirette

Scaricano i carichi al terreno direttamente tramite la superficie d’appoggio. Si dividono in:

• Continue: a trave rovescia (associate a una struttura di elevazione continua)
• Discontinue: a plinti (associate a una struttura di elevazione discontinua)

Fondazioni dirette discontinue

Hanno come elemento tecnico il plinto che serve ad ampliare la base del pilastro, ha forma tronco-piramidale per distribuire i carichi. Per livellare il terreno sotto il plinto si pone uno strato di magrone (calcestruzzo a basso dosaggio di cemento) alto almeno 10 cm. Sono adatti solo a terreni con resistenza uniforme perché non adatti a sopportare cedimenti differenziali, per rendere più solidale la struttura si realizzano cordoli di calcestruzzo armato.

Plinto zoppo: plinto che si appoggia a un edificio vicino e quindi è tagliato e si allarga doppiamente dall’altro lato.

I plinti possono essere fatti in due materiali:

• C.A.: la base allargata tende a flettersi
• Acciaio: piatto metallico su dado di C.A., tenuti insieme da tirafondi (bulloni annegati nel Calcestruzzo).

Fondazioni dirette continue

Distribuiscono il peso al terreno uniformemente, hanno uno strato di magrone al di sotto per livellare, questo permette di predisporre armature o casseforme. La fondazione può essere in calcestruzzo non armato se il terreno risulta molto resistente, si possono invece utilizzare cordoli in C.A. con mensole laterali più laboriosi, ma meno dispendiosi in fatto di materiale.

Nel caso di strutture discontinue si utilizza un sistema a travi rovesce: strutture in C.A. che ricevono i carichi dai pilastri scaricandoli, hanno sezione a T capovolta con due mensole inferiori che allargano la superficie di appoggio. Le travi rovesce sono parallele tra loro e collegate da cordoli, se serve però irrigidire molto la fondazione diventano anch’essi travi rovesce ottenendo una struttura a travi rovesce incrociate.

Si ha uno strato di magrone su cui si appoggia l’armatura e la cassaforma in cui si getta il C.A., la cassaforma viene poi rimossa.

Fondazioni indirette

Utilizzate quando il terreno superficiale ha resistenza bassa, si usano pali o pozzi se il terreno resistente è profondo, ma raggiungibile, in caso contrario si usa una fondazione a platea.

Fondazioni indirette – terreni a scarsa resistenza

Si usa una fondazione a platea: solaio in C.A. rovesciato poiché i carichi arrivano dall’alto e si contrastano con la spinta dal basso sulla soletta (reazione del terreno). Può essere irrigidita da travi secondarie che formano una piastra nervata. Ripartisce efficacemente i carichi, non rischia cedimenti per comportamenti non uniformi del terreno, più sicura ma più costosa.

Fondazioni indirette – terreno resistente profondo

Si utilizzano pali per raggiungere lo strato più resistente, ce ne sono due tipi:

• Pali appoggiati
• Pali sospesi

I pali appoggiati fungono da fondazioni puntiformi su terreno resistente, consolidano il terreno per costipazione e sostengono grazie all’attrito tra palo e terreno, possono essere pali battuti, pali gettati in opera senza asportare terra o pali gettati in opera con asporto di terra. Ogni tipologia di palo ha specifiche di inserimento nel terreno, tutti possono essere realizzati in cantiere o prefabbricati.

Strutture portanti in elevazione verticale

Elementi che formano l’ossatura dell’edificio insieme alle fondazioni, assolvono le funzioni:

• Statica
• Orizzontamento

Possono essere di due tipologie:

• Sistemi continui: muri, cordoli e solai vincolano la distribuzione degli spazi interni e limitano il numero di aperture in facciata
• Sistemi discontinui: pilastri, travi e solai flessibili in pianta e liberi rispetto alla distribuzione degli spazi interni, che vanno controllati però rispetto alla luce.

Ci sono tre tipologie di procedimenti costruttivi:

• Tradizionali: le strutture vengono edificate in loco con grande quantità di manovalanza
• Industrializzati: strutture edificate in loco con l’ausilio di molte attrezzature
• Prefabbricati: elementi assemblati in luoghi differenti e poi montati in cantiere

Strutture a telaio

Costituite da pilastri che sostengono i carichi verticali e li trasmettono alle fondazioni, i materiali del telaio devono poter reggere compressioni, flessioni e tagli. La struttura può essere irrigidita tramite controventature o irrigidenti per migliorare la statica.

