Le grandi coperture: l'acciaio

Testo di Andrea Lugli
 
La scelta di adottare una struttura portante in acciaio risponde generalmente ad alcune motivazioni fondamentali:
 
1. Migliori prestazioni statiche sia generali, sia in relazione ai fenomeni sismici.
L'acciaio è un materiale che resiste ugualmente bene a trazione e a compressione ed è caratterizzato da ottime proprietà di resistenza e duttilità; ciò permette di costituire un sistema sismico-resistente di tipo 'dissipativo' (progettato, cioè, per resistere al terremoto di primo livello in regime elastico lineare, facendo altresì affidamento, in concomitanza dei terremoti di secondo livello, sul fatto che alcune parti strutturali - dette appunto 'zone dissipative' - escono dal limite elastico e dissipano energia mediante comportamento isterico duttile). L'elevata resistenza di cui gode l'acciaio comporta inoltre la possibilità di realizzare costruzioni leggere e flessibili, fatto che, in zona sismica, determina un ulteriore vantaggio. La leggerezza, infatti, genera una riduzione diretta delle forze sismiche che sono notoriamente proporzionali al peso della costruzione. Alla stessa conseguenza conduce, inoltre, la proprietà della flessibilità: la maggior parte delle normative prevede spettri di risposta - e pertanto forze di progetto - la cui intensità diminuisce al crescere della flessibilità strutturale.
La leggerezza della struttura è appropriata anche per i casi di scarsa portanza del terreno.
È comunque essenziale 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 di instabilità locale e globale.
 
2. Rapidità di costruzione e contenimento dei costi prefabbricando i componenti modulari in officina e limitando le opere in cantiere al semplice assemblaggio.
 
3. Rigore di esecuzione. Le strutture di acciaio rispettano con tolleranze dell'ordine di 1 mm le dimensioni del progetto, contro quelle dell'ordine di 1 cm (o più) delle costruzioni tradizionali.
 
4. Manutenzione agevole e ripetibile per un periodo superiore a quello delle strutture tradizionali in calcestruzzo armato.
 
5. Perfetta restaurabilità (sostituzione dei componenti).
 
6. Impatto ambientale sostenibile sul lungo periodo (smontabilità della struttura e non demolizione con conseguente creazione di materiale da riciclare).
 
Data la vastità della casistica delle strutture in acciaio e l'impossibilità di vagliarli tutti, si tratterà, come esempio, la tipologia del capannone a campata unica a telai con struttura portante unidirezionale.
Si identificano sostanzialmente due tipi di copertura: struttura a portali e a capriata.
La prima è caratterizzata dall'impiego di portali costituiti da ritti e traversi tra loro rigidamente vincolati in modo da costituire un nodo-incastro; le basi possono essere incernierate o incastrate. Trovano normalmente impiego in edifici a pianta rettangolare ove sono previste grandi superfici interne libere da pilastri intermedi. Di consueto, i portali sono realizzati ad anima piena con travi laminate o in composizione saldata, eventualmente rastremate. Relativamente alle coperture metalliche di notevole luce non è in genere conveniente, per evidenti ragioni di limitazione dei pesi, l'impiego delle travi ad anima piena: nella maggioranza dei casi le travi, dunque, sono reticolari.

