SCHELETRO PORTANTE IN ACCIAIO

SCHELETRO PORTANTE IN ACCIAIO

Il ferro e le sue proprietà erano già conosciute nei tempi più antichi. Fino a poco tempo fa, tuttavia, non era possibile produrlo a un prezzo così basso e in quantità iàepezzi così grandi da poterlo considerare allo stesso livelloll di pietra e legno (Otto Königer, 1902) John Paxton, Crystal Palace, Londra 1851

Gustave Eiffel, Torre Eiffel, Parigi 1889

Maggiore altezza dovuta al peso inferiore degli elementi in virtù delle sezioni ridotte Peso specifico: Acciaio 7500 kg/m³ Calcestruzzo 2400 kg/m³ Grattacieli a Chicago, 1948-1951

VANTAGGI Valore elevato di tensione (σ) ammissibile rispetto ai materiali di uso tradizionale Uguale comportamento sia a trazione che a compressione Minor peso proprio Minor peso complessivo scaricato in fondazione Possibilità di coprire luci notevoli Possibilità di modifiche in corso d opera a seguito di errori di dimensionamento SVANTAGGI Maggiore vulnerabilità agli agenti atmosferici e quindi necessità di protezione e periodica manutenzione Scarsa resistenza al fuoco Elevato costo del materiale Necessità di manodopera specializzata

Coefficiente di sicurezza riferito al limite di snervamento e non al limite di rottura

ACCIAIO La Normativa italiana contempla due tipi di acciaio: Acciaiotipo1 Sollecitazioni i iunitarie i massime ammissibili ibili σ amm = 160 N / mm 2 τ amm =92 N/mm 2 Acciaiotipo2 Sollecitazioni unitarie massime ammissibili σ amm = 240 N / mm 2 τ amm = 138 N / mm 2 Normalmente si utilizzano Acciai di tipo 1 Il tipo 2 viene adoperato solo per grandi strutture Acciaio tipo 1 Trafilatura a caldo Profilati di normale impiego con forme, dimensioni e spessori standardizzati

PROFILATI DI ACCIAIO DI USO COMUNE E LORO IMPIEGO Compressione, trazione Compressione, trazione Per sezioni composte Compressione, trazione Trazione Compressione, trazione Flessione

PROFILATI DI ACCIAIO DI USO COMUNE E LORO IMPIEGO Flessione Pressoflessione, trazione, compressione LAMINATI DI ACCIAIO DI USO COMUNE E LORO IMPIEGO Piatti - Compressione, trazione; per sezioni composte Lamiere - non utilizzate per S.P.

Sezioni composte

Collegamenti Chiodatura in disuso Saldatura preferibilmente solo in officina unioni non removibili Bullonatura facile da eseguirsi in cantiere unione removibile

Chiodatura I chiodi hanno tronco cilindrico e testa semisferica Preparazione dei pezzi ida collegare: - Tracciamento - Foratura diametro del foro (φ) > 1 mm rispetto a quello del chiodo distanza dai bordi del pezzo: 1,5 3 φ distanza tra i chiodi: 7 10 φ - Riscaldamento dei chiodi (a 1100 1200 C) - Messa in opera dei chiodi e loro ribaditura (a circa 950 C) Con la ribaditura il materiale del gambo riempie il foro per Con la ribaditura il materiale del gambo riempie il foro per intero, aumentando di fatto la sezione del chiodo ai fini della resistenza

Bullonatura I bulloni hanno tronco cilindrico (con estremità filettata per avvitare il dado e serrare i pezzi) e testa esagonale Preparazione dei pezzi da collegare: - Tracciamento - Foratura diametro del foro (φ) > 1,5 mm rispetto al diametro del bullone distanza dai bordi del pezzo: 1,5 3 φ distanza tra i bulloni: 7 10 φ - Messa in opera dei bulloni con l interposizione di due rondelle (una per parte) - Serraggio a mezzo di chiavi normali o dinamometriche (per garantire la medesima tensione di serraggio a tutti i bulloni)

Saldatura - Con arco elettrico Una scintilla provoca il passaggio di corrente tra gli elettrodi ltt posti a distanza dit minima ii Gli elettrodi sono in genere bacchette metalliche che forniscono anche il materiale di apporto per realizzare il cordone di saldatura Il materiale di apporto è il più possibile simile a quello di base - Per combustione di gas Fiamma ossiacetilenica che genera calore per combustione dell acetilene in una corrente di ossigeno Il calore provoca la fusione dei pezzi da collegare In genere si fa uso anche di metallo di apporto

