Premessa
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I modelli analitici esistenti considerati sono:
– Modello di Easley
– Modello di McCutcheon et al.
– Kaellsner & Lam
A tali modelli analitici sono stati affiancati due modelli proposti.
Tali modelli sono il modello di Easley modificato (ottenuto partendo dal modello di Easley)
ed un modello totalmente proposto nell’ambito della presente tesi.
Il modello numerico proposto invece, è stato ottenuto modellando le connessioni con elementi
non lineari, i pannelli come elementi piastra e l’intelaiatura d’acciaio come elementi trave.
Nella primo capitolo analizzeremo brevemente sia il sistema costruttivo con le relative
problematiche di progettazione
Il secondo capitolo è dedicato ad una rivisitazione delle attività sperimentali condotte su tali
strutture in Europa, America e Australia.
Una breve descrizione sulla attività sperimentale condotta in Italia sulla risposta ciclica di
strutture ad aste è oggetto del terzo capitolo.
Nel quarto capitolo tratteremo dell’analisi del comportamento delle connessioni sulla cui base
nel quinto capitolo verrà simulata la risposta globale di una parete a spostamenti laterali.
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CAPITOLO I
1 SISTEMA COSTRUTTIVO E ASPETTI PROGETTUALI
1.1 SISTEMI COSTRUTTIVI
Negli ultimi anni l’uso di profili formati a freddo nella costruzione di abitazioni di piccole
dimensioni ha avuto un grande incremento soprattutto in Nord America, Nord Europa e
Australia.
I sagomati a freddo, tradizionalmente usati nella realizzazione di strutture secondarie per
edifici industriali hanno avuto in tali continenti una larga diffusione per la realizzazione di
piccoli edifici residenziali detti “HOUSING” ed in strutture commerciali, soprattutto grazie a
vantaggi derivanti dalla riduzione dei tempi d’esecuzione.
La presente tecnica costruttiva con l’utilizzo di sagomati a freddo deriva da quella tradizionale
americana dove l’intelaiatura viene realizzata tramite aste di legno senza subire sostanziali
modificazioni da un punto di vista architettonico o dei finimenti interni ed esterni.
Le tipologie strutturali nelle quali vengono usati i sagomati a freddo, in ordine di grado di
prefabbricazione sono:
– “STICK BUILT” struttura ad aste
– “PANELIZED” struttura a pannelli
– “MODULAR” struttura modulare
1.1.1 Sistema costruttivo ad aste “Stick-Built Constructions”
Il sistema con struttura ad aste “STICK BUILT”, è caratterizzato da un basso livello di
prefabbricazione anche se esso risulta essere quello maggiormente adoperato nella
realizzazione di case residenziali in quanto risulta essere quello direttamente derivato dal
tradizionale sistema costruttivo americano.
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Difatti in tale sistema le aste in legno vengono sostituite da profili sagomati a freddo e come
esse vengono tagliate a misura direttamente in cantiere mediante una sega portatile,
assemblate a terra posizionate ed in fine viene posizionato il rivestimento interno ed esterno.
La realizzazione di una struttura con tale sistema risulta essere molto rapida, difatti una
piccola abitazione può essere realizzata in 2÷4 giorni.
I vantaggi derivanti da tale sistema costruttivo sono:
– Ampie tolleranze di lavorazione
– Scarso lavoro in officina
– Non necessita di particolari strumenti di lavorazione
– Materiali per la realizzazione della struttura poco ingombranti
Figura 1.1 Sistema costruttivo "Stick Built"
1.1.2 Sistema costruttivo a pannelli “Panelized Constructions”
Il sistema costruttivo a pannelli “PANELIZED” è caratterizzato dal fatto le pareti, solai e
coperture possono essere realizzate direttamente in officina ed assemblate in cantiere per
avere la geometria richiesta.
Tale metodo è molto efficiente soprattutto se i pannelli assumono tutti la stessa forma in
modo da velocizzare la costruzione degli stessi.
Al contrario del sistema ad aste dove la finitura della parete avviene in cantiere, in tale
sistema la finitura può essere realizzata direttamente in officina.
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I principali vantaggi di tale sistema costruttivo sono:
– Velocità d’esecuzione
– Controlli di qualità più efficienti durante la lavorazione in officina
– Riduzione dei costi di lavorazione i sito
– Ottimizzazione della automazione in officina.
Figura 1.2 Sistema costruttivo "Panelized"
1.1.3 Sistema costruttivo modulare “Modular Constructions”
Il sistema costruttivo a moduli “MODULAR” vengono realizzate sottostrutture costituite da
parte di solaio e copertura realizzate in officina.
Tali moduli, che ad esempio possono essere usati come camere d’albergo, sono
completamente realizzate in officina prima di essere trasportate in sito ed assemblate, in
genere sono complete di tutte le finiture compresi mobili e tappeti.
In sito tali strutture vengono assemblate fianco a fianco e posizionate sulla fondazione
precedentemente realizzata e quindi collegati ai servizi per completare la struttura.
