Quattro è meglio di due Il principio dei ponti strallati applicato applicato alle alle travi travi degli degli edifici edifici Ing. Claudio Pagani
N
ella sua innata voglia utilizzare una “normale” tradi occupazione dello ve in semplice appoggio tra spazio, l’uomo ha le due sponde, considerata sempre cercato di dare corpo l’enorme distanza esistente, alle sue idee concependo Roebling adottò uno schema soluzioni, anche apparente- che prevedeva l’impiego di mente azzardate, che con- una “trave-impalcato” di sentissero il raggiungimento modesto spessore, realizzata mediante un traliccio di prodello scopo scopo prefissato. prefissato. filati in acciaio, sospesa Questa voglia di conquista, mediante un sistema di funi ha prodotto alcune delle facenti capo alle due grosse opere ingegneristiche più torri d’estremità. affascinanti ed ancora oggi perfettamente funzionanti, L’idea, in sostanza, era quella di impiegare un sistema ausimai apparse sulla terra. In quest’ottica, gli esempi liario (le funi) che consentisforse più eclatanti, sono rap- se alla trave di superare la presentati dai grandi ponti distanza esistente tra le due sospesi realizzati, a partire sponde, pur mantenendo dalla metà del secolo scorso, negli Stati Uniti e fra questi, il ponte più famoso al mondo: il Ponte di Brooklyn. Realizzato a partire dal gennaio 1870, la struttura presenta una luce libera tra le due grosse torri in mattoni, di oltre 470 m. L’idea di base fu semplicemente geniale: realizzare un collegamento tra le due sponde dell’East River tra Brooklyn e Manhattan, evitando di avere appoggi intermedi che avrebbero inevitabilmente dato impedimento alla libera navigazione nel fiume. Il progettista incaricato della stesura del progetto e della stima dei relativi costi, l’Ingegnere John A. Roebling, pensò allora di realizzare una trave in campata singola, che superasse la distanza prevista; vista l’impossibilità di
uno spessore pressoché tra- riscontrabili nelle realizzazioscurabile. ni tradizionali “in opera ”. Inaugurato nell’estate del Velocità di costruzione, alta 1883, il Ponte di Brooklyn, qualità “garantita” dei materappresenta ancora oggi, una riali impiegati, durabilità, delle più coinvolgenti intui- accurati controlli in tutte le zioni ingegneristiche, rese fasi realizzative dei manufatconcrete dall’attività dell’uo- ti, elevatissime performance mo. strutturali e buona economiLA STORIA SI RIPETE cità, non sono che alcune L’idea di dotare le travi di un delle caratteristiche che da “congegno” ausiliario che sempre, contraddistinguono consenta loro di raggiungere le strutture prefabbricate nel valori prestazionali interes- panorama delle applicazioni santi, ha fatto da guida allo ingegneristiche. studio di un nuovo sistema La pre-costruzione in stabilistrutturale, da abbinare alle mento dei singoli manufatti travi prefabbricate ad arma- ed il successivo assemblagtura lenta, per consentirne gio in sito, porta insita la l’impiego oltre i normali limi- necessità di progettare e reati d’uso. lizzare sistemi di connessioDa sempre, si associano alle ne tra i singoli elementi strutture prefabbricate con- (strutture di fondazione-pilacetti tipici, solitamente non stri, pilastro-trave, elementi
di solaio-travi) il più possibile semplici; di fatto il vincolo di semplice appoggio, sia esso strutturalmente schematizzabile come una cerniera o come un carrello, risulta essere il vincolo più comunemente adottato. Queste peculiarità, se da un lato consentono di realizzare un organismo strutturale estremamente semplice, con le travi (e spesso anche gli elementi di solaio) in condizione isostatica, dall’altro non permettono di sfruttare la principale caratteristica caratteristica posseduta dalle strutture tradizionali in opera e cioè la mutua connessione in regime di continuità. Prendendo spunto da queste considerazioni, nasce l’idea del “Sistema Brooklyn”.
