Il mondo delle costruzioni è costantemente alla ricerca di soluzioni efficienti, funzionali e sostenibili. In questo senso, i sistemi costruttivi ibridi rappresentano una soluzione in grado di garantire diversi vantaggi, combinando materiali come acciaio, legno, cemento e biomateriali. Questa approccio permette di ottimizzare tempi e costi di costruzione, grazie anche all'utilizzo di tecnologie di produzione sia in cantiere (on-site) che prefabbricate (off-site) con criteri standardizzati.
Sistemi Costruttivi Ibridi: Efficienza e Flessibilità
Un’altra caratteristica fondamentale dei sistemi ibridi è l’elevata flessibilità, in quanto funzionano come “plug-out, plug-in”, offrendo la possibilità di sostituire, aggiornare e riconfigurare i componenti dell’edificio, adattandolo alle specifiche esigenze e ai cambiamenti nel tempo. Ricordiamo, inoltre, che la combinazione di diversi materiali e la struttura modulare garantiscono la sicurezza strutturale anche nei confronti di eventi sismici.
Entrando nel dettaglio dei materiali dei sistemi ibridi, vediamo quali sono gli abbinamenti più diffusi e per quali impieghi. Acciaio e cemento armato sono utilizzati specie per gli edifici alti e per le infrastrutture, grazie alla resistenza alla trazione dell’acciaio e alla capacità del cemento armato di sopportare la compressione, assicurando stabilità e resistenza al fuoco. Nelle strutture in cemento e legno, il primo costituisce il nucleo portante, grazie alla sua robustezza, mentre il legno, spesso utilizzato per il telaio della struttura, conferisce sostenibilità e flessibilità. L’impiego congiunto di sistemi ibridi legno-acciaio, invece, dove il secondo costituisce il telaio verticale, abbinano la leggerezza e le proprietà isolanti del legno alla resistenza dell’acciaio. Tra gli altri abbinamenti possibili, alcune strutture sono realizzate in cemento, acciaio e legno, con un nucleo in cemento, travi e colonne in acciaio e legno, in modo da distribuire al meglio i carichi e ottenere una migliore efficienza.
L'Acciaio nelle Costruzioni: Pilastri e Travi
L'ingegneria strutturale dipende dalla conoscenza dei materiali da costruzione e delle loro proprietà corrispondenti per consentirci di prevedere meglio il comportamento dei diversi materiali quando applicati alla struttura. L'acciaio è uno dei materiali più versatili e robusti, ampiamente utilizzato nel settore edile.
Proprietà e Vantaggi Generali dell'Acciaio
L'acciaio è una lega costituita principalmente da ferro e carbonio. Altri elementi vengono anche miscelati nella lega per ottenere altre proprietà. Un esempio è l'aggiunta di cromo e nichel per creare acciaio inossidabile. L'aumento del carbonio nell'acciaio ha l'effetto previsto di aumentare la resistenza alla trazione del materiale. L'acciaio ha un elevato rapporto resistenza/peso, così il peso morto di strutture in acciaio è relativamente piccolo. L'acciaio è molto forte sia in tensione che in compressione e quindi ha elevate resistenze a compressione e trazione. L'acciaio ha una forza ultima di circa 400 per 500 MPa (58 - 72.5 KSI). È anche un materiale duttile che cede o flette prima del fallimento. Le proprietà dell'acciaio possono essere previste con un alto grado di certezza. L'acciaio infatti mostra un comportamento elastico fino a un livello di sollecitazione relativamente elevato e generalmente ben definito.
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L'utilizzo dei pilastri in acciaio presenta numerosi vantaggi rispetto a materiali come il cemento armato o il legno:
- Elevata resistenza strutturale: L’acciaio sopporta carichi elevati riducendo la superficie occupata dalla struttura, consentendo quindi di ottenere una maggiore superficie utile interna.
- Montaggio rapido: Gli elementi in acciaio possono essere modulari e prefabbricati consentendo una riduzione di tempi e costi di manodopera per il montaggio in cantiere.
- Flessibilità progettuale: È possibile creare geometrie leggere e al contempo complesse, ideali per edifici contemporanei e strutture ad alto contenuto architettonico.
- Sostenibilità: L’acciaio è riciclabile al 100%, contribuendo alla sostenibilità ambientale del cantiere.
