Strutture in acciaio - caratteristiche generali

Testo di Andrea Lugli, Alessio Rullani

Le strutture in acciaio sono
molto utilizzate nel campo dell'edilizia per i più diversi impieghi ma
sicuramente il più comune è quello degli edifici e i motivi che ci inducono a
progettare con questo tipo di materiale sono molteplici.
Prima di tutto le
migliori prestazioni statiche, sia
generali sia in relazione ai fenomeni sismici, che fanno dell'acciaio l'elemento
fondamentale di quegli edifici progettati in zone
soggette a terremoti
. Infatti questo materiale resiste
ugualmente bene a trazione e a compressione ed è caratterizzato da altissime
proprietà sia di resistenza che di duttilità, qualità che permette di realizzare
costruzioni leggere e flessibili: fattore che, in zona sismica, determina un
ulteriore vantaggio.
La leggerezza
della struttura genera una riduzione diretta delle forze sismiche che
sono notoriamente proporzionali al peso della costruzione ed è anche molto
adatta per i casi di scarsa portanza del terreno.
È comunque importante
sottolineare che proprio i pregi di leggerezza e flessibilità impongono un
attento esame in termini progettuali. La realizzazione di costruzioni
esageratamente deformabili può dar luogo, infatti, a spostamenti notevoli oppure
a fenomeni d'instabilità locale e globale.
Altro aspetto fondamentale è
quello economico visto che -
prefabbricando i componenti modulari in officina e limitando le opere in
cantiere al semplice assemblaggio - si contengono i costi oltrechè i tempi di
costruzione.
Una struttura di questo tipo, inoltre, presenta maggiore
precisione (nell'ordine del mm), facilità nella sostituzione dei componenti e
una manutenzione di conservazione agevole e ripetibile per un periodo superiore
rispetto alle strutture tradizionali in c.a.
Ha infine la possibilità di
essere smontato e non demolito:
questo evita la creazione di materiale di risulta da smaltire e ha un impatto
sostenibile sul lungo periodo.
Grazie a queste sue particolari proprietà,
l'acciaio ha un posto preferenziale nei materiali da costruzione ma presenta due
gravi difetti: la corrosione e l'indebolimento all'esposizione al fuoco.

Per quanto riguarda la resistenza alla
corrosione
, tale fenomeno è dovuto all'acqua e
all'ossigeno.
Per proteggere l'acciaio da questi due elementi si possono
utilizzare due sistemi.
Il primo, e il più largamente usato, è quello della
zincatura che consiste nel creare un
ricoprimento superficiale di zinco per mezzo di immersione in un bagno di zinco
liquido ad una temperatura di 450° C. La dimensione delle vasche di immersione
(16 x 2.5 x 2 m e pezzi fino a 10 t) permettono al sistema di essere largamente
usato anche per pezzi voluminosi. Bisogna comunque tenere presente che le alte
temperature possono causare sostanziali dilatazioni (4 o 5 mm per metro) e
temporaneo indebolimento degli elementi strutturali perciò è consigliabile
introdurre pezzi rigidi che non permettono la libera espansione e di spessore
superiore a 5 mm.
Il secondo, invece, prevede l'utilizzo di una miscela di nickel, cromo, rame e fosforo che
facilita la progressiva formazione di una solida e stabile patina (conosciuta
come acciaio Cor-Ten), che permette di lasciare inalterate la resistenza e la
saldabilità dell'acciaio. Il processo ossidativo si completa e si arresta nel
giro di 3-4 anni. Il problema di questo tipo di soluzione è che nel periodo di
auto-ossidazione questi acciai trattati si comportano come un qualsiasi
componente che si sta arrugginendo e bisogna quindi prevedere che durante le
piogge il dilavamento di tali elementi non vada a sporcare parti della
facciata.
A processo di ossidazione concluso gli acciai patinabili sono
stabili, non richiedono manutenzione alcuna e presentano tonalità di colore
diverse (a seconda dei metalli addittivati all'acciaio). L'utilizzo di tale tipo
di acciaio è fortemente sconsigliato in località marine, con atmosfera inquinata
e negli ambienti interni in quanto l'acciaio non viene a patinarsi.

Per quanto riguarda la resistenza al
fuoco
, l'acciaio è estremamente sensibile a questo elemento.
Nonostante il suo punto di fusione sia di 1500° C, sono sufficienti 600° C per
perdere metà della sua resistenza, con una drastica riduzione del modulo di
elasticità e la nascita di deformazioni permanenti che rendono la struttura
inutilizzabile. Per questa ragione bisogna usare un ricoprimento protettivo
affinché si eviti il contatto tra il fuoco e l'acciaio.
I materiali di
rivestimento protettivo devono essere incombustibili e non devono dar luogo per
distillazione o combustione a prodotti volatili infiammabili né a gas tossici o
comunque nocivi. I metodi più comunemente usati sono quelli della pitturazione
con vernici intumescenti, la realizzazione di intonaci protettivi o di
rivestimenti protettivi. In casi particolari, come edifici ad un piano
(capannoni per esempio), portare all'esterno dell'edificio la struttura portante
in acciaio è già una sufficiente garanzia di
protezione.