nuità (parziale o totale). Il concetto di base introdot- Tali tiranti in acciaio, posati to dal Sistema Brooklyn, è a secco entro alloggiamenti quello di creare una connes- predisposti sia nel pilastro sione tra campate contigue che nelle travi e successivadi travi prefabbricate, attra- mente parzialmente sigillati, verso un sistema di tiranti realizzano una connessione inclinati intestati nel pilastro in grado di sviluppare un comune alle due campate, comportamento potenzialin modo da simulare una mente duttile. condizione statica di conti- Al pari degli effetti prodotti CONCETTI DI BASE
GETTO INTEGRATIVO
dagli stralli nei ponti, essi garantiscono un sostegno intermedio alle travi, (la cui efficacia può essere governata dal progettista entro i limiti dettati dalle geometrie strutturali e dalle caratteristiche meccaniche del sistema), che consente di “ridistribuire“ le azioni interne all’elemento strutturale. In sostanza grazie all’azione prodotta dai tiranti, la trave prefabbricata, posata inizialmente in condizione di appoggio sulle mensole del pilastro, “subisce” una modifica del suo schema statico che la porta ad assumere, in esercizio ed a rottura, una condizione assimilabile a quella di una trave su quattro appoggi (due rigidi e due elastici). Il progettista, intervenendo sia sulle caratteristiche meccaniche dei tiranti, sia sulla geometria del sistema (gli appoggi fissi d’estremità sono un dato geometrico del problema mentre la posizione dei vincoli elastici rientra tra le scelte del progettista), può combinare, di volta in volta, le condizioni al contorno, andando a ricercare quelle che ottimizzano il comportamento dell’elemento prefabbricato. L’aspetto che rende ancora più interessante il Sistema Brooklyn, è che esso è completamente “invisibile”: in fase di montaggio, sono individuabili le predisposizioni nei pilastri e nelle tra vi ma dopo avere eseguito i getti di completamento dei solai, il sistema scompare lasciando all’osservatore, la sensazione di essere di fronte ad una comune struttura prefabbricata.
CAMPI DI APPLICAZIONE
do invisibile il sistema, una amplificazione degli effetti indotti nelle travi. Il sistema, si propone di fatto, come limite spartiacque tra i campi d’impiego delle travi in opera o prefabbricate ad armatura lenta, nei quali il ricorso alle travi precompresse risulterebbe non competitivo da un punto di vista tecnico-economico e quelli nei quali si passa all’adozione di travi prefabbricate precompresse.
Il nodo realizzato con il Sistema Brooklyn, è impiegabile in tutte le soluzioni strutturali nelle quali si adottano travi prefabbricate ad armatura lenta. In considerazione del fatto che il sistema, scompare negli spessori lasciati a disposizione per la struttura, il suo impiego può essere previsto sia negli edifici di tipo residenziale (tipicamente condomini con travi in spessore di solaio), sia soprattutto, negli edifici PREGI DEL SISTEMA industriali e di servizi come Il Sistema Brooklyn, oltre a autorimesse mono o pluri- garantire i pregi tipicamente piano, palazzine uffici, riscontrabili nell’ambito delhotels, supermercati, depo- le strutture prefabbricate e siti, ecc., nei quali, in consi- brevemente elencati in derazioni delle esigenze apertura, introduce alcune della Committenza in termi- opportunità strutturali di ni di sovraccarichi utili e di notevole interesse. luci, è consuetudine adotta- A) Connessione trave-pilastro re travi a T rovescio o ad L, ribassate rispetto all’intra- L’introduzione di un sistema dosso del solaio. di tiranti in acciaio che, pasPer queste ultime tipologie sando attraverso i pilastri, di edifici infatti, l’altezza vengono ancorati nelle travi, non trascurabile delle travi, garantisce un’azione di consente di aumentare l’in- “cucitura” dell’insieme traclinazione dei tiranti produ- ve-pilastro, in grado di svicendo, a parità di tutte le luppare duttilità. altre condizioni al contorno Questa connessione, oltre ed in particolare mantenen- ad as solvere a funzioni
