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Struttura portante edifici

Struttura portante degli edifici: principi e innovazioni

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La struttura portante di un edificio è l’insieme degli elementi che conferiscono stabilità e trasmettono i carichi al suolo. Concetti base e innovazioni

La struttura portante di un edificio può essere considerata come uno scheletro invisibile, una spina dorsale che ha lo scopo di sostenere e garantire la stabilità, la resistenza e la sicurezza dell’intera costruzione nel corso del tempo.

In questo articolo ci proponiamo di esplorare il concetto di struttura portante con l’obiettivo di approfondire i principi di base ed esaminare più da vicino le recenti innovazioni tecnologiche nel campo della progettazione strutturale in edilizia.

Che cosa si intende per struttura portante di un edificio?

La struttura portante di un edificio si riferisce all’insieme degli elementi strutturali, come travi, pilastri, fondazioni e altri elementi, che sono progettati per supportare i carichi agenti (tra cui il peso proprio della struttura, i carichi verticali, i carichi orizzontali, ecc.) al fine di garantire la stabilità, la resistenza e la sicurezza della costruzione nel suo complesso.

La struttura portante ha, quindi, lo scopo di sostenere il peso dell’edificio stesso, oltre ad eventuali carichi aggiunti, come persone, mobili, attrezzature, ecc. Inoltre, essa è responsabile della distribuzione delle forze e delle pressioni generate dal vento, dai terremoti, da azioni accidentali e da altri carichi esterni.

La struttura portante deve essere in grado di resistere a tali sollecitazioni e di trasferirle al terreno in modo sicuro ed efficiente, al fine di garantire la sicurezza e l’incolumità degli occupanti dell’edificio. Le principali componenti di una struttura portante includono:

  • le fondazioni: sono la parte inferiore della struttura e trasferiscono i carichi verticali al terreno. Le fondazioni possono essere superficiali o profonde a seconda delle caratteristiche del terreno;
  • le strutture portanti verticali (pilastri e colonne): include gli elementi verticali che sostengono i carichi provenienti dai piani superiori dell’edificio e li trasferiscono alle fondazioni;
  • le strutture portanti orizzontali (travi e solai): include gli elementi che si estendono orizzontalmente e collegano i pilastri o le colonne per distribuire i carichi orizzontali, come quelli dovuti al vento o ai terremoti;
  • i muri portanti: alcuni edifici possono avere muri che svolgono una funzione portante e contribuiscono, quindi, alla resistenza e alla stabilità dell’edificio;
  • il sistema di copertura: è l’insieme degli elementi (come la capriata) che servono a sostenere il peso del manto di copertura e hanno il compito di resistere all’azione dei carichi esterni causati da pioggia, neve, vento e altri fattori ambientali.
Componenti della struttura portante

Componenti della struttura portante

Quali sono le strutture portanti di un edificio?

Esistono diverse tipologie strutturali utilizzate nella costruzione degli edifici, ognuna delle quali presenta caratteristiche specifiche in termini di prestazioni strutturali, costi e flessibilità progettuale.

È possibile, tuttavia, raggruppare le numerose tipologie di strutture portanti in tre categorie principali, a seconda del sistema costruttivo adottato:

  1. struttura a pareti portanti: è una tipologia di struttura portante che prevede l’utilizzo di pareti verticali per sostenere i carichi verticali e orizzontali dovuti al peso proprio dell’edificio e alle azioni esterne, trasferendo le sollecitazioni alle fondazioni. I muri portanti sono posizionati in modo strategico lungo la pianta dell’edificio e possono essere realizzati in diversi materiali, come muratura, cemento armato o pannelli prefabbricati multistrato. Questo sistema sfrutta la capacità di resistenza in compressione dei materiali per assorbire e distribuire le sollecitazioni strutturali. I muri portanti offrono una buona resistenza all’azione dei carichi e possono contribuire alla stabilità complessiva dell’edificio. Tuttavia, il sistema a pareti portanti può limitare la flessibilità progettuale e può richiedere spessori maggiori dei muri per sostenere carichi più pesanti;
  2. struttura a telaio: il sistema a telaio si basa sull’utilizzo di travi orizzontali e pilastri verticali che lavorano insieme per creare uno scheletro portante estremamente resistente. Le travi trasferiscono il carico orizzontale alle colonne o ai pilastri, che a loro volta lo distribuiscono alle fondazioni. Questo sistema offre una maggiore flessibilità progettuale rispetto ai muri portanti, perché consente di progettare open space e ampie aperture. Le travi e i pilastri possono essere realizzati in diversi materiali, come acciaio o cemento armato, a seconda delle esigenze strutturali. Il sistema a telaio è spesso utilizzato in edifici di grandi dimensioni, come quelli ad uso commerciale o industriale, dove è richiesta una maggiore flessibilità degli spazi interni;
  3. struttura mista: si riferisce a una tipologia strutturale che combina le caratteristiche dei due sistemi visti in precedenza. In questo sistema, le pareti portanti lavorano in sinergia con travi e pilastri per creare una struttura resistente integrata. Questo sistema offre una combinazione di resistenza strutturale e flessibilità progettuale. I materiali utilizzati possono variare a seconda delle specifiche del progetto e delle prestazioni richieste. Il sistema misto è spesso impiegato in edifici di medie e grandi dimensioni, dove è necessario raggiungere un equilibrio tra stabilità strutturale e design architettonico.
Tipologie di struttura portante

