Strutture | Acciaio

Profili in acciaio formati a freddo per sistemi leggeri e sostenibili

L’impiego del Il sistema costruttivo Steelmax composto di profili in acciaio formati a freddo ha come vantaggi la leggerezza, l’elevata efficienza strutturale, la durabilità, la rapidità e la semplicità di montaggio e si traducono nell’offerta di un sistema costruttivo competitivo e versatile. 

L’attuale richiesta del mercato delle costruzioni ruota intorno al concetto di casa sicura, efficiente e confortevole, in una parola «tecnologica».
In seguito all’avvicendarsi di eventi naturali straordinari è andata sviluppandosi una maggior sensibilità rispetto al tema della sicurezza strutturale. Per questo il comportamento della struttura specie nei confronti dei carichi orizzontali e in particolare del sisma è materia di ricerca sia in campo industriale che accademico.
La sinergia tra questi due settori permette di sviluppare nuove tecnologie. Su questa linea si porgono soluzioni costruttive innovative come l’impiego strutturale di profili in acciaio formati a freddo (Cfs).

(fig.1)

(fig.1)

I vantaggi offerti dall’utilizzo di questa tipologia di elementi quali la leggerezza, l’elevata efficienza strutturale, la durabilità, la rapidità e la semplicità di montaggio si traducono nell’offerta di un sistema costruttivo estremamente competitivo e versatile. Ne risulta una tecnologia costruttiva che consente la costruzione di fabbricati di piccole-medie dimensioni e la realizzazione di sopraelevazioni e ampliamenti.
La massima integrabilità dei profili in cold-formed con i prodotti dell’edilizia «a secco» permette inoltre di realizzare involucri altamente prestazionali ed energeticamente efficienti.

(Fig.2)

(Fig.2)

Il sistema strutturale Steelmax si basa sull’impiego di componenti strutturali ottenuti mediante piegatura a freddo di lamiere sottili, opportunamente collegati tra loro per la realizzazione di sistemi intelaiati portanti. La particolarità di Steelmax sta nell’utilizzare un unico profilo per la realizzazione di ciascuna delle sue componenti strutturali (figg. 1, 2).
Tuttavia la novità e la complessità d’utilizzo di elementi formati a freddo in ambito strutturale richiede un’esaustiva caratterizzazione del comportamento meccanico del sistema ottenibile solo mediante prove sperimentali.

(Fig. 3)

(Fig. 3)

Per questo motivo l’Università degli Studi di Trento, in collaborazione con Cogi, sta conducendo da alcuni anni delle campagne sperimentali che interessano le diverse componenti di questa tipologia strutturale.
In particolare le fasi della ricerca hanno riguardato:
– lo studio della geometria del profilo al fine di indagare le problematiche relative ai fenomeni di instabilità e pervenire alla definizione della sezione ottimale;
– le prove a compressione (fig. 3) condotte su profili singoli di diverse altezze per poter caratterizzare il comportamento degli elementi verticali sottoposti a carico di punta;
– le prove a flessione su quattro punti su profili singoli e binati per determinare l’inerzia della sezione;

(Fig. 4)

(Fig. 4)

– le prove condotte sui pannelli di parete (fig. 4) per poter analizzare la risposta del sistema nei confronti dei carichi verticali e orizzontali sia in campo statico che ciclico;
– le prove a flessione su quattro punti su travi reticolari;
– le prove a taglio sulle lastre di rivestimento per poter definire le caratteristiche meccaniche dei materiali componenti le stesse;
– le prove a taglio sulle connessioni lastra-ossatura metallica al fine di determinare la rigidezza dei connettori in funzione del passo di fissaggio;
– le prove a trazione sui dispositivi anti-ribaltamento (hold-down) per conoscerne la rigidezza e il carico di collasso.