una buona economicità produttiva. B) Continuità
Rappresenta sicuramente, l’aspetto di maggiore interesse introdotto dal sistema perché consente di “inserire” e sfruttare una continuità tra le campate attigue di una travata. Tale continuità, risulta avere una efficacia, in termini numerici, che dipende da fattori legati in parte, alla tipologia strutturale in esame ed in parte alle scelte strutturali del progettista. strutturali meglio descritte nei punti seguenti, consente di introdurre un importante strumento capace di aumentare la sicurezza strutturale, sopra ttutto durante la fase di montaggio degli elementi dove, a causa dell’elevato grado di svincolo presente nella struttura, sono maggiori i rischi di incidenti. E’ importante inoltre sottolineare come, la connessione trave-pilastro avviene a “secco”: i tiranti vengono inseriti entro alloggiamenti
C) Riduzione degli
predisposti nel getto dei ingombri pilastri e delle travi e la L’introduzione di un fattore connessione, meccanica, si di continuità, consente di sviluppa mediante il serrag- ridurre gli ingombri delle tragio dei dadi del sistema di vi prefabbricate. In particolafissaggio. Non sono necessa- re nei casi di edifici residenrie né saldature, né getti inte- ziali con travi da mantenere grativi locali per sviluppare nello spessore del solaio, il un collegamento efficace tra Sistema Brooklyn consente, i due elementi strutturali. a parità di condizioni al conInoltre, le predisposizioni torno (luci delle travi e dei nel pilastro non necessitando solai, sovraccarichi utili, di lavorazioni particolari ecc.), di ridurre gli spessori (smussi, scassi, sporgenze, delle travi riconducendo il ecc.), consentono di realizza- problema, alla definizione re i getti entro casseri stan- delle altezze strutturali degli dard e quindi garantiscono impalcati. D) Piena libertà di scelta
E T A C I R B B A F E R P O I A L O S E R T S A L
niche. La necessità di ragL’effetto prodotto dal siste- giungere luci inusuali per le ma, si sviluppa prescindendo soluzioni tradizionali con caldalla tipologia dell’elemento cestruzzo in opera, implica di solaio adottato. l’esigenza di adottare spessori Le travi dotate del sistema a volte rilevanti con conseBrooklyn, possono essere guenti ripercussioni sulla impiegate sia in presenza di volumetria “utile” del fabbrisoluzioni tradizionali tipiche cato. In questi casi, diventa dell’edilizia residenziale indispensabile, per ricondur(solai in latero-cemento o a re gli spessori strutturali ai lastre prefabbricate), sia con valori “tradizionali”, introdursoluzioni più tipiche dell’edi- re appoggi intermedi con tutlizia prefabbricata (lastre to quanto ne deriva da un alveolari, tegoli a doppio T, punto di vista strutturale ad Omega, ecc.) (aggiunta di plinti, pilastri, ecc.) ed architettonico. E) Riduzione dei Il sostegno introdotto sulla quantitativi d’armatura trave prefabbricata dal SisteL’azione di “sospensione” ma Brooklyn, soprattutto con esercitata dai tiranti del sisteriferimento alle tipologie resima, consente di ridurre i denziali con travi in spessore quantitativi di armatura lenta di solaio consente, a parità di delle travi. Fissate le geome- condizioni al contorno trie strutturali, il Sistema (sovraccarichi utili, luci dei Brooklyn, introducendo due solai e spessori strutturali), di appoggi elastici lungo lo svi- superare luci inusuali per luppo della trave, consente di ridurre il valore del momento positivo in campata con conseguente riduzione del rapporto meccanico d’armatura. F) Incremento delle luci libere delle travi
Spesso, soprattutto nell’edilizia residenziale, le posizioni dei pilastri e conseguentemente le luci delle travi, sono dettate da ragioni architetto-
soluzioni in calcestruzzo tradizionali o prefabbricate ad armatura lenta. G) Riduzione delle deformazioni