Saldatura Preparazione dei pezzi da collegare: - Tracciamento - Taglio - Pulitura - Accostamento dei pezzi - Realizzazione del cordone di saldatura Giunzione degli elementi - Ad angolo - Di testa - Con sovrapposizione

Saldatura Taglio dei pezzi e cordoni di saldatura - Preparazione a V spessori da 5 a 12 mm - Preparazione a U spessori da 10 a 25 mm - Preparazione a doppio V o a X spessori da 12 a 40 mm - Preparazione a doppio U spessori da 30 a 60 mm - Preparazione a K

Saldatura Tipi di giunzioni

Saldatura Tipi di giunzioni Giunto a ponte all incrocio di saldature

Travi alveolari

Travi reticolari Tutti i nodi devono essere a cerniera I baricentri geometrici delle aste devono convergere nello stesso punto Se si adottano piastre di collegamento (fazzoletti) esse dovranno essere più piccole possibile per limitare la rigidezza flessionale dei nodi

Travi reticolari Le unioni ipossono essere saldate o bullonate

Trattamenti protettivi Contro la ruggine - Zincatura: procedimento che permette di ricoprire il materiale di uno strato di zinco; può essere effettuata a caldo (in un bagno di zinco fuso), elettroliticamente (mediante deposizione catodica) oppure a freddo (trattamenti analoghi ad una verniciatura con formulazioni a base di zinco) - Verniciatura protettiva: vernici a base di minio, un ossido di piombo - Protezione catodica: utilizzata soprattutto per i tubi interrati e per i depositi sotterranei di carburante; il metodo consiste nel collegare la struttura con un metallo, in particolare magnesio, che si ossida preferenzialmente

Trattamenti protettivi Contro il fuoco L acciaio è un materiale incombustibile, ma le sue caratteristiche meccaniche decrescono con l aumentare della temperatura, fino al collasso La temperatura critica delle strutture in acciaio di più comune impiego è compresa tra i 350 C e i 600 C Interventi: - Vernici intumescenti - Pannellature in gesso rivestito - Intonaci ignifughi

Vernici intumescenti - Vernici mono-componenti in emulsione acquosa - Vernici bi-componenti epossidiche Intervengono sul rivestimento degli elementi portanti, aumentando la resistenza delle strutture prima di raggiungere la temperatura di collasso Sotto l azione del lfuoco formano uno strato carbonioso isolante espanso che protegge il substrato metallico I prodotti possono essere applicati a pennello o a spruzzo previa rimozione di ogni traccia di grasso, di ruggine o di strati di incoerenti Lo spessore da applicare deve essere calcolato in funzione del fattore di massività delle singole strutture (S/V - rapporto tra la superficie esposta al fuoco e il volume dell elemento), dal grado di sollecitazione (temperatura critica), dal tipo di profilo e dal grado di protezione (classe R) che si vuole ottenere

Pannellature in gesso rivestito o in cartongesso Rappresenta in moltissimi casi una soluzione eccellente grazie alle proprietà fisicochimiche del gesso e del rivestimento realizzato con cartone a basso potere calorifico Intonaci ignifughi A base di fibre minerali, vermiculite, perlite e leganti cementizi, capaci di resistere a temperature elevate (REI 180 e oltre). L intonaco è applicato a spruzzo su superfici stabili, pulite e prive di ogni sostanza che potrebbe pregiudicare la perfetta aderenza (oli, grassi, ruggine, pitture o vernici scrostate, ecc..) Lo spessore ottimale è determinato in funzione del tipo di struttura, tt del fattore di massività dell elemento e del grado di sollecitazione (temperatura critica)

Elementi costruttivi funzionali dello Scheletro Portante in acciaio - FONDAZIONI -PILASTRI -TRAVI - NODI (punti in cui concorrono due o più elementi) - ELEMENTI DI CONTROVENTAMENTO - NODO Cerniera Permette le rotazioni e trasmette solo il taglio Incastro Non permette le rotazioni e trasmette momento e taglio

Capacità di resistenza alle azioni orizzontali Dipende dalla modalità di esecuzione dei nodi - Tutti nodi a incastro La struttura è fortemente iperstatica e resiste bene alle azioni verticali e orizzontali Metodo oneroso sia economicamente, sia per tempo di impiego della manodopera

