Vantaggi dell’uso di strutture in acciaio negli edifici alti

Rapporto superiore tra resistenza e peso ed efficienza strutturale

Carichi ridotti sulle fondazioni e aumento dell'altezza costruibile resi possibili dall'elevato rapporto tra resistenza e peso dell'acciaio

Il rapporto resistenza-peso dell'acciaio consente di costruire strutture molto più alte senza dover ricorrere a sistemi di supporto altrettanto pesanti. L'acciaio è in grado di sostenere circa otto volte il proprio peso, pur risultando dal 30 al 50 percento più leggero rispetto a strutture in calcestruzzo tradizionale. Analizzando i dati del CTBUH per il 2024, si osserva una riduzione dei requisiti per le fondazioni di circa il 25–40 percento passando all’acciaio. Nel caso di edifici particolarmente alti, questi dati si traducono in effettivi risparmi sia sui materiali sia sui tempi di costruzione. Architetti e ingegneri che lavorano su grattacieli spesso scelgono l’acciaio perché si rivela semplicemente più performante per affrontare questo tipo di sfide.

• Fondazioni meno profonde (riduzione dei costi di scavo di circa il 18%)
• Maggiore altezza raggiungibile entro i limiti esistenti di portanza del terreno
• risparmio di materiale del 15–20% rispetto ad alternative con nucleo in calcestruzzo

Questa efficienza consente agli architetti di estendere l’altezza verticale senza compromettere l’integrità strutturale: le torri con struttura in acciaio superano ormai regolarmente i 100 piani, mentre i nuclei in calcestruzzo spesso raggiungono limiti pratici di altezza a causa dei requisiti sproporzionati posti alle fondazioni.

Struttura in acciaio rispetto a sistemi con nucleo in calcestruzzo nelle costruzioni supertall: analisi prestazionali basate sulla Shanghai Tower e altri riferimenti internazionali con oltre 50 piani

La Shanghai Tower—alta 128 piani—ha raggiunto la sua altezza record grazie a un telaio controventato in acciaio il cui peso è risultato inferiore del 34% rispetto a quello di un nucleo in calcestruzzo equivalente. I dati prestazionali raccolti da riferimenti internazionali con oltre 50 piani confermano il vantaggio strutturale dell’acciaio:

I vantaggi in termini di peso e rigidità hanno consentito alla Shanghai Tower di aggiungere 18 piani abitabili all’interno dell’impronta della fondazione prevista per le alternative in calcestruzzo. Inoltre, la flessibilità del sistema laterale in acciaio riduce la massa sismica del 22% rispetto ai nuclei rigidi in calcestruzzo (NCSE 2023), migliorando la resilienza e il potenziale di altezza nelle zone ad alto rischio.

Migliorata resilienza sismica e al vento grazie alla duttilità e alla risposta dinamica

Duttilità delle strutture in acciaio durante i terremoti reali: insegnamenti tratti dal Tohoku (2011) e da Città del Messico (2017)

La duttilità controllata dell'acciaio – sostanzialmente la sua capacità di piegarsi e allungarsi in misura significativa prima di rompersi – ha superato la prova durante i grandi terremoti verificatisi in tutto il mondo. Prendiamo ad esempio il potente terremoto del Tohoku del 2011: gli edifici con struttura in acciaio sono riusciti ad assorbire tutta quell’energia provocata dalle violente scosse grazie alla flessione delle travi e alla deformabilità dei collegamenti, rimanendo in piedi anche quando l’accelerazione del suolo ha superato il doppio della forza di gravità normale. Poi c’è stato il terremoto di Città del Messico del 2017, dove gli edifici più recenti in acciaio hanno mostrato circa il 40% in meno di danni rispetto a quelli in calcestruzzo più vecchi, secondo le dettagliate ispezioni effettuate una volta cessata la polvere. Perché ciò accade? In sostanza, dipende dal modo in cui gli ingegneri progettano intenzionalmente queste strutture dotandole di caratteristiche specifiche che consentono loro di sopportare forze estreme pur rimanendo integre.

• Collegamenti protetti per capacità , garantendo che le travi cedano prima delle colonne
• Percorsi di carico ridondanti , distribuendo le forze su più elementi
• Dettagli costruttivi con incrudimento per deformazione , guidando in modo prevedibile la formazione delle cerniere plastiche

Mitigazione della deriva laterale e del distacco di vortici negli edifici supertall mediante telai a telaio d’acciaio sintonizzati e nuclei controventati

Oltre i 300 metri, il vento—e non l’attività sismica—determina i requisiti di funzionalità e sicurezza. In questo ambito, l’acciaio si distingue grazie a sistemi adattabili e ad alte prestazioni:

• Smorzatori di massa sintonizzati , come il pendolo da 1.000 tonnellate della Shanghai Tower, riducono le accelerazioni massime del 30%
• Sistemi a nucleo controventato , con elementi diagonali in acciaio, migliorano il rapporto rigidezza-peso del 50% rispetto al calcestruzzo
• Forma aerodinamica , resi possibili dalla lavorabilità dell’acciaio, supportano profili troncoconici e un’articolazione della facciata finalizzata a interrompere il distacco di vortici

I test in galleria del vento dimostrano che i telai in acciaio a telaio raggiungono costantemente una deriva laterale inferiore a H/500, soddisfacendo così i rigorosi limiti di comfort per gli occupanti. Le vibrazioni indotte dai vortici sono ulteriormente mitigate da smorzatori a colonna liquida sintonizzati integrati nei supercolonne in acciaio, che dissipano energia tramite un’oscillazione controllata del fluido.

