Se lavori come architetto o geometra, è probabile che ti sia capitato di dar vita a un’idea progettuale che sembrava scontrarsi con i limiti strutturali dell’edificio. Forse è stato il committente ad avanzare una richiesta particolare o magari hai immaginato tu una soluzione funzionale ed estetica brillante, ma fuori dal comune: una scala sospesa che attraversa il vuoto di un soggiorno a doppia altezza o una vetrata che sembrava impossibile da sostenere con le strutture esistenti dell’edificio.
In molti casi, per rendere possibile un progetto architettonico a prima vista ardito, la soluzione è una corretta progettazione delle strutture in acciaio.
L’acciaio, infatti, non è solo il materiale dei capannoni industriali e dei grattacieli. Entra a pieno titolo nell’edilizia privata, nel restauro delle ville d’epoca, nella sopraelevazione di un edificio esistente o nella ristrutturazione di un loft.
In questo articolo parliamo di progettazione strutturale con l’acciaio dal nostro punto di vista di ingegneri civili che collaborano con architetti, geometri e altri professionisti dell’edilizia del territorio di Modena e provincia.
Vediamo quando e perché scegliere l’acciaio, quali applicazioni sono più frequenti in ambito residenziale e gli aspetti principali della progettazione strutturale con questo materiale.
Acciaio: creatività e cura del dettaglio in architettura
Spesso visto come un materiale freddo e industriale, più adatto ai capannoni e alle infrastrutture che a una residenza di pregio in città o a un rustico in campagna, l’acciaio è invece una lega dalle prestazioni e dall’estetica ancora troppo sottovalutate.
Proprio per le sue caratteristiche – leggerezza, elevata resistenza e duttilità – in molti casi è il più indicato per gli interventi “chirurgici” sull’esistente, in cui si vuole evitare di stravolgere ciò che c’è già o negli interventi più richiesti dai committenti:
- aprire un vano in un muro portante
- aggiungere un nuovo piano a una struttura esistente
- realizzare una scala interna di impatto
- ampliare un edificio esistente
- nuove costruzioni con stanze molte grandi e ampie vetrate
Tutte situazioni in cui l’acciaio si presta perfettamente allo scopo, superando i limiti di altri materiali, a costi e livello di invasività minori.
Pensiamo, per esempio, a una villa Liberty da ristrutturare. Le murature portanti in mattoni, i solai in legno d’epoca e le fondazioni superficiali sono elementi che richiedono interventi delicati e rispettosi dell’architettura. L’acciaio è indicato perché presenta elementi di dimensioni contenute, non altera le caratteristiche originali dell’edificio e soprattutto può essere rimosso in futuro senza cambiare drasticamente l’edificio, è amato dalla Soprintendenza proprio per le sue caratteristiche di reversibilità e compatibilità con i monumenti e gli edifici vincolati.
Senza contare che, a differenza di altri materiali, i tempi di cantiere tipici di un intervento sulle strutture in acciaio sono più brevi, perché gli elementi realizzati con questo materiale vengono spesso prefabbricati in officina e poi assemblati “a secco”, dunque senza acqua, malte, cemento o colle che prevedono una fase di asciugatura.
Meno tempo di cantiere significa meno costi di gestione, meno disagi per il committente e un cronoprogramma più affidabile.
Quando scegliere la progettazione strutturale in acciaio
Vediamo ora in quali casi è necessario prevedere la progettazione delle strutture in acciaio e quando, invece, è possibile optare per questo materiale e raggiungere alcuni obiettivi architettonici ambiziosi.
Applicare cerchiature in acciaio
L’applicazione tipica di una struttura in acciaio riguarda l’apertura di vani nei muri portanti: creazione di porte, ampliamento delle finestre, collegamento di due stanze per il passaggio di una nuova scala.
Quando si rimuove una porzione di muro portante, infatti, la parete interessata perde rigidezza e resistenza: diventa meno capace di reggere i carichi verticali e, soprattutto in zona sismica, di resistere alle forze orizzontali.
In questi casi serve una cerchiatura metallica, cioè l’applicazione di un telaio in acciaio che si inserisce attorno all’apertura per ripristinare le caratteristiche originali della parete.
