Controventi con Cavi in Acciaio: La Soluzione Flessibile che Garantisce Stabilità e Durata alle Strutture

Una costruzione edilizia presenta una struttura tridimensionale costituita da fondazioni, pilastri, travi e solai, che deve essere in grado di assorbire le innumerevoli sollecitazioni prodotte da forze esterne verticali e orizzontali (come carichi gravitazionali, vento, sisma, ecc.). Nello specifico, ogni struttura deve possedere una rigidezza trasversale adeguata a far fronte alle azioni orizzontali e che sia capace di limitare gli spostamenti laterali entro i limiti consigliati dalle norme.

Il Ruolo dei Controventi nelle Strutture

Nelle strutture in acciaio questo si ottiene attraverso l’impiego di elementi appositamente progettati per equilibrare le azioni orizzontali, ovvero i controventi. Il termine controvento, composto dalla radice contro e dalla parola vento, indica l’insieme degli elementi che conferiscono alla struttura rigidezza e resistenza alle azioni del vento e del sisma.

Nella sua classificazione più storica, il controvento rappresenta una parete formata da aste che si intersecano in diagonale e garantiscono opportuna resistenza e stabilità alla struttura in cui vengono inserite. I controventi in acciaio sono, dunque, elementi che servono a contrastare le forze laterali orizzontali agenti su edifici o altri sistemi.

Controventi con Tenditori Flessibili e Cavi in Acciaio

Nella progettazione moderna delle strutture in acciaio, i controventi con tenditori svolgono un ruolo fondamentale nel garantire connessioni flessibili e precise. Il controvento tramite cavi non è solo un'alternativa moderna ai sistemi di controventatura tradizionali, ma è anche una soluzione ottimale per molti progetti di edifici in acciaio.

Quando forze laterali agiscono su un edificio, i cavi assorbono e ridistribuiscono l'energia, quindi riportano la struttura in allineamento. I sistemi di controventatura dei cavi offrono vantaggi unici per edifici in acciaio e strutture PEB, rendendoli una scelta preferibile rispetto ai tradizionali rinforzi rigidi.

Leggi anche: Applicazioni dei controventi in OSB

Un vantaggio significativo è il design leggero: il controvento tramite cavi utilizza cavi in acciaio ad alta resistenza al posto di pesanti travi. Quando si sceglie tra un sistema di rinforzo dei cavi e controventatura rigida tradizionale (come i controventi a X o a K), i costruttori devono considerare peso, flessibilità, tempi di installazione e costi.

Caratteristica	Controventatura a Cavi	Controventatura Rigida Tradizionale
Peso	Design leggero, utilizza cavi in acciaio ad alta resistenza	Utilizza pesanti travi
Flessibilità	Flessibile e precisa, assorbe e ridistribuisce l'energia	Meno flessibile (connessioni più rigide)
Tempi di Installazione	Connessioni più rapide e precise	Potenzialmente più lunghi o complessi
Costi	Soluzione ottimale per molti progetti, vantaggi unici	(Non specificato per confronto diretto, ma alternativa ai cavi)

Il controvento a cavi incrociati nelle strutture in acciaio è un sistema in cui cavi in acciaio ad alta resistenza formano una "X" per stabilizzare la struttura portante di un edificio. Molto spesso il sistema di “vincolamento” orizzontale viene realizzato impiegando funi in acciaio, disposte per lo più con una configurazione nota come a “croce di S. Andrea”, collegate ai vertici estremi delle campate attraverso delle piastre di ancoraggio.

In questo caso, il vincolo di spostamento viene garantito da una singola fune in acciaio per ogni direzione, in quanto, come noto, il cavo possiede un’elevata resistenza solo per sollecitazioni di pura trazione. Proprio per questa peculiare e semplice caratteristica, la fune è spesso impiegata come controvento, in quanto essa è considerata come un elemento molto pratico e, allo stesso tempo, molto efficiente.

Componenti e Hardware dei Sistemi a Cavi

Un sistema di rinforzo dei cavi non è completo senza il suo hardware. La giusta combinazione di cavi, ancoraggi, connettori e dispositivi di tensionamento garantisce sicurezza, durata e facilità di installazione. A SteelPRO PEB, progettiamo e forniamo sistemi di rinforzo dei cavi realizzati direttamente in fabbrica completo di componenti hardware-inclusi cavi zincati, ancoraggi, connettori e tenditori.

Utilizzando il dialogo Turnbuckle, è possibile controllare piastre, bulloni, saldature e tenditori. Se un vano di controvento deve essere spostato lateralmente per evitare interferenze con altri elementi (MEP, aperture, impianti), la connessione può essere facilmente riconfigurata anche dopo che il controvento e il tenditore sono stati posizionati, modificando le opzioni direttamente nella macro.

