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INTRODUZIONE
1. INTRODUZIONE
La presente tesi descriverà le strutture reticolari spaziali in acciaio, includendo un esempio
di calcolo al fine di applicare la Normativa Tecnica per le Costruzioni, DM 14/01/2008,
che segue le prescrizioni dell’Eurocodice 3.
Dopo aver enunciato le caratteristiche peculiari di tali strutture (dal punto di vista
morfologico e strutturale), saranno descritte le varie tipologie di strutture reticolari spaziali,
intese come grigliati di vario tipo.
L’evoluzione tecnologica e realizzativa di queste strutture ha seguito l’evoluzione dei
sistemi di esecuzione strutturale, diversi l’uno dall’altro soprattutto in base alla tipologia di
connessioni nodali, di cui saranno esposti gli esempi storici più utilizzati, tra le numerose
alternative. In particolare un occhio di riguardo sarà dato al sistema italiano Vestrut-
Cubotto.
Sono stati dapprima esaminati i vari metodi di calcolo manuale. Questi costituivano l’unica
teoria di riferimento per progettare queste strutture fino all’introduzione dei software
informatici e, attualmente, hanno valore principalmente storico oltre a fornire strumenti di
verifica dei risultati ottenuti attraverso il calcolo automatico. Successivamente, si è
proceduto ad introdurre il caso applicativo di questa tesi: questo è costituito da una
struttura reticolare piana a doppio strato che copre una pianta rettangolare di 15x30m.
Vengono analizzati tutti i carichi agenti e le loro possibili combinazioni, secondo il metodo
agli Stati Limite. Il materiale scelto è l’acciaio S355, le aste sono tubolari circolari.
Il calcolo strutturale è effettuato con il software SAP2000 v.15. I risultati sono analizzati
e verificati sia in termini qualitativi che mediante procedure di calcolo manuale.
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STRUTTURE RETICOLARI SPAZIALI IN ACCIAIO
2. STRUTTURE RETICOLARI SPAZIALI IN ACCIAIO
Le strutture reticolari tridimensionali in acciaio, dette (per gli scopi qui esposti) anche
travature reticolari spaziali in acciaio, sono costituite, in maniera semplificativa e del tutto
schematica, da elementi strutturali base (aste o frames), opportunamente collegate da nodi
o giunti di convergenza delle aste che nel calcolo statico sono spesso assimilate a cerniere
perfette che consentono alle aste tutte le rotazioni possibili nello spazio. In questo modo le
aste sono sollecitate esclusivamente a sforzo normale di compressione o di trazione mentre
tutte le altre caratteristiche della sollecitazione (taglio, flessione, torsione) sono del tutto
assenti. Nella realtà, dato che gli assi geometrici delle aste non convergono tutti
perfettamente nell’unico punto rappresentato dal nodo, e lo stesso nodo non può realizzarsi
come cerniera sferica perfetta, le altre caratteristiche della sollecitazione sono comunque
presenti, seppur con entità trascurabile rispetto allo sforzo normale: in questo modo viene
conseguentemente sfruttata al massimo la resistenza dell’acciaio.
Principalmente da ciò discende il fatto che le strutture reticolari in acciaio sono utilizzate
per i loro indiscutibili pregi: l’economicità, la leggerezza e la flessibilità dovuta alla
enorme molteplicità delle soluzioni che ne possono scaturire e quindi la libertà costruttiva.
Da questo punto di vista infatti questa tipologia di soluzione strutturale è adatta ad essere
utilizzata come struttura portante “totale” oppure come “sostegno principale” di grandi
coperture completate con altri elementi (non sono affatto rari casi di utilizzo di travature
reticolari spaziali in acciaio in impianti moderni di notevoli dimensioni quali stadi, ponti
ferroviari, luoghi espositivi, stazioni ferroviarie…). Complessivamente si può dire che
l’introduzione di questa tipologia costruttiva è stata ed è fondamentale per la realizzazione
di coperture con grandi luci, senza pilastri intermedi.
Esempi lampanti e storici di utilizzo delle travature reticolari spaziali sono la torre
panoramica di Gustave Eiffel a Parigi (nata come costruzione provvisoria, è oggi uno dei
monumenti più caratteristici al mondo), come anche il ponte sul “Firth of Forth” presso
Queensferry, costruito più o meno nella stessa epoca, e costituiscono anche un esempio del
passaggio dalle strutture reticolari piane a quelle spaziali.
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STRUTTURE RETICOLARI SPAZIALI IN ACCIAIO
Le esigenze fondamentali che devono essere rispettate e che portano le strutture reticolari
spaziali ad essere vantaggiose sotto tutti i punti di vista sopra esposti (economico,
prestazionale, libertà di scelta delle soluzioni), possono riassumersi nei seguenti punti:
la già citata preponderanza di trazione e compressione semplice rispetto alle altre
caratteristiche della sollecitazione, distribuite in modo uniforme;
l’uniformità e il livellamento delle tensioni nei vari elementi al fine di
standardizzare il dimensionamento delle sezioni resistenti;
il cedimento di un singolo elemento frame dovuto a elevati sforzi di compressione
non deve essere tale da compromettere l’intera struttura, attraverso il propagarsi di
una reazione a catena, a causa dell’elevato grado di iperstaticità interna;
esclusione delle preoccupazioni derivanti da effetti vibratori con conseguenti timori
di innesco dei fenomeni di risonanza;
rapidità, facilità e agilità di montaggio con richiesta di manodopera né troppo
numerosa, né troppo specializzata;
facilità di trasformazione e rinforzo della struttura e prontezza di smontaggio con
conseguente agevole recupero di materiale.