Si utilizzano principalmente tre materiali:

• C.A.
• Acciaio
• Legno

Questa nuova struttura crea un ripensamento del tamponamento verso l’esterno che procede sempre più verso una trasparenza grazie alla possibilità di inserire intere parti vetrate, ma ha problemi di isolamento termico ed acustico.

Strutture a telaio in C.A.

Le caratteristiche fisiche e meccaniche del C.A. consentono di realizzare elementi modellabili secondo diverse esigenze e proteggono le armature dal fuoco, ma il C.A. ha scarsa coibenza termica e acustica, non si adatta ed è di difficile smaltimento e pesa molto. Per questi motivi spesso si scelgono altre soluzioni seppur più costose.

Il C.A. può essere di due tipologie:

• In opera: viene gettato in casseforme in legno a perdere o in acciaio riutilizzabili (in queste l’armatura è stata già inserita in precedenza). La costruzione procede piano per piano e al piano superiore si riprende l’armatura del piano inferiore. Le casseforme vengono rimosse solo quando il C.A. è maturo.
• Prefabbricati: giungono o già assemblati in cantiere e consolidati con un piccolo getto oppure vengono assemblati a secco e resi solidali con giunture e bulloni. Metodo molto utilizzato per i capannoni industriali.

I pilastri in C.A. vengono posizionati sul perimetro, sugli spigoli e sulle fibre tese, i ferri longitudinali sono connessi tramite staffe orizzontali. A sezione quadrata o rettangolare con tondini verticali in acciaio lungo tutta l’altezza se le staffe sono isolate a interasse costante. A sezione circolare con armatura di barre longitudinali sul perimetro racchiuse da staffatura a spirale.

Strutture a telaio in acciaio

Le strutture in acciaio hanno il vantaggio di ridurre il peso dei portanti e sono facilmente prefabbricabili, ma in negativo l’acciaio ha costi elevati ed ha problemi per isolamento acustico e resistenza termica (cede alle temperature superiori ai 300°). La giunzione è tramite bullonatura o saldatura.

Possono essere profilati in differenti modi:

• A sezione chiusa: resiste bene al carico di punta, ma si collega difficilmente con il resto della struttura
• A sezione aperta: collega agevolmente le parti strutturali
• A sezione composta: accostamento di elementi base uniti per saldatura o bullonatura per prestazioni non ottenibili.

Strutture a parete portante

Strutture continue dove la funzione statica è affidata agli elementi verticali continui. La struttura due muri ed un solaio appoggiato è stabile per le forze verticali, ma non per quelle orizzontali, può essere irrigidita con irrigidimenti, pareti di taglio o controventature. Il sistema è stabile anche se il nodo tra parete e solaio è un incastro.

Tre schemi di struttura:

• Setti disposti come le facciate longitudinali dell’edificio e gli irrigidimenti sono ortogonali aperture limitate, ma più libertà interna
• Setti disposti trasversalmente rispetto alla facciata dell’edificio e gli irrigidimenti sono sono paralleli alle facciate aperture libere, ma poca libertà interna
• Setti che fungono anche da irrigidimento sistema rigido usato per vani scala e ascensore

Strutture in mattoni o blocchi

È un sistema antico e pratico a causa della dimensione ridotta degli elementi. Sono mattoni tra cui si inserisce uno strato di malta di 1 cm, i mattoni hanno funzione solo statica, la malta ha funzione di giunto e statica per ripartire i carichi trasmessi sui blocchi. Gli elementi sono “apparecchiati” sfalsando i giunti per concatenare gli elementi, l’economia della tipologia costruttiva ha fatto diffondere molto questo metodo di costruzione.

Tre differenti spessori di parete:

• A una testa (larghezza di un mattone)
• A due teste (lunghezza di un mattone)
• A tre teste (lunghezza+larghezza di un mattone)

Ora si utilizzano blocchi più grandi rispetto ai mattoni forati per essere più leggeri e con proprietà più isolanti mantenendo buone proprietà meccaniche. La muratura in laterizio resiste alla compressione, ma non alla trazione non deve essere sollecitata da spinte orizzontali oppure bisogna intervenire con controventamenti (ad esempio muri di spina). Per una maggior resistenza si possono inserire armatura verticali nei fori dei blocchi e armatura orizzontali nei giunti in malta.

