— Gli edifici lunghi non riguardano semplicemente "l’aggiunta di un ulteriore giunto", ma la definizione di un percorso controllato di deformazione
Riassunto: Questo articolo si concentra sui problemi di espansione e contrazione nei capannoni a struttura in acciaio di grande lunghezza, causati dalle variazioni stagionali di temperatura, dall’irraggiamento solare e dalla temperatura di blocco in fase di costruzione. Vengono trattati l’allestimento dei punti fissi e delle zone di rilascio, la distinzione tra movimento termico libero e forze aggiuntive indotte da vincoli, i giunti di dilatazione strutturali e i dettagli costruttivi degli involucri e degli impianti (MEP) attraverso tali giunti, nonché l’accettazione in cantiere della capacità residua di movimento delle connessioni scorrevoli. Piuttosto che applicare una regola semplificata del tipo «è necessario prevedere un giunto una volta superata una certa lunghezza», l’articolo segue la logica «campo termico–vincolo–percorso di deformazione» e propone un metodo progettuale specifico per il singolo progetto, calcolabile, realizzabile e verificabile.
L'azione termica nella progettazione di capannoni in acciaio viene spesso discussa solo dopo le azioni del vento, della neve e sismiche, e talvolta viene ridotta alla semplice idea che «un giunto di dilatazione debba essere previsto non appena l'edificio diventa sufficientemente lungo». Questo approccio può facilmente trasformare un problema di risposta strutturale in un mero problema di dettaglio architettonico. Per i capannoni, i centri logistici, gli edifici produttivi e gli edifici a telaio a portale multipli e continui con grandi dimensioni longitudinali, le vere domande non sono «ogni quanti metri occorre prevedere un giunto», bensì: dove è previsto che la struttura si muova quando si riscalda o si raffredda; in quali punti è consentito il rilascio del movimento; quali elementi ne impediscono lo spostamento; e se l'involucro, le fondazioni, le attrezzature e le tubazioni possono rimanere compatibili con la struttura principale.
L'acciaio si espande quando viene riscaldato e si contrae quando viene raffreddato. Le informazioni tecniche pubblicate dal Centro comune di ricerca (JRC) della Commissione europea, basate sulla norma EN 1991-1-5, indicano un coefficiente di dilatazione termica lineare per l'acciaio strutturale pari a circa 12 × 10⁻⁶/°C. Utilizzando la deformazione termica libera come stima, una struttura in acciaio lunga 100 m sottoposta a una variazione di temperatura complessiva di 40 °C avrebbe un movimento libero teorico di circa 48 mm. Questo valore non implica che debba essere prevista una giunzione larga 48 mm, poiché negli edifici reali intervengono fattori quali la rigidezza alla base delle colonne, i sistemi di controventatura, il vincolo del manto di copertura, le temperature non uniformi dei singoli elementi, la temperatura iniziale di costruzione e altri ancora. Tuttavia, evidenzia chiaramente che rendere ogni collegamento "completamente immobile" non elimina la deformazione termica; al contrario, ne converte il movimento in forze interne aggiuntive, deformazioni locali o guasti del sistema di involucro.
Gli ingegneri chiedono spesso: oltre quale lunghezza un capannone in acciaio deve essere dotato di un giunto di dilatazione? Una volta eliminate le condizioni specifiche del progetto dalla domanda, non esiste una risposta univoca valida per tutti i paesi, i climi e i sistemi strutturali. La lunghezza dell’edificio è soltanto uno dei fattori. La progettazione deve inoltre tenere conto dei limiti locali di temperatura, della radiazione solare, del fatto che l’ambiente interno sia o meno climatizzato, della configurazione strutturale principale, della tipologia di basamento dei pilastri, della posizione dei controventi longitudinali, dei materiali utilizzati per copertura e pareti, della continuità degli impianti e dei servizi, e del grado di vincolo offerto dalle fondazioni. Due capannoni entrambi lunghi 120 m potrebbero subire azioni termiche molto diverse se il primo è un edificio non riscaldato situato in una regione fredda, mentre il secondo è un capannone logistico climatizzato ubicato in un clima mite.