Come sanno bene architetti e progettisti, è un sistema strutturale completo, composto da montanti verticali (i piedritti) e traversi orizzontali, che lavora in parallelo alla muratura esistente. Non è un semplice architrave, quindi richiede una progettazione strutturale mirata.
Il calcolo, se eseguito come intervento locale, deve dimostrare che la variazione di rigidezza della parete dopo l’intervento non si discosta dalla situazione originaria.
Dunque è necessaria una valutazione accurata sia della situazione prima sia di quella dopo l’intervento di cerchiatura. Intervenire senza questo calcolo, o affidarsi a soluzioni approssimative, può produrre danni che non si manifestano subito ma che nel tempo e soprattutto in caso di sisma, possono avere conseguenze molto serie.
È bene ricordare che interventi non coordinati su parti diverse dello stesso edificio (per esempio ristrutturazioni di appartamenti diversi eseguite in tempi separati) possono sommarsi e compromettere il comportamento strutturale complessivo.
Per questo è sempre utile ricostruire la storia degli interventi già eseguiti sull’edificio prima di progettarne di nuovi.
Realizzare interventi di rinforzo
Le soluzioni strutturali in acciaio sono tra le più efficaci quando si tratta di intervenire sulla sicurezza statica e sismica di un edificio esistente per:
- il rafforzamento locale di singoli elementi
- il miglioramento sismico complessivo
- l’adeguamento sismico di edifici in muratura o pietra o legno o in cemento armato
La ragione è nella natura stessa del materiale: l’elevato rapporto resistenza/peso consente di ottenere rinforzi significativi con elementi leggeri, facili da trasportare e da installare anche in spazi ridotti o con l’edificio in uso. Rispetto ad altre soluzioni, l’acciaio riduce al minimo le lavorazioni da eseguire in cantiere e, grazie alla prefabbricazione in officina, garantisce precisione e rapidità di posa.
Questi interventi possono riguardare elementi puntuali (un pilastro, una trave, un solaio) oppure interessare porzioni più ampie della struttura, come nel caso del miglioramento sismico globale di un edificio. In entrambi i casi, la progettazione strutturale deve essere preceduta da un’analisi accurata dello stato di fatto, che consenta di valutare le criticità esistenti e scegliere la soluzione più adatta.
Rinforzare i solai misti acciaio-legno o acciaio-calcestruzzo
Negli edifici esistenti, i solai sono spesso uno degli elementi strutturali più critici: possono essere in legno, in ferro con blocchi di laterizio, in calcestruzzo armato, o in combinazioni di questi materiali. Rinforzarli, adattarli a nuovi carichi o ricostruirli è una delle operazioni più frequenti nelle ristrutturazioni, e l’acciaio offre soluzioni efficaci per quasi tutte le casistiche.
Nei solai in legno, tipici degli edifici storici in muratura o pietra, il rinforzo più comune consiste nell’aggiungere profili in acciaio alle travi esistenti – creando un sistema misto legno-acciaio che incrementa significativamente resistenza e rigidezza senza appesantire la struttura.
Quando invece si realizza un solaio nuovo in un edificio esistente, una soluzione possibile è quella di prevedere un solaio misto con lamiera grecata e soletta collaborante in calcestruzzo armato o un solaio a secco con lamiera grecata opportunamente controventato con tiranti sempre di acciaio (quindi senza soletta in c.a.).
Nel caso di lamiera grecata con soletta collaborante, la lamiera grecata si fissa alle travi in acciaio, si dispone una rete elettrosaldata e si getta una soletta di completamento. Il sistema misto acciaio-c.a è abbastanza leggero, veloce da realizzare e ha ottime prestazioni strutturali, mentre il sistema a secco è la soluzione che assicura massima leggerezza.
Nel caso dei solai di edifici che si trovano in zona sismica, il solaio deve essere in grado di distribuire le forze orizzontali prodotte dal terremoto alle pareti portanti. Ma un solaio debole o mal collegato alle pareti compromette questo meccanismo, rendendo l’edificio più vulnerabile in quanto funziona esclusivamente come peso “morto” e quindi come un grande zaino pesante a portare in testa che lo destabilizza. L’acciaio, grazie alla possibilità di realizzare solette collaboranti o controventature a secco e connessioni precise alle murature, è spesso la soluzione ideale anche per questo tipo di intervento.
