STRUTTURE RETICOLARI SPAZIALI, LO STATO DELL ARTE

Транскрипт

1 Capitolo 1 Strutture reticolari spaziali Capitolo 1 STRUTTURE RETICOLARI SPAZIALI, LO STATO DELL ARTE 1.1. Caratteristiche generali Si definisce struttura reticolare spaziale un ossatura tridimensionale in acciaio costituita di elementi resistenti variamente collegati tra loro, disposti in maniera che i carichi esterni vengano assorbiti non solo dalle membrature ad essi più direttamente interessate, ma anche da tutte le altre, anche se ubicate a notevole distanza da esse. Lo stato tensionale di tali strutture è più uniforme rispetto a quello che si realizza in una struttura tradizionale e la distribuzione degli sforzi tra le varie aste è migliore. Se avviene un cedimento di un elemento, questo non necessariamente determina il dissesto totale dell opera, in quanto può formarsi un nuovo stato di equilibrio legato alle membrature non interessate. Si introduce a questo punto il concetto di effetto spaziale, che si verifica quando la struttura gode in maniera rilevante della capacità distributiva degli sforzi, tale effetto dipende dalla forma strutturale e dalla geometria dello schema. Un altro concetto strettamente concernente questa trattazione è quello di effetto reticolare, al quale si assiste quando la struttura, in presenza di distribuzione costante delle tensioni, si trovi in una situazione intermedia rispetto a due situazioni limite per cui i carichi inducano solo sforzi flessionali, taglianti e torcenti, e un altra per cui si abbiano soltanto sollecitazioni di trazione e compressione. L effetto spaziale, congiuntamente all effetto reticolare, rappresentano le caratteristiche principali di una struttura reticolare spaziale e ne riflettono lo sfruttamento e la distribuzione ottimale, producendo vantaggi economici oltre che statici. Alla luce di questi vantaggi si possono aggiungerne altri legati alla prefabbricazione degli elementi, alla facilità di montaggio e alla possibilità di intercambiare anche solo un singolo elemento Grigliati piani Alla base dell utilizzo di grigliati piani a semplice o doppio strato è il concetto per il quale si possono ricoprire vasti 1

2 Grandi coperture strutture reticolari spaziali ambienti, siano essi a pianta quadrata, rettangolare o poligonale, senza l ingombro di pilastri interni. Il grigliato piano a strato semplice è un sistema spaziale costituito da due o più ordini di travi che si intersecano ad angolo retto o obliquo, il telaio può essere appoggiato o incastrato lungo il contorno e le travi interne possono essere vincolate tra loro. I carichi che normalmente vengono presi in esame sono: grossi carichi concentrati, carichi distribuiti applicati ai nodi, ai quali si riconducono anche i carichi su superficie, e carichi lungo una o più travi. Le caratteristiche di sollecitazione, generate dai carichi citati, sono sforzi normali e tangenziali, oltre a momenti flettenti e momenti torcenti, per questo motivo si ha un effetto reticolare nullo, pur essendo presente l effetto spaziale; non si può parlare, quindi, di vere e proprie strutture reticolari spaziali. Le griglie metalliche sono generalmente costituite da elementi aventi un momento d inerzia elevato in una direzione e piccolo nell altra, la cedevolezza a trazione rende trascurabile l effetto torcente; quest ultimo potrebbe essere dannoso in relazione all instabilità elastica trasversale. Nella pratica costruttiva si utilizza sovente lo schema avente le travi ortogonali a quelle perimetrali, tuttavia, dal punto di vista statico, seppur più oneroso, sarebbe conveniente l utilizzo di un reticolo diagonale al fine di realizzare una maggiore rigidezza flessionale e una migliore distribuzione del carico. Si riscontra, infatti, che la variazione di lunghezza delle travi disposte in diagonale produce una variazione di rigidezza, in particolare quelle più corte funzionano come appoggi elastici per quelle più lunghe, riducendo così i momenti flettenti in mezzeria. Le griglie a maglie con travi parallele a quelle perimetrali sono consigliabili solo per telai quadrati o rettangolari con lati non molto diversi fra loro. In relazione ai carichi di cui sopra, se si indica con q il carico ripartito, il carico sulla generica trave sarà dato da: concentrato equivalente pari a p = ql; mentre sul nodo generico si avrà un carico 2 P = ql. Il momento massimo sarà posto in corrispondenza della mezzeria delle travi e varrà M = µ Pl, essendo µ un coefficiente tabellato max ricavato eguagliando le frecce dei nodi. Per quanto riguarda la freccia in mezzeria, come noto sarà 2