Per applicazioni specifiche, esistono funi in acciaio inox AISI 316 strutturali per architettura. Queste sono definite come stralli in fune di acciaio inox AISI 316 strutturale per architettura con terminale e tenditore a forcella saldata. Vengono fornite con la lunghezza su misura a richiesta del cliente, con il tenditore serrato per metà, in modo che sia possibile una regolazione sia in allungamento che in accorciamento del cavo, pari all'incirca alla corsa del tenditore. Il loro utilizzo principale è per cavi per tensostrutture soggetti esclusivamente a trazioni statiche: vengono usati con successo sia per realizzare coperture di spazi aperti che impalcati per architettura, come pensiline, ringhiere, scale, pareti verdi o sistemi grigliati a fune. È importante utilizzare questi cavi solo per applicazioni statiche.

Materiali per Elementi Flessibili: Acciaio e Fibre Sintetiche

Nel caso in cui si decida di usare cavi di acciaio, gli isolatori devono essere rigorosamente di ceramica, sebbene trovarli possa essere un problema. In alternativa, ci sono altri materiali idonei in materiale sintetico, che non richiedono isolatori; basta rispettare i carichi e per questo ci sono le tabelle di portata ai vari diametri e materiali.

Esistono anche alternative in fibre sintetiche, come la corda nautica. Ad esempio, la corda nera multitreccia di poliestere da 10mm di diametro, comprata in un negozio di articoli per la nautica, viene usata come fune per ancoraggi ed ormeggi delle imbarcazioni e può essere impiegata per controventi. A me risulta che in nautica da diversi anni usano il dyneema, addirittura dentro i verricelli. Il Dyneema rappresenta il massimo per queste applicazioni, ed è impiegato anche per le funi sui verricelli per i 4x4, ma costa un botto. Anche le funi in poliestere costano, ma decisamente meno di quelle in dyneema. In ogni caso, con le funi bisogna fare attenzione ai nodi, il loro punto debole, o optare per giunzioni impiombate per le cime fisse.

Classificazione e Tipologie di Controventi in Acciaio

Le costruzioni soggette all’azione sismica, non dotate di appositi dispositivi dissipativi, devono essere progettate in accordo con due comportamenti strutturali: non dissipativo o dissipativo.

Nel comportamento non dissipativo, gli effetti combinati delle azioni sismiche e delle altre azioni vengono calcolati, indipendentemente dalla tipologia strutturale adottata, senza tener conto delle non linearità di comportamento di materiale e geometriche.
Nel comportamento dissipativo, invece, gli effetti combinati delle azioni sismiche e delle altre azioni vengono calcolati in funzione della tipologia strutturale adottata, tenendo conto delle non linearità di comportamento di materiale e geometriche. Per le strutture in acciaio, il § 7.5.2 delle NTC 2018 affronta il tema delle diverse tipologie strutturali, tra cui le strutture con controventi a comportamento dissipativo.

Le principali tipologie di strutture con controventi in acciaio sono: strutture con controventi concentrici e strutture con controventi eccentrici.

Controventi Concentrici

Nelle strutture con controventi concentrici le azioni orizzontali sono assorbite principalmente da membrature (appunto i controventi) soggette a forze assiali. In queste strutture le zone dissipative sono principalmente collocate nelle diagonali tese. Pertanto, possono essere considerati in questa tipologia solo quei controventi per cui lo snervamento delle diagonali tese precede il raggiungimento della resistenza delle aste strettamente necessarie ad equilibrare i carichi esterni.

Le NTC 2018 individuano 3 categorie di controventi concentrici:

Controventi con diagonale tesa attiva: La resistenza alle forze orizzontali e le capacità dissipative sono affidate alle sole aste diagonali soggette a trazione. Durante un sisma l’energia viene dissipata attraverso le diagonali che plasticizzano in trazione ed instabilizzano in compressione, mentre travi e colonne sono progettate per rimanere in campo elastico.
Controventi a V: Le forze orizzontali devono essere assorbite considerando sia le diagonali tese che quelle compresse. Il punto d’intersezione di queste diagonali giace su di una membratura orizzontale che deve essere continua, pertanto essa non si appoggia sugli elementi di controvento. I controventi concentrici a V presentano (alla pari dei controventi a croce) un elemento teso ed uno compresso, ed entrambi lavorano contemporaneamente.
Controventi a K: Il punto d’intersezione delle diagonali giace su una colonna. Questa categoria non deve essere considerata dissipativa, poiché il meccanismo di collasso coinvolge la colonna. Nell’ottica di un progetto in gerarchia delle resistenze, non è raccomandabile impegnare la colonna con un sistema dissipativo e quindi, scegliendo di adottare quest’ultima soluzione, bisogna fare in modo che la struttura rimanga sostanzialmente in campo elastico.

