Quando ci troviamo ad affrontare una progettazione strutturale, gli elementi che comporranno il nostro progetto sono molti e per ognuno di essi ci troveremo a dover selezionare le migliori caratteristiche geometriche, dimensionali e prestazionali. Fortunatamente ad assisterci in questo complesso lavoro esistono specifici software di calcolo strutturale che ci offrono una soluzione modulare per ogni sfida.
Tra gli elementi strutturali più importanti troviamo certamente la trave, disponibile nel mercato in varie sezioni e dimensioni a seconda dell’entità della struttura. Tra le travi più performanti troviamo sicuramente quelle del gruppo HE. Ma a cosa devono le loro alte prestazioni? Quante tipologie esistono e in cosa differiscono dai profilati IPE? Scopriamolo insieme!
Cosa si intende con il termine trave?
Con il termine trave si indica un elemento strutturale con una delle dimensioni predominanti, realizzato in metallo o altro materiale, atto a trasferire una sollecitazione, tendenzialmente trasversale al proprio asse geometrico, dalle sezioni investite dal carico fino ai vincoli. Vincoli che assicurano la trave al contesto circostante e ne garantiscono l’equilibrio esterno.
Altre caratteristiche fondamentali di questo elemento strutturale sono:
- lunghezza maggiore di tutte le altre dimensioni;
- capacità di reggere carichi applicati nella direzione del suo asse principale per una certa lunghezza, detta luce, calcolata fra due appoggi.
In base alla configurazione geometrico-spaziale, e di conseguenza anche strutturale, si distinguono varie tipologie di travi come la trave a ginocchio, trave a sbalzo o la trave a spessore. Un’altra distinzione viene fatta però a monte in base alle caratteristiche dimensionali e alla sezione principale delle travi stesse. Tale classificazione distingue le travi in:
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- Profilati IPE: caratterizzati da una sezione a forma di I, detta anche ad ali strette;
- Profilati HE: hanno una sezione a forma di H, detta ad ali larghe e vedremo che si distinguono a loro volta in HEA e HEB;
- Travi UNP: caratterizzati da una sezione a forma di U;
- Travi a L, C, Z o T;
- Trave rettangolare cava;
- Trave circolare cava.
Di queste tipologie, i più diffusi rimangono i profilati IPE e HE, il cui maggior utilizzo si deve alla loro maggiore efficienza a carichi flessionali. La sezione principale di questi due profilati, infatti, ci fa notare come il materiale sia concentrato sulle ali ovvero sulle parti più distanti dal punto baricentrico della sezione, aumentandone la loro rigidezza flessionale. Proprio per questa ragione, queste tipologie di travi vengono comunemente utilizzate nei telai d’acciaio strutturale per gli edifici e per i ponti.
Che differenza c’è tra le travi IPE, HE e UNP?
Come anticipato, in base alla figura geometrica che meglio descrive la loro sezione, le travi in acciaio si distinguono nelle tre seguenti categorie principali:
Travi IPE
Nella sigla IPE, la I indica la forma della sezione mentre PE sta per European Profile ed indica elementi da costruzione a forma di barra o putrelle o travi con superficie interna delle flange parallela e dimensioni secondo la norma EN 10365 con tolleranze di produzione definite secondo la norma EN 10034: 1993. La versione più comune in questo gruppo di elementi strutturali è il profilo IPE standard.
In queste travi la sezione ha la forma della lettera maiuscola “I”, costituita da due ali “strette” una superiore e una inferiore, unite da una parte centrale. La loro sezione le rende particolarmente adatte a reggere le sollecitazioni a flessione e vengono ampiamente utilizzate nella costruzione di solai. Ad esempio, una trave IPE 100 pesa circa 8,1 kg per metro lineare, mentre una IPE 300 può pesare fino a 42,2 kg per metro lineare.
Travi HE
Le travi HE sono anche dette “ad ali larghe” e la loro sezione ha la caratteristica forma di una “H” maiuscola. Questa tipologia di travi si suddivide ulteriormente in base allo spessore delle ali, da leggere a pesanti. A differenza delle travi IPE, la loro particolare sezione le rende resistenti ai momenti flettenti e ne riduce il rischio di collasso elastico, questo fa sì che le travi HE siano particolarmente utilizzate per le fondamenta.
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Travi UNP
Questa tipologia di travi è caratterizzata da una sezione a forma di “U” maiuscola e viene utilizzata principalmente in applicazioni commerciali e industriali, nonché in macchine e attrezzature edili.
Cosa rende la trave HE più performante delle altre?
Per spiegare perché i profilati con sezione ad H risultano i più performanti, insieme a quelli IPE, è indispensabile fare una breve introduzione alla sollecitazione a cui le travi, in generale, sono chiamate a rispondere: il momento flettente.