Le tipologie strutturali delle capriate sono molto numerose in relazione alla luce, ai carichi e agli interassi. Tipi di travi reticolari ricorrenti sono quelle rappresentate in figura (tipo a - travata Moniè, tipo b - travata Warren). L'altezza nella mezzeria delle capriate è compresa generalmente fra 1/20 e 1/10 della luce. Gli elementi costituenti le travi reticolari sono generalmente profili ad L o a C accoppiati (sistema classico) oppure tubolari o scatolari, più indicati per resistere agli sforzi di trazione e compressione a cui principalmente la capriata è sottoposta. Una leggera inclinazione dei correnti superiori è opportuna per consentire lo smaltimento dell'acqua piovana. La copertura generalmente è realizzata con travetti secondari o arcarecci (preferibilmente collocati in corrispondenza dei nodi delle travi) sui quali viene appoggiato il manto di copertura.
Le capriate costruite in officina sono successivamente montate ed unite ai pilastri e agli arcarecci con unioni bullonate, evitando così l'impiego di saldature da eseguirsi in opera (meno sicure). Per luci elevate può convenire effettuare il trasporto di segmenti di capriate collegati in opera mediante bulloni; i pezzi di capriata da assemblare sono di dimensioni massime di 12x2,5 (le dimensioni massime sono dovute sia a problemi legati al trasporto, sia alle dimensioni massime delle vasche per la zincatura a caldo a cui, notoriamente, quasi tutte le carpenterie metalliche sono sottoposte). Oltre a ciò sono presenti i controventi di falda (elementi di irrigidimento della copertura aventi la duplice funzione di impedire l'instabilità dei correnti superiori compressi delle varie capriate e di resistere alle azioni del vento agenti sui fronti del fabbricato) e i controventi di parete (elementi di irrigidimento longitudinale del capannone) che assicurano la stabilità dei pilastri nel piano della parete. Entrambi i controventi diminuiscono notevolmente la deformabilità intrinseca delle strutture in ferro. Sono rappresentati vari sistemi di controventatura di parete, alcuni idonei a permettere il passaggio attraverso la parete. Il calcolo della struttura si effettua facendo in modo che l'insieme formato dai telai principali (pilastri e capriata), arcarecci e controventi sia in grado di contrastare le forze esterne principalmente indotte dal carico della neve sulla copertura, dalle spinte del vento sulle pareti laterali e in taluni casi dalle sollecitazioni sismiche. Generalmente il capannone a capriata è pensato per raggiungere luci di 20 m (anche se non esistono limitazioni), raggiungendo, per luci medie, un peso della struttura complessivo di 25-30 kg/mq.

Schema strutturale analogo ma di diversa forma è il capannone. In questo caso la struttura è mista (soluzione ottimale in zona sismica) ed è concepita come un 'meccano'  i cui elementi assemblati sono sostanzialmente i seguenti: capriate reticolari spaziali in acciaio a sezione variabile (h max = 3 m) sagomati a T rovesciata di 42 m di lunghezza; pilastri circolari in c.a. (d = 70 cm) dotate di mensole in acciaio per accogliere la capriata; copertura ad arco per permettere all'acqua di prima pioggia di raggiungere i pluviali; cupole a nastro rivestite in materiale trasparente che vanno a coprire le parti di capriata che fuoriescono dalla superficie arcuata del tetto permettendo un'illuminazione diffusa dello spazio interno. Nei casi che prevedono una notevole luce da coprire e non si desidera una capriata di grandi dimensioni, si può ricorrere agli stralli. La struttura è sostanzialmente una catenaria realizzata con profili in acciaio a nastro sospesi a intervalli di 5,5 m che coprono una luce di 55 m. I piloni a cavalletti consolidano la struttura sia in senso longitudinale, sia trasversale. La copertura è in pannelli di legno con uno strato di barriera al vapore, uno di materiale isolante ed uno di ghiaia che, aumentandone il peso, contrasta gli effetti delle depressioni. In questo caso l'ingombro strutturale è pressoché inesistente.Altro caso riconducibile al capannone in ferro ad un'unica campata e struttura portante unidirezionale è quello con copertura ad arco. Con il principio qui illustrato si ha un 'vano agibile' formato da due elementi verticali, i piedritti, e dall'orizzontamento di forma geometrica tale da assoggettare il materiale a sola compressione, l'arco. Per contro, l'arco esercita un'azione spingente sui piedritti: di conseguenza, ai fini della stabilità dell'insieme, si può operare: a) eliminando la spinta inserendo l'elemento resistente a trazione una catena; b) contrapponendo alla 'spinta' elementi strutturali di adeguata forma.
 