Nel caso di strutture con controventi concentrici, la capacità di sviluppare un comportamento di tipo dissipativo è influenzata sia dalla tipologia di controvento sia dai criteri di dimensionamento adottati. Le membrature costituenti le travi e le colonne ed i collegamenti devono possedere una capacità sufficiente a consentire lo sviluppo delle zone dissipative nelle diagonali. Le diagonali di controvento hanno essenzialmente funzione portante nei confronti delle azioni sismiche e, a tal fine, tranne che per i controventi a V, devono essere considerate le sole diagonali tese. La risposta carico-spostamento laterale deve essere sostanzialmente indipendente dal verso dell’azione sismica. Per edifici con più di due piani, la snellezza adimensionale delle diagonali deve rispettare specifiche condizioni (ad esempio, 1,3 ≤ λ ≤ 2 in telai con controventi ad X; λ ≤ 2 in telai con controventi a V).

Controventi Eccentrici

Nelle strutture con controventi eccentrici le forze orizzontali sono principalmente assorbite da membrature caricate assialmente, ma la presenza di eccentricità di schema permette la dissipazione di energia nei traversi per mezzo del comportamento ciclico a flessione e/o a taglio. I controventi eccentrici possono essere classificati come dissipativi quando la plasticizzazione dei traversi dovuta alla flessione e/o al taglio precede il raggiungimento della resistenza ultima delle altre parti strutturali.

A differenza dei controventi concentrici, i collegamenti delle diagonali dovranno essere concepiti per vincolare le deformazioni flessionali sia nel piano che fuori piano. Le tipologie principali di collegamento per le strutture a controventi eccentrici sono: a diagonale-trave e link-colonna.

Nel caso dei controventi eccentrici, il comportamento sismico inelastico e la capacità di sviluppare un comportamento di tipo dissipativo sono in parte influenzati dai criteri di dimensionamento adottati. I controventi eccentrici dividono le travi dei telai in due o più parti. Ad una di queste parti, chiamato elemento di connessione (o link), è affidato il compito di dissipare l’energia sismica attraverso deformazioni plastiche cicliche taglianti e/o flessionali. Gli elementi di connessione possono essere componenti orizzontali o verticali e vengono denominati:

corti quando la plasticizzazione avviene per taglio;
lunghi quando la plasticizzazione avviene per flessione;
intermedi quando la plasticizzazione è un effetto combinato di taglio e flessione.

Progettazione e Analisi dei Controventi in Acciaio

La modellazione e il relativo calcolo strutturale dei controventi in acciaio non è semplice se non si fa affidamento a strumenti specifici, come il software di calcolo strutturale acciaio che, a partire da una specifica libreria, consente di modellare strutture semplici e complesse in acciaio o singoli elementi in acciaio all’interno di strutture realizzate con altri materiali e di ottenere disegni esecutivi e verifiche in linea con le norme vigenti.

Nel presente articolo si riportano i risultati relativi alle simulazioni numeriche condotte con il fine di valutare il comportamento strutturale di controventi ad X, realizzati con funi in acciaio. Il cavo di per sé presenta una forte non linearità geometrica, per cui il suo impiego deve essere opportunamente valutato, imponendo una corretta forza di pretensionamento, la quale può essere determinata solamente con analisi puntuali.

Infatti, se consideriamo una struttura in acciaio di supporto, tipica degli insediamenti industriali, realizzata con profili commerciali e controventi a X, il modello numerico di calcolo più semplice e più utilizzato nella pratica progettuale consiste nell’impiegare elementi beam per le colonne e per le travi ed elementi truss per i controventi, configurati a croce di S. Andrea. In fase di analisi, si possono utilizzare inoltre, elementi specifici per simulare il reale comportamento della controventatura, come gli elementi cut-off e/o elementi più complessi, reagenti solamente a trazione, in cui la rigidezza viene annullata se lo sforzo risulta di compressione.

Nella maggior parte delle analisi, comunque, vengono utilizzati elementi asta/biella (truss), in quanto il loro impiego risulta molto semplice ed, inoltre, sono implementati in quasi tutti i software FEM. Molto spesso, però, questa tipologia di elementi viene impiegata in modo non corretto. Infatti, nel modello di calcolo classico, l’elemento biella risulta “attivo” anche allo stato “0” iniziale ed è quindi pronto ad assolvere, in modo immediato, al suo compito di controvento. Le funi, invece, sono caratterizzate da un comportamento complicato e soprattutto sono elementi che devono essere sottoposti ad una tensione iniziale, in quanto privi di rigidezza flessionale.

Manutenzione dei Sistemi a Cavi

Un'alta qualità sistema di rinforzo dei cavi può durare decenni. Tuttavia, la tensione del cavo potrebbe allentarsi dopo anni di utilizzo o in caso di condizioni meteorologiche estreme. È possibile intervenire sulla riconfigurazione delle connessioni anche dopo il posizionamento dei controventi e dei tenditori, modificando le opzioni direttamente nella macro.

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