EN 1991-1-5 tratta le azioni termiche come una categoria indipendente di azioni strutturali e distingue tra il componente di temperatura uniforme, i gradienti di temperatura e le differenze di temperatura tra diversi elementi strutturali. Per gli edifici di tipo magazzino, gli effetti più comuni sono l’aumento o la diminuzione uniforme della temperatura che interessano l’intera struttura e le differenze di temperatura tra tetto, pareti esterne ed elementi interni causate dalla radiazione solare. Per i tetti metallici di colore scuro, la temperatura degli elementi è influenzata anche dalla radiazione solare e dall’assorptività della superficie; pertanto, la “temperatura massima dell’aria locale” non può essere meccanicamente equiparata alla “temperatura massima dell’elemento in acciaio”.
I capannoni lunghi contengono solitamente diverse campate o zone di stabilità longitudinali. Il principio progettuale fondamentale è evitare che più vincoli rigidi agiscano contemporaneamente in contrasto tra loro. Se il sistema di controventatura longitudinale realizza vincoli fissi rigidi alle due estremità dell’edificio, mentre gli elementi intermedi rimangono continuamente collegati, la struttura tende ad allungarsi durante il riscaldamento, ma non dispone di una direzione di rilascio chiaramente definita. Di conseguenza, le forze termiche si accumulano nei pilastri, nelle controventature, nelle basi dei pilastri e nei collegamenti. Un approccio più chiaro consiste nel definire il concetto di «zona fissa–zona di rilascio»: la zona fissa fornisce la posizione di riferimento longitudinale e trasferisce le forze orizzontali, mentre la zona di rilascio consente di assorbire progressivamente i movimenti indotti dalla temperatura. «Rilascio» non significa un collegamento lasco. Significa creare un percorso di movimento prevedibile mediante disposizioni delle controventature, dettagli scorrevoli, fori ovalizzati, collegamenti deformabili o sistemi strutturali segmentati.
Il movimento termico libero può essere stimato preliminarmente mediante ΔL = αLΔT. Questa equazione è utile per comprendere l’ordine di grandezza del movimento, ma non deve sostituire l’analisi strutturale. La risposta termica effettiva di una struttura in acciaio dipende dalla rigidezza dei vincoli: dove un elemento può espandersi liberamente, la risposta è principalmente costituita da spostamenti; dove è fortemente vincolato, la deformazione termica si trasforma in forza assiale; e le costruzioni reali si trovano generalmente in una condizione intermedia tra questi due casi. ASCE/SEI 7-22 include gli effetti della temperatura, del ritiro e di effetti simili nel quadro progettuale relativo alle forze ed agli effetti autoindotti, e le sue prescrizioni di esercizio richiedono che le variazioni dimensionali causate dalle variazioni di temperatura e da effetti analoghi non compromettano la funzionalità strutturale.
La progettazione basata sull’azione termica deve quindi considerare contemporaneamente almeno tre livelli. Primo, la struttura primaria: le linee di pilastri longitudinali, i controventi longitudinali, gli elementi di collegamento, i controventi orizzontali di copertura e le fondazioni dei pilastri definiscono congiuntamente la condizione di vincolo globale; pertanto, i vincoli e i cedimenti nel modello analitico devono corrispondere esattamente ai dettagli costruttivi reali. Secondo, i collegamenti: se l’intento progettuale prevede la possibilità di movimento, occorre definire in modo chiaro la direzione di scorrimento, la geometria dei fori, le dimensioni delle piastre o delle rondelle, il comportamento dei bulloni e la posizione iniziale di installazione; non è possibile ottenere il movimento mediante indicazioni informali come «non stringere eccessivamente i bulloni». Terzo, gli elementi non strutturali: pannelli di tamponamento, pannelli di copertura, porte e finestre, gronde, lucernari e supporti per tubazioni devono essere tutti coordinati con il movimento della struttura primaria. Il superamento del calcolo strutturale non implica automaticamente che i dettagli dell’involucro siano sicuri.
Per i capannoni a telaio portante multiplo, nei quali è previsto un giunto strutturale di dilatazione, le strutture su entrambi i lati del giunto dovrebbero generalmente costituire unità strutturali relativamente indipendenti. Non è sufficiente limitarsi a interrompere il rivestimento del tetto mantenendo invece rigidamente continui i principali telai in acciaio. Al contrario, anche laddove l’analisi strutturale dimostri che la struttura primaria può essere realizzata senza un giunto strutturale di dilatazione, occorre comunque considerare la dilatazione termica e la contrazione del sistema di involucro. I pannelli di copertura, i pannelli di tamponamento, le gronde, i pluviali e i lucernari sono solitamente più sottili e sensibili rispetto al telaio primario in acciaio. Il fatto che la struttura primaria «superi il calcolo» non implica che l’involucro non subisca per primo fessurazioni, instabilità locale (buckling), deformazioni ondulate (oil-canning) o sollecitazioni ripetute nei fori delle viti di fissaggio.