I Pilastri in Acciaio: Tipologie e Applicazioni
I pilastri sono gli elementi strutturali verticali progettati per sopportare i carichi e trasferire il peso delle strutture verso le fondamenta. Grazie alla loro resistenza, versatilità e facilità di installazione i pilastri in acciaio sono una soluzione frequentemente impiegata nel settore delle costruzioni civili e industriali, anche per progetti di ampliamento, ristrutturazione e sopraelevazione di strutture esistenti. La principale differenza tra ferro e acciaio risiede nel fatto che il ferro è un elemento metallico puro, mentre l’acciaio è una lega metallica creata aggiungendo carbonio al ferro che ne aumenta la resistenza e la durezza. Gli acciai strutturali per costruzioni (S235, S275, S355, S460, S700 ecc.) sono classificati numericamente in base alla resistenza a trazione e compressione (classe più alta, più alta resistenza): ciò consente di utilizzare una quantità inferiore di materiale riducendo il peso complessivo. L’ S 700 ad esempio è altamente resistente alla deformazione e mantiene la forma anche sotto sollecitazioni importanti ma è anche più costoso. Tutte le leghe acciaio-carbonio arrugginiscono e necessitano di trattamenti contro l’ossidazione. Il solo acciaio non soggetto all’ossidazione è l’acciaio inossidabile, o inox, è una lega metallica composta principalmente da ferro e cromo (almeno 10.5%), con aggiunta di altri elementi come nichel, molibdeno e altri. La sua capacità di resistere alla corrosione è dovuta alla formazione di uno strato sottile e protettivo di ossido di cromo sulla sua superficie. L’Acciaio Inox è ideale in ambienti aggressivi (zone costiere, atmosfere corrosive) ma il costo elevato necessita di un’accurata analisi costi-benefici.
Tipologie di Pilastri in Acciaio
La scelta della tipologia e delle dimensioni dei pilastri dipende dai carichi e dalle sollecitazioni da sostenere oltre che dalle normative vigenti a seconda della struttura da realizzare. I tipi più comuni sono:
- Pilastri con sezione ad H (in ordine dal più leggero HEA-HEB-HEM) che differiscono tra loro per peso, altezza e spessore dell’anima.
- Pilastri in acciaio con forma ad I (IPN - IPE : i primi si distinguono dai secondi per le ali con leggera inclinazione).
- Pilastri con forma ad U (UPN: UniProfilo Normato).
- Pilastri tubolari che possono avere forma rettangolare (RHS: rectangular hollow section), quadrata (SHS: square) o circolare (CHS: circular).
I profili a sezione aperta (H, IPN, IPE e UPN) nascono come laminati a caldo: la geometria definitiva viene ottenuta direttamente durante la fase di laminazione dell’acciaio fuso, senza ulteriori giunzioni. I tubolari, invece, seguono due strade produttive distinte: senza saldatura (seamless, sigla SS), dove il tubo viene estruso o trafilato da un lingotto pieno, garantendo continuità metallica e massima resistenza alla pressione interna; oppure saldati, che si ottengono partendo da una lamiera piana calandrata e saldata o assemblando più profili aperti, ad esempio due UPN collegati da lamiere piegate e saldati. Queste varianti consentono di bilanciare prestazioni meccaniche, costo e flessibilità di forma, adattando il componente alle specifiche esigenze strutturali del progetto.
Applicazioni dei Pilastri in Acciaio
I pilastri in acciaio possono trovare impiego in molteplici strutture:
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- Edifici multipiano e grattacieli
- Capannoni industriali e agricoli
- Ponti e passerelle ciclopedonali
- Sopraelevazioni e ampliamenti
- Ristrutturazioni e consolidamenti
- Strutture temporanee e modulari
Le Travi in Acciaio: Tipologie e Caratteristiche
Le travi in acciaio sono elementi strutturali fondamentali per la realizzazione di edifici, ponti, capannoni industriali e molte altre opere di ingegneria civile. Grazie alle loro elevate prestazioni meccaniche, alla leggerezza e alla versatilità, rappresentano una soluzione ideale in numerosi contesti progettuali, soprattutto dove sono richieste resistenza, rapidità di montaggio e sostenibilità. Le travi in acciaio sono elementi strutturali lineari progettati per resistere principalmente a sollecitazioni di flessione e taglio. Vengono utilizzate per sostenere carichi e trasferirli a pilastri, muri o fondazioni, svolgendo un ruolo essenziale nella stabilità e nella distribuzione delle forze all’interno di un edificio o di una struttura. L’acciaio è infatti un materiale altamente resistente, con una resistenza alla trazione di circa 300 MPa. Le travi in acciaio si adattano facilmente a varie esigenze progettuali, sia in ambito civile che industriale, e sono particolarmente apprezzate per la rapidità di montaggio, la possibilità di realizzare grandi luci senza appoggi intermedi e la facilità di integrazione con altri materiali, come il calcestruzzo o il legno, nelle strutture miste.