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Figura 1.3 Sistema costruttivo "Modular"
I tre sistemi costruttivi analizzati si differenziano esclusivamente per il grado di
prefabbricazione della struttura, in generale essi sono tutti realizzati con una intelaiatura
d’aste e rivestimento.
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1.2 IL SISTEMA AD ASTE
Gli elementi base per la realizzazione di un sistema costruttivo del genere sono:
1. fondazione
2. pareti
3. solai
4. copertura
di seguito si riporta uno schema costruttivo classico per una struttura realizzata con
intelaiature d’aste e rivestimento
Figura 1.4 Struttura tipologica ad intelaiatura d'aste
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1.2.1 La fondazione
Le fondazioni in genere sono realizzate in due tipi fondamentali:
– Setti di calcestruzzo gettato in opera
– Platee di fondazione
Per entrambe le tipologie di fondazione il problema principale è dovuto al carico di
sollevamento difatti quando la struttura è soggetta a carichi orizzontali si genera un momento
ribaltante che deve essere controbilanciato dal peso della fondazione stessa.
1.2.2 Le pareti “Walls framing”
Le pareti hanno generalmente due o tre possibili funzioni diverse.
La prima funzione è quella di portare i carichi verticali trasmessi dai solai e dalla copertura
(load bearing wall).
Le pareti esterne devono resistere alla pressione del vento e trasmetterla ai solai e coperture
che hanno un comportamento a diaframma i quali a loro volta ripartiscono la forza anche su
altre pareti e quindi trasferiscono tali carichi alla fondazione, in più possono essere parte del
sistema che assorbe i carichi orizzontali da vento e da sisma (bracing wall).
I principali componenti di una parete sono:
– I montanti “stud”
– Le guide “wall track”
I montanti sono elementi strutturali verticali con compito di portare i carichi verticali e/o
trasferire i carichi laterali (normalmente sono realizzate con sezioni irrigidite).
Le guide, dette anche correnti, sono elementi orizzontali hanno il compito di chiudere
superiormente ed inferiormente le pareti (normalmente realizzate con sezioni no irrigidite).
Per i montanti, solitamente, si adoperano sezioni a C irrigidite in acciaio zincato sagomati a
freddo, posizionate con le flangie a contatto con il rivestimento delle pareti e con dimensioni
che vanno dai 300mm ai 600mm.
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Il rivestimento può essere, per esempio, realizzato con pannelli a base di legno o cartongesso
o, in alcuni casi, con lamiere ondulate.
Se il rivestimento è abbastanza rigido e resistente ed è adeguatamente collegato ai montanti, la
capacità portante per carichi verticali può essere sensibilmente aumentata grazie alla riduzione
di effetti instabilizzanti nelle aste.
I montanti possono essere calcolati o liberi, senza l’interazione con altri elementi costituenti la
parete, oppure portando in conto tale interazione nel qual caso occorre utilizzare metodologie
di calcolo empiriche o basandosi sull’interpretazione di risultati sperimentali.
Figura 1.5 Struttura tipica di una parete ad intelaiatura d'aste
Figura 1.6 Dettagli costruttivi di una parete
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1.2.3 I solai
I solai sono generalmente strutture leggere costruite a secco.
La loro funzione oltre che di portare i carichi verticali è di fornire una buona resistenza al
fuoco ed un buon livello di isolamento.
In genere essi vengono realizzati con profili sagomati a freddo rivestiti con pannelli a base di
legno, l’interasse degli elementi in genere coincide con l’interasse dei montanti.
Figura 1.7 Schema tipico di solaio
I principali componenti sono:
Arcarecci (floor joists): sono elementi orizzontali che supportano i carichi
verticali (in genere realizzate con sezioni irrigidite)
Guide dei solai (floor track): sono elementi orizzontali usati come chiusura o
contorno degli arcarecci (in genere realizzate con
sezioni non irrigidite)
web stiffener: sono elementi orizzontali aggiuntivi inseriti tra gli
arcarecci per irrigidire il solaio contro l’instabilità
laterale
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la progettazione del solaio raramente è influenzata dalla resistenza, ciò che normalmente
condiziona la sezione degli arcarecci è la deformabilità degli stessi o problemi legati alle
vibrazioni.
Molto spesso difatti il camminare delle persone può portare in risonanza l’acciaio del solaio
generando problemi di funzionalità.
In alcuni casi, i solai, vengono realizzati con sezioni trapezoidali poggiate su una orditura di
travi principiale completata con pannelli a base di legno.
Meno spesso si utilizzano solaio misti acciaio calcestruzzo poggiati su travi principali.
1.2.4 Le coperture
La realizzazione di una copertura con capriata in acciaio disposte normalmente come capriate
in legno, solitamente richiedono tempi di esecuzione superiori a quelli necessari alla
costruzione della stessa copertura con capriate in legno.
Per tale motivo se il sottotetto non risulta essere praticabile e le luci da coprire sono modeste,
si opta per la realizzazione di una copertura con capriate in legno.