Per esempio, nel caso di Villa Viola, progetto curato da Facchini Ingegneria, che si trova sul primo Appennino modenese, si è utilizzata per il solaio la soluzione mista acciaio-legno con soletta collaborante.
Si è trattato quindi di un intervento di demolizione e ricostruzione con cambio d’uso in cui il solaio interpiano è stato realizzato con un sistema misto legno lamellare-acciaio, con travetti in legno lamellare e soletta collaborante in calcestruzzo armato, su una struttura portante in pannelli XLAM.
Rinforzare i pilastri esistenti
Gli edifici in cemento armato costruiti prima degli anni ‘80 e gli edifici a pilastri in muratura presentano spesso una vulnerabilità specifica. I pilastri in c.a. che non sono stati progettati per resistere all’azione del sisma hanno evidenziato che la loro tendenza è quella di rompersi a taglio o con la creazione di cerniere plastiche, a causa di staffe troppo rade e calcestruzzo di scarsa qualità. Anche i pilastri in muratura tendono a rompersi per taglio formando una superficie orizzontale di rottura.
La soluzione più efficace e meno invasiva per questo problema è l’incamiciatura metallica: un sistema di angolari in acciaio posizionati agli angoli del pilastro e collegati tra loro da piastre trasversali (i cosiddetti calastrelli), che aumentano contemporaneamente la resistenza a taglio e la duttilità dell’elemento, cioè la sua capacità di deformarsi senza rompersi improvvisamente. Il sistema si monta a secco, è veloce da installare, non richiede demolizioni significative e può essere eseguito anche con l’edificio in uso.
Realizzare sopraelevazioni
Aggiungere un piano a un edificio esistente è un’operazione che pone una domanda strutturale fondamentale: le fondazioni e le strutture esistenti sono in grado di sopportare il peso aggiuntivo? La risposta è molto spesso no. Realizzare una struttura in sopraelevazione in acciaio – molto più leggera di una in cemento armato – permette di superare questo limite. In molti casi, la struttura così progettata consente di ottenere la sopraelevazione, senza interventi eccessivamente invasivi.
Coprire grandi luci senza ricorrere a pilastri
Il vantaggio più immediato e visibile dell’acciaio è la sua capacità di coprire grandi luci senza ricorrere a elementi verticali intermedi. Grazie all’elevato rapporto resistenza/peso – a parità di sezione, l’acciaio è molto più prestazionale del calcestruzzo armato – è possibile progettare travi che coprono distanze difficili da ottenere con materiali più tradizionali, liberando spazio.
Questo vale tanto per le nuove costruzioni quanto per gli interventi sull’esistente, come nella ristrutturazione di ville, dove spesso il desiderio del committente è proprio quello di aprire e connettere spazi che la struttura originaria teneva separati.
Rendere i profili in acciaio veri e propri elementi di design
L’acciaio non deve necessariamente essere nascosto. I profili metallici hanno una loro chiarezza formale e una gradevolezza estetica che li rende compatibili con molti linguaggi architettonici contemporanei.
Lasciati a vista, diventano parte integrante del progetto, sottolineano altezze e creano un contrasto equilibrato con materiali naturali come legno e pietra.
Per esempio, la scala interna di Villa Erion, un progetto curato da Facchini Ingegneria a Bomporto, in provincia di Modena, dà un’idea chiara dell’impatto estetico dell’acciaio in un contesto residenziale moderno: una struttura metallica concepita fin dall’inizio come fulcro visivo dell’abitazione e non come elemento puramente funzionale. La scelta del materiale, la sezione dei profili, il trattamento superficiale: tutto è stato definito a monte sia a livello di progettazione strutturale che di progettazione architettonica.
Sfruttare l’acciaio per le vetrate e per la continuità tra interno ed esterno
La leggerezza dell’acciaio e la possibilità di lavorare con sezioni ridotte si traducono in telai strutturali sottili, che occupano meno spazio visivo rispetto ad altre strutture, per esempio in cemento armato. Un’opzione molto interessante nel caso di grandi vetrate: un telaio metallico sottile si “ritira” visivamente, lasciando che siano la luce e il paesaggio a dominare la scena. La combinazione acciaio-vetro è del resto una delle più consolidate nell’architettura contemporanea proprio per questa ragione. I due materiali si completano, l’uno garantendo resistenza con il minimo ingombro, l’altro massimizzando la trasparenza e la continuità tra spazio interno ed esterno.