3 Capitolo 1 Strutture reticolari spaziali 5 ql = ; 384 EJ f m 4 mentre la freccia in qualsiasi punto di ascissa x vale: f = f x x 2 l l 3 4 x + l x m. Le griglie diagonali a maglie quadrate seguono con buona approssimazione le traiettorie delle tensioni principali. Risulta interessante riportare la comparazione tra due griglie dei tipi descritti di lati totali 12x12 m, soggette a carico ripartito di 1 ton/m 2. Si fa notare dai valori dei momenti un calo da 31,9 a 16,8 tonxm in posizione centrale, a conferma di quanto esposto in precedenza in relazione ai vantaggi di tipo statico. Per i telai quadrati il momento massimo per le travi interne oscilla 2 2 L L tra ql ql (L = lato del telaio; l = lato della maglia); mentre L L per le travi d angolo ql ql Se si realizzassero degli incastri al perimetro, i momenti massimi in mezzeria si ridurrebbero del 30%, tuttavia, essendo impossibile 2 L realizzare un incastro perfetto, si considera ql per le travi 36 lunghe. Nel caso di superfici rettangolari con un lato molto più lungo dell altro, la griglia diagonale risulta più vantaggiosa in quanto consente di utilizzare aste più brevi e tutte uguali, salvo quelle negli angoli. Se poi le griglie diagonali sono utilizzate per 3

4 Grandi coperture strutture reticolari spaziali coperture inclinate, il fatto che le aste si incontrino sui bordi porta a una riduzione del momento sul telaio in direzione della falda e quindi anche delle frecce. Il momento massimo riscontrabile 2 L1 in un telaio rettangolare è di ql. 18 Si riporta che la scelta di utilizzare maglie triangolari porterebbe un ulteriore irrigidimento. Dal punto di vista tecnico-costruttivo, questo tipo di strutture si realizza utilizzando profilati metallici a I o a C, che in corrispondenza dei nodi vanno a realizzare un incastro; la continuità è garantita dalle saldature di testa. 1 1 L altezza di un grigliato a semplice strato è di circa della luce da coprire, è nettamente inferiore a quello che si avrebbe per sistemi tradizionali. Le luci massime che si possono coprire sono valutabili in m. Il grigliato piano a doppio strato è un sistema costituito da due reticoli semplici collegati fra loro da aste verticali o inclinate; in questo caso le sollecitazioni principali sono sforzi da trazione e compressione, con eliminazione quasi totale dei momenti flettenti. Tale tecnologia viene utilizzata, solitamente, qualora si vogliano coprire luci considerevoli, si può arrivare infatti a 100 m di massimale. Questi sistemi posseggono un elevato effetto reticolare oltre che un effetto spaziale, ogni carico viene quindi ripartito rapidamente in ogni direzione tra i numerosi elementi; si riscontra, inoltre, un buon comportamento nei confronti delle azioni dinamiche, quali sismi ed esplosioni. Le caratteristiche descritte sono tanto più presenti quanto più è fitta la distribuzione delle aste nello spazio. Nella pratica costruttiva un sistema ampiamente utilizzato è quello costituito da travi Warren opportunamente incrociate. L altezza che normalmente si assume per il grigliato è di 1 20 della luce da coprire. All atto del montaggio è opportuno prevedere una controfreccia pari a 1 1 della luce stessa

5 Capitolo 1 Strutture reticolari spaziali Collegamenti e sistemi Unistrut (USA): grigliato in acciaio in cui ognuno dei due strati è a due direzioni, il collegamento è realizzato con elementi tutti uguali in lamiera piegata con un bullone all estremità. Space deck: piramidi prefabbricate disposte col vertice verso il basso, unite con bullonature alla base, mentre ai vertici sono posti tiranti con tenditore a vite. Oktaplatte: tralicci tridirezionali costituiti da piramidi i cui lati sono profilati tubolari; le aste sono saldate nei nodi, costituiti da sfere cave in acciaio. 5