La scelta degli spessori strutturali è dettata, in primo luogo, dalla necessità di avere strutture con una rigidezza adeguata, tale da non introdurre effetti indesiderati nelle opere di finitura. Solai e travi troppo sottili, a causa della loro ridotta rigidezza flessionale, possono produrre effetti negativi nei fabbri-
cati quali lesioni nei pavimenti, fessurazione nei tamponamenti e nei tavolati, eccessive vibrazioni, ecc.. I numeri indice noti a tutti gli strutturisti, che legano lo spessore minimo degli elementi strutturali alla luce massima da coprire, forniscono dei parametri molto utili per garantire alle travi ed ai solai una adeguata rigidezza flessionale. Il Sistema Brooklyn, introducendo due vincoli elastici intermedi alla trave, di fatto, ai fini del comportamento flessionale, ne riduce la luce libera. In altre parole, a parità di tutte le condizioni al contorno ed in particolare lo
spessore della trave, con il Agendo sull’entità del pretiSistema Brooklyn si possono ro, è possibile pertanto “conottenere deformazioni fles- trollare” la deformazione sionali minori e quindi una della trave andando a ridurmaggiore rigidezza rispetto a re, anche in presenza di travi quanto riscontrabile in una sottili, il problema legato alla analoga trave ad armatura eccessiva deformabilità. lenta. La possibilità di assegnare ai H) Incremento dei carichi utili tiranti un pretiro iniziale, da sfruttare in prima fase quan- Rappresenta la più diretta do i getti di completamento conseguenza delle prerogatisi presentano in fase liquida ve introdotte dal Sistema consente, pur in presenza di Brooklyn e succintamente spessori modesti, di ottenere descritte nei precedenti punti. travi autoportanti, azzerando L’effetto di “sospensione” al l’impiego di opere provvisio- pilastro esercitato dai tiranti nali per il sostegno della sulla trave, garantisce una struttura fino alla completa riduzione del momento solmaturazione dei getti. lecitante di progetto agente
in mezzaria. Pertanto, a parità di caratteristiche meccaniche dei materiali, di geometria del problema ed in particolare, di sezione trasversale e di luce della trave, la presenza del Sistema Brooklyn, consente di incrementare il carico utile sopportabile dall’elemento strutturale. Il Sistema Brooklyn si presenta pertanto, come un interessante sistema strutturale, in grado di “aiutare” l’elemento trave, ad accrescere le proprie prestazioni staticodeformative.
Esso si propone quindi come un valido sistema strutturale che consente di impiegare le travi prefabbricate ad armatura lenta oltre i limiti attualmente ritenuti invalicabili. Nelle prossime pubblicazioni, verranno forniti gli aspetti tecnici relativi al sistema, con i risultati delle analisi teoriche e delle sperimentazioni compiute su campioni in scala reale.
“scomparsa” del sistema e, al tempo stesso, una ulteriore sicurezza nei confronti di eventuali manomissioni. La completa scomparsa della testata del tirante è ulteriore indice di sicurezza della corretta messa in opera del sistema. Infatti, la lunghezza del tirante è definita in modo tale, che esso risulti sporgere
dal pilastro qualora non venga completamente “avvitato” nella boccola prevista nella trave. Questi tubi possono essere abbinati al sistema (brevetto internazionale B.S. Italia S.r.l.), che prevede l’inserimento nel pilastro anche delle predisposizioni per l’alloggiamento di mensole metalli-
I COMPONENTI DEL SISTEMA
Il Sistema Brooklyn si compone di tre parti. 1) PREDISPOSIZIONE NEI PILASTRI
Qui di seguito verranno descritti: - i componenti del sistema; - i primi risultati dei raffronti fatti tra soluzioni tradizionali, con travi semplicemente appoggiate sui pilastri, e soluzioni che prevedono l’impiego di questa nuova tecnologia; - i risultati delle prime sperimentazioni condotte su modelli in scala reale.
