Come costruire una casa/La struttura portante

In fase di progettazione architettonica si definisce in linea di massima il tipo di struttura portante che la casa può avere. Le valutazioni che a questo punto possono incidere sono le particolari soluzioni estetico-costruttive e tecniche nonché l'utilizzo di particolari sezioni. Solitamente in questa fase hanno rilievo le geometrie e gli effetti di massa ad esempio certi tipi di trattamento superficiale, struttura a vista, grandezza delle aperture geometria delle piante e dell'alzato. Si procede quindi con un progetto di predimensionamento su valutazioni di massima e non necessariamente utilizzando l'approccio degli Stati Limite, bensì quello alle Tensioni Ammissibili.

Nella fase ingegneristica le considerazioni di massima vengono verificate e confrontate con le reali sollecitazioni che la struttura deve sopportare e che il terreno può trasmettere attraverso le fondazioni.

La scelta del materiale da costruzione per la struttura e la conseguente tipologia costruttiva (principio costruttivo) è eseguito in funzione delle capacità tecniche in sito nonché della disponibilità in loco dei materiali e della manodopera qualificata, nonché delle disponibilità economiche del committente.

Qualsiasi materiale può essere impiegato per la realizzazione di un edificio, ma gli unici ai quali ci si può affidare senza aumentare i costi per prove sperimentali perché di massima già normati sono il calcestruzzo armato e non, l'acciaio, l'alluminio, muratura e legno.

L'utilizzo di uno di questi materiali incide anche sulle seguenti scelte sia della struttura medesima, ad esempio l'impiego di determinate geometrie degli elementi strutturali, che per gli elementi di tamponamento.

L'utilizzo dell'acciaio nelle costruzioni civili (abitazioni) è molto diffuso in Gran Bretagna e per grandi strutture come grattacieli. Le sue proprietà di elevata elasticità e duttilità e al rapporto favorevole tra peso e resistenza lo fanno un eccellente materiale per strutture caratterizzate dalla snellezza degli elementi strutturali. All'utilizzo dell'acciaio negli edifici è abbinato l'uso di tamponamenti verticali solitamente prefabbricati che possono essere ancorati direttamente alla struttura portante. In alternativa si possono realizzare tamponature in laterizio o in cartongesso.

Nell'Europa centrale e in Italia è molto utilizzato in calcestruzzo armato. Questo è un materiale definibile come "roccia artificiale", molto resistente per sua natura a sollecitazioni di compressione, ma non di trazione. L'utilizzo delle barre di armatura aumentano la resistenza delle sezioni degli elementi strutturali alle sollecitazioni di trazione (trazione pura e flessione). Le strutture in calcestruzzo armato sono più massicce, monolitiche e il rapporto tra la loro massa e la resistenza è sicuramente sfavorevole rispetto a quello delle strutture in acciaio (in metallo in generale). Con questo materiale in genere la struttura può essere concepita a telaio in pilastri e travi o in muratura (sempre in calcestruzzo armato) e travi.

Le strutture in legno possono essere realizzate assemblando travi e pilastri sia con pannelli. Il legno è un ottimo materiale da costruzione per edifici di piccole e medie dimensioni (ad ora per edifici fino a tre o quattro piani), esso è impiegato in associazione di elementi metallici per i collegamenti tra le parti e garantisce ottimo comportamento in risposta alle sollecitazioni orizzontali in generale (vento e sisma). Il dimensionamento degli elementi strutturali in legno deve tener conto del taglio del legno e delle disposizioni delle fibre rispetto alla direzione delle azioni sollecitanti. In questa trattazione non sono state prese in considerazione le differenze tra legno massiccio e legno lamellare.

Lo studio dei giunti tra gli elementi strutturali (giunti trave-colonna) costituiscono i punti di maggior importanza strutturale ed economica del progetto. Attraverso questi elementi le forze sono trasferite dalla cima della struttura al suolo e la loro accuratezza nella progettazione e nella realizzazione è molto importante affinché la struttura si comporti come teoricamente pronosticato in fase di progettazione e calcolo.

I solai costituiscono le masse sospese della struttura e questo è molto importante nell'analisi sismica. Minori sono le masse sospese, minori sono le sollecitazioni orizzontali a cui la struttura sarà sollecitata sia orizzontalmente che verticalmente per effetti di eccentricità nei punti di appoggio (fuori piombo ed effetti del secondo ordine).

A seconda degli schemi strutturali adottati il progettista deve considerare la presenza di elementi controventanti per trasferire le sollecitazioni orizzontali dai solai alla struttura verticale ed infine al suolo. Nelle strutture metalliche ad uso abitativo lo schema statico impiegato è quello pendolare, quindi i giunti tra travi e pilastri sono molto semplici, solitamente imbullonati, quindi meno costosi, ma in questo modo essi si comportano proprio come delle cerniere. In questo caso la struttura deve essere dotata di almeno tre controventi verticali che possono essere realizzati utilizzando le sistemi a tiranti e/o puntoni (croci di sant'Andrea, sistemi eccentrici) o demandando la funzione di resistere alle forze orizzontali a pareti in calcestruzzo armato che possono costituire il nucleo delle scale e dell'ascensore se previsto. Nelle strutture in calcestruzzo armato normalmente si utilizza il vano scale e il vano ascensore quale elemento controventate.

La resistenza al fuoco è un altro dei fattori da non trascurare in fase di progettazione delle strutture. Per normali strutture ad uso abitativo questo non è molto indicativo nell'indirizzamento sulla scelta del tipo di struttura. Il problema della resistenza al fuoco è comune in tutte le tipologie di strutture e lo si affronta diversamente a seconda del materiale impiegato. Nelle strutture in acciaio il problema della alte temperature (oltre 500°C) ad un abbassamento progressivo della resistenza a parità di carico per cui la protezione degli elementi strutturali può avvenire con materiali ignifughi e isolanti come laterizi, pannelli in cartongesso, rivestimenti in schiume o vernici intumescenti.

Nelle strutture in calcestruzzo armato il problema è sempre legato alla parte in acciaio del manufatto. I tondini annegati nel calcestruzzo hanno il ruolo di resistere a trazione, ma se soggetti ad elevate temperature lo strato di calcestruzzo adibito a copriferro non è più in grado di isolarle per cui si presenta lo stesso problema a cui sono soggette le strutture metalliche.

Per le strutture in legno il problema è risolto con il sovradimensionamento delle sezioni resistenti secondo il principio per cui la zona carbonizzata della sezione ha resistenza nulla alle sollecitazioni. Questo metodo ha un secondo fine, quello di rallentare ulteriormente l'avanzamento della carbonizzazione della sezione con la profondità nella sezione medesima.