6 Grandi coperture strutture reticolari spaziali Mero-Tectovis: sono costituiti, alla base, da aste tubolari di lunghezza fissa e sfera di connessione provvista di diciotto fori filettati; ogni nodo può ricevere, senza eccentricità le estremità di diciotto aste. Il vantaggio riscontrabile per questo sistema consiste nell economia di tempo. Triodetic: non si hanno né saldature né bullonature, la connessione si realizza tramite un elemento speciale, nel quale possono essere inseriti elementi di varia sezione trasversale. 6

7 Capitolo 1 Strutture reticolari spaziali Grigliati piani inclinati Questo tipo di grigliati costituisce uno step successivo rispetto a quanto visto finora, se si considera una griglia rettangolare che mantenendo il lato più lungo venga fatta ruotare attorno ad esso di un determinato angolo, in presenza di carico verticale ripartito, esso potrà applicarsi ai nodi e suddividersi in una componente normale al piano della griglia e in una compresa in esso. Per quanto riguarda queste ultime si considera la griglia come una trave appoggiata in A e B, lunga L 2 e alta L 1 ; per considerarla come trave è necessario irrobustire il telaio di contorno e i nodi perimetrali, oppure si può scegliere la soluzione a griglia diagonale che fornisce già sufficiente rigidezza. Due griglie piane possono, poi, essere accoppiate a formare un tetto a due falde, se queste vengono opportunamente vincolate, si può ottenere una copertura con ottime caratteristiche di rigidezza e momento d inerzia elevato; inoltre attraverso l utilizzo di vincoli possono reggersi da sé diventando autoportanti. A seconda delle esigenze tali grigliati possono essere realizzati a semplice o doppio strato. Il loro utilizzo permette di coprire luci di dimensioni considerevoli, si può arrivare, infatti, oltre i 100 m. Dal punto di vista statico presentano condizioni più vantaggiose rispetto ai grigliati piani per via della forma che li avvicina alle strutture curve. In base a quanto detto, si avrà un comportamento spaziale e reticolare per le realizzazioni a doppio strato. 7

8 Grandi coperture strutture reticolari spaziali Grigliati a semplice curvatura Il passaggio da sistemi reticolari piani a sistemi a guscio porta a strutture caratterizzate da una notevole rigidezza. Per questo tipo di coperture la realizzazione in acciaio è preferibile rispetto a quella in calcestruzzo armato, infatti le casseforme dovrebbero avere una forma particolare, inoltre si presenterebbero svantaggi legati alla lentezza di esecuzione e all incidenza rilevante dei carichi utili. Nell 800 si diffondono anche cupole reticolari (realizzate ad esempio da Schwedler e Zimmermann) e volte a botte(föppl), il cui comportamento spaziale e reticolare è limitato, infatti le tensioni fluiscono secondo le nervature principali e non si ha diffusione multidirezionale uniforme, inoltre i momenti flettenti non sono trascurabili. L ipostesi di cerniere nei nodi sarebbe applicabile solo nel caso di volta rialzata, infatti per la volta ribassata nascono spinte orizzontali che producono a loro volta momenti flettenti sulle nervature. Come per i grigliati piani, le volte a semplice strato sono dotate di una unica giacitura di elementi prismatici la cui posizione coincide con un certo ritmo di suddivisione della superficie. Le maglie più diffuse nella pratica sono triangolari, quadrate o anche esagonali. Per luci rilevanti si passa al doppio strato che presenta una struttura molto più rigida; il comportamento spaziale e reticolare risulta molto marcato, gli sforzi sono, infatti, per lo più assiali. Per azione del ribassamento si creano azioni flessionali, per lo più in vicinanza dei bordi, che, tuttavia, non inficiano il comportamento reticolare della struttura. Per quel che riguarda le aste, si assume sezione tubolare, la variante è costituita principalmente dal tipo di collegamenti Volte a botte Questo tipo di volte diventa economicamente conveniente qualora la luce da coprire superi i 25 m e quando la pianta sia molto allungata, dovendo quindi ricorrere a travi di testata e intermedie. Hanno tuttavia un massimale di 80 m di ampiezza Collegamenti e sistemi Sistema Blumfield (UK): volta a botte a maglia triangolare composta da tubi d acciaio (per aste direttrici e generatrici) e ferri piatti che lavorano a 8