Strutture in acciaio nella costruzione di aree esposte a venti forti

Comprensione dei meccanismi di carico del vento sulle strutture in acciaio

Forze di pressione, aspirazione e sollevamento in ambienti ad alta velocità del vento

Le strutture in acciaio sono soggette a tre forze principali generate dal vento: la pressione che spinge contro il lato esposto al vento, la depressione che agisce sul lato opposto e sulle aree del tetto, nonché gli effetti di sollevamento lungo i bordi e le sporgenze del tetto. Quando l'aria scorre sopra gli edifici, accelera creando zone di pressione negativa che, in condizioni meteorologiche avverse, possono superare la pressione frontale di circa una volta e mezza, generando così forze laterali significative sulle strutture. I tetti sono particolarmente vulnerabili in questo contesto, poiché le forze di sollevamento causate dai vortici d'aria vicino ai bordi possono raggiungere il venti-trenta per cento del peso dell’edificio a vuoto. Prendiamo ad esempio i pannelli metallici di copertura: potrebbero staccarsi anche a velocità del vento inferiori a 130 miglia orarie se parametri come la distanza tra le viti, la distanza dai bordi o la profondità degli ancoraggi non rispettano i valori minimi prescritti. Ottenere risultati affidabili dipende in larga misura dall’adozione di sistemi efficaci di trasferimento dei carichi, in grado di trasmettere in modo uniforme sia i carichi verticali sia quelli orizzontali, partendo dagli strati esterni fino alle travi portanti, al telaio strutturale e, infine, al terreno sottostante.

Pressurizzazione interna e trasferimento del carico laterale nella struttura in acciaio chiusa

Quando gli involucri edilizi vengono compromessi a causa di finestre rotte, porte difettose o rivestimenti sciolto, si genera una pressurizzazione interna che può aumentare le pressioni sulle pareti e sui soffitti di circa il 40%. La differenza tra la pressione interna ed esterna esercita un notevole carico sulla struttura, riducendone la stabilità. Per resistere efficacemente alle forze laterali, gli edifici necessitano di diaframmi integrati, come i solai di copertura e i sistemi di pavimento: tali componenti distribuiscono le forze orizzontali verso le parti verticali della struttura, ad esempio telai controventati, telai a nodi rigidi o pareti resistenti al taglio. Questi sistemi, a loro volta, trasferiscono tali forze alla fondazione, dove devono essere adeguatamente ancorate. I più recenti collegamenti a telaio rigido contribuiscono a ridurre il movimento dei giunti durante tempeste particolarmente intense, preservando l’integrità geometrica dell’edificio. Le pareti realizzate con montanti in acciaio formati a freddo (CFS) abbinati a pannelli di rivestimento strutturale offrono anch’esse una maggiore resistenza ai carichi laterali. Possono sopportare pressioni del vento superiori a 60 libbre per piede quadrato senza collassare, motivo per cui risultano particolarmente preziose negli edifici più alti situati in zone soggette a uragani, dove l’intensità del vento aumenta con l’altezza dell’edificio.

Progettazione di strutture in acciaio basate su codici per zone a forte vento

Il rispetto dei codici edilizi attuali è fondamentalenon facoltativoper le strutture in acciaio nelle regioni a forte vento. Questi standard codificano decenni di dati sulle prestazioni delle tempeste, la scienza dei materiali e i test strutturali per garantire sicurezza, resilienza e uso efficiente delle risorse.

Disposizioni ASCE 7-16 e IBC 2024 sul carico eolico per strutture in acciaio

L'ASCE 7-16 fornisce la metodologia autorizzata per il calcolo dei carichi del vento sugli edifici, definendo parametri critici tra cui la pressione di velocità, i fattori di effetto di raffica e le categorie di esposizione. Le sue disposizioni sono state adottate direttamente nel Codice internazionale dell'edilizia (IBC 2024), che impone alle strutture in acciaio di utilizzare robusti sistemi di resistenza al vento (MWFRS). Gli ingegneri devono:

• Determinare le pressioni del vento di progettazione utilizzando mappe di velocità del vento specifiche del sito, altezza della struttura e classificazione dell'esposizione al terreno;
• Progettare tutti i componenti e le connessioni per un effetto combinato di sollevamento, carico laterale e carico gravitazionale;
• Verificare le prestazioni del sistema mediante analisi del vento direzionale, inclusi diversi angoli di incidenza del vento e scenari di pressione interna.

Requisiti AISI S240-20 per l’acciaio formati a freddo in applicazioni soggette a venti intensi

Lo standard AISI S240-20 integra ASCE/IBC affrontando il comportamento specifico delle strutture portanti in acciaio sottile formati a freddo (CFS) sotto carichi vento ciclici e di elevata entità. Esso prescrive:

• Dettagli costruttivi migliorati per garantire la continuità lungo i percorsi di trasmissione dei carichi;
• Distanze tra fissaggi, distanze dai bordi e valori ammissibili di capacità di resistenza al taglio più rigorosi;
• Spessori minimi dei materiali e classi di resistenza a snervamento adatte ad ambienti soggetti a fenomeni di fatica;
• Strategie prescrittive di controventatura per montanti di parete, travetti di copertura e strutture di solaio.