Un dettaglio maturo di giunto di dilatazione deve soddisfare contemporaneamente i requisiti strutturali, di impermeabilizzazione, di isolamento termico, di protezione antincendio e di utilizzo dell’edificio. I giunti di dilatazione sui tetti dovrebbero, ove possibile, essere posizionati lontano dai punti più bassi dove l’acqua potrebbe ristagnare. Qualora ciò non sia evitabile, il sistema di impermeabilizzazione deve essere progettato per rimanere continuo pur consentendo il movimento, anziché fare affidamento su un’unica corda di sigillante per assorbire l’intero spostamento. I tetti in metallo possono assorbire il movimento mediante cappucci di lamiera indipendenti, altezze sufficienti dei risalti, sovrapposizioni scorrevoli e fissaggi separati su entrambi i lati. Anche i dettagli delle pareti devono garantire la tenuta contro gli agenti atmosferici e la continuità visiva: le lamiere delle pareti su ciascun lato del giunto devono essere terminate in modo indipendente, e la lamiera di copertura tra esse deve mantenere un’adeguata corsa di sovrapposizione.
Anche le gronde, i parapetti, i lucernari e gli impianti MEP che attraversano il giunto devono essere controllati con attenzione. Se l'ingegnere strutturale separa la struttura primaria lungo una linea di griglia, ma una gronda continua, viti autofilettanti, un'idrante antincendio o un canale portacavi ricollegano rigidamente i due lati, l'installazione in cantiere ha di fatto ricreato un punto fisso nascosto.
Tabella 1. Problemi comuni di tipo «Oggetto – Assunzione errata – Parametro di controllo corretto» nella progettazione soggetta ad azioni termiche
Oggetto |
Assunzione errata comune |
Focus specifico sul controllo |
Struttura principale |
Stabilire se un giunto è necessario esclusivamente in base alla lunghezza totale dell'edificio |
Intervallo di temperatura, rigidezza del vincolo, posizione dei controventi, basi delle colonne e direzione di rilascio |
Collegamento scorrevole |
Più lungo è il foro allungato, più sicuro è il collegamento |
Direzione di movimento di progetto, geometria del foro, copertura della rondella/piastra, meccanismo di trasferimento del carico e posizione iniziale |
Sistema di involucro |
Se la struttura primaria non prevede alcun giunto, l'involucro non richiede alcun rilascio per movimenti |
Lunghezza del pannello, metodo di fissaggio, sovrapposizioni dei profili di finitura, e movimento indipendente delle gronde e dei profili di bordo |
Impianti MEP / attrezzature |
I giunti strutturali non sono correlati ai servizi |
Corsa dei compensatori di dilatazione / raccordi flessibili, supporti scorrevoli e continuità delle rotaie per le attrezzature |
Accettazione in fase di costruzione |
Un collegamento dall’aspetto ordinato è accettabile |
Temperatura di bloccaggio, corsa residua nei fori ovalizzati, posizione del punto fisso e vincoli nascosti attraverso i giunti |
Una delle misure di ottimizzazione del sito più comuni consiste nel sostituire i fori circolari standard con fori allungati quando si riscontra una limitazione del movimento longitudinale. Questo approccio è valido soltanto quando la logica di trasferimento delle forze nella connessione, la direzione dello scorrimento e le condizioni di contatto sono chiaramente definite. In primo luogo, l’asse maggiore dell’allungamento deve essere allineato con la direzione prevista del movimento. In secondo luogo, la possibilità che la connessione scivoli sotto carichi di vento, forze di frenatura o altre azioni orizzontali deve essere coerente con il sistema strutturale globale. Se la connessione trasferisce forze orizzontali critiche, semplicemente ingrandire il foro potrebbe modificare il percorso di carico previsto. In terzo luogo, le piastre di copertura o le rondelle devono coprire efficacemente l’allungamento e impedire lo strappo locale dopo l’installazione.
Per i collegamenti bullonati ad alta resistenza, va inoltre distinto tra collegamenti critici rispetto allo scorrimento, collegamenti di tipo a contatto e collegamenti scorrevoli specificamente progettati per consentire movimenti. Se i documenti di progetto richiedono che un collegamento non scivoli sotto i carichi di esercizio, ma contemporaneamente ne prevedono il rilascio di spostamenti termici mediante movimento all’interno del foro, le due condizioni operative e i relativi meccanismi devono essere esplicitamente definiti. L’essenza del progetto professionale non risiede nell’uso di un particolare tipo di collegamento, bensì nel fatto che ciascun collegamento svolga esclusivamente la funzione ad esso assegnata: i collegamenti fissi garantiscono il posizionamento e il trasferimento delle forze, mentre i collegamenti scorrevoli forniscono capacità di movimento in una direzione specificata.