Questo tipo di sollecitazione è quella che la trave subisce quando un carico trasversale la obbliga a flettersi, da qui il nome di momento flettente. Tale sollecitazione induce chiaramente nella trave degli sforzi che sono di trazione e di compressione e che variano linearmente lungo la sezione del materiale. La formula che permette di quantificare tali sforzi lungo una specifica sezione della trave è la formula di Navier secondo cui lo sforzo σ aumenta all’aumentare del momento flettente e andando verso l’esterno della sezione. Proprio questo concetto è importante per spiegare l’efficienza della forma ad H della trave.
Veniamo quindi al "segreto" delle travi HE! Nella formula di Navier, un altro termine fondamentale è il momento di inerzia di superficie I. Questa quantità è definita da un integrale di superficie e rappresenta la resistenza di una superficie a ruotare attorno ad un asse di rotazione. Più è grande il momento di inerzia, minori sono gli sforzi generati nella sezione per un dato momento flettente. Dunque, lo scopo è che questa quantità sia il più grande possibile, e come ottenerlo? Per ottenere un maggiore momento di inerzia è sufficiente distribuire il materiale a disposizione il più lontano possibile dal centro della sezione, proprio quello accade nei profilati ad HE!
Nelle travi a sezione ad H, infatti, il materiale a disposizione viene sfruttato in modo più efficiente, disponendolo preferibilmente sulle ali, le quali supportano la maggior parte degli sforzi dal momento che, come abbiamo detto precedentemente, gli sforzi dovuti al momento flettente sono massimi verso l’esterno della sezione. La loro forma a “H” (o “I” per IPE) consente di massimizzare il momento di inerzia di superficie (I) della sezione. Un momento di inerzia maggiore significa che, per un dato momento flettente, gli sforzi generati nella sezione saranno inferiori.
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Che differenza c’è tra una trave HEA e una trave HEB?
Come detto in precedenza, i profilati HE si suddividono ulteriormente in base allo spessore delle ali che può essere leggero, normale o pesante. Questa importante caratteristica viene indicata nella sigla del profilato proprio tramite una terza lettera. Più nello specifico:
- HEA è la versione leggera secondo la norma DIN 1025-3.
- HEB è la versione normale secondo la norma DIN 1025-2.
- C’è poi una terza versione, HEM, che è quella in cui lo spessore delle ali è pesante secondo DIN 1025-4.
Prendendo come esempio l'immagine dei profili, per un profilo HEA con dimensioni fino a 300 mm, l’altezza “h1” è inferiore alla larghezza delle ali “b”. Superata questa dimensione l’altezza del profilo aumenta mentre la larghezza delle ali rimane costante a 300 mm.
Per il profilo HEB, fino alla dimensione 300 mm l’altezza “h1” e la larghezza delle ali “b” sono uguali. Come per il profilo HEA, superata questa dimensione, l’altezza del profilo aumenta mentre la larghezza delle ali rimane costante a 300 mm.
Nel caso dei profili HEM l’altezza “h1” è maggiore della larghezza delle ali “b”.
Riguardo invece il momento di inerzia, che esprime la resistenza di un corpo a ruotare attorno ad un asse di rotazione, a parità di questa grandezza il profilo HEA è il più leggero. Le sue dimensioni saranno superiori al profilo HEB e soprattutto rispetto a quelle del profilo HEM. Le travi HEA sono note per la loro robustezza e stabilità. Grazie alla loro sezione più ampia rispetto alle travi IPE, le HEA sono in grado di sopportare carichi ancora maggiori.
Le travi HEB sono simili alle HEA, ma con una sezione ancora più ampia e robusta. Questo le rende ideali per le costruzioni che richiedono massima resistenza. Le travi HEM sono progettate per sopportare carichi estremamente elevati.
Tabella Comparativa Pesi Indicativi per Metro Lineare
| Tipo di Trave | Dimensione (mm) | Peso Approssimativo (kg/m) |
|---|---|---|
| IPE | 100 | 8,1 |
| IPE | 300 | 42,2 |
| HEB | 100 | 20,4 |
| HEB | 300 | 123 |
| HEM | 100 | 21,4 |
| HEM | 300 | 132 |
Il prezzo delle travi HEB al kg varia in base al mercato e alla qualità dell’acciaio utilizzato.
Applicazioni delle Travi HE e Vantaggi dell'Acciaio
Tutti i profili del gruppo HE si prestano particolarmente per costruzioni metalliche grandi e complesse come: capannoni industriali, palazzetti dello sport, edifici commerciali e amministrativi, ecc. Le travi in acciaio (spesso indicate colloquialmente anche come travi in ferro) sotto forma di profili HEA, HEB, HEM e IPE sono indispensabili nell’edilizia moderna.
Offrono una combinazione unica di stabilità, flessibilità e sostenibilità. La loro enorme capacità portante, la calcolabilità precisa e la versatilità d’impiego rendono le travi in acciaio indispensabili - ad esempio nei magazzini ad alta scaffalatura, nell’edilizia residenziale moderna e nelle ristrutturazioni, quando si desiderano realizzare planimetrie aperte o grandi aperture. Consentono costruzioni snelle e stabili e possono sostituire pareti portanti, permettendo così la creazione di ambienti più ampi e spazi aperti.
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