Strutture in C.A. gettato in opera

Con strutture in C.A. gettato in opera si contraggono i tempi rispetto alla costruzione in blocchi, ma si deve aggiungere il tempo di maturazione del getto. Non è valido rispetto a isolamento termico e acustico. Questa tipologia viene utilizzata per vani scala e ascensore, controventature, muri controterra, ma viene poco utilizzata in elevazione per via dei vincoli planimetrici e per la poca flessibilità. Per il getto vengono utilizzate casseforme, dette a perdere se parte del progetto finale (realizzate in fibra di legno, polistirene o schiume poliuretaniche per favorire l’isolamento).

Strutture a pannelli prefabbricati

Elementi realizzati in fabbrica e assemblati in cantiere riducono i tempi rispetto alla maturazione del getto. Elementi piani bidimensionali assemblati a secco con giunti o getti di completamento.

Strutture in elevazione orizzontale

Travi in C.A.

Elementi orizzontali lineari, possono essere sagomati in diversi modi (rettangolare, T, L) e armati longitudinalmente (per assorbire flessioni), si inseriscono staffe a metà per contrastare le azioni di taglio. La trave può essere:

• Ribassata: altezza maggiore del solaio, la trave sporge
• In spessore: altezza uguale a quella del solaio

Staticamente sono meglio le travi ribassate, ma vengono più spesso usate quelle in spessore per vari motivi:

• Non sporgono nell’intradosso
• Le casserature sono più semplici e quindi meno costose

Questa tipologia di travi non è adatta per zone sismiche poiché meno resistenti alle scosse. Se gli ambienti sono molto grandi si intessono le travi principali con travi secondarie.

Ci sono diverse tipologie di travi in C.A.:

• In opera: armatura longitudinale con staffe trasversali intorno a cui si realizza la casseratura in cui si attua il getto in Calcestruzzo.
• Semi-prefabbricate: vengono prodotte e poi unite tramite getto di completamento, vengono appoggiate sulle mensole dei pilastri, si effettua il getto e si rende così omogenea la struttura
• Prefabbricate: vengono semplicemente appoggiate e fissate ai pilastri

Solai in C.A.

I solai in C.A. possono essere di due tipologie:

• Monolitici (a piastra): solette in calcestruzzo armate a sezione piena costante o con nervature, coprono luci di 2-3 metri e sono spesse 12-20 cm. Se questa tipologia deve coprire luci ampie si utilizza un sistema di nervature (piccoli travetti di irrigidimento).
• Misti con elementi di alleggerimento: si utilizzano elementi posizionati prima di gettare, solitamente si utilizzano le pignatte (elementi in laterizio forato) e il solaio viene detto in laterocemento. Si possono utilizzare anche altri materiali che migliorano termicamente e afonicità del solaio, si ha una alternanza con piccole nervature in C.A. che vengono collegate superiormente con una caldana (Soletta cementizia) spessa almeno 4 cm.

I solai possono essere:

• Gettati in opera: si dispongono su un tavolato orizzontale le armature dei travetti interponendo elementi di alleggerimento su cui si getta poi il getto del solaio insieme a quello delle travi (serve quindi un tavolato continuo sostenuto da puntelli).
• Prefabbricati: i travetti vengono prefabbricati e sostengono le pignatte (con apposite alette sporgenti) bastano solo pochi puntelli per sostenere prima del getto di completamento.

I solai misti vengono utilizzati nel residenziale per coprire luci piccole di 4,5-5 m che poggiano su travi di spessore che coprono luci di 3,5-4 m. le pignatte sono alte 16 cm ed hanno sopra una caldana di 4 cm.

Nel caso di balconi aggettanti si usano due soluzioni:

• Solai a sbalzo: si prolunga il solaio interno per continuare strutturalmente i travetti, in questo caso il solaio interno dev’essere ordito verso lo sbalzo e la trave perimetrale portante. L’aggetto in questo caso può essere di 1,5-2 m.
• Solai appoggiati su mensole: le travi del solaio sono mensole che sostengono il solaio esterno, entrambi i solai sono orditi paralleli alla facciata. L’aggetto in questo caso può essere anche molto ampio.

I solai dei balconi possono essere a soletta piena o mista.