Scegliere un materiale che può essere riadattato nel tempo
Un aspetto spesso sottovalutato, ma importante se l’edificio è vincolato dalla Soprintendenza, è il fatto che le strutture in acciaio possono essere progettate per essere smontate. Gli elementi, infatti, rispetto al cemento armato, possono essere rimossi e riutilizzati. Da un lato, quindi, è evidente il vantaggio ambientale, perché questa scelta evita i rifiuti da demolizione e riduce l’uso di acqua, dal momento che l’acciaio prevede una costruzione “a secco”. Dall’altro, il vantaggio è anche la versatilità. Un edificio la cui struttura può essere modificata senza demolizioni è un edificio che può adattarsi a nuove esigenze, nuovi usi, nuovi committenti e soprattutto può mantenere nel tempo il proprio valore culturale-testimoniale.
Fattori da considerare nella progettazione delle strutture in acciaio
Nella progettazione strutturale in acciaio, la qualità del risultato finale viene definita molto prima che il cantiere inizi. Si decide al tavolo di progetto, nel momento in cui ingegnere strutturista e architetto definiscono insieme i dettagli costruttivi e il dimensionamento delle strutture.
Per questo motivo, prima di qualsiasi intervento di progettazione strutturale su un edificio esistente, è indispensabile eseguire un rilievo con laser scanner 2D, perché restituisce una planimetria accurata dell’edificio, con dati reali e verificabili che affiancato al rilievo critico in sito, fatto direttamente dall’ingegnere strutturista, rende la conoscenza del fabbricato più approfondita rendendo possibile il progetto di restauro.
È il metodo che Facchini Ingegneria adotta sistematicamente, fin dalle prime fasi di ogni intervento, proprio perché consente di lavorare su dati reali fin da subito, evitando le approssimazioni dei rilievi manuali.
I vantaggi delle strutture in acciaio
Oltre alla versatilità e alle potenzialità estetiche presentate fino a qui, vediamo ora quali sono gli altri vantaggi per chi sceglie le strutture in acciaio:
- Velocità di esecuzione e rapidità nella posa: gli elementi strutturali in acciaio vengono progettati, calcolati e poi prodotti in officina prima dell’avvio dei lavori. Quando arrivano in cantiere, quindi, sono già pronti: si assemblano, con piastre e bulloni si saldano, e la struttura prende forma in tempi brevi. Rispettare il cronoprogramma è quindi più facile.
- Precisione: le dimensioni e le caratteristiche meccaniche dell’acciaio sono uniformi e prevedibili, perché è un materiale omogeneo e isotropo, il che significa che si comporta allo stesso modo in tutte le direzioni e che le sue proprietà sono note con precisione prima ancora che l’elemento venga posato essendo un materiale prodotto in stabilimento (nelle acciaierie).
- Sostenibilità: l’acciaio è riciclabile al 100% senza perdere le proprie proprietà meccaniche. Questa è una delle ragioni per cui è considerato uno dei materiali più sostenibili disponibili oggi per le costruzioni e ha conseguenze pratiche anche per chi progetta o deve rispettare i Criteri Ambientali Minimi (C.A.M.).
Come avviene la progettazione strutturale con elementi in acciaio
Uno degli strumenti principali della progettazione strutturale avanzata è l’analisi agli elementi finiti, comunemente chiamata FEM (Finite Element Method). Si tratta di un metodo di calcolo computazionale che permette di simulare il comportamento di una struttura complessa scomponendola in elementi più semplici e calcolando le sollecitazioni in ogni punto.
Nel caso delle strutture in acciaio, la modellazione FEM consente di ottimizzare le sezioni dei profili per prevedere esattamente il materiale necessario.
