L’acciaio è un materiale impiegato ampiamente in numerosissimi campi di applicazione. Nacque nella seconda metà dell’ottocento e, a partire da inizio ‘900, il suo utilizzo divenne semplicemente virale. Senza dubbio uno dei campi d’impiego più significativi è quello delle costruzioni. A partire da fine ‘800 molte realizzazioni vennero eseguite con l’acciaio e, per citare un modello che ha fatto storia e rappresenta uno dei primi esempi in assoluto di grande architettura in acciaio, pensiamo al ponte di Brooklyn. Ad oggi, nell’edilizia comune l’acciaio è ancora molto usato.
Prima di addentrarci nelle diverse tecnologie del solaio in acciaio, parliamo della sua composizione chimica. Trattasi di una composto di ferro e carbonio. Il carbonio è presente in quantità esigue e fa la differenza nel prodotto: non supera mediamente l’1.7% del totale e la semplice variazione di qualche decimo di punto percentuale restituisce un acciaio extra dolce, dolce, duro, extra duro. Trattasi innanzitutto di un materiale isotropo, pertanto resiste ad uno sforzo di compressione o trazione con lo stesso comportamento meccanico. Inoltre, l’acciaio è un materiale estremamente resistente. Nell’edilizia italiana, l’acciaio usato così come normato dalle Norme Tecniche sulle Costruzioni è per la maggior parte di categoria S235. Quindi, di fatto, un cavo di sezione 1 centimetro quadrato potrebbe reggere un’automobile -o due- appesa ad un’estremità. L’acciaio è un materiale ideale per i solai per molte ragioni: è leggero, occupa meno spazio, si installa rapidamente e offre molti altri vantaggi.
Solaio in Acciaio: Come è Fatto? L'Evoluzione dai Solai in Legno
I solai in acciaio sono l’evoluzione dei solai in legno: invece delle travi portanti lignee, vengono poste delle travi portanti in acciaio (putrelle) grazie proprio alla loro capacità portante, ridotta deformabilità, durabilità nel tempo superiore ed incombustibilità. Queste caratteristiche conferiscono ai solai in acciaio resistenza, funzionalità e leggerezza e li rendono una scelta adatta se si punta a riduzione degli ingombri, velocità di installazione, facilità di taglio e possibilità di creare aperture per il passaggio degli impianti.
Solaio in Acciaio: Lo Spessore
Le strutture in acciaio tendono ad avere sezioni più piccole rispetto a quelle in cemento armato. Ad esempio, un solaio con una campata di 4-5 metri, dotato di profili in acciaio posizionati a intervalli di 80-100 cm e con un tavolato superiore, può utilizzare profili alti circa 12 cm, raggiungendo uno spessore complessivo tra 15 e 18 cm. Questo spessore può aumentare in funzione della tipologia costruttiva adottata, come nel caso dei solai con lamiera grecata.
Tipologie di Solaio in Acciaio
A seconda dell’elemento posto tra le ali inferiori o superiori dei profilati metallici, possiamo distinguere diverse tipologie di solai. Esistono due principali famiglie di solai in acciaio: i solai misti acciaio-calcestruzzo e i solai interamente a secco.
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Solaio in Acciaio con Voltine
I solai in acciaio con voltine hanno origini antiche: venivano utilizzati già nell’800 e si possono ammirare ancora oggi in molti edifici storici. L’orditura principale del solaio è formata da profilati metallici e da laterizi o mattoni posizionati tra le ali per realizzare l’orizzontamento. Le voltine possono essere ad intradosso curvo o piano. I profili in acciaio, solitamente a forma di “I” o a doppia “T”, sono posizionati in parallelo e fungono da supporto principale. Tra questi profili vengono inserite le voltine, elementi prefabbricati in laterizio di forma curva o piana. Queste voltine servono a sostenere il getto di calcestruzzo che viene successivamente applicato, creando una superficie solida e uniforme. Questa combinazione di materiali permette di ottenere una struttura robusta e duratura, con buone caratteristiche di isolamento termico e acustico.
Solai in Acciaio con Tavelloni
I solai in acciaio con tavelloni utilizzano una combinazione di profili metallici e tavelloni in laterizio per creare una struttura portante. I profili in acciaio sono disposti in modo regolare e tra di essi vengono posizionati i tavelloni, che sono elementi in laterizio di forma rettangolare o trapezoidale. Questi tavelloni fungono da cassaforma permanente per il getto di calcestruzzo che viene applicato sopra di essi. Una volta indurito, il calcestruzzo forma una superficie solida che integra i tavelloni e i profili in acciaio, creando un solaio stabile e resistente. Questo tipo di solaio è apprezzato per la sua rapidità di montaggio e per le buone proprietà isolanti dei tavelloni in laterizio.