A tutti o gran parte di questi requisiti rispondono, qualora siano adeguatamente studiate,
molte tipologie di strutture reticolari spaziali. Sono infatti molteplici gli schemi che
ispirano questa scelta progettuale, anche non recenti, ma che in passato trovavano ostacoli
insormontabili di realizzazione pratica, dovute ad esempio ai collegamenti di tutte le aste
diversamente orientate nello spazio nelle giunzioni costituite dai singoli nodi, quando le
uniche connessioni note erano le chiodature; saldature e bullonature hanno permesso le
prime realizzazioni esecutive e il superamento dei primi problemi, la successiva evoluzione
tecnica degli elementi costitutivi e tecnologica dei calcolatori hanno permesso di affinare il
tutto e rendere l’esecuzione pratica quanto più vicina alla progettazione ideale teorica, già
in parte nota.
Le strutture reticolari spaziali, che per loro natura sono predisposte alla standardizzazione,
hanno conosciuto un enorme diffusione conseguentemente allo sviluppo della
prefabbricazione, che ha quindi contribuito a dare una decisiva spinta all’introduzione di
questa scelta costruttiva, che si può far rientrare nel vasto quadro dello progresso
scientifico e tecnologico e della modernizzazione delle forme di costruzione notato nel
secondo dopoguerra.
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STRUTTURE RETICOLARI SPAZIALI IN ACCIAIO
2.1 Caratteristiche morfologiche e strutturali
L’ossatura spaziale in acciaio è come detto costituita da elementi resistenti (aste o frames)
collegati tra loro attraverso giunzioni o nodi. La morfologia e il collegamento di tali
elementi resistenti fa sì che i carichi esterni non sono assorbiti dai soli elementi resistenti
interessati dal carico puntuale, ma anche a tutte le altre aste, anche se ubicate a notevole
distanza dal punto in cui agisce lo sforzo.
Lo stato tensionale che ne consegue è molto più uniforme rispetto a una struttura
tradizionale non reticolare, quindi la distribuzione degli sforzi tra le varie aste è migliore;
questo ha un’importante conseguenza infatti, grazie anche al grado di iperstaticità interna,
un eventuale cedimento per eccessivo sforzo del singolo elemento resistente non
compromette la stabilità e la sicurezza dell’intera struttura, ovvero il dissesto totale
dell’opera, poiché le membrature non interessate al cedimento locale possono dar luogo a
una nuova situazione di equilibrio, con conseguente diverso stato tensionale complessivo
rispetto alla situazione pre-crisi locale.
Questi vantaggi possono essere riassunti in un unico termine, cioè “l’effetto spaziale”,
definito come evidente capacità distributiva degli sforzi anche a notevole distanza rispetto
all’applicazione del carico, e tale effetto è variabile in funzione della forma strutturale e
non solo: per una stessa forma strutturale è funzione anche della geometria e dello schema.
L’altro effetto, a cui una struttura reticolare spaziale deve tendere per avere i pieni vantaggi
rispetto alle strutture tradizionali, è la situazione limite relativa al comportamento della
struttura: quanto più è evidente “l’effetto reticolare” (presenza di soli sforzi di
compressione e di trazione negli elementi resistenti) rispetto a uno stato di sollecitazione
più generico che prevede anche la presenza di sforzi tangenziali, flessionali e torsionali,
tanto più la travatura reticolare spaziale in acciaio funziona come dovrebbe al fine di
presentare tutti i pregi di cui gode rispetto alle strutture tradizionali.
Quanto più si riesce ad esaltare l’effetto spaziale e l’effetto reticolare in questo tipo di
strutture metalliche, tanto più la struttura progettata in questo modo sarà valida
staticamente ed economicamente, poiché tali effetti fanno sì che il materiale impiegato sia
sfruttato e distribuito nel modo migliore possibile. Può considerarsi insomma racchiusa nel
rispetto di questi due particolari effetti l’essenza di questo genere di opere.
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STRUTTURE RETICOLARI SPAZIALI IN ACCIAIO
Questa “essenza” è il punto in comune verso cui tendono tutte le tipologie di scelte
esistenti al riguardo, in quanto sono esclusi tutti quegli schemi che non rispettano questi
principi e che solo apparentemente sembrano essere compresi in questa tipologia di
strutture.
Punto chiave del rispetto di questi “dogmi” per le strutture reticolari spaziali sono
evidentemente i giunti nodali, ovvero i collegamenti tra i vari frames o elementi resistenti,
oggetto dello sviluppo e della ricerca di Ditte specializzate in questo ambito per ottenere
sempre più efficienza di tale tecnologia costruttiva dal punto di vista sia tecnico che
economico: è dalle caratteristiche di tali giunti nodali e connessioni che dipende risultato
funzionale, statico ed economico della costruzione.