È un assieme metallico, composto da una doppia coppia di tubi in acciaio, previsti allo scopo di predisporre un doppio attraversamento del pilastro tramite il quale verranno fatti passare i tiranti (vedere successivo punto 3). Ad un estremo dei tubi è pre visto un allargamento, che riveste una doppia funzione. In primo luogo, consente il bloccaggio del tirante per contrasto sul pilastro, dopo averne eseguito il pretensionamento. Il bloccaggio avviene mediante un sistema costituito da due dadi e da una rondella: il secondo
dado viene serrato a garanzia della sicurezza nei confronti dell’eventuale svitamento del primo. L’allargamento consente inoltre di occultare il sistema di bloccaggio: dopo la messa in tiro dei tiranti e la messa in opera del sistema di bloccaggio, l’alloggiamento della testa del tirante viene sigillato con malta a ritiro compensato, garantendo la
tre una maggiore precisione in fase di messa in opera entro la gabbia d’armatura del pilastro. La predisposizione nel pilastro può essere semplice, come nel caso dei pilastri di testata, doppia, per i pilastri intermedi alla pilastrata, tripla o quadrupla, nel caso siano previste travi anche perpendi-
che a sostegno delle travi. La predisposizione per la mensola metallica è ottenuta a partire da un tubo di idoneo spessore, al quale vengono saldate due briglie metalliche a garanzia dell’ancoraggio del sistema all’interno del getto del pilastro. Superiormente al tubo sono previste due boccole filettate: quella inferiore assolve la funzione statica di impedire, mediante l’impiego di un bullone opportunamente dimensionato, la rotazione della mensola all’interno del suo alloggiamento e, contemporaneamente, di bloccarla al pilastro. Quella superiore viene impiegata come elemento di contrasto: il bullone in essa previsto viene svitato dopo la posa della trave fino ad andare “in battuta” contro la testata della stessa. In questo modo, vengono eliminati i giochi esistenti tra trave e mensola ed il pretensionamento dei tiranti viene trasferito integralmente alla trave. Il vantaggio di questo sistema è duplice: la produzione del
pilastro richiede un cassero semplicissimo con sponde filanti, senza dovervi ricavare gli scassi necessari alla costruzione delle mensole in calcestruzzo, ed è quindi sinonimo di rapidità ed economicità produttiva. Essendo l’insieme
rere nella trave, sono stati laborante, la trave si trova in previsti due meccanismi resi- una situazione isostatica di stenti aggiuntivi al bloccaggio semplice appoggio tra i pilameccanico realizzato median- stri. te la boccola. In primo luogo, A partire da questa fase, la la guaina, essendo corrugata, trave subisce la modifica del trasferisce per aderenza al proprio schema statico pascalcestruzzo della trave le tra- sando da una situazione isozioni indotte del tirante. Inol- statica ad una configurazione tre, attraverso la piastra a cui iperstatica. sono fissate le guaine, vengo- Tramite il pretensionamento no fatti passare i ferri d’arma- dei tiranti eseguito prima deltura della trave in modo da la posa dei solai, ai due punti creare un ulteriore meccaniintermedi vengono assegnati smo d’ancoraggio del sistespostamenti impressi positivi, ma. i cui valori sono tarati di volta in volta a seconda della 3) ELEMENTO DI necessità del progetto, conCONCATENAMENTO sentendo in questo modo la TRAVE-PILASTRO parziale correzione della frecLa terza componente del cia elastica della trave. Sistema Brooklyn è rappreI primi riscontri numerici colarmente all’intelaiatura sentata dalla coppia di tiranti. effettuati, oltre ai risultati speprincipale. Di lunghezza variabile a rimentali meglio descritti nel seconda delle esigenze proprosieguo, permettono di 2) PREDISPOSIZIONE gettuali, come detto, i tiranti dire che le modifiche introNELLA TRAVE vengono inseriti nella