Il portale delle costruzioni in acciaio in Italia

Progettazione di nuove realizzazioni

edifici per residenze e uffici


Nelle nuove costruzioni l'edificio multipiano viene solitamente concepito sulla base di un sistema strutturale a telaio, composto da elementi lineari, travi e pilastri, e solai dotati di elevata rigidezza nel piano orizzontale. Progettista, costruttore e committente si trovano di fronte a due scelte alternative: il sistema strutturale in calcestruzzo armato o il sistema strutturale in acciaio. Come già discusso, la soluzione metallica è in generale più razionale in zona sismica, anche se molto spesso motivazioni legate alla tradizione del costruire e del progettare conducono a scelte diverse. Oltre agli aspetti prestazionali, è interessante mettere in evidenza come la soluzione metallica presenti una panoramica di possibilità decisamente più ampia e flessibile rispetto alla soluzione in cemento armato.

Edificio residenziale Santa Maria Nuova
Figura 1 - Edificio residenziale a Santa Maria Nuova (AN) con controventi a instabilità impedita

Le capacità dissipative delle costruzioni di c.a. e l'associato fattore di struttura (fattore di riduzione delle azioni di progetto) variano all'interno di campi piuttosto stretti. Il fattore di struttura varia approssimativamente tra 3 e 5. I meccanismi di plasticizzazione e il conseguente danneggiamento interessano l'estremità delle travi e la base dei setti, restituendo una costruzione che richiede interventi di ripristino diffusi sui telai e sui piani.
Nella costruzione di acciaio si possono adottare sistemi sismo-resistenti tipologicamente diversi, ai quali sono associati fattori di struttura che variano tra 1 e 6.5 e danneggiamenti che spesso si concentrano su pochi elementi facilmente ripristinabili. Può venire da chiedersi: è interessante progettare con fattori di struttura molto bassi, tra 1 e 2, associati ad accelerazioni sismiche di progetto molto grandi? Nelle costruzioni in acciaio, a volte, sì. Se la costruzione è leggera, la forza sismica può essere contenuta anche per accelerazioni elevate. In molte situazioni i requisiti minimi di rigidezza e resistenza vengono dalle verifiche in presenza di vento e l'azione sismica diventa un'azione secondaria e non è più importante avere fattori di riduzione grandi. Tra l'altro, un fattore di struttura piccolo significa danneggiamento limitato in caso di sisma e facilita la rifunzionalizzazione della costruzione.
Un excursus tipologico dei sistemi sismo-resistenti in acciaio potrebbe iniziare dai sistemi con fattore di struttura q=1, progettati senza nessuno sconto sulle azioni sismiche. In questo caso non ci sono vincoli alla morfologia e il sistema è progettato per non danneggiarsi durante il terremoto. Gli altri sistemi codificati sono tutti organizzati secondo uno schema di orizzontamenti rigidi che trasferiscono le azioni orizzontali a pochi elementi verticali di controvento dotati di capacità dissipative più o meno elevate (vedi Figura 2).
Esempi di controventi
Figura 2 - Schemi tipologici e fattori di struttura

I controventi con diagonali a V, dritta o rovescia, presentano una duttilità limitata (q=2-2.5) ma possiedono una buona rigidezza. In caso di terremoto si plasticizzano i soli diagonali e la loro sostituzione è poco costosa e veloce. Un livello superiore di dissipazione si può ottenere con i controventi concentrici con diagonali tese, in questo caso il fattore di struttura è pari a 4. Come in precedenza, la dissipazione si concentra sui soli diagonali, semplificando le operazioni di ripristino. Alla stessa famiglia di controventi reticolari appartengono anche i controventi con diagonali ad instabilità impedita o BRB (Buckling-Restrained Braces). In questo caso i diagonali sono dei veri e propri dispositivi di dissipazione, capaci di fornire prestazioni superiori e più controllabili. Le prestazioni più elevate in termini di fattore di struttura, sempre che siano effettivamente utili nell'economia generale del progetto, si ottengono con i controventi eccentrici e con i sistemi sismo-resistenti a telaio. I fattori di riduzione variano tra 4 e 6.5. I due sistemi sono morfologicamente diversi, i controventi eccentrici sono progettati in modo da concentrare la plasticizzazione e il danneggiamento su piccole porzioni della trave, chiamate link, mentre nei telai il danneggiamento avviene all'estremità delle travi ed è diffuso su campate e piani. Il danneggiamento delle travi ovviamente complica le operazioni di sostituzione che diventano più onerose nel caso dei telai dove il danno può risultare diffuso su ampie porzioni dell'edificio. A seguire alcune realizzazioni con tipologie strutturali diverse che mettono in evidenza come la soluzione ottimale possa variare da caso a caso, in relazione alla sismicità locale, al sistema costruttivo nel suo complesso e alla funzione della costruzione.