Questo allineamento garantisce che i componenti in acciaio formato a freddo—comunemente impiegati come supporti per rivestimenti esterni, partizioni interne e strutture secondarie—operino in modo coerente con i sistemi strutturali primari durante eventi estremi con velocità del vento superiore a 150 mph.

Sistemi resistenti alle forze orizzontali e ancoraggio alle fondazioni per strutture in acciaio

Telai controventati, pareti resistenti al taglio e integrazione dei diaframmi negli edifici in metallo

I sistemi di resistenza alle forze laterali (LFRS) costituiscono la struttura portante che rende gli edifici in acciaio resistenti alle sollecitazioni del vento. Le strutture controventate funzionano assorbendo l’energia laterale attraverso gli elementi diagonali, che agiscono assialmente. I muri taglienti in calcestruzzo armato con acciaio o in lastre d’acciaio offrono una rigida resistenza al movimento. Nel frattempo, quando i diaframmi di copertura e di solaio sono correttamente collegati, distribuiscono uniformemente le pressioni del vento su tutta l’impronta dell’edificio. Secondo le linee guida ASCE 7-16, negli edifici situati in zone ad alto rischio i LFRS devono essere progettati per resistere a forze del vento superiori a 200 kips. In questo contesto, l’integrazione completa riveste un’importanza fondamentale. Quando questi componenti vengono uniti mediante tecniche quali saldatura, bullonatura o collegamenti a scorrimento critico, l’intero sistema offre prestazioni sensibilmente migliori. Test condotti nella realtà dimostrano che tali sistemi integrati possono ridurre i punti di sollecitazione localizzata e diminuire la deformazione di circa il 60% anche in condizioni di uragano di categoria 4, come evidenziato da una recente ricerca del NIST pubblicata nel 2023.

Sistemi di ancoraggio e soluzioni di fissaggio convalidati da ICC, UL e FM Global

L’ancoraggio alla fondazione è l’ultimo, imprescindibile collegamento nel percorso di trasmissione del carico del vento: previene il sollevamento, il ribaltamento e il collasso progressivo. I sistemi di fissaggio convalidati da terzi—certificati secondo la norma ICC-ES AC398—garantiscono una resistenza al sollevamento fino al 40% superiore rispetto agli ancoraggi convenzionali, secondo FM Global (2023). Le prestazioni dipendono da tre elementi essenziali:

• Profondità di infissione calibrata sulla resistenza al taglio del suolo locale e sulla capacità dell’ancoraggio;
• Materiali resistenti alla corrosione (ad esempio, componenti in acciaio zincato a caldo o in acciaio inossidabile) per ambienti costieri e umidi;
• Percorsi di trasmissione del carico ridondanti, per far fronte contemporaneamente alle azioni combinata del vento e sismica, evitando il guasto in un singolo punto.

I sistemi di ancoraggio certificati da FM Global mantengono l’integrità strutturale anche a velocità del vento sostenute superiori a 150 mph, garantendo prestazioni resilienti degli edifici su tutto lo spettro dei rischi naturali.

Prestazioni del rivestimento esterno e della struttura portante in condizioni di vento elevato

Il rivestimento esterno, insieme al suo telaio di supporto, funge da barriera primaria contro le tempeste e trasferisce inoltre i carichi negli edifici in acciaio situati in zone soggette a uragani. Per gli edifici alti, il rivestimento deve resistere a differenze di pressione superiori a 5 kPa, garantendo al contempo l’impermeabilità all’aria, all’acqua e al calore. Ciò richiede giunti progettati con margini di sicurezza pari a circa 4–6 volte i valori normalmente previsti, poiché i materiali si degradano nel tempo e le installazioni non sono sempre perfette. Le strutture in acciaio formati a freddo (CFS) hanno dimostrato una notevole resistenza ai venti intensi. Prendiamo ad esempio l’uragano Ian del 2022: molti edifici con struttura portante in CFS sono rimasti integri anche con venti superiori a 150 miglia orarie. Ciò è dovuto principalmente al loro ottimo rapporto tra resistenza e peso, nonché ai collegamenti progettati per resistere a terremoti. Uno studio pubblicato lo scorso anno sul Journal of Constructional Steel Research ha dimostrato che i rivestimenti metallici a giunto verticale (standing seam) distribuiscono efficacemente le forze del vento sull’intera struttura dell’edificio quando sottoposti a prove condotte in condizioni realistiche simili a quelle delle installazioni effettive. Il concetto fondamentale rimane che tutti gli elementi sono interconnessi attraverso ciò che gli ingegneri definiscono un percorso continuo di trasmissione dei carichi, che parte dal rivestimento stesso, passa attraverso la struttura portante in CFS e le pareti resistenti al taglio (shear walls), fino ad arrivare all’ancoraggio delle fondazioni. Tutti questi elementi devono rispettare le linee guida stabilite dalla norma ASCE 7-16 in materia di forze di sollevamento (uplift) e requisiti di pressione.

Domande Frequenti

Quali sono le principali forze del vento che agiscono sulle strutture in acciaio?

Le strutture in acciaio subiscono una pressione sul lato esposto al vento, una depressione sul lato opposto e un sollevamento lungo i bordi del tetto e le sporgenze.

In che modo la pressurizzazione interna influisce sulle strutture in acciaio?

La pressurizzazione interna si verifica quando l'involucro edilizio viene compromesso, aumentando le pressioni sulle pareti e sul soffitto di circa il 40%, con conseