Elementi strutturali: quali sono e come verificarli
Gli elementi strutturali costituiscono la struttura portante di un edificio e hanno il compito di resistere ai carichi. Scopri quali sono e come verificarli
Nell’ambito dell’architettura e dell’ingegneria civile, gli elementi strutturali rivestono un ruolo di vitale importanza per la realizzazione di edifici stabili, sicuri e funzionali. Questi elementi costituiscono l’ossatura portante del sistema edilizio e hanno il compito di collaborare sinergicamente per sopportare e distribuire il carico in modo equilibrato, e garantire così la stabilità dell’intero edificio.
Recentemente, l’uso di tecnologie avanzate come l’openBIM e il formato IFC (Industry Foundation Classes) ha rivoluzionato il modo in cui questi componenti sono progettati, rappresentati e gestiti, migliorando la collaborazione tra i diversi professionisti e aumentando l’efficienza dei progetti edilizi. Un esempio significativo di questa evoluzione è rappresentato dallo schema IfcStructuralElementsDomain, che consente una rappresentazione dettagliata e standardizzata degli elementi strutturali, supportando una gestione più precisa e una comunicazione senza barriere tra i vari attori del processo edilizio.
Se desideri approfondire ulteriormente la comprensione degli elementi strutturali, leggi l’articolo e scopri i dettagli che contribuiranno a fornirti una visione completa sulla progettazione e la verifica di tali componenti. Inoltre, per affrontare con successo le sfide legate alla stabilità e alla sicurezza nelle costruzioni, può esserti utile iniziare ad usare gratuitamente per 30 giorni un software per il calcolo strutturale. Grazie alle sue funzionalità avanzate di calcolo e simulazione, puoi analizzare e verificare gli elementi strutturali dei tuoi edifici in modo preciso e tempestivo per migliorare l’efficienza e la sicurezza del tuo lavoro.
Che cosa sono gli elementi strutturali?
Gli elementi strutturali sono le componenti fondamentali di un edificio o di un’infrastruttura e, nel loro insieme, formano l’ossatura portante a cui viene affidata la responsabilità di sostenere e trasferire i carichi, resistere alle forze interne ed esterne e fornire stabilità, sicurezza e supporto alla struttura nel suo complesso.
Esempi comuni di elementi strutturali includono i pilastri, le travi, le pareti portanti, ecc. Questi elementi assumono forme diverse, ciascuna progettata per svolgere un ruolo specifico nel garantire la coesione e la robustezza dell’intero sistema strutturale. Possono essere, inoltre, realizzati in diversi materiali, come cemento armato, acciaio, legno o materiali compositi fibrorinforzati. La scelta del materiale e la configurazione da attribuire ad ogni elemento dipenderanno dalle specifiche esigenze di progetto, nonché dal tipo di struttura che si intende realizzare e da considerazioni accurate sulla sicurezza e la stabilità dell’opera.
Oltre alla loro funzione portante, è essenziale riconoscere che gli elementi strutturali possono assumere un ruolo di rilievo anche dal punto di vista estetico. Questo aspetto diventa particolarmente cruciale in contesti architettonici in cui tali elementi non solo devono sopportare i carichi fisici, ma devono anche contribuire in modo significativo all‘estetica complessiva dell’edificio. In queste situazioni, la progettazione degli elementi strutturali richiede un’integrazione equilibrata tra l’ingegneria strutturale e il disegno architettonico, in modo da garantire che la forma e la disposizione di pilastri, travi e altri elementi riflettano non solo la robustezza strutturale, ma anche una visione estetica coerente con il design globale dell’edificio.
12 componenti fondamentali di una struttura edilizia
Ogni edificio, che sia una casa residenziale, un complesso commerciale o una grande infrastruttura industriale, è costituito da diversi elementi strutturali fondamentali che lavorano insieme per garantire la stabilità, la sicurezza e la funzionalità complessiva. Comprendere il ruolo di ciascun componente è essenziale per progettare e realizzare edifici che siano sicuri, resistenti e duraturi. Di seguito sono descritti i 12 componenti principali:
fondazione: è la base su cui poggia l’intero edificio e ha il compito di trasferire i carichi della struttura al terreno. È uno degli elementi più importanti per la stabilità complessiva, poiché un’errata progettazione della fondazione può compromettere l’intera costruzione. Esistono diversi tipi di fondazioni, come quelle superficiali (per edifici più leggeri) e quelle profonde (per terreni instabili o edifici molto pesanti), e la scelta dipende dalla tipologia del terreno e dal carico strutturale previsto;
pilastri: sono elementi verticali che sopportano il carico proveniente dai piani superiori e lo trasferiscono alle fondazioni. Possono essere realizzati in vari materiali come cemento armato, acciaio, legno o pietra, e sono progettati per resistere principalmente a forze di compressione. La loro dimensione e distribuzione sono fondamentali per garantire una distribuzione uniforme dei carichi verticali e per mantenere l’equilibrio strutturale;
travi: sono elementi orizzontali fondamentali per trasferire i carichi dalle superfici superiori (come pavimenti o tetti) ai pilastri. Possono essere realizzate in vari materiali e assumere diverse forme (ad esempio travi reticolari, travi a mensola o travi a sbalzo), a seconda delle esigenze progettuali. La loro funzione principale è quella di distribuire il carico in modo uniforme verso i pilastri, evitando deformazioni eccessive;
pareti: sono uno degli elementi più visibili e funzionali di un edificio. Oltre a suddividere gli spazi interni, le pareti portanti svolgono un ruolo cruciale nel sostenere carichi verticali e nel fornire stabilità laterale. Le pareti portanti possono essere realizzate in muratura, cemento armato o materiali compositi, e sono progettate per resistere alle forze di compressione e sismiche. In alcuni casi, le pareti non portanti vengono usate per scopi divisori o estetici, ma anch’esse devono garantire la sicurezza e la funzionalità;
solai: sono le strutture orizzontali che separano i vari piani di un edificio. Sono progettati per distribuire i carichi verticali e per fornire supporto agli spazi superiori. I solai possono essere realizzati in calcestruzzo, acciaio o legno, e la loro progettazione deve tenere conto delle sollecitazioni a cui sono sottoposti, come il peso delle persone, degli arredi e delle attrezzature. Inoltre, devono garantire isolamento acustico e termico;
tetto: è la parte superiore di un edificio che lo protegge dalle intemperie, come pioggia, neve, vento e sole. Esso deve essere progettato per sopportare carichi pesanti (come neve o vento) e per garantire una buona impermeabilità e ventilazione. I tetti possono essere a falda, piani o a cupola, e sono realizzati con materiali diversi, come tegole, lamiera, cemento o materiali impermeabilizzanti. Inoltre, è importante che il tetto sia correttamente integrato con la struttura sottostante per evitare infiltrazioni d’acqua;
scale: sono elementi verticali che consentono il collegamento tra i diversi piani di un edificio. Sono progettate per garantire la sicurezza durante l’uso, con corrimano e gradini antiscivolo. Le scale possono essere realizzate in vari materiali, come cemento, acciaio o legno, e la loro progettazione deve rispettare le normative di sicurezza, come la larghezza dei gradini, la pendenza e la resistenza al carico. Possono essere interne o esterne all’edificio, a seconda delle esigenze;
finestre: sono aperture nelle pareti destinate a garantire l’illuminazione naturale, la ventilazione e la connessione visiva con l’esterno. Oltre a svolgere una funzione estetica, le finestre devono essere progettate per resistere agli agenti atmosferici, offrendo al contempo una buona prestazione termica e acustica. Possono essere realizzate in legno, PVC o alluminio, con vetri singoli o doppi, a seconda delle necessità di isolamento;
porte: sono aperture che consentono l’accesso e l’uscita da un edificio o da una stanza. Esse devono garantire la sicurezza, impedendo accessi non autorizzati, ma anche consentire una facile circolazione. Le porte possono essere realizzate in diversi materiali, come legno, vetro, metallo o PVC, e la loro progettazione deve rispondere a specifiche esigenze funzionali, come la protezione antincendio, la resistenza alle effrazioni e il controllo acustico;
piani: rappresentano i vari livelli orizzontali di un edificio. Ogni piano è costituito da una superficie solida (solaio) che funge da supporto per gli ambienti e gli arredi. I piani devono essere progettati per sopportare carichi specifici, garantendo una distribuzione uniforme delle forze e impedendo deformazioni strutturali. La progettazione dei piani deve tener conto anche degli spazi interni, delle necessità di accesso e di movimentazione, e della distribuzione dei carichi;
struttura portante: è l’insieme di tutti gli elementi principali (pilastri, travi, solai, ecc.) che costituiscono lo scheletro dell’edificio. Essa è progettata per garantire che l’edificio possa sopportare i carichi a cui è sottoposto (carichi permanenti, variabili, sismici, ecc.) senza subire danni strutturali. Una corretta progettazione della struttura portante è fondamentale per la sicurezza e la stabilità dell’edificio nel tempo;
finiture: sono gli elementi estetici finali che conferiscono all’edificio il suo aspetto esteriore e interno. Le finiture comprendono pavimentazioni, pitture, rivestimenti murali, soffitti, e altri dettagli che non solo contribuiscono all’estetica, ma proteggono anche i materiali sottostanti dall’usura e dagli agenti atmosferici. Sebbene non abbiano una funzione portante, le finiture sono cruciali per il comfort e la durata dell’edificio nel tempo.