Fra le metodologie del solaio in acciaio più classiche possiamo identificare i profili in acciaio e tavelloni soprastanti, con genericamente un getto in calcestruzzo a finire la struttura. I tavelloni ed i solai in acciaio è stata una soluzione molto impiegata per tutti gli anni ’70-’80 e fino a venire a giorni più recenti. Una criticità tipica di questa modalità operativa risiede nei tavelloni in laterizio. Soprattutto in passato, per ottimizzare i costi, venivano predisposte luci considerevoli fra putrella e putrella e quindi i tavelloni potevano essere di lunghezza pari a 80, 100 o anche più centimetri. Questo a lungo andare può risultare pericoloso. Come introdotto sopra, il materiale lapideo si comporta male a trazione e quindi un tavellone con luci eccessive può cedere.
Solaio in Acciaio con Lamiera Grecata
Un altro pacchetto che spesso viene usato e di più recente messa a punto è quello in profili di acciaio e lamiera grecata. I solai in lamiera grecata sono costituiti da lamiere profilate in acciaio, sulle quali viene eseguito un getto di calcestruzzo. Sono costituiti principalmente da lamiere grecate, sottili fogli di metallo (spessore da 0,4 a 3 mm) con nervature longitudinali trapezoidali, rettangolari o triangolari, formate a freddo.
Solai Misti Acciaio-Calcestruzzo con Lamiera Grecata
I solai composti in acciaio e calcestruzzo sono formati da una lamiera grecata in acciaio, su cui viene colato il calcestruzzo normale o alleggerito. Di fatto, immaginando di guardare questi solai collaboranti in acciaio - calcestruzzo, in sezione trasversale -quindi frontalmente- presentano un andamento lineare orizzontale con un alternarsi di gole a intervalli costanti, come per esempio 20 o 25 o 30 cm. La lamiera grecata ha una duplice funzione: durante la fase di costruzione agisce come cassaforma, supportando il calcestruzzo fresco e, una volta che il calcestruzzo si è indurito, diventa parte integrante dell’armatura del solaio. Poiché la semplice adesione chimica tra la lamiera e il calcestruzzo non è sufficiente, si utilizzano lavorazioni superficiali o sagome particolari, come le particolari bugnature dei profili, per garantire una buona aderenza tra i due materiali. La lamiera grecata contribuisce come armatura metallica della sezione di calcestruzzo ad essa associata.
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Gli spessori delle lamiere utilizzate variano tra 0,7 e 1,5 mm, mentre le altezze vanno da 40 a 80 mm.
Solaio in Acciaio Interamente a Secco con Lamiera Grecata e Pannello in Legno
L’edilizia a secco si distingue per l’assenza di acqua, malta, calcestruzzo e altri leganti che richiedono tempi di asciugatura. Questa tecnica si basa sull’assemblaggio di elementi prefabbricati tramite giunzioni meccaniche, incastri o viti, riducendo significativamente i tempi di costruzione. L’acciaio è tra i materiali più apprezzati per la costruzione di solai a secco grazie alla sua resistenza, leggerezza e duttilità, rendendolo particolarmente adatto in zone sismiche. La versatilità dell’acciaio, combinata con i vantaggi dei sistemi a secco, lo rende una scelta eccellente per una vasta gamma di applicazioni, dalle opere industriali alle civili, dalle nuove costruzioni agli ampliamenti e recuperi di edifici esistenti.
I solai a secco sono realizzati esclusivamente con fogli di lamiera grecata, talvolta in configurazione con soletta non collaborante. L’ampiezza delle luci coperte dipende dallo spessore del foglio, dalla profondità delle nervature e dalla distanza tra esse. Gli impalcati cellulari, che combinano fogli di lamiera grecate con fogli di lamiera piana, sono sufficientemente rigidi da sostenere i carichi senza necessità di getti integrativi di calcestruzzo. I solai a secco supportano i piani intermedi o le coperture degli edifici utilizzando lamiere grecate che poggiano su una sottostruttura di legno, acciaio o travi in calcestruzzo, integrata con isolanti in lana di vetro, lana di roccia o poliuretano. Sulle travi in acciaio, posizionate genericamente a non più di 1 m di distanza l’una dall’altra, viene fissato un tavolato maschiettato che di solito è in essenza di abete e dallo spessore approssimativo di 3 cm. Questa è un’interpretazione completamente a secco del solaio. Parliamo di soluzione a secco nel senso che il pannello viene fissato solo meccanicamente alle travi, tramite fissaggi a vite. La resa estetica finale è garantita, come pure la leggerezza e la funzionalità del solaio. Questa tecnica è ampiamente adottata per le sue elevate prestazioni pratiche ed energetiche, risultando adatta sia per nuove costruzioni che per ristrutturazioni.