Costruzione più rapida e prevedibile grazie alla struttura prefabbricata in acciaio

Prefabbricazione guidata da BIM: riduzione del 30% dei tempi di consegna per The Spiral (New York) e implicazioni per la realizzazione di grattacieli urbani

Quando la modellazione delle informazioni edilizie (BIM) incontra la prefabbricazione, la costruzione di edifici alti ottiene un notevole incremento di efficienza, poiché tutti quei componenti precisi vengono realizzati lontano dal cantiere vero e proprio. Prendiamo ad esempio il grattacielo The Spiral a New York, dove gli appaltatori hanno risparmiato circa il 30% sul tempo totale di costruzione rispetto agli approcci tradizionali. Hanno inoltre avuto bisogno del 40% in meno di lavoratori in cantiere e non hanno dovuto affrontare quei frustranti ritardi causati dal maltempo, che sembrano sempre presentarsi durante la stagione edilizia. Cosa accade quando la produzione avviene in fabbrica? I componenti si assemblano con una precisione al millimetro, riducendo drasticamente il tempo sprecato per correggere errori in una fase successiva. Anche il montaggio diventa molto più fluido, poiché non ci sono imprevisti rallentamenti legati all’attesa che il calcestruzzo raggiunga la giusta maturazione. Anche le città ne traggono vantaggio: il numero di camion per le consegne si riduce di circa il 25%, con conseguente minor rumore e minori problemi di traffico per i residenti vicini. Inoltre, gli edifici possono essere inaugurati prima, il che significa che i ricavi iniziano a entrare più rapidamente. Alcuni progetti registrano un aumento dei ritorni di circa 18.000 dollari al mese semplicemente perché tutto procede più velocemente e a costi inferiori grazie ai componenti in acciaio prefabbricati.

Sicurezza antincendio, durabilità e affidabilità del ciclo di vita delle moderne strutture in acciaio

Gli edifici in acciaio di oggi sono progettati per resistere agli incendi grazie a due principali approcci: la loro naturale resistenza alla combustione e le misure protettive aggiuntive. Quando la temperatura aumenta, speciali vernici intumescenti si espandono creando uno strato termoisolante sulle componenti in acciaio, rallentando così l’aumento della temperatura all’interno di quelle parti fondamentali della struttura. Abbinando ciò a materiali isolanti antincendio adeguati e a una progettazione intelligente dei compartimenti antincendio nell’intero edificio, otteniamo strutture in grado di mantenere la propria resistenza meccanica per periodi molto più lunghi durante le emergenze. Ciò consente agli occupanti di evacuare in sicurezza con ampio margine di tempo, anche in presenza di incendi particolarmente intensi che normalmente distruggerebbero costruzioni tradizionali.

Le strutture in acciaio realizzate con leghe resistenti alla corrosione e metodi moderni di zincatura possono durare molti anni con poca manutenzione, anche quando esposte a condizioni severe lungo le coste o nelle vicinanze di siti industriali. La maggior parte delle strutture portanti in acciaio supera agevolmente i cinquanta anni, purché sottoposte a ispezioni regolari e adeguatamente manutenute, conservando intatta la propria forma e la capacità di sostenere carichi elevati per tutta la loro vita utile. Il fatto che questi materiali presentino una tale resistenza comporta notevoli risparmi nel tempo rispetto ad altre soluzioni. Le città che costruiscono nuove infrastrutture necessitano di questo tipo di affidabilità, poiché la sostituzione di strutture danneggiate è costosa e causa disagi alle comunità.

Leadership nella sostenibilità: riciclabilità e minore carbonio incorporato nelle strutture in acciaio

Vantaggio del contenuto riciclato: 93% in media di acciaio riciclato rispetto al flusso lineare dei materiali del calcestruzzo nei sistemi a nucleo e involucro

L'acciaio svolge un ruolo fondamentale nel rendere gli edifici alti più sostenibili, poiché può essere riciclato all'infinito e presenta una quantità di carbonio incorporato molto inferiore rispetto ad altri materiali. Il calcestruzzo segue invece ciò che potremmo definire un approccio estrattivo, in cui le risorse vengono utilizzate una sola volta e poi scartate. Tuttavia, quando si impiega l'acciaio nei sistemi strutturali portanti e di involucro degli edifici, circa il 90 per cento proviene da fonti riciclate. Ciò significa che gli edifici vecchi demoliti diventano nuovamente componenti preziosi per nuove costruzioni, senza alcuna perdita di qualità o prestazioni. La natura circolare di questo processo riduce la necessità di estrarre materie prime di circa tre quarti rispetto alla produzione di acciaio completamente nuovo. E non dobbiamo dimenticare nemmeno i risparmi energetici: la ricerca dimostra che la produzione di acciaio da rottame richiede circa un quarto dell'energia necessaria per produrre acciaio vergine partendo dal minerale di ferro. Ciò riduce in modo significativo l’impronta di carbonio complessiva a livello di progetto. Inoltre, l'acciaio non perde resistenza né integrità anche dopo essere stato fuso e rifatto più volte. Per chiunque sia preoccupato di costruire città in modo sostenibile pur mantenendo una elevata densità abitativa, l'acciaio si distingue come uno dei pochi materiali in grado di offrire una verifica effettiva lungo l’intero ciclo di vita, dalla creazione al riutilizzo.