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CLASSIFICAZIONE DELLE TIPOLOGIE DI STRUTTURE RETICOLARI SPAZIALI
3. CLASSIFICAZIONE DELLE TIPOLOGIE DI
STRUTTURE RETICOLARI SPAZIALI
Si possono suddividere le strutture reticolari spaziali in queste tipologie:
Grigliati piani
Grigliati a semplice curvatura
Grigliati a doppia curvatura (cupole reticolari)
3.1 I grigliati piani
A questa tipologia di travatura reticolare appartiene l’esempio di calcolo (statico, con
verifiche di sicurezza e stabilità) riportato in questa tesi, quindi verrà trattata con maggiore
risalto rispetto alle altre due. I grigliati piani sono utilizzati per la copertura di vasti
ambienti a pianta quadrata, rettangolare e talvolta anche poligonale senza l’ingombro di
pilastri interni, e possono essere impiegati a tale scopo grigliati piani in acciaio a semplice
o doppio strato. Nell’esempio di calcolo esposto in questa tesi verrà trattato un grigliato
piano in acciaio a doppio strato per la copertura di un’area di 30 x 15 metri. Sia che siano a
semplice o a doppio strato, i grigliati piani sono generati come diretta derivazione di
corrispondenti sistemi piani in cui sono presenti almeno due orditure di travi a parete piena
o reticolari, in cui il carico è applicato all’ultima orditura presente, mentre in questi sistemi
reticolari piani non vi è alcuna priorità statica tra le varie orditure, con conseguente
comportamento spaziale migliore. Nel seguito si specificano le principali differenze tra
grigliati piani a semplice e doppio strato.
Il grigliato piano a semplice strato non è altro che un sistema spaziale costituito da due o
più ordini di travi semplici o composte che si intersecano ad angolo retto o obliquo,
collegate tra loro ad ogni intersezione e caricate da forze normali al piano medio, quindi le
caratteristiche della sollecitazione presenti in questo caso non sono quelle peculiari e
caratteristiche delle travature reticolari spaziali: infatti nelle membrature sono prevalenti le
azioni tangenziali e i momenti flettenti e torcenti. Sotto il punto di vista della realizzazione
il reticolo diagonale risulta molto più conveniente staticamente ma esecutivamente più
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CLASSIFICAZIONE DELLE TIPOLOGIE DI STRUTTURE RETICOLARI SPAZIALI
oneroso rispetto a quello ortogonale, perché realizza una migliore rigidezza flessionale e
una migliore distribuzione del carico.
Figura 3.1 Figura 3.2
Un ulteriore irrigidimento può ottenersi in seguito all’utilizzo di un più fitto reticolo
triangolare, con travi disposte lungo tre o più direzioni.
Figura 3.3 Figura 3.4
Queste strutture sono fortemente iperstatiche e lo sono tanto più quanto è il numero delle
maglie presenti, mentre è stato già accennato che le sollecitazioni principali sono momenti
flettenti e torcenti, uniti agli sforzi di taglio, dunque pur essendoci un discreto effetto
spaziale, l’effetto reticolare è del tutto assente e per questo non possiamo considerare i
grigliati piani a semplice strato come vere e proprie strutture reticolari spaziali, ma devono
essere comunque considerati nei graticci in acciaio. Si utilizzano profilati metallici con
sezioni standard (profilati a “I” più convenienti o a “C”) ed attacchi prevalentemente
saldati. Le luci massime consentite dal loro impiego arrivano ai 20 - 30 m.
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CLASSIFICAZIONE DELLE TIPOLOGIE DI STRUTTURE RETICOLARI SPAZIALI
Il grigliato piano a doppio strato, di cui si ha un esempio di calcolo strutturale nei capitoli
successivi, è invece costituito da due reticoli semplici, detti anche strato superiore e strato
inferiore, collegati tra loro mediante aste verticali o variamente inclinate. Tale grigliato può
essere ulteriormente caratterizzato dall’avere un tipo di maglia dei reticoli rispetto a
un’altra, e quindi dall’avere due o più direzioni. Ecco tre esempi di scelta tra le tipologie di
maglia dei reticoli:
Figura 3.5 Figura 3.6
Figura 3.7
Anche in questo caso il carico esterno agisce di norma perpendicolarmente al piano medio,
ma la differenza principale tra i grigliati piani a semplice e doppio strato sta nel
comportamento degli elementi resistenti, poiché in quelli a doppio strato sono prevalenti le
sollecitazioni di trazione o di compressione nelle aste (in cui sono tuttavia presenti con
entità minore flessioni e torsioni che possono però trascurarsi nello schema statico). Inoltre
questi ultimi presentano sia un effetto spaziale che un effetto reticolare a differenza della
prima tipologia, tali da rendere questi un esempio di travatura reticolare spaziale vera e
propria, che prevede il pieno sfruttamento statico di tutte le membrature soggette
prevalentemente a sforzo normale, qualsiasi sia l’ipotesi fatta sui collegamenti (nodi).
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