Sistemi costruttivi leggeri stratificati in acciaio: una soluzione “robusta” per le applicazioni in zone sismiche

L’utilizzo di sistemi costruttivi leggeri in acciaio è andato costantemente aumentando nel corso degli ultimi anni, soprattutto grazie alla crescente consapevolezza dei vantaggi che tali sistemi possono offrire in termini di efficienza strutturale e ambientale.
Dal punto di vista tecnologico, essi si basano sull’assemblaggio a secco di una fitta intelaiatura metallica, costituita da profili sottili di acciaio piegati a freddo, che viene successivamente rivestita con pannelli a base di gesso, legno o cemento, in modo da realizzare elementi con funzione strutturale e/o architettonica. Questo articolo, dopo una breve descrizione dei più comuni sistemi costruttivi ascrivibili a questa tipologia, fornisce una panoramica generale sullo stato dell’arte della ricerca di settore e della relativa codificazione, con particolare riferimento ai più recenti studi condotti su questa tematica presso l’Università degli Studi di Napoli Federico II. Ne emerge l’esistenza di un robusto e consolidato background teorico-sperimentale a conferma dell’affidabilità strutturale di tali sistemi, che rende di fatto non più pioneristico, anche a livello europeo, il loro utilizzo nelle zone sismiche. 

Introduzione ai sistemi costruttivi leggeri stratificati in acciaio

I sistemi costruttivi “leggeri in acciaio”, noti a livello internazionale come “lightweight steel” (LWS), sono sistemi costruttivi innovativi la cui applicazione è andata costantemente aumentando nel corso degli anni grazie alla loro efficienza economica ed alle ottime prestazioni strutturali ed ecologiche [1]. Infatti, rispetto alle costruzioni più tradizionali, i sistemi LWS consentono di fornire soluzioni integrate in grado di rispondere allo stesso tempo alle molteplici richieste prestazionali oggigiorno sempre più stringenti.
I tipici prodotti LWS, generalmente profili, sono spesso combinati con pannelli, solitamente a base di gesso, legno e cemento, in modo da formare sistemi costruttivi “stratificati”, anche conosciuti come “drywall building systems”. Ed è soprattutto in questa configurazione che tali manufatti sono utilizzati sia come sistemi strutturali portanti, sia come sistemi non strutturali di tipo architettonico.

Una tipica struttura portante LWS si presenta come un insieme di elementi bidimensionali (pareti e solai, figura 1a), formati da un’ossatura metallica molto fitta. In particolare, sia le pareti (figura 1b) che i solai (figura 1c) sono generalmente realizzati con profili di acciaio formati a freddo (cold-formed steel: CFS) aventi spessori variabili tra 1 e 3 mm, posti ad un interasse compreso tra 300 e 600 mm, aventi la tipica sezione trasversale a C. Questi profili, chiamati montanti nel caso delle pareti e travetti per i solai, sono collegati alle loro estremità da profili CFS di guida aventi sezione a U. Di solito, l’ossatura metallica di pareti e solai è rivestita con pannelli di legno, gesso o cemento, oppure con lamiere di acciaio, piane o grecate. Il risultato è un elemento stratificato, in cui la cavità interna costituisce uno spazio ideale per l’inserimento di cavi, tubi e per il posizionamento di materiali isolanti termici e acustici. Una gamma praticamente illimitata di materiali può essere utilizzata come finitura delle superfici interne ed esterne: intonaci, pitture, tessuti, rive- stimenti ceramici ed altro.

Fig. 1 - Tipico esempio di struttura LWS. a) Vista d’insieme; b) Parete; c) Solaio.

Fig. 2a, 2b e 2c - Tipici esempi di pareti divisorie interne. a) a singola orditura metallica; b) a doppia orditura metallica; c) a doppia orditura metallica per installazioni impiantistiche e cavedi tecnici [2]

Fig. 2d, 2e e 2f - Tipici esempi di controsoffitti: d) continuo a singola orditura metallica; e) continuo a doppia orditura metallica; f) modulare ispezionabile a doppia orditura [3]

Fig. 2g, 2h e 2i - Tipici esempi di facciate: g) discontinua a singola orditura metallica; h) discontinua a doppia orditura metallica; i) continua [4]

Approccio alla progettazione strutturale degli elementi perete e solaio

Una delle peculiarità di tali sistemi, sotto l’aspetto del comportamento strutturale, è la possibilità di progettare gli elementi bidimensionali di parete e di solaio secondo due diversi approcci chiamati “all-steel” e “sheathing-braced”.

Il primo approccio trascura la presenza dei pannelli e delle lamiere di rivestimento e le azioni agenti sono fronteggiate dalla sola ossatura metallica, trascurando completamente l’interazione tra i profili ed il rivestimento. Nel secondo approccio, al contrario, la capacità portante viene valutata considerando esplicitamente la collaborazione tra pannelli e profili metallici, ossia considerando il sistema ossatura/ rivestimento come una struttura composta.

Le applicazioni architettoniche non strutturali dei LWS

Le tipiche applicazioni dei prodotti LWS nel campo dei sistemi architettonici non strutturali sono rappresentate dalle pareti divisorie interne, dalle facciate e dai controsoffitti.

Le pareti divisorie interne sono generalmente realizzate con profili molto sottili (di solito 0,6 mm) di sezione a C (montanti) ed U (guide). I montanti hanno generalmente un interasse (di solito 600 mm) pari alla metà della larghezza dei pannelli utilizzati per il rivestimento. I pannelli usati per il rivestimento sono spesso di cartongesso o fibrogesso. All’aumentare delle richieste di prestazioni meccaniche, termiche ed acustiche, le pareti possono assumere configurazioni sempre più articolate (figure 2a, b, c), che consentono di ottenere altezze elevate (fino a 12 m), ottime prestazioni in termini di isolamento acustico (fino a 80 dB) e protezione antincendio (resistenza al fuoco fino a 120 minuti).