Un giunto di dilatazione può essere previsto nella struttura metallica di copertura, ma la decisione se realizzare giunti anche nelle fondazioni e nelle solette deve essere presa in base al sistema strutturale e alla funzione dell’edificio. Se le fondazioni sui due lati sono efficacemente collegate in un sistema continuo molto rigido, mentre la struttura di copertura è progettata per muoversi in modo relativo, possono svilupparsi vincoli non necessari alle basi delle colonne. Viceversa, se le fondazioni sono indipendenti ma la struttura di copertura è rigidamente riconnessa mediante elementi continui, l’efficacia del giunto risulta analogamente ridotta.
I magazzini industriali richiedono particolare attenzione ai sistemi di impianti. Le colonne antincendio, i canali portacavi, le tubazioni dell’aria compressa, le tubazioni del vapore, le linee di trasporto e i sistemi di scaffalature per stoccaggio possono tutti attraversare un giunto strutturale. Se lo spostamento strutturale previsto in fase di progettazione non viene comunicato alle discipline degli impianti meccanici, elettrici e idraulici (MEP) e a quelle degli impianti ausiliari, le tubazioni rigide potrebbero creparsi, i supporti deformarsi o le rotaie degli impianti allinearsi in modo errato durante l’esercizio. I servizi che attraversano un giunto devono utilizzare raccordi flessibili, supporti scorrevoli, compensatori di dilatazione o supporti indipendenti. La loro capacità di movimento deve coprire lo spostamento strutturale previsto in fase di progettazione, tenendo conto anche delle tolleranze di installazione.
L’azione termica include un’altra variabile spesso trascurata: la temperatura alla quale la struttura viene definitivamente bloccata. La temperatura iniziale ipotizzata nell’analisi non è necessariamente uguale alla temperatura media annua dell’aria. Essa è legata alla temperatura effettiva al momento del montaggio degli elementi, del serraggio definitivo dei collegamenti e della chiusura del sistema di copertura. Il progetto potrebbe ipotizzare che la struttura si trovi in una posizione neutra vicino a una temperatura moderata, ma se tutti i collegamenti fissi vengono infine bloccati dopo un prolungato riscaldamento solare nel pieno dell’estate, il successivo movimento di contrazione durante il raffreddamento potrebbe risultare fortemente asimmetrico verso un lato.
Per le connessioni scorrevoli con elevate esigenze di movimento, lastre di copertura lunghe, gronde continue e ampie aperture per porte, i documenti di progetto dovrebbero prevedere la specifica di temperatura di bloccaggio, posizione iniziale della connessione e gioco di movimento riservato. Un disegno di connessione realmente eseguibile deve indicare la direzione dello scorrimento, lo spostamento di progetto, la posizione centrale di installazione, la tolleranza ammessa e i requisiti per il fissaggio finale, in modo che gli installatori sappiano se il componente debba essere centrato nella scanalatura, spostato verso un’estremità o regolato in base alla temperatura di installazione misurata.
L'accettazione dei dettagli relativi al rilascio del movimento non deve limitarsi a verificare se i bulloni sono allineati o se le piastre di copertura sono dritte. Più importantemente, l'ispezione deve confermare che la capacità di movimento richiesta dal progetto rimanga disponibile anche dopo la costruzione. I guasti più comuni in cantiere includono: un bullone già a contatto con un'estremità di un foro allungato; una superficie scorrevole bloccata da saldature provvisorie; viti delle piastre di copertura che penetrano nei substrati su entrambi i lati del giunto; sigillante che riempie completamente e blocca il giunto; una grondaia continua che ricollega due unità strutturali; supporti per impianti MEP che attraversano rigidamente il giunto; e guarnizioni per pannelli di tamponamento installate senza sovrapposizione scorrevole sufficiente. Questi dettagli possono apparire estremamente ordinati, pur avendo già perso la loro funzione prevista di movimento.