La soluzione con capriata in acciaio risulta essere economicamente vantaggiosa quando
l’interasse tra le capriate inizia a diventare notevole oppure quando il sottotetto risulta essere
abitabile.
Nella figura 1.8 si riporta uno schema costruttivo di una capriata in acciaio con i principali
componenti che la costituiscono.
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Figura 1.8 Schema costruttivo copertura con capriata in acciaio
In base alla figura precedente i principali componenti che costituiscono una copertura in
acciaio sono:
Trave inclinata (rafter): sono elementi inclinati per il supporto dei carichi (in
genere sono realizzati con sezioni irrigidite)
Arcarecci di copertura (ceiling joist): sono elementi orizzontali necessari al supporto della
copertura e dei carichi verticali agenti all’ultimo
piano.
Elemento di colmo (ridge member): elemento orizzontale posizionato nella parte alta
dell’intersezione i due falde di copertura
Fascia sono elementi terminali delle travi inclinate
necessari all’applicazione delle finiture della
copertura come rivestimento e grondaia.
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1.2.5 Altri elementi necessari per pareti, solai e copertura
Altri elementi necessari alla realizzazione di una struttura ad aste sono:
Travetto (header) sono elementi necessari qualora bisogna realizzare
dei fori in solai, pareti e coperture per permettere il
trasferimento dei carichi ad elementi resistenti
adiacenti.
Bloking sono pezzi di trave inseriti nella struttura per
ottenere un irrigidimento della stessa contro
eventuale instabilità laterale degli elementi che la
compongono.
Concatenamento (bridging) sono blocchi posizionati lateralmente agli arcarecci
per evitare spostamenti orizzontali degli stessi.
Connessioni piatte ( flat strap) sono piatti non sagomati usati di solito per irrigidire
e trasferire carichi.
1.2.6 Assemblaggio di un edificio
Per l’assemblaggio di un edificio con struttura ad intelaiatura d’aste esistono
fondamentalmente due sistemi come definiti dalle CSSBI 1991:
1. Platform system
2. balloon system.
Nel sistema a piattaforma “Platform system” ( figura 1.9) la struttura è costruita piano per
piano in modo tale che il piano inferiore possa servire da appoggio per la realizzazione del
piano superiore, le pareti non sono continui ed i carichi vengono trasferiti alla pareti del piano
inferiore attraverso la struttura del solaio.
Le pareti ad ogni piano sono dotati sia di guida inferire che di guida superiore, mentre gli
arcarecci del solaio sono poggiati sulla guida superiore della parete inferiore.
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Tra la guida inferire della parete superiore e la guida superiore della parete inferiore sono
posizionati degli irrigidimenti per permettere il trasferimento dei carichi dalla parete superiore
a quella inferiore senza gravare eccessivamente sulla struttura del solaio.
Nel sistema balloon construction (figura 1.9) le pareti sono continui per più piani ed il solaio è
collegato ad esso.
In tale sistema i carichi passano dai pannelli superiori a quelli inferiori senza interessare la
struttura del solaio.
Figura 1.9 Schema di montaggio “Platform
system”
Figura 1.10 Schema di montaggio “balloom
system”
1.3 MATERIALI
1.3.1 I profili
Le membrature generalmente usate per pareti, solai e coperture sono profili sottili sagomati a
freddo di acciaio zincato.
Essi sono realizzati con lamiere di acciaio con tensione di snervamento che varia tra 230MPa
e 350MPa e tensione ultima tra 310MPa e 480MPa con rapporto tra tensione ultima e quella
di snervamento di almeno 1.10 ed allungamento totale di almeno il 10%.
I profili si distinguono fondamentalmente in irrigiditi e non irrigiditi, di solito quelli irrigidite
sono usati per montanti, arcarecci e puntoni, mentre quelle non rinforzate sono usate per la
realizzazione delle guide.
I profili sono identificati tramite:
– Altezza del profilo
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– Larghezza della flangia
– Spessore
Solitamente si indica prima l’altezza del profilo, poi la larghezza, poi la larghezza
dell’irrigidimento e quindi lo spessore il tutto espresso in millimetri.
I profili possono essere tagliati in fabbrica o in sito, in genere la soluzione del taglio in
fabbrica risulta più conveniente economicamente in quanto porta ad un risparmio in termini di
tempo e di spreco di materiale.
Tale operazione risulta ancora più conveniente se le dimensioni dei profili sono standardizzati
per cui a volte può risultare più conveniente il taglio in cantiere ed in alcuni casi viene fatta
anche la piegatura dei profili partendo da piatti di lamiera.
Figura 1.11 Piegatura dei profili in cantiere
Prima del montaggio dei profili occorre realizzare dei fori per il passaggio degli impianti, i
fori possono essere di tre classi:
fori non rinforzati (un-forced holes) per piccoli fori, ossia quando la larghezza del foro
nella direzione dell’altezza del profilo non supera i
40mm e la larghezza del foro nella direzione
ortogonale non supera i 100mm
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