Capacità di resistenza alle azioni orizzontali - Nodi a incastro in numero sufficiente, tutti gli altri a cerniera La struttura deve essere progettata in modo da essere isostatica Si realizza un nucleo rigido che resiste bene alle azioni verticali e orizzontali

Capacità di resistenza alle azioni orizzontali - Tutti nodi a cerniera con presenza di nuclei rigidi in c.a. La resistenza alle forze orizzontali è affidata a nuclei rigidi in c.a. (vani scala e/o ascensore, setti, ecc.) Non sempre è possibile

Capacità di resistenza alle azioni orizzontali - Tutti nodi a cerniera con elementi di controventamento La resistenza alle forze orizzontali è affidata a nuclei rigidi realizzati a traliccio che ripropongono la figura indeformabile per eccellenza: il triangolo L elemento resistente alle azioni orizzontali può essere paragonato a una mensola reticolare posta in verticale e incastrata al piede

com ompresso teso Controventamento

Schemi di controventamento

Unioni tra elementi costruttivi funzionali dello Scheletro Portante in acciaio - Unione TRAVE-TRAVE Si rende necessaria quando le luci da coprire sono maggiori delle dimensioni dei profili prodotti industrialmente Va eseguita dove le sollecitazioni (M, T) non sono massime - Unione con flange

- Unione TRAVE-TRAVE - Unione con flange

- Unione TRAVE-TRAVE - Unione saldata A A AA A-A

- Unione TRAVE-TRAVE - Unione con coprigiunti bullonati

- Unione PILASTRO-PILASTRO Si rende necessaria quando le altezze da realizzare sono maggiori i delle dimensioni i i dei profili prodotti industrialmente e ogniqualvolta vi è una rastremazione della sezione del pilastro Va eseguita dove le sollecitazioni (M, T) non sono massime - Unione con flange

- Unione PILASTRO-PILASTRO - Unione saldata senza rastremazione della sezione A A A-A

- Unione PILASTRO-PILASTRO - Unione saldata con rastremazione della sezione e piastre trasversali

- Unione PILASTRO-PILASTRO - Unione con coprigiunti bullonati

- Unione TRAVE PRINCIPALE-TRAVE SECONDARIA - Unione saldata nodo cerniera

- Unione TRAVE PRINCIPALE-TRAVE SECONDARIA - Unione con profilati angolari (squadrette) bullonati nodo cerniera

- Unione TRAVE PRINCIPALE-TRAVE SECONDARIA - Unione con profilati angolari (squadrette) bullonati nodo incastro

- Unione TRAVE-PILASTRO a cerniera Consente la rotazione e trasmette solo forze Si collega solo l anima della trave con l anima o un ala del pilastro - Unione con squadrette

- Unione TRAVE-PILASTRO a cerniera - Unione saldata

- Unione TRAVE-PILASTRO a cerniera - Unione con flange

- Unione TRAVE-PILASTRO a incastro È un nodo rigido e trasmette sia forze che momenti Si collegano sia l anima che le ali della trave con l anima o un ala del pilastro - Unione con squadrette

- Unione TRAVE-PILASTRO a incastro - Unione con squadrette

- Unione TRAVE-PILASTRO a incastro - Unione saldata

- Unione TRAVE-PILASTRO a incastro - Unione con flange

- Unione PILASTRO-FONDAZIONE Fondazioni in c.a. Piastra sufficientemente spessa e rigida (per evitare la punzonatura o l inflessione) saldata al piede del pilastro predisposta con 4 fori per alloggiare i tirafondi, annegati nella fondazione in fase di getto del calcestruzzo

- Unione PILASTRO-FONDAZIONE Dimensionamento della superficie della piastra

- Unione PILASTRO-FONDAZIONE Dimensionamento di massima della superficie della piastra P = carico che il pilastro deve trasferire alle fondazioni σ acciaio = P / A acciaio P = σ acciaio A acciaio σ cls = P / A cls P = σ cls A cls σ acciaio A acciaio = σ cls A cls A cls = (σ acciaio / σ cls ) A acciaio σ acciaio = 160 N/mm 2 σ cls ~ 8 N/mm 2 A cls ~ (160 / 8) A acciaio ~ 20 A acciaio

BIBLIOGRAFIA L. Caleca, Architettura Tecnica, Capitolo 4, paragrafo 4.1.6 A. Petrignani, Tecnologiedell Architettura, Capitolosecondo strutture in acciaio