I registri di accettazione devono quindi includere, come minimo, la larghezza effettiva del giunto di dilatazione, la posizione iniziale dei collegamenti scorrevoli, il movimento residuo disponibile nei fori ovalizzati, i dettagli costruttivi dell’involucro attraverso il giunto, il metodo di compensazione per le tubazioni e la temperatura di bloccaggio sul sito. Per i magazzini destinati a un servizio a lungo termine, è possibile stabilire anche semplici punti di riferimento per le misurazioni su entrambi i lati del giunto, in modo da poter rieseguire controlli sul movimento stagionale e su eventuali deformazioni anomale.
La deformazione termica è una risposta fisica fondamentale del materiale. Ciò che il progetto può effettivamente controllare sono le condizioni di vincolo, il percorso di trasferimento dei carichi e lo spostamento consentito. Per i magazzini in acciaio, la situazione più pericolosa non è spesso lo spostamento in sé, bensì il fatto che «un punto che dovrebbe muoversi sia stato bloccato, mentre un punto che dovrebbe rimanere fisso si sia spostato».
Un progetto professionale basato sull’azione termica deve seguire una logica chiara: innanzitutto definire i limiti di temperatura del progetto e l’intervallo previsto di temperature degli elementi strutturali; quindi stimare l’ordine di grandezza della deformazione termica libera; successivamente identificare i punti fissi e le fonti di vincolo nella struttura primaria e stabilire una direzione chiara di rilascio; poi determinare se sono necessari giunti di dilatazione strutturale e come involucro, fondazioni e impianti attraverseranno tali giunti; infine tradurre lo spostamento di progetto nei parametri di collegamento comprensibili in fase di costruzione e misurabili in fase di collaudo. Per i progetti di magazzini all’estero e edifici industriali gestiti da Shenyang Zhongwei Heavy Industry Steel Structure Engineering Co., Ltd., clima, temperatura di costruzione, sistemi di involucro e condizioni degli impianti variano notevolmente da paese a paese. L’azione termica non deve quindi essere ridotta a una tabella fissa basata sulla lunghezza dell’edificio; essa va trattata come un dato progettuale specifico per il singolo intervento, che richiede un giudizio ingegneristico. Una soluzione veramente affidabile non cerca di rendere la struttura completamente «immobile»; garantisce invece che ogni millimetro di movimento abbia una destinazione chiaramente definita.
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1. EN 1991-1-5:2003, Eurocodice 1: Azioni sulle strutture – Parte 1-5: Azioni generali – Azioni termiche. Utilizzata per la classificazione delle azioni termiche, dei componenti di temperatura e del quadro analitico per gli effetti termici sulle strutture; per progetti specifici è necessario coordinarsi con l’Allegato Nazionale applicabile e con l’edizione adottata localmente.
2. ASCE/SEI 7-22, Carichi minimi di progetto e criteri associati per edifici e altre strutture. I suoi requisiti fondamentali e le combinazioni di carico includono le forze e gli effetti autoindotti; le disposizioni per la funzionalità riportate nell’Appendice C richiedono che le variazioni dimensionali causate da temperatura e da effetti analoghi non compromettano la funzionalità strutturale.
3. ANSI/AISC 360-22, Specifica per edifici in acciaio strutturale. Utilizzata per il progetto di elementi strutturali in acciaio, collegamenti e funzionalità, in abbinamento al quadro d’azione dell’ASCE 7; la pagina degli standard attuali dell’AISC indica la 360-22 come edizione corrente.
4. ANSI/AISC 303-22, Codice delle prassi standard per edifici e ponti in acciaio. Utilizzato per i requisiti di prassi ingegneristica relativi ai documenti di progettazione strutturale, alla fabbricazione e al montaggio, alle tolleranze e al coordinamento professionale.
5. AISC Design Guide 3, Considerazioni progettuali per l’uso degli edifici in acciaio, 2a edizione, 2003. Gli argomenti relativi all’uso previsto comprendono l’espansione e la contrazione e possono essere utilizzati come orientamenti tecnici integrativi per la deformazione termica e per i dettagli volti a consentire i movimenti; la data di pubblicazione deve essere presa in considerazione e gli orientamenti devono essere coordinati con le norme vigenti.
6. Commissione europea, JRC, Manuale 3: Effetti delle azioni sugli edifici, Capitolo IV «Azioni termiche sugli edifici». Questo capitolo, basato sulla norma EN 1991-1-5, spiega i campi di temperatura, le componenti di temperatura uniforme e gli effetti del vincolo, fornendo un valore di riferimento ingegneristico di circa 12 × 10⁻⁶/°C per il coefficiente di espansione termica lineare dell’acciaio strutturale.
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