I solai prefabbricati possono essere realizzati con tegoli (elementi nervati in calcestruzzo) posati a secco o a tipo misto con getto di completamento in opera, in questo caso ci sono due opzioni:

• Pannelli prefabbricati in laterocemento: blocchi forati in laterizio a file accostate tra cui si gettano una o due nervature di C.A. che danno la resistenza per essere portante nel montaggio non servono puntelli durante il montaggio, dopo il montaggio si inserisce un’armatura metallica nelle nervature create dalle linee di accostamento dei pannelli
• Pannelli prefabbricati tipo pedralles: lastra sottile di C.A. in cui viene precedentemente inglobata l’armatura (tralicci metallici) e gli alleggerimenti (laterizio, polistirolo o altro). Portata in cantiere funge da cassaforma per il getto di completamento. Ha una superficie liscia e regolare e quindi costituisce finitura per seminterrati non abitabili.

Travi in acciaio

Profili laminati a IPE, HE o C se ad anima piena. Per le travi si usa solitamente il profilo a IPE efficiente strutturalmente e resistente alle flessioni. Le travi principali sono quelle che sorreggono i carichi del solaio, in una campata le travi principali sono quelle collocate perpendicolari alla grecatura della lamiera, quelle parallele non ricevono il carico e sono di collegamento per chiudere la struttura.

Se la luce è elevata si ordisce con travi secondarie per sostenere il solaio, l’altezza della trave è 1/20 della luce e se la luce è oltre i 20 m si utilizzano travi reticolari.

Solai in acciaio

Solai in lamiera grecata in acciaio con completamento in calcestruzzo: le lamiere grecate fungono da cassero a perdere per il getto di completamento, il solaio risulta quindi unitario e i due materiali riescono ad assorbire trazioni (acciaio) e compressioni (calcestruzzo).

Lo spessore della lamiera è al minimo di 0,8 mm se si ha il getto di completamento, se invece è autoportante lo spessore è al massimo di 1,3 mm tra questi due valori ci sono diversi spessori in funzione delle luci e del calcestruzzo. La grecatura è al minimo di 5 cm se collaborativo al massimo è invece di 25-30 cm se autoportante. Quando a secco ci si posiziona sopra uno strato rigido in pannelli che serve per poi posarci la pavimentazione. La lamiera fa da armatura del calcestruzzo e quindi è fondamentale l’aderenza a cui contribuisce l’inserimento di una rete elettrosaldata o la presenza di nervature. Bisogna inserire un controsoffitto per permettere di avere una superficie piana.

I materiali

Calcestruzzo

Le malte e i calcestruzzi sono miscele di diversi elementi miscelati per ottenere le migliori prestazioni:

• Leganti: ottenuti cuocendo materiali minerali, mescolati con acqua si induriscono e aderiscono irreversibilmente, si possono dividere in aerei (induriscono solo all’aria) e in idraulici (induriscono sia all’aria sia a contatto con l’acqua). Ci sono tre famiglie di leganti:
  • Gesso: la pietra viene cotta tra i 130° e i 170° C, assorbe acqua pari a quella persa in cottura e si indurisce in meno di un’ora. Ne esistono varie tipologie.
  • Calce aerea: indurisce solo all’aria, unione di calcare e carbonato di calcio (cotto a 900°), il prodotto è detto calce viva che diviene calce spenta quando è mescolata con l’acqua. Si utilizza come stuccatura o malta da intonaco.
  • Calce idraulica: indurisce anche all’aria, ottenuta cuocendo marne o carbonato di calcio con argilla. Cemento: legante idraulico, miscela di acqua e materiali differenti omogeneizzati.
• Aggregati: materiali minerali granulari naturali o artificiali, le malte hanno granulometria da 0,1 a 7 mm mentre i calcestruzzi da 3 a 30 mm.
• Additivi: prodotti chimici che migliorano alcune caratteristiche del materiale, ci sono differenti tipologie:
  • Aumento di fluidità
  • Velocizzare o rallentare la presa
  • Inserire microbolle di aria favorendo resistenza a gelo e disgelo
• Prodotti: sono un’ampia gamma, si distinguono in base al legante usato:
  • Malte: impasto di calci, sabbia, acqua e additivi. Si dividono in:
    • Malte aeree: induriscono solo in presenza di aria, miscela di gesso o calce aerea, sabbia e acqua
    • Malte idrauliche: induriscono anche in presenza di acqua, miscela di calce idraulica, aggregati e acqua o calce aerea con aggregato adatto (malta pozzolanica)