Tipologie di Travi in Acciaio e loro Utilizzo
Esistono diverse tipologie di travi in acciaio, ognuna con caratteristiche geometriche e meccaniche specifiche che le rendono più adatte a determinati impieghi. La scelta della sezione più idonea dipende da fattori come la luce da coprire, i carichi da sopportare, il tipo di struttura e le esigenze architettoniche. Tra le principali tipologie troviamo:
- Travi reticolari: impiegate per grandi luci e strutture leggere ma resistenti; composte da una serie di montanti e traversi disposti a formare una griglia.
- Travi a T (o putrelle a T): utilizzate in vari contesti, dalle strutture leggere ai grandi telai metallici; caratterizzate da una sezione a forma di T, con un’ala superiore unita a un’anima centrale.
- Travi IPE (a doppio T): diffuse per la loro versatilità, sono impiegate sia in edifici civili che industriali, anche di grandi dimensioni; la loro forma a “I” le rende particolarmente efficienti dal punto di vista strutturale.
- Travi a cassone: adatte a strutture soggette a torsione o a grandi luci, come ponti o impalcati metallici; elementi con sezione chiusa o semi-chiusa, realizzate unendo più lamiere saldate.
- Travetti e putrelle in acciaio: utilizzati per solai e strutture secondarie, spesso in abbinamento con altri materiali.
Conoscere le diverse tipologie di travi in acciaio è fondamentale per progettare strutture efficienti, sicure e ottimizzate dal punto di vista economico e strutturale.
Criticità e Costi dell'Acciaio
Nonostante i numerosi vantaggi, i pilastri in acciaio presentano anche alcune criticità:
- Protezione contro il fuoco: A temperature elevate l’acciaio perde resistenza, per cui sono necessari trattamenti ignifughi (vernici intumescenti, rivestimenti in cartongesso o calcestruzzo).
- Corrosione: L’esposizione agli agenti atmosferici richiede trattamenti protettivi come la zincatura e verniciature anticorrosione.
- Costo iniziale: L’investimento iniziale può essere superiore rispetto al cemento armato, anche se compensato da tempi di posa più rapidi e minori costi di manodopera.
Per quanto concerne la resistenza al fuoco l’acciaio perde capacità portante oltre i 550 °C. La resistenza al fuoco può essere incrementata aumentando lo spessore dei profili (maggiore massa termica), applicando rivestimenti protettivi (vernici intumescenti, cartongesso ignifugo) o realizzando pilastri composti - ad esempio colonne in acciaio riempite di calcestruzzo - che migliorano sia la resistenza al fuoco sia la stabilità globale. Il prezzo dei pilastri in acciaio varia in base alle dimensioni, alla tipologia di acciaio utilizzato (S235, S275, S355), alla situazione di mercato dell’acciaio, ai trattamenti superficiali (zincatura, verniciatura), alle specifiche del progetto, alle quantità e ai costi di trasporto. Questi fattori rendono ampia la finestra di prezzo che può partire da € 1.5 al Kg a € 3 al Kg.
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Il Legno nelle Costruzioni: Travi, Pilastri e Sistemi
Il legno è un materiale da costruzione storico e sempre più rilevante, specialmente per le sue proprietà uniche e il suo impatto ambientale favorevole.