(Fig. 5)

(Fig. 5)

La progettazione nei confronti dell’azione orizzontale (sismica e vento) è un aspetto molto importante. Si è quindi ritenuto opportuno studiare diverse configurazioni di pannelli di parete.
Lo studio ha riguardato sistemi di controvento realizzati sia con travature reticolari di acciaio, sia mediante elementi diagonali a croce, ma anche il contributo di tipologie differenti di lastre di rivestimento a base di fibro-cemento e di gesso-fibrato.
L’interazione lastra-ossatura metallica fornisce un notevole incremento alla capacità della parete di resistere all’azione orizzontale agente (fig. 5). Proprio per quantificare questo contributo ciascuna prova di parete è stata condotta sia sulla sola intelaiatura metallica, sia sul sistema lastra-ossatura.
Attualmente la sperimentazione è entrata nella fase conclusiva che prevede di condurre una prova ciclica su un modulo full-scale con pianta rettangolare 5mx10m e due piani.

(Fig. 6)

(Fig. 6)

Il sistema di finitura. La tecnologia strutturale Steelmax consente di essere agevolmente completata con tutti i sistemi di coibentazione termica e acustica forniti dal mondo dell’edilizia «a secco». Il prodotto di questa interazione è un sistema stratificato complesso in cui ciascuno strato assolve a una specifica funzione.
La scelta dei materiali e la loro giustapposizione è tuttavia determinante al fine del raggiungimento di alti standard energetici. Per questo motivo Cogi in collaborazione con l’Università degli Studi di Trento ha approfondito questa tematica avvalendosi dell’esperienza del prof. Ing. Rossano Albatici.
L’attività di ricerca è partita dalla definizione dei pacchetti di parete e di solaio studiandone le prestazioni invernali, definite dal valore di trasmittanza termica ed estive calcolando dunque il valore di trasmittanza termica periodica, di sfasamento orario e di riduzione dell’ampiezza termica (fig. 6).

(Fig. 7)

(Fig. 7)

La scelta dei materiali è stata effettuata considerando due differenti aspetti, da un lato la prestazione, dall’altro la sostenibilità ovvero l’impatto di quel materiale sull’ambiente.
Per fare questo è stata affrontata un’analisi di tipo Lca-LifeCycleAssessment mediante l’utilizzo del software Ecosoft 4.0, il quale determina il valore dell’indice ecologico OI3Kon sulla base del carico ambientale che ciascun materiale ha se si considera la sola fase di costruzione dell’elemento oppure se si considerano la fase di costruzione e di manutenzione dello stesso.

(Fig. 8)

(Fig. 8)

Questo tipo di analisi ha permesso di mettere a confronto sul tema della sostenibilità ambientale pacchetti di parete e di solaio realizzati con materiali differenti, ma accomunati dall’avere un parametro di indagine comune: la prestazione energetica (fig. 7).
Il fine è stato quello di pervenire alla soluzione ottimale sia da un punto di vista energetico che di impatto ambientale (fig. 8).

(Fig. 9)

(Fig. 9)

In riferimento a un modulo residenziale tipo attraverso un software di analisi agli elementi finiti (Comsol Multiphysics) sono stati calcolati i ponti termici e misurato il valore di temperatura sulle superfici interne delle pareti per verificare che non ci fosse formazione di condensa superficiale (fig. 9).
Infine è stata condotta una simulazione energetica dell’edificio per valutare in funzione di parametri variabili quali le prestazioni dei serramenti e dei vetri o ancora degli impianti, la classe energetica di riferimento e i relativi consumi. La simulazione è stata svolta sia in regime stazionario che in regime dinamico.

(Fig. 10)

(Fig. 10)

Attraverso quest’ultima analisi è stato possibile valutare l’andamento delle temperature interne andando ad agire su parametri quali la ventilazione naturale, in termini di apporti vol/h e l’ombreggiamento delle superfici esposte alla radiazione solare.
I risultati ottenuti hanno evidenziato come un edificio leggero opportunamente concepito sia in grado di raggiungere non solo elevati standard energetici, ma soprattutto di garantire un ottimo livello di comfort ai suoi occupanti in tutto il periodo dell’anno (fig. 10).

Prof. Ing. Riccardo Zandonini, Prof. Ing. Rossano Albatici – Università degli Studi di Trento. In collaborazione con Fondazione promozione Acciaio.

Tutte le immagini e i grafici contenuti nel presente articolo sono riferiti al sistema costruttivo Steelmax >> produttore: Cogi srl

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