Un’ulteriore possibilità per i solai in acciaio è data dal caso di travi in acciaio e pannello sandwich, anch'esso una soluzione a secco. In questi contesti, è possibile prevedere strati di sottofondo delle pavimentazioni e un controsoffitto in cartongesso con un’intercapedine utile per il passaggio degli impianti. Questo permette di rispettare gli standard termici e igrometrici richiesti dalla normativa vigente, garantendo un ambiente isolato, temperato, caldo d’inverno e fresco d’estate, e mitigando problematiche come la condensa interna e il passaggio d’aria che può avvenire.
Il Calcestruzzo Strutturale Leggero
Il calcestruzzo alleggerito rappresenta un’innovazione significativa nel campo dell’ingegneria civile e dell’architettura. Il calcestruzzo alleggerito è caratterizzato da una densità inferiore rispetto al calcestruzzo convenzionale, ottenuta attraverso l’inclusione di materiali leggeri come argilla espansa, perlite, o schiume sintetiche. Questo tipo di calcestruzzo può essere suddiviso in due categorie principali: Calcestruzzo a bassa densità, ideale per la riduzione del peso strutturale. Un intervento moderno per ripristinare e migliorare le caratteristiche di un solaio in legno è sicuramente l’utilizzo di calcestruzzi strutturali leggeri a base di argilla espansa. Si possono ridurre i carichi fino al 40% mantenendo resistenze meccaniche paragonabili a quelle del calcestruzzo tradizionale. Questa tipologia di materiale, normalmente, non può essere gettato in opera con autobetoniera, deve essere composto a mano e gettato in opera sempre a mano.
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Abbinato alla lamiera grecata offre numerosi vantaggi ed in particolare una significativa riduzione dei carichi permanenti sulle strutture con riduzioni delle sezioni. Questo favorisce una maggiore libertà architettonica negli edifici di nuova costruzione ed un aumento delle possibilità di carico di esercizio. A parità di sezione, rispetto al calcestruzzo tradizionale, è possibile prevedere quindi carichi di esercizio maggiori grazie alla diminuzione dei carichi permanenti.
La leggerezza del calcestruzzo ha proprietà che riducono le masse inerziali, aumentando la sicurezza e semplificando la progettazione sismica dell’edificio. Inoltre, si ottiene una riduzione dei ponti termici al nodo tra solaio e facciata. Grazie alla bassa conduttività termica del calcestruzzo strutturale leggero, fino a 4,5 volte inferiore rispetto al calcestruzzo ordinario, i ponti termici di facciata sono notevolmente ridotti e il loro controllo risulta semplificato, soprattutto in caso di isolamento interno. Tuttavia, è importante considerare le specifiche necessità di ciascun progetto e valutare le proprietà del materiale per garantire che soddisfi i criteri di progettazione e sicurezza richiesti.
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Vantaggi dei Solai in Acciaio con Lamiera Grecata
Perché utilizzare l'acciaio nella realizzazione dei solai? Per tanti motivi. I solai in acciaio, in particolare quelli che integrano la lamiera grecata, offrono numerosi vantaggi rispetto ai sistemi tradizionali:
- Aumento della Resistenza Strutturale: L’applicazione di una lamiera grecata aggiunge una componente in acciaio al solaio, che incrementa la sua capacità di carico e resistenza a deformazioni.
- Leggerezza: Rispetto ad altre tecniche di rinforzo, la lamiera grecata non aggiunge un peso eccessivo alla struttura esistente, evitando sovraccarichi indesiderati. La leggerezza è un vantaggio fondamentale anche per i solai a secco.
- Tempi di Costruzione Ridotti: L’uso di sistemi a secco elimina l’attesa per l’asciugatura delle componenti, accelerando il processo costruttivo. La fase di costruzione è ottimizzata anche perché la lamiera grecata svolge la funzione di cassero autoportante soggetto al proprio peso, quello del calcestruzzo, degli operai, macchinari ed eventuali oggetti a deposito.
- Risparmio Economico: Si riducono i costi delle componenti e della manodopera grazie alla semplicità del montaggio e dell’assemblaggio.
- Praticità: Le operazioni richieste si limitano al montaggio delle strutture prefabbricate, spesso con fissaggio tramite bulloni.
- Ridotto Impatto Ambientale: Minore impatto durante la costruzione e alta riciclabilità delle componenti, rendendo le soluzioni sostenibili.
- Stabilità e Sicurezza: Strutture leggere che non compromettono la stabilità e la resistenza, con la capacità di ridurre le masse inerziali e semplificare la progettazione sismica.
- Durabilità e Protezione: L’acciaio della lamiera offre una protezione aggiuntiva contro l’umidità e gli agenti atmosferici, prolungando la vita utile del solaio in legno.
- Personalizzazione: I solai a secco possono essere modulati per soddisfare esigenze acustiche e termiche specifiche.