 

Costruzioni per l’industria e le esposizioni


Esiste un settore del mondo delle costruzioni dove le strutture in acciaio hanno sempre dimostrato di poter fornire ottime prestazioni: è il settore degli ambienti per la produzione o per le esposizioni. Si tratta di due ambiti funzionali che devono rispondere a richieste simili di utilizzo dello spazio e impiegano di conseguenza tipologie strutturali analoghe. La necessità primaria è quella di coprire spazi ampi senza pilastri intermedi con coperture a quote generalmente superiori a quelle degli interpiani delle costruzioni residenziali. Le grandi luci sono il campo di utilizzo dove materiali con elevata resistenza, come l’acciaio, possono essere sfruttati in modo ottimale, spesso mediante l’adozione di sistemi reticolari. Ma non è solo una questione di fattibilità. Nel mondo della produzione e delle esposizioni giocano un ruolo fondamentale anche altri aspetti: la velocità di esecuzione, la modularità e la possibilità di ampliamento, la possibilità di ricollocamento.

Renaul Centre - Renzo Piano Building Workshop
Figura 3 - Renault Centre
Tutti aspetti dove le specificità della costruzione in acciaio possono essere valorizzate, come confermano alcuni esempi illustri. Un esempio è fornito dalla soluzione studiata da Renzo Piano per il Renault centre (Figura 3), sviluppata con particolare attenzione alle questioni che riguardano la modularità e la possibilità di ampliamento, o le officine Jakem di Santiago Calatrava (Figura 4) dove la copertura è realizzata con elementi leggeri e piegabili che ottimizzano il trasporto e la posa in opera.


Officine Jakem - Santiago Calatrava
Figura 4 - Officine Jakem

Se si analizza la questione della prestazione sismica sulla base dei tre parametri fondamentali individuati in precedenza, massa, periodo proprio e duttilità, è immediato osservare la sostanziale assenza del primo (Figura 5), almeno per quanto riguarda gli elementi strutturali. Queste strutture appartengono a sistemi costruttivi che di regola prevedono chiusure verticali e coperture in pannelli prefabbricati leggeri, in lamiera con strati di coibentazione interna, per cui la considerazione sulla leggerezza si estende alla costruzione nel suo insieme. Per quanto riguarda le scelte progettuali, è facile trovarsi di fronte a priorità invertite rispetto agli edifici multipiano. Le masse sono così ridotte che l’azione sismica diventa secondaria rispetto all’azione orizzontale dovuta al vento, proporzionale all’ampiezza delle superfici. Il progetto viene spesso sviluppato senza far ricorso a fattori di riduzione dell’azione sismica, e i vantaggi che si riscontrano adottando una costruzione in acciaio per queste tipologie strutturali vengono enfatizzati nelle zone sismiche.

Edificio Industriale - foto: Profilsider
Figura 5 - Leggerezza del sistema acciaio

Il panorama nazionale delle costruzioni esistenti restituisce purtroppo un quadro piuttosto irrazionale. Studi recenti confermano come nella maggior parte dell’Europa, soggetta ad una sismicità mediamente modesta, la grande maggioranza delle costruzioni a destinazione produttiva siano realizzate in acciaio e il c.a. trovi applicazione negli insediamenti produttivi minori mentre in Italia, dove la pericolosità sismica è medio-alta, siano privilegiate le costruzioni in cemento armato (precompresso) e, in parte, anche in muratura (Figura 6).

Diffusione sistemi costruttivi per edifici industriali
Figura 6 - Diffusione dei sistemi costruttivi per edifici industriali

Per completare il panorama è utile anche ricordare che le normative nazionali hanno in passato privilegiato le indicazioni per la progettazione sismica degli edifici multipiano, rispetto alle costruzioni prefabbricate di tipo industriale. L’effetto combinato di elevata pericolosità sismica del territorio e la diffusa elevata vulnerabilità delle costruzioni prefabbricate in c.a.p. determina attualmente un significativo livello di rischio sismico dei nostri insediamenti industriali, come del resto portato all’evidenza dal terremoto dell’Emilia del 2012.
Nelle nuove costruzioni, l’acciaio sta trovando una diffusione crescente anche nel mercato nazionale e la sua ridotta sensibilità alle azioni sismiche sta promuovendo la ricerca di soluzioni più flessibili e di maggior qualità architettonica.