Tipologie di struttura portante

I materiali tradizionalmente adottati nelle strutture portanti

Le strutture portanti degli edifici possono essere classificate anche in base ai materiali impiegati nella loro costruzione. Di seguito, analizzeremo alcune delle tipologie strutturali più diffuse:

  • struttura in muratura portante: è una delle tipologie più antiche e tradizionali. Essa utilizza mattoni o blocchi di pietra collegati tra loro con malta per creare pareti portanti. La muratura può essere realizzata in diversi materiali, come mattoni di argilla, blocchi di cemento o pietra naturale, o elementi in laterizio. La muratura portante è apprezzata per la sua resistenza al fuoco e alle intemperie, ma può essere limitata in termini di flessibilità progettuale e resistenza sismica;
  • struttura portante in cemento armato: rappresenta la tipologia più comune e versatile, in quanto consente di realizzare strutture a telaio formate da travi e pilastri. Essa combina il cemento, un materiale resistente alla compressione, con l’acciaio, resistente invece alla trazione. Questa combinazione crea un materiale composito che offre una buona resistenza, stabilità e durabilità nel tempo. Le strutture in cemento armato sono utilizzate per una vasta gamma di edifici, che vanno dalle abitazioni civili agli edifici commerciali e industriali;
  • struttura portante in acciaio: le strutture in acciaio sono ampiamente utilizzate nell’architettura moderna. L’acciaio offre una serie di vantaggi, tra cui resistenza meccanica elevata, leggerezza e possibilità di prefabbricazione. Le strutture in acciaio garantiscono una maggiore flessibilità progettuale. La loro versatilità consente di realizzare ampie aperture, spazi aperti e forme architettoniche complesse. Tuttavia, è importante adottare adeguate misure di protezione contro la corrosione per garantire l’integrità degli elementi strutturali in acciaio nel corso del tempo e contro il fuoco;
  • struttura portante in legno: l’utilizzo del legno per realizzare la struttura portante di un edificio rappresenta una scelta sostenibile ed ecologica. Si tratta di un materiale naturale che offre una buona resistenza alla compressione e alla trazione, è molto leggero e facile da lavorare, e garantisce un’adeguata flessibilità nella progettazione degli spazi. Le strutture in legno offrono un’eccellente resistenza sismica e un’alta capacità di isolamento termico. Tuttavia, possono richiedere particolari protezioni contro l’umidità, gli insetti e il fuoco.

Esempi di strutture portanti innovative

Negli ultimi anni, con l’avvento di tecnologie innovative, sono state sviluppate nuove tipologie strutturali che forniscono ulteriori vantaggi in termini di resistenza, leggerezza e flessibilità progettuale, e offrono soluzioni creative e sostenibili per la costruzione degli edifici. Esaminiamo insieme alcune delle innovazioni più interessanti in questo settore:

  • strutture portanti prefabbricate: si basano sull’utilizzo di elementi strutturali che vengono fabbricati in un luogo diverso dal sito di costruzione principale, per poi essere trasportati ed assemblati sul posto. Questa metodologia offre numerosi vantaggi, come una maggiore velocità di costruzione, una riduzione dei costi e un migliore controllo della qualità. Le strutture portanti prefabbricate possono includere elementi come pilastri, travi, pannelli murali e pavimenti, che vengono prodotti con la massima precisione ed efficienza in stabilimenti specializzati. L’adozione di questa metodologia non solo accelera il processo di costruzione, ma contribuisce anche a migliorare la sicurezza sul cantiere e a ridurre gli sprechi di materiali;
  • strutture portanti a telaio ibrido: queste strutture combinano materiali diversi, come acciaio e legno, per sfruttare le caratteristiche positive di entrambi. L’acciaio offre resistenza e durabilità, mentre il legno fornisce comfort termico e un aspetto estetico naturale. Queste strutture portanti sono utilizzate per la costruzione di edifici residenziali e commerciali, e consentono una maggiore versatilità progettuale, oltre ad una riduzione dell’impatto ambientale;
  • strutture portanti in materiali compositi: i materiali compositi rinforzati combinano fibre di vetro o carbonio con resine polimeriche, e sono utilizzati per la creazione di strutture leggere ad alta resistenza. Questi materiali sono noti per la loro durabilità e richiedono una bassa manutenzione. La loro capacità di raggiungere resistenze eccezionali e di garantire la massima flessibilità li rende particolarmente adeguati per edifici ad alta tecnologia, come grattacieli o strutture aerospaziali;
  • strutture portanti a membrana tensostatica: sono sistemi che sfruttano l’uso di membrane tessili tese per creare strutture portanti leggere e flessibili. Le membrane tensostatiche possono essere realizzate in materiali come il poliestere o il PTFE e vengono tese tra pilastri o travi per creare spazi coperti. Sono ampiamente utilizzate in coperture di stadi, aree ricreative e strutture temporanee;
  • strutture portanti a stampaggio 3D: la tecnologia di stampa 3D è stata applicata alla costruzione di strutture portanti per consentire la creazione di forme complesse e personalizzate. Questa tecnica può essere utilizzata per creare elementi strutturali in cemento o altri materiali, riducendo i tempi di costruzione e il consumo di risorse. Le strutture portanti stampate in 3D offrono anche la possibilità di progettare forme ottimizzate dal punto di vista strutturale;
  • strutture portanti sostenibili: l’attenzione crescente verso l’ambiente, ha portato allo sviluppo di strutture portanti in grado di integrare principi di sostenibilità ed efficienza. Si tratta di strutture che prevedono l’utilizzo di materiali riciclabili, una progettazione basata sul risparmio energetico e l’integrazione con sistemi di energia rinnovabile. Le strutture portanti sostenibili mirano, quindi, a ridurre l’impatto ambientale degli edifici e promuovere una maggiore efficienza energetica;
  • strutture in acciaio ad alta resistenza: sono strutture che sfruttano l’utilizzo di acciai speciali con proprietà meccaniche superiori rispetto all’acciaio tradizionale. Questi acciai ad alta resistenza offrono una maggiore capacità di sopportare i carichi e gli sforzi, e consentono la realizzazione di strutture portanti più leggere e slanciate. Le strutture in acciaio ad alta resistenza sono utilizzate in diverse applicazioni, come grattacieli, ponti e strutture industriali. Offrono una combinazione di prestazioni strutturali eccezionali e un notevole risparmio di materiali;
  • strutture in materiali a memoria di forma: i materiali a memoria di forma sono materiali che possono ritornare alla loro forma originale dopo essere stati deformati. Le strutture portanti possono sfruttare l’abilità di questi materiali, come le leghe di nichel-titanio, per adattarsi a diverse condizioni di carico e deformazione. Questi materiali possono essere utilizzati per creare elementi strutturali che si auto-riparano o si auto-adattano alle variazioni delle condizioni ambientali. Le strutture in materiali a memoria di forma trovano applicazione in diversi settori, come l’edilizia, l’aerospaziale e l’automotive, offrendo un approccio innovativo e adattabile alla progettazione strutturale.

La progettazione delle strutture portanti di un edificio

Le strutture portanti rappresentano uno degli elementi cruciali nella progettazione e costruzione degli edifici. Nella progettazione di una struttura portante, è fondamentale considerare una serie di fattori, tra cui i carichi verticali e orizzontali, nonché le forze sismiche e da vento che possono agire sull’edificio.

L’utilizzo di appositi software per il calcolo strutturale riveste un ruolo cruciale nel garantire la precisione, l’efficienza e la sicurezza dell’intero processo. Questi strumenti consentono agli ingegneri di modellare le strutture in modo dettagliato e accurato, tenendo conto di tutti i carichi e le forze che agiscono sull’edificio.

In particolare, l’utilizzo di questo strumento offre diversi vantaggi:

  • modellazione dettagliata: crei modelli tridimensionali dettagliati delle strutture e visualizzi in modo chiaro e preciso ogni componente dell’edificio e la sua interazione con i carichi applicati;
  • analisi dei carichi: esegui analisi avanzate sui carichi verticali e orizzontali che agiscono sull’edificio, e ottieni risultati dettagliati e precisi che guidano il processo progettuale;
  • simulazioni sismiche e di vento: grazie alla capacità di simulare le forze sismiche e da vento, valuti in modo accurato la risposta strutturale dell’edificio e adotti le misure necessarie per garantire la sua stabilità e sicurezza;
  • risparmio di tempo e risorse: grazie all’automatizzazione di molte operazioni di calcolo e analisi, riduci significativamente i tempi e i costi associati al processo progettuale, garantendo al contempo risultati di alta qualità e professionalità.
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