struttu- dotte dal Sistema nella trave La seconda componente del ra, infilandoli attraverso le produce dei benefici, che Sistema, da predisporre nelle predisposizioni nel pilastro, e possono essere visti, a parità travi, è composta da due bloccati alle predisposizioni di condizioni al contorno, guaine metalliche corrugate nella trave. Con la tesatura come: dotate, al piede, di una piadel tirante si introduce un a) aumento dell’interasse dei stra metallica forata a cui effetto di parziale sostegno pilastri; risultano saldate le boccole di della trave in due punti (la cui bloccaggio dei tiranti. localizzazione rientra tra le Le guaine corrugate realizzascelte del progettista) che, no l’alloggiamento entro cui producendo la modifica dello infilare i tiranti dopo la posa schema statico, genera una in opera della trave. riduzione dei valori delle
“tubi di infilaggio dei tirantiLa loro inclinazione, conforalloggiamento della mensola” me a quella dei tiranti, viene mutuamente collegato e pregarantita mediante staffe di distanziato, il sistema, che sostegno anche durante la prevede una mensola in fase di getto e di vibratura. acciaio a scomparsa, rispetto A garanzia che al sistema alla tradizionale mensola in “tirante-guaina” non sia calcestruzzo, garantisce inollasciata la possibilità di scor-
azioni interne in campata, originate dai carichi agenti e, contemporaneamente, una riduzione delle deformazioni flessionali. Nel transitorio iniziale caratterizzato dalla presenza del getto integrativo non ancora col-
b) riduzione degli ingombri delle travi; c) aumento dei carichi utili. È logica conseguenza, quindi, la possibilità di sfruttare in simultanea i vantaggi disponibili, secondo un’attività combinatoria da calibrare in base
alle esigenze progettuali. CONCLUSIONI
Il Sistema Brooklyn rappresenta certamente una nuova soluzione tecnologica in grado di fornire un tangibile contributo alle strutture. Dai primi risultati riscontrati, sia a livello di schematizzazione teorica sia sperimentalmente, appare evidente come il campo d’applicazione del
Sistema vada preferenzialmente a collocarsi in un ambito, nel quale le soluzioni tradizionali ad armatura lenta richiedono un maggiore tributo, esprimibile sia in termini di dimensioni (maggiori altezze e quindi maggiori ingombri), sia con incidenze d’armatura molto più pesanti, mentre le soluzioni prefabbricate precompresse non risultano ancora competitive da
un punto di vista tecnico-eco- mentali necessarie a trasfornomico. mare l’ossatura portante in un Sono attualmente in corso telaio a nodi rigidi. approfondimenti teorico-spe- Contemporaneamente si rimentali, che si prefiggono vuole rendere il nodo antisidue obiettivi. In primo luogo, smico, aprendo così nuovi realizzare una connessione scenari nell’ambito delle trave-pilastro a secco, estrestrutture prefabbricate in mamente semplice che non zona sismica. I risultati degli richiede né saldature in opera studi teorici verranno validati né getti di completamento, in attraverso prove statiche e grado però di fornire le presismiche su modelli di strutstazioni statico-comportature in scala reale.
FASE 0
FASE 1: messa in opera della trave prefabbricata
FASE 3: pretensionamento dei tiranti e bloccaggio della testa
FASE 2: messa in opera dei tiranti
FASE 4: sigillatura dell’alloggiamento della testa dei tiranti
Per una trattazione esaustiva dell’argomento e delle prove di carico effettuate sul sistema Brooklyn vedasi l’articolo pubblicato in Elite, rivista internazionale di arte della prefabbricazione, n° 5/2002. Per informazioni:
[email protected]
Il Gruppo Styl-Comp è lieto di poter condividere questa innovazione tecnologica, previo accordo sul know-how relativo, con tutti quei prefabbricatori o imprese edili interessate a produrre con questo rivoluzionario sistema strutturale.