Applicazioni e Rinforzo di Solai Esistenti
Il rinforzo di solai in legno mediante l’utilizzo di lamiera grecata è una tecnica sempre più apprezzata nel campo dell’edilizia, grazie ai numerosi vantaggi che offre. Questo approccio consente di migliorare la resistenza strutturale e la durabilità dei solai esistenti, combinando i pregi del legno e dell’acciaio. Le lamiere grecate possono essere facilmente adattate a diverse tipologie di solai in legno, rendendo il metodo versatile e applicabile a molte situazioni.
Le applicazioni includono il rinforzo di solai e pavimenti dove è necessario evitare sovraccarichi sui piani inferiori, ristrutturazioni e ampliamenti in edifici storici o strutture che richiedono interventi di rinforzo senza alterare significativamente il carico complessivo. Sono adatte anche per costruzioni su terreni con bassa capacità portante, dove il peso ridotto può prevenire il cedimento del terreno.
Processo di Installazione per il Rinforzo di Solai in Legno
Per un efficace rinforzo di solai in legno con l'impiego di lamiere grecate, è fondamentale seguire una serie di passaggi metodici:
- Valutazione Iniziale: Effettuare un’analisi strutturale del solaio esistente per valutare le sue condizioni e determinare la portata necessaria del rinforzo.
- Preparazione della Superficie: Pulire accuratamente il solaio in legno e riparare eventuali danni o imperfezioni.
- Selezione Materiale: Selezionare il tipo di lamiera grecata più adatto, tenendo conto delle esigenze strutturali e delle dimensioni del solaio.
- Posa della Lamiera: Stendere le lamiere grecate sopra il solaio in legno, assicurandosi che siano correttamente allineate e che coprano tutta la superficie necessaria.
- Fissaggio: Utilizzare viti o bulloni per fissare saldamente le lamiere al solaio. È importante garantire un fissaggio uniforme per evitare movimenti indesiderati.
- Integrazione (opzionale): In alcuni casi, può essere utile integrare la lamiera con altri materiali, come calcestruzzo leggero, per aumentare ulteriormente la stabilità.
- Controllo Finale: Effettuare un controllo finale per verificare la corretta installazione e l’assenza di difetti o punti deboli.
Il rinforzo di solai in legno con l’utilizzo di lamiera grecata rappresenta una soluzione efficace per migliorare le prestazioni strutturali e la durata di edifici esistenti.
Normative e Calcolo Strutturale
Ai solai, oltre a garantire la resistenza ai carichi verticali, è richiesta anche rigidezza nel proprio piano per distribuire correttamente le azioni orizzontali tra le strutture verticali. Il progettista deve verificare che le caratteristiche dei materiali, delle sezioni resistenti nonché i rapporti dimensionali tra le varie parti siano coerenti con tali aspettative. A tale scopo deve verificare che: le deformazioni risultino compatibili con le condizioni di esercizio del solaio e degli elementi costruttivi ed impiantistici ad esso collegati; vi sia, in base alle resistenze meccaniche dei materiali, un rapporto adeguato tra la sezione delle armature di acciaio, la larghezza delle nervature in calcestruzzo, il loro interasse e lo spessore della soletta di completamento in modo che sia assicurata la rigidezza nel piano e che sia evitato il pericolo di effetti secondari indesiderati.
La progettazione dei solai misti acciaio-calcestruzzo deve seguire le NTC 2018, che richiedono verifiche allo stato limite ultimo (flessione, scorrimento, taglio e punzonamento) e agli stati limite di esercizio (fessurazione del calcestruzzo e deformabilità). Per la progettazione e la verifica dei solai interamente a secco bisogna seguire le NTC 2018, gli Eurocodici UNI EN 1990:2006 e UNI EN 1993-1-3.
La norma UNI EN 1990:2006 "Eurocodice - Criteri generali di progettazione strutturale" e la UNI EN 1993-1-3: “Eurocodice 3 - Progettazione delle strutture di acciaio. Parte 1-3: Regole generali - Regole supplementari per l’impiego dei profilati e delle lamiere sottili piegati a freddo” rappresentano le normative di riferimento per la progettazione delle lamiere grecate e delle membrature in CFS. La normativa di riferimento per la produzione delle lamiere grecate è la UNI EN 1090-1, che stabilisce i requisiti per la conformità dei componenti strutturali.
Puoi utilizzare il software calcolo strutturale per la progettazione e il calcolo delle strutture in acciaio: si tratta di uno strumento completo e intuitivo che semplifica notevolmente la progettazione dei solai in acciaio, garantendo al contempo precisione e conformità alle normative.
I Limiti Dimensionali del Solaio Secondo le NTC
Le varie parti del solaio devono rispettare i seguenti limiti dimensionali: la larghezza delle nervature deve essere non minore di 1/8 del loro interasse e comunque non inferiore a 80 mm.