La modellazione precisa è ciò che permette di ottenere sezioni snelle ed esteticamente gradevoli, mantenendo tutti i margini di sicurezza richiesti dalla normativa. È uno degli strumenti che Facchini Ingegneria utilizza nella progettazione strutturale, insieme al calcolo dinamico Time History per le strutture in zona sismica.
Una volta completata, lo studio di ingegneria produce i disegni esecutivi dettagliati da cui verranno prodotti fisicamente gli elementi in acciaio dalla carpenteria. Contengono le dimensioni esatte dei profili, la posizione dei fori per i bulloni, i dettagli delle saldature, le sequenze di montaggio, permettendo che modelli di calcolo e realizzazione siano congruenti.
La carpenteria metallica, sulla base dei disegni esecutivi, produrrà poi i disegni d’officina che devono essere verificati dall’ingegnere strutturista prima che la produzione inizi, in modo che quello che verrà costruito corrisponda esattamente a quello che è stato calcolato.
Un errore in questa fase, se non intercettato, si scopre in cantiere, quando il Direttore dei lavori si trova poi a dover gestire costi, ritardi e rischi per la buona riuscita dell’opera. Un problema a cui si sommano le conseguenze in termini di sicurezza durante i lavori e dopo che sono stati eseguiti.
La verifica da parte di un ingegnere strutturista è un passaggio sempre necessario, soprattutto quando l’edificio si trova in zona sismica 2 e 3, come il territorio di Modena e provincia.
Per approfondire il tema della progettazione strutturale in zona sismica e il ruolo dell’ingegnere strutturista in questo contesto, puoi leggere il nostro articolo dedicato: Progettazione strutturale in zona sismica: quando e perché affidarsi a un ingegnere strutturista
Perché coinvolgere l’ingegnere strutturista fin dal concept
Le decisioni prese nelle prime fasi di un progetto edilizio hanno conseguenze su tutto il resto. La posizione di una trave, la scelta tra un nodo, la sezione di un profilo sono aspetti che vanno definiti a monte. Modificare queste scelte a progetto avanzato ha un impatto su costi e tempi. Coinvolgere uno studio di ingegneria strutturale permette di valutare fin da subito i requisiti tecnici più indicati.
Non solo, l’ingegnere strutturista si occupa del computo metrico strutturale già nelle fasi preliminari del progetto e questo permette di definire le quantità di materiale necessarie e stimarne il costo, consentendo al committente di avere una visione realistica dell’investimento, fin dall’inizio.
Nel caso dell’acciaio, questo aspetto è particolarmente rilevante perché il prezzo dell’acciaio può fluttuare in modo significativo nel tempo, in funzione dei mercati delle materie prime. Tenere conto di questa variabile nella pianificazione economica del progetto è parte del lavoro che lo strutturista svolge a supporto del committente e dei professionisti che collaborano con lui.
Affidarsi a uno studio di ingegneria strutturale che segue tutte queste fasi, si occupa della direzione dei lavori, del coordinamento della sicurezza in fase di cantiere, del collaudo strutturale e delle pratiche edilizie significa collaborare alla pari con un unico interlocutore che conosce il progetto in ogni suo dettaglio.
Facchini Ingegneria: progettazione strutturale in acciaio a Modena e provincia
Facchini Ingegneria è uno studio di ingegneria civile di Modena specializzato nella progettazione strutturale e architettonica di edifici residenziali, storici e di nuova costruzione. Affianchiamo architetti, geometri e committenti privati in ogni fase del progetto.
Lavoriamo con l’acciaio in molti dei contesti descritti in questo articolo: scale interne, cerchiature, solai misti, sopraelevazioni, ampliamenti, rinforzo di pilastri esistenti, nuove costruzioni in zona sismica. Il nostro approccio parte dall’ascolto delle esigenze del committente e dal dialogo con i professionisti che già seguono il progetto, per trovare la soluzione strutturale più adatta, senza imporre vincoli inutili al progetto architettonico.
Siamo certificati esperti C.A.M. (Criteri Ambientali Minimi per l’edilizia secondo la norma ISO/IEC 17024) e operiamo principalmente a Modena e provincia.
Se stai lavorando a un progetto in cui l’acciaio potrebbe essere la soluzione giusta, o se hai bisogno di un confronto tecnico preliminare su una struttura esistente, contattaci senza impegno.