Elementi strutturali primari e secondari
Gli elementi strutturali di un edificio si dividono in primari e secondari, a seconda del loro ruolo e della loro importanza nella struttura portante.
Gli elementi strutturali primari sono quelli che svolgono il ruolo principale nel garantire la resistenza e la stabilità dell’edificio. Questi elementi sono progettati per sopportare i carichi verticali e orizzontali, trasferendoli alle fondazioni o ad altri componenti strutturali. I pilastri, ad esempio, sono responsabili di sostenere il peso dell’edificio e di trasferirlo alle fondazioni.
Gli elementi secondari sono costituiti da quegli elementi la cui rigidezza e resistenza possono essere trascurate nell’analisi della risposta sismica della struttura e che sono, quindi, progettati per resistere ai soli carichi verticali.
Si tratta di elementi che possono essere considerati di minore importanza rispetto agli elementi principali. Tuttavia, è importante notare che, nonostante la loro definizione di “elementi secondari”, questi elementi devono comunque essere in grado di assorbire le deformazioni della struttura in caso di azione sismica. Ciò significa che, pur non contribuendo significativamente alla resistenza e alla rigidità strutturale sotto l’azione dei carichi, gli elementi strutturali secondari devono essere in grado di mantenere la loro capacità portante nei confronti dei carichi verticali, specialmente in presenza di azioni sismiche.
La classificazione degli elementi strutturali come primari o secondari può variare a seconda del tipo di struttura e delle caratteristiche del progetto. Le Norme Tecniche per le Costruzioni del 2018 (NTC 2018) forniscono, comunque, linee guida dettagliate per la progettazione e la classificazione di tali elementi in base alla loro importanza e funzionalità specifica.
Come progettare e verificare gli elementi strutturali
La progettazione e la verifica degli elementi strutturali è un procedimento complesso che richiede una conoscenza approfondita dell’ingegneria strutturale e delle normative tecniche di settore. Di seguito sono forniti alcuni passaggi generali che potrai seguire durante questo processo per garantire la sicurezza, la stabilità e la funzionalità delle tue strutture:
analisi delle azioni: la prima fase consiste nell’analizzare e determinare le azioni che agiranno sugli elementi strutturali. Queste azioni includono il carico permanente (come il peso proprio dell’elemento) e il carico variabile (come il carico degli occupanti, l’azione del vento, ecc.). È necessario considerare anche eventuali azioni sismiche, se applicabili;
scelta dei materiali: in base alle caratteristiche della struttura, come il tipo di carico e le condizioni ambientali, è necessario selezionare i materiali più appropriati per gli elementi strutturali. Ad esempio, per le travi e i pilastri potrebbero essere utilizzati acciaio o calcestruzzo armato;
progettazione preliminare: sulla base dei principi dell’ingegneria strutturale e delle normative di riferimento, viene effettuata una progettazione di massima degli elementi strutturali. Questa fase prevede la determinazione delle dimensioni, delle sezioni trasversali e delle geometrie degli elementi;
analisi strutturale: utilizzando metodi di analisi strutturale, come il calcolo agli elementi finiti o l’analisi agli stati limite, vengono valutate le prestazioni degli elementi strutturali sotto le azioni previste. L’obiettivo è verificare che gli elementi siano in grado di sopportare i carichi e di garantire la stabilità strutturale;
verifica della resistenza: si procede alla verifica della resistenza degli elementi strutturali per assicurarsi che le tensioni e gli sforzi interni siano inferiori alle capacità di resistenza dei materiali utilizzati. Questa verifica deve essere effettuata in base alle normative e alle regole di progettazione previste nell’area geografica in cui viene realizzata la struttura;
verifica della stabilità: oltre alla resistenza, è necessario verificare la stabilità globale della struttura e dei singoli elementi strutturali. Questa verifica tiene conto di fenomeni critici come il ribaltamento, lo scorrimento e il cedimento laterale. Serve ad assicurare che la struttura sia adeguatamente vincolata e che siano prese le misure necessarie per contrastare tali fenomeni;
verifica delle deformazioni: un’ulteriore verifica consiste nel controllare le deformazioni degli elementi strutturali. Ciò comporta l’analisi delle deformazioni elastiche e delle deformazioni plastiche, per garantire che rientrino nei limiti accettabili e che non compromettano la funzionalità dell’edificio;
verifica delle connessioni: durante la progettazione, è necessario verificare anche le connessioni strutturali tra i diversi elementi (come i nodi tra le travi e i pilastri, o i collegamenti tra le pareti portanti) al fine di garantire una corretta trasmissione delle forze e una buona capacità di resistenza.
Per ottimizzare il processo di progettazione e verifica degli elementi strutturali, è indispensabile affidarsi all’aiuto di un software per il calcolo strutturale, uno strumento BIM-based che ti fornisce rappresentazioni grafiche chiare ed immediate dei risultati di calcolo direttamente sul modello BIM del tuo edificio. Sfruttando le potenti capacità di simulazione di questo strumento, potrai effettuare analisi strutturali accurate, verificare la resistenza e la stabilità dei tuoi elementi strutturali e ottenere risultati affidabili in tempi rapidissimi. Provalo gratuitamente per trenta giorni e scopri tutte le funzionalità che ti permetteranno di semplificare il tuo lavoro, risparmiare tempo prezioso, ridurre il margine di errore e assicurare la massima sicurezza e affidabilità dei tuoi progetti strutturali.
IfcStructuralElementsDomain e la nuova frontiera della progettazione strutturale
Nel settore delle costruzioni, sempre più digitalizzato, concetti come openBIM e IFC sono diventati fondamentali. L’openBIM è un approccio collaborativo che utilizza standard aperti che permettono a tutti i partecipanti di condividere informazioni senza limitazioni dovute ai software proprietari e uno degli standard più rilevanti nell’openBIM è il formato IFC, che fornisce un linguaggio comune per la rappresentazione digitale degli elementi edilizi, facilitando la comunicazione tra architetti, ingegneri e costruttori. Il dominio IfcStructuralElementsDomain è una parte fondamentale dello standard IFC, in quanto permette di rappresentare una vasta gamma di elementi strutturali e sottoparti degli edifici, come fondazioni, rinforzi e caratteristiche speciali.
Ma cosa significa esattamente rappresentare un elemento strutturale nel contesto di un progetto BIM? Immagina di dover descrivere nei dettagli ogni singola componente di una struttura complessa, come una colonna o una fondazione. Lo schema IfcStructuralElementsDomain è progettato per fare proprio questo: fornire una descrizione precisa, standardizzata e comprensibile per ogni singolo componente strutturale, aiutando i diversi attori del progetto a capirne la funzione e il ruolo.
IfcStructuralElementsDomain: elementi strutturali rappresentati, quantità e proprietà
Lo schema IfcStructuralElementsDomain include vari tipi di elementi strutturali. Tra i principali troviamo:
fondazioni: elementi come pali (IfcPile) e platee (IfcFooting) che sono utilizzati per distribuire il peso dell’edificio al terreno. Lo schema include anche tipi specifici come IfcCaissonFoundation, adatto per terreni instabili;
rinforzi: elementi come barre di armatura (IfcReinforcingBar) e reti di rinforzo (IfcReinforcingMesh) che sono essenziali per aumentare la resistenza del calcestruzzo armato;
caratteristiche speciali: componenti come tendini (IfcTendon) e elementi di vuoto (IfcVoidingFeature), importanti per strutture in calcestruzzo precompresso.
Questi dettagli non solo descrivono le componenti fisiche, ma permettono anche l’analisi e il coordinamento delle interazioni tra le parti, garantendo la sicurezza e la stabilità della costruzione.
Lo schema IfcStructuralElementsDomain offre anche la possibilità di associare proprietà e quantità agli elementi strutturali per migliorare la gestione del progetto. Un esempio di property sets è rappresetntata dal Pset_FootingCommon che fornisce informazioni sulla fondazione, come il materiale e il tipo di armatura o dal Pset_ReinforcementBarPitchOfBeam che definisce il passo delle barre di rinforzo in una trave. Mentre le quantity sets come Qto_FootingBaseQuantities permettono di calcolare volumi, aree e altre metriche, ottimizzando la gestione dei costi e la pianificazione delle operazioni in cantiere.
Vantaggi dell’utilizzo di IfcStructuralElementsDomain
L’adozione dello schema IfcStructuralElementsDomain porta numerosi vantaggi pratici per architetti, ingegneri e proprietari di edifici, come ad esempio:
migliore coordinamento: la rappresentazione standardizzata degli elementi strutturali consente a tutti i professionisti di accedere alle stesse informazioni, riducendo gli errori e aumentando l’efficienza;
ottimizzazione dei costi: con informazioni dettagliate su materiali e quantità, è possibile ottimizzare l’acquisto dei materiali, ridurre gli sprechi e mantenere il controllo sui costi di costruzione. Inoltre, la gestione accurata delle risorse migliora anche la pianificazione delle operazioni in cantiere;
affidabilità e sicurezza: l’uso di uno schema standardizzato permette agli ingegneri di effettuare analisi precise sulla resistenza e sulla stabilità delle strutture, contribuendo a garantire la sicurezza dell’edificio e a minimizzare i rischi.
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