 

Ponti e viadotti


La progettazione dei ponti in Italia ha attraversato un processo di cambiamento piuttosto radicale negli ultimi 15-20 anni. Se si osservano i ponti di realizzazione più recente, si nota una ricorrente diversità di sistema costruttivo e schema statico rispetto ai loro predecessori. Sono sostanzialmente due le cause di questa evoluzione: la razionalizzazione del sistema costruttivo e l'avvento di nuovi criteri e nuove norme per la progettazione sismica.
Per lungo tempo la soluzione costruttiva più diffusa per la realizzazione di ponti e viadotti si è basata sull'adozione di travi prefabbricate in c.a.p., semplicemente appoggiate su sottostrutture disposte a breve distanza a causa della limitata capacità del sistema nel realizzare luci importanti. Una scelta più che altro determinata dal mercato delle costruzioni, tradizionalmente orientato in Italia verso la produzione di calcestruzzo e dei suoi derivati, dall'esperienza delle imprese e dalla cultura dei progettisti. Queste soluzioni sono caratterizzate da pesi elevati e fondazioni impegnative, sottostrutture invadenti, particolarmente penalizzanti nel caso di attraversamenti fluviali e scarsa durabilità.
Sotto l'aspetto sismico, è evidente che un impalcato pesante in c.a.p. determina azioni sismiche particolarmente impegnative. Oltre a questo aspetto è utile ricordare che le progettazioni di quel periodo sono state sviluppate in base a una conoscenza del problema sismico non adeguata che ha prodotto risultati inefficaci nel fronteggiare eventuali terremoti. In particolare, il sistema di vincolo tra impalcato e sottostrutture non veniva progettato con forze adeguate e gran parte delle realizzazioni utilizzava un sistema di vincolo (catena cinematica) che trasferisce l'azione sismica di tutto l'impalcato ad un solo componente delle sottostrutture. La vulnerabilità sismica dei ponti e viadotti esistenti ha trovato ampia conferma nei terremoti più recenti.

Passerella Breno
Figura 7 - Passerella ciclopedonale in acciaio, Breno (BS)

Il processo evolutivo della progettazione dei ponti ha determinato una trasformazione del sistema costruttivo dell'impalcato e si è orientato verso la soluzione con travi affiancate in acciaio completate in opera con una soletta collaborante superiore e schema statico a trave appoggiata. Questa è la soluzione oggi più diffusa per le luci piccole e medie (40m-80m), mentre il campo delle luci maggiori è sempre stato di dominio dell'acciaio. L'evoluzione verso queste tipologie, già ampiamente diffuse nel resto d'Europa, è stata inizialmente stimolata da motivazioni tecniche ed economiche e si è rafforzata a partire del 2003 con l'introduzione di norme specifiche per la progettazione sismica dei ponti che promuovevano indirettamente l'utilizzo di sistemi costruttivi di questo tipo. Un impalcato acciaio-calcestruzzo presenta azioni gravitazionali e masse sismiche molto più piccole di quelle di un impalcato convenzionale, producendo un'evidente economia nel dimensionamento di sottostrutture e fondazioni. Molto spesso i ponti vengono protetti dal sisma mediante un sistema di appoggi deformabili e capaci di dissipare energia (isolamento sismico alla base) che richiede l'adozione di dispositivi speciali (isolatori) per la realizzazione del collegamento impalcato-sottostruttura. Anche in questo caso, la tipologia a struttura composta contribuisce all'economia complessiva, poiché richiede un numero ridotto di travi affiancate, spesso solo due, e conseguentemente pochi dispositivi di appoggio. A differenza di altri settori del mondo delle costruzioni, in questo caso si è assistito ad una trasformazione piuttosto veloce dove diverse motivazioni, non esclusivamente legate all'ingegneria antisismica, hanno contribuito ad indirizzare le realizzazione verso soluzioni non solo più economiche e sicure ma anche più durevoli e di minor impatto ambientale.

Ponte Stradale - Officine Bertazzion
Figura 8 - Ponte stradale in acciaio, Ala (TN)

© Fondazione Promozione Acciaio – Architetture in Acciaio #15 “Costruzioni Sicure in Zona Sismica” – a cura di: Prof Andrea Dall’Asta, Prof. Alessandro Zona – tutti i diritti riservati

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