I DIFETTI DELL'ACCIAIO
 
Resistenza alla corrosione
L'acciaio deve essere isolato dall'acqua e dall'ossigeno per essere protetto dalla corrosione. Uno strato di vernice (acrilico, PVC, resina epossidica, poliuretano, clorocaucciù, ecc.) riduce il contatto con l'atmosfera, ma non è una barriera impermeabile ad entrambi gli agenti. Il sistema di protezione più largamente diffuso per profili strutturali d'acciaio è la zincatura a caldo, dove uno strato di zinco è applicato per mezzo di immersione in un bagno di zinco liquido ad una temperatura di 450° C. Questo processo non crea uno strato protettivo, piuttosto un ricoprimento superficiale che isola l'acciaio grazie all'ossidazione dello zinco (lo zinco è un metallo più elettropositivo dell'acciaio e quindi si ossida per primo).
La dimensione delle vasche di immersione (16x2,5x2 m e pezzi fino a 10 tonnellate) permettono al sistema di essere largamente usato anche per pezzi voluminosi. Bisogna tenere presente che le alte temperature possono causare sostanziali dilatazioni (4 o 5 mm per metro) e temporaneo indebolimento degli elementi strutturali. Per prevenire deformazioni, quindi, è necessario introdurre pezzi rigidi che non permettono la libera espansione. È preferibile 'zincare' pezzi che hanno spessore superiore a 5 mm.
Altra soluzione è quella di usare 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. Nel periodo di auto-ossidazione questi acciai trattati si comportano come un qualsiasi componente che si sta arrugginendo ed è quindi necessario considerare questo fenomeno con attenzione affinché certe parti dell'edificio non necessitino di interventi di pulizia. A processo di ossidazione concluso gli acciai patinabili sono stabili, non richiedono manutenzione alcuna e presentano tonalità di colore diverse che dipendono dai metalli additivati all'acciaio. L'utilizzo di acciaio Cor-Ten è fortemente sconsigliato in località marine, con atmosfera inquinata e negli ambienti interni in quanto l'acciaio non si patina. Il solo strato non suscettibile di ossidazione, contiene cromo (minimo 11%), insieme a silicone e manganese.
L'ossido di cromo rende l'acciaio praticamente inattaccabile.
 
Resistenza al fuoco
Altro punto debole dell'acciaio è l'estrema sensibilità al fuoco; benché il punto di fusione sia di 1500° C, sono sufficienti 600° C all'acciaio per perdere metà della sua resistenza, con una drastica riduzione del modulo di elasticità e la nascita di deformazioni permanenti che rende la struttura inutilizzabile. Per questa ragione bisogna usare una barriera protettiva per evitare il contatto tra il fuoco e l'acciaio.
Premesso che l'isolante termico non è garanzia di assoluta resistenza al fuoco, 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 materiali più comunemente usati quale rivestimento protettivo antincendio si possono raggruppare in: pitturazioni con vernici intumescenti, intonaci protettivi e rivestimenti protettivi (come GRC).
La vastissima casistica dei materiali antincendio impone la consultazione di testi specifici. Una soluzione valida è quella di portare all'esterno dell'edificio la struttura portante in acciaio. Negli edifici ad un piano (capannoni) è una sufficiente garanzia di protezione. Altre proposte prevedono che i profili portanti siano riempiti con acqua trattata come il caso del Centre Pompidou a Parigi e dello Steel Corporation Building a Pittsburgh. Qualora il peso aggiuntivo dell'acqua, soprattutto nelle travi, divenga motivo di preoccupazione, si può utilizzare sempre l'alternativa dell'impianto sprinkler.

Hangar, K. Wachsmann

Hangar, K. Wachsmann

Particolare costruttivo di struttura reticolare spaziale

Particolare costruttivo di struttura reticolare spaziale

Aeroporto di Stoccarda, Germania

Aeroporto di Stoccarda, Germania

Aeroporto di Stoccarda, Germania. Sezione

Aeroporto di Stoccarda, Germania. Sezione

Tribuna dello Stadio Sébastien Charléty, Parigi, Francia

Tribuna dello Stadio Sébastien Charléty, Parigi, Francia

Tribuna dello Stadio Sébastien Charléty, Parigi, Francia

Tribuna dello Stadio Sébastien Charléty, Parigi, Francia

Centro Congressi di Linz, Austria

Centro Congressi di Linz, Austria

Scuola Nazionale di Ponti e Strade, Marne-la-Vallée, Francia

Scuola Nazionale di Ponti e Strade, Marne-la-Vallée, Francia

Velodromo, Berlino, Germania

Velodromo, Berlino, Germania

Centro Fieristico e Conferenze Scozzese, Glasgow, Gran Bretagna

Centro Fieristico e Conferenze Scozzese, Glasgow, Gran Bretagna

Centro Fieristico e Conferenze Scozzese, Glasgow, Gran Bretagna

Centro Fieristico e Conferenze Scozzese, Glasgow, Gran Bretagna

Centro Turismo di Bati, Istanbul, Turchia

Centro Turismo di Bati, Istanbul, Turchia