Anche per i sistemi di controsoffittatura sono disponibili numerose soluzioni, come l’uso di una orditura semplice o doppia (figure 2d, e, f). Generalmente, sono utilizzati profili con sezione trasversale ad U ed a C rivestiti con lastre a base di gesso. Con l’uso di sistemi a singola orditura e soluzioni di dettaglio standard è possibile ottenere altezze di sospensione minime dell’ordine dei 40 mm, mentre l’adozione di una doppia orditura e connettori speciali consente di raggiungere altezze di sospensione di diversi metri.

Con un’opportuna selezione dei materiali, i sistemi parete possono essere utilizzati in modo efficace e sicuro anche per l’involucro dell’edificio. Infatti, l’utilizzo di lastre a base di cemento come rivestimento esterno e di lastre a base di gesso come rivestimento interno può dar luogo a sistemi di chiusura particolarmente indicati nel caso delle facciate esterne e anche per ambienti esposti a forte umidità. Le soluzioni più comuni per le tamponature esterne possono essere raggruppate in due tipologie principali: “pareti discontinue” e “pareti continue” (figure 2g, h, i).
Le facciate “discontinue” possono essere realizzate con singola o doppia orditura metallica e sono interrotte al livello del solaio. Le facciate “continue” sono costituite da una doppia orditura metallica in cui solo la parte interna è collegata alla struttura portante. Solitamente, per garan- tire le prestazioni energetiche richieste, nelle cavità interne sono inseriti materiali coibenti. La faccia esterna della tamponatura è generalmente rivestita con pannelli a base di cemento e rasata con intonaco cementi- zio nel quale viene annegata una rete in fibra di vetro alcaliresistente. In tema di progettazione strutturale delle costruzioni LWS, particolare attenzione è stata storicamente posta alle questioni relative al comportamento sismico di tali sistemi, ed in particolare alla risposta sismica di pareti e solai soggetti a carichi ciclici agenti nel loro piano.

I principali sistemi sismoresistenti utilizzabili per i LWS

A tale riguardo giova preliminarmente ricordare che i principali sistemi sismoresistenti utilizzabili nell’ambito di una costruzione LWS possono essere:

1. pareti controventate mediante piatti sottili di acciaio disposti ad X (steel strap-braced walls);
2. pareti controventate mediante la collaborazione delle lamiere o dei pannelli di rivestimento, anche chiamate pareti di taglio (sheathing-braced shear walls);
3. soluzioni miste ottenute utilizzando, nell’ambito di una stessa parete, entrambe le soluzioni (1) e (2).

A prescindere dalla soluzione di controventamento adottata, la risposta sismica di questi sistemi è principalmente caratterizzata da significativi fenomeni di degrado di resistenza e rigidezza e da un comportamento isteretico con cicli non molto ampi, noto come pinching, che denota una ridotta capacità di dissipazione energetica (figura 3a). Nel caso delle pareti controventate con lamiere o pannelli la risposta strutturale è inoltre influenzata anche da una forte non linearità (figura 3b). Tuttavia, nonostante la limitata capacità dissipativa dei suoi tipici elementi sismoresistenti, una costruzione LWS, se ben concepita e progettata, può rappresentare una soluzione molto competitiva nel caso di edifici medio-bassi. Ciò è reso possibile grazie alla leggerezza intrinseca di queste costruzioni che, riducendo sostanzialmente la domanda sismica, rende di fatto le capacità strutturali di questi sistemi perfettamente compati- bili con applicazioni in zone sismiche anche di medio-alta pericolosità. Sebbene le ricerche sul comportamento sismico dei sistemi strutturali LWS rappresentino un filone piuttosto consolidato, negli ultimi anni molti gruppi di ricerca stanno indirizzando gli studi anche sulla risposta sismica delle componenti non strutturali architettoniche LWS. 

Fig. 3a, 3b - Tipiche curve di risposta isteretica di pareti soggette ad azioni cicliche agenti nel loro piano [5]. a) Parete controventata con piatti sottili di acciaio disposti ad X ; b) Parete controventate con pannelli di rivestiment [6].

Fig. 4a, 4b - Dettagli di soluzioni antisismiche per elementi non strutturali di tipo architettonico. a) Collegamenti a giunto sismico per parete divisoria interna in cartongesso [7]; b) Dispositivo di controventamento orizzontale per controsoffitto in cartongesso [8]

Ciò si spiega con la constatazione che talvolta, per livelli di intensità sismica relativamente bassi, anche nel caso in cui le strutture portanti non evidenzino particolari criticità, gli elementi non strutturali possono subire seri danni, con gravi conseguenze in termini di perdite economiche e di incolumità. In questo scenario, partizioni interne, facciate e controsoffitti leggeri stratificati in acciaio possono rappresentare una valida alternativa ai sistemi più tradizionali per applicazioni architettoniche non strutturali. Infatti, i prodotti LWS per applicazioni non strutturali possono garantire un’ottima risposta sismica rispetto agli stati limite di danno, ancora una volta in virtù della loro leggerezza, ma anche grazie alla possibilità di migliorare facilmente la loro risposta sismica mediante dettagli costruttivi relativamente semplici (figura 4).

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Articolo tratto da COSTRUZIONI METALLICHE 01/2020