Guida alla progettazione in acciaio: regole e riferimenti normativi

Da Logical Soft un Focus su come progettare una struttura in acciaio

Grazie anche alla sua versatilità oggigiorno l'acciaio è diventato una soluzione molto utilizzata sia nelle nuove costruzioni che nella ristrutturazione. Dal punto di vista progettuale quando si costruisce in acciaio la vera sfida è quella di sfruttare a pieno una delle sue caratteristiche più peculiari ossia la duttilità.

Le fasi cruciali da rispettare per una buona progettazione, tenendo anche conto delle azioni orizzontali come vento e sisma

Possiamo affermare che progettare con l'acciaio richiede uno schema corretto del comportamento strutturale dell'edificio, un'analisi dei meccanismi di instabilità ed una stima della capacità di dissipare energia attraverso la duttilità degli elementi e dei collegamenti. 

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Progetto di una struttura in acciaio

In questo focus ricostruiamo le fasi di lavoro necessario per progettare e verificare una struttura in acciaio, tenenedo conto dei riferimenti normativi italiani ed europei.

  • I materiali
  • Lo schema statico
  • Le azioni sull'edificio
  • L'analisi della struttura
  • Le verifiche globali
  • Le verifiche locali
  • Le connessioni

Ogni fase di progetto può essere svolta con il Modulo ACCIAIO di TRAVILOG.

La scelta dei materiali

La scelta dell'acciaio da costruzione è normata e guidata dal capitolo 4.2 e 11.3 delle Norme tecniche per le Costruzioni del 2018 con esplicito riferimento alla Norma armonizzata UNI EN 1090. 
Il riferimento legislativo italiano prescrive in linea con i riferimenti europei le prestazioni meccaniche che l'acciaio da costruzione deve garantire ma definisce anche i controlli necessari sia nella fase di produzione che in quella preliminare alla messa in opera dell'elemento costruttivo in acciaio. 

La scelta del materiale da costruzione è appunto guidata dal quadro normativo e le variabili di scelta progettuale sono la tensione caratteristica a snervamento fyk e la tensione caratteristica a rottura ftk. Per i "Prodotti laminati a caldo di acciai per impieghi strutturali" il riferimento più specifico è la UNI EN 10025 che classifica le tensioni caratteristiche degli acciai in funzione della composizione chimica e quindi degli usi specifichi e particolari che verranno adottati. La nomenclatura da adottare per riferirsi alle forniture di acciaio da costruzioni sono del tipo:    S 235 JR + C + N 

dove:

  • S acciaio da costruzione
  • 235 tensione caratteristica di snervamento in N/mm²
  • JR indicazioni alfanumeriche relative alla resilienza
  • C simbolo addizionale relativo all'impiego
  • N simbolo addizionale relativo alla condizione di fornitura

Di seguito, a titolo di esempio, le caratteristiche meccaniche di acciai in funzione delle condizioni di fornitura secondo le indicazioni della UNI EN 10025.

Caratteristiche acciai non legati per impieghi strutturali, UNI EN 10025-2

Caratteristiche acciai per impieghi strutturali saldabili a grano fine allo stato normalizzato/normalizzato laminato, UNI EN 10025-3

Caratteristiche acciai per impieghi strutturali saldabili a grano fine allo stato normalizzato/normalizzato laminato, UNI EN 10025-3

Scegliere lo schema statico

Per progettare correttamente una struttura occorre prima di tutto comprendere il suo reale comportamento, capire come le azioni arrivano a terra e quale grado di iperstaticità un nodo o un vincolo sviluppano.

Partendo dall'assunto che esiste un solo modo corretto di rappresentare la realtà e diversi modi per rappresentare singole informazioni o comportamenti della struttura si arriva a capire che lo schema di calcolo è già un primo risultato di coerenza e affidabilità del modello di calcolo che vogliamo utilizzare. 
Questa scelta si traduce in due domande essenziali: quali strutture portano i carichi verticali? Quali strutture rispondono con le loro capacità alle azioni orizzontali?

Un altro esempio è dato dalle travi e dai nodi di connessione: è un vincolo iperstatico o un semplice appoggio? Governare questa scelta e di conseguenza i parametri di calcolo che ne derivano è importante per rappresentare e soprattutto valutare correttamente la realtà. Inserire nello schema statico cerniere parziali è una possibile soluzione che affina il modello di calcolo verso il reale comportamento della struttura.

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Schema statico per una struttura in acciaio

La scelta dello schema statico non è un passaggio univoco nelle fasi di progettazione, è altresì una conseguenza delle scelte progettuali complessive per la struttura, con particolare attenzione a discriminanti quali:

  • la regolarità strutturale e le simmetrie
  • iperstaticità e capacità dissipative
  • ridondanza strutturale e robustezza.

Tra le varie scelte c'è anche quella della schematizzazione dell'interazione terreno-struttura. Scegliere di modellare dei vincoli di incastro porta a non considerare l'effetto di ‘smorzamento' dato dal sistema di fondazione e dal terreno e in genere a sopravvalutare le azioni sollecitanti al piede dei pilastri; al tempo stesso si rischia di non valutare il comportamento reale del terreno, compresi i cedimenti che si hanno al di sotto della struttura.

La valutazione delle azioni sull'edificio

Le azioni a cui l'edificio in acciaio è sottoposto sono quelle legate al peso degli elementi strutturali e non strutturali e quelle dovute ai carichi propri dell'uso della struttura

Una tipica espressione usata per le strutture in acciaio è la "leggerezza" ma è davvero così? Il peso delle strutture in acciaio è ovviamente correlato anche alla quantità di materiale utilizzato ed è possibile limitarlo sfruttando al massimo le capacità degli elementi strutturali. Non è quindi il peso specifico dell'acciaio a giustificare la "leggerezza" quanto piuttosto il confronto con strutture ideate per le stesse funzioni e realizzate con tecnologie diverse che mostra come le strutture in acciaio richiedano un impiego inferiore di "materiale strutturale"
Anche le azioni ambientali svolgono un ruolo importante nei confronti della struttura, sia quelle del vento che quelle sismiche. L'interazione di tutte le azioni dovrà essere poi valutata secondo le specifiche delle NTC 2018.

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