Progettazzione strutturale
Nei paesi aderenti alla
Comunità Europea la produzione di acciai da carpenteria è unificata e sono
perciò presenti sul mercato tre tipi di acciaio indicati come: Fe360, Fe430 ed
Fe510, dove il numero indica il valore della resistenza a rottura espresso in
N/mm².

Verifica degli elementi strutturali in acciaio
La
verifica degli elementi strutturali può essere fatta utilizzando uno di questi
tre metodi:
1) Metodo delle tensioni ammmissibili (D.M. 14-2-92; G.U. 65 del
18-3-92).
2) Metodo semiprobabilistico agli stati limite (D.M. 9-1-96; G.U.
19 del 5-2-96).
3) Eurocodice 3 (D.M. 9-1-96; G.U. 19 del
5-2-96).

Tensioni nell'acciaio e deformazioni unitarie
La
qualità dei tre tipi di acciaio è definita tramite i valori delle tensioni di
snervamento('y) e quelle di rottura('t) e per tutti gli acciai si ha:
-
modulo di elasticità longitudinale E=206000 N/mm²=2100000 kg/cm²;
- modulo di
elasticità tangenziale G=78400 N/mm²=800000 kg/cm².
Per quanto riguarda il
legame tensioni-deformazioni si ipotizza:
- un comportamento elastico nel
campo di deformazione e=0 ÷ 'y / E;
- un comportamento perfettamente plastico
per deformazioni unitarie e>'y / E.

Tensioni ammissibili e
tensioni di calcolo

I valori massimi delle tensioni non debbono superare
il valore della tensione ammissibile (samm) nel metodo delle tensioni
ammissibili e il valore della tensione di calcolo ('d) nel metodo
semiprobabilistico.
Riportiamo per tre tipi di acciaio così come previsti
dalle norme citate.

Vedi
tabella

Dove t è lo spessore degli elementi che costituiscono il
profilo.
Lavorando normalmente in kg/cm² (unità più comoda dato che in tutti
i sagomari le caratteristiche delle sezioni sono riportate in cm², cm³) e
sapendo che 1Kg=9,81N si assume, a vantaggio di sicurezza 1 N/mm² = 10
Kg/cm².

Tensioni ideali
Si definisce tensione ideale relativa
allo stato di tensione preso in esame il valore della tensione monoassiale che
sia ad esso equivalente nei confronti della causa che determina la rottura
oppure lo snervamento. Chiaramente per lo stesso stato di tensione tanti valori
di 'tensione ideale' per quante possono essere le ipotesi di
rottura.
Perciò sid=±v(sx²+ sy²- sxsy+3txy²) e dovrà così risultare:
sid=samm= 'd/n per le tensioni ammissibili e sid='d per gli stati limite
ultimi.
Se sy=0, come per la sollecitazione di taglio e flessione sid
diventa:
sid=±v(sx²+3txy²)
e per sx=sy=0 si
ha:
sid=±tv3

Deformabilità delle travi inflesse
Il controllo
della deformabilità si effettua con la stessa condizione di carico sia nel
metodo delle tensioni ammissibili sia in quello probabilistico. In quest'ultimo
caso tale verifica si identifica con quella di uno 'stato limite di esercizio'
(o di servizio).
Il D.M. 9/1/96 prevede che:
d=l/400 per le travi dei
solai, per il solo carico accidentale;
d=l/500 per le travi caricate da muri,
per la totalità del carico, permanente ed accidentale;
d=l/200 per gli
arcarecci delle coperture, per la totalità del carico.
Dove con l si intende
la luce dell'elemento e con dla deformazione massima
flessionale.

Instabilità
Il problema dell'instabilità è
caratteristico degli elementi filiformi, come per esempio le aste.
Nel
metodo delle tensioni ammissibili se il carico agente è N e l'area è A la
verifica di stabilità si esprime come:
N/A =s?= samm/? da cui
?·N/A=samm,
dove s?è la tensione massima e ? deve essere ricavata da appositi
diagrammi o tabellazioni in relazione al tipo di sezione e al tipo di
acciaio.
Nel caso del metodo semiprobabilistico deve risultare:
?·Nd ='d·A
oppure Nd ='d·A·?dove ?= 1/ ?,
? è anch'essa tabellata in base al tipo di
sezione e al tipo di acciaio.

Bibliografia:
H. C. Schulitz, W. Sobek,
K. J. Habermann, Atlante dell'acciaio, Torino 1999.
A.A. V.V.,
Manuale dell'architetto, Roma 1996.
A.A. V.V., Manuale di
progettazione edilizia
, Milano 1995.

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