Proprietà e Vantaggi Generali del Legno
Il legno è un organico, materiale igroscopico e anisotropico. È termico, acustico, elettrico, meccanico, estetico, lavorando, eccetera. Le proprietà sono molto adatte per usarlo è possibile costruire una casa confortevole utilizzando solo un progetto di legno. Con altri materiali, è quasi impossibile. Per essere un materiale da costruzione relativamente leggero, il legno supera anche l'acciaio quando si tratta di lunghezza di rottura (o lunghezza autoportante). Ha una resistenza naturale alla conduzione elettrica quando essiccato al contenuto di umidità standard (MC) livelli, di solito tra 7%-12% per la maggior parte delle specie legnose. Le sue proprietà acustiche lo rendono ideale per ridurre al minimo l'eco negli spazi abitativi o degli uffici. Il legno è un materiale da costruzione che può essere coltivato e ricresciuto attraverso processi naturali e anche attraverso programmi di reimpianto e gestione forestale. Una delle maggiori sfide di molti materiali da costruzione, compreso il calcestruzzo, metallo, e materie plastiche, è che quando vengono scartati, impiegano molto tempo a decomporsi, al contrario del legno, che è ecologico. Il legno è molto più leggero in volume sia del cemento che dell'acciaio, è facile da lavorare e molto adattabile in loco. È durevole, si traduce in un minore ponte termico rispetto alle sue controparti e incorpora facilmente elementi prefabbatti. Le sue prestazioni strutturali sono molto elevate e la sua resistenza a compressione è simile a quella del calcestruzzo. Nonostante tutto ciò, il legname viene utilizzato più ampiamente per le strutture residenziali e basse.
Sistemi Costruttivi in Legno: Ossatura, CLT e Pilastro-Trave
La costruzione in legno non si riduce più a un unico sistema costruttivo. I committenti, gli architetti e i promotori dispongono oggi di diverse soluzioni strutturali collaudate: l'ossatura in legno, il CLT (legno lamellare crociato) e il sistema pilastro-trave. Ogni filiera presenta le proprie logiche di messa in opera, i propri vantaggi tecnici e le proprie condizioni d'impiego privilegiate. Scegliere la struttura giusta significa anticipare i vincoli del programma, del budget e del calendario - e ottimizzare fin dalla progettazione il bilancio carbonico dell'edificio. La costruzione in legno si basa su tre grandi famiglie strutturali - ossatura, CLT e pilastro-trave - ognuna delle quali risponde a logiche d'uso, di fabbricazione e di assemblaggio distinte.
- L'ossatura in legno: si basa su una rete di montanti per ossatura in legno e traversi in legno di piccola sezione, che formano la struttura portante delle pareti e dei solai. È il sistema di gran lunga più diffuso. Secondo l'Indagine Nazionale della Costruzione in Legno 2025 (France Bois Forêt / CODIFAB), l'ossatura in legno è presente nell'85% delle case individuali, nel 63% degli edifici residenziali collettivi e nel 67% degli edifici terziari costruiti in legno.
- Il CLT (Cross Laminated Timber, o legno lamellare crociato): è un pannello massiccio costituito da strati di tavole di legno sovrapposte perpendicolarmente e incollate sotto pressione. Sul piano ambientale, il suo vantaggio è significativo: il CLT immagazzina carbonio biogenico per tutta la sua vita. Si considera che un metro cubo di legno immagazzini fino a 1 tonnellata di CO₂ equivalente. Nella RE2020, questo stoccaggio migliora direttamente l'indicatore IC Construction.
- Il sistema pilastro-trave: si basa su una rete di pilastri verticali e travi orizzontali in legno lamellare incollato o in LVL (legno lamellare parallelo). La struttura portante è visibile o integrata, e i tramezzi non svolgono alcun ruolo strutturale. Questo sistema è particolarmente adatto agli edifici terziari, alle attrezzature pubbliche, ai capannoni e ai programmi che richiedono grandi superfici libere.
Criticità del Legno e Sostenibilità Ambientale
Un altro svantaggio del legno è il suo deterioramento. Gli agenti che causano il deterioramento e la distruzione del legno rientrano in due categorie: biotico (biologico) e abiotico (non biologica). Gli agenti biotici includono decadimento e muffe, batteri e insetti. Per quanto riguarda la resistenza al fuoco, la velocità di carbonizzazione del legno è nota e utilizzata per il dimensionamento (da 0,6 a 0,8 mm/min secondo le essenze), secondo Eurocode 5 / NF EN 16351.
Nel quadro della RE2020, l'impatto carbonico dei materiali è integrato nella valutazione degli edifici nuovi tramite l'analisi del ciclo di vita (ACV). Da gennaio 2025, la RE2020 impone soglie di emissioni di CO₂ sempre più ambiziose per le nuove costruzioni, con livelli progressivi previsti per il 2028 e il 2031. Il CLT massiccio presenta il miglior stoccaggio carbonico per m², in ragione del volume di legno messo in opera. L'ossatura in legno, più parsimoniosa in materia, offre un bilancio favorevole ma generalmente inferiore al CLT a livello equivalente.
| Tipo di Struttura (R+7, 10.000 m²) | Bilancio Globale CO₂/m² | Stoccaggio Carbonico CO₂/m² |
|---|---|---|
| CLT (Legno Lamellare Crociato) | -60 kg | -231 kg |
| Calcestruzzo Armato Convenzionale | +420 kg | Non specificato |
Il Calcestruzzo nelle Costruzioni
Il calcestruzzo, un materiale tradizionale e robusto, continua a essere un pilastro fondamentale nelle costruzioni, spesso in combinazione con altri materiali.
Proprietà e Vantaggi del Calcestruzzo
Il calcestruzzo è una miscela di acqua, cemento e aggregati. La proporzione dei tre componenti principali è importante per creare una miscela concreta della resistenza a compressione desiderata. Il calcestruzzo è estremamente forte nella compressione e quindi ha un'elevata resistenza a compressione da circa 17 MPa a 28 MPa, con punti di forza più elevati fino o superiori 70 MPa. Il calcestruzzo consente di progettare edifici molto robusti e durevoli, e sfruttare la sua massa termica mantenendola all'interno dell'involucro dell'edificio può aiutare a regolare le temperature interne. Il calcestruzzo ha una buona capacità di proteggere le barre di acciaio di rinforzo dal fuoco per lunghi periodi. Il cemento armato è progettato per essere robusto, utilizzando materiali di basso valore come sabbia e acqua che non richiedono una manutenzione estesa. Il calcestruzzo è destinato a racchiudere il tondo per cemento armato in modo tale che il tondo per cemento armato sia indisturbato, in strutture come basamenti, dighe, pontili ecc. I pilastri in calcestruzzo, detti anche architravi, sono travi che assorbono il carico di un solaio o di una parete, e lo trasmettono ad altri componenti. I pilastri consentono di aumentare la portata e la campata di un solaio. Le architravi possono assumere in parte una funzione portante e, diversamente dalle pareti, creano uno spazio libero di passaggio e sono in grado di bypassare grandi campate. Vengono impiegate anche a posteriori nella ristrutturazione di vecchi edifici per migliorarne la statica. I pilastri in calcestruzzo vengono realizzati in calcestruzzo molto resistente alla compressione e sono idonei a sostenere sovraccarichi. Possono essere realizzati sui piani o su più piani.
Criticità del Calcestruzzo
Il calcestruzzo ha un periodo di stagionatura di trenta giorni, e questo fattore influisce notevolmente sul programma di costruzione dell'edificio. Inoltre, il calcestruzzo non può essere immagazzinato una volta miscelato poiché il cemento reagisce con l'acqua e la miscela si indurisce.
Considerazioni Finali sulla Scelta dei Materiali
L'ingegneria strutturale dipende dalla conoscenza dei materiali da costruzione e delle loro proprietà corrispondenti per consentirci di prevedere meglio il comportamento dei diversi materiali quando applicati alla struttura. Conoscere i vantaggi e gli svantaggi di ogni materiale è importante per garantire un approccio sicuro ed economico alla progettazione delle strutture. Non esiste un sistema universale. La scelta della lega giusta è sempre un equilibrio fra costi, requisiti strutturali e condizioni ambientali: acciai di classe superiore riducono il peso e ampliano le luci, ma comportano un un esborso maggiore; acciai inox azzerano la ruggine ma triplicano il budget. Un’accurata analisi preliminare consente di individuare la soluzione con il miglior rapporto prestazioni/prezzo, garantendo sicurezza, durabilità e sostenibilità dell’intervento. La scelta tra ossatura in legno, CLT e pilastro-trave non è solo una questione tecnica. Per i professionisti, questa decisione deve essere presa fin dalla fase di schizzo, in stretta collaborazione con la filiera locale del legno e uno studio specializzato. È a questa condizione che i punti di forza del legno - rapidità, leggerezza, carbonio - possono essere pienamente valorizzati. Questi sono i materiali da costruzione più comuni utilizzati per l'edilizia. Ogni materiale ha il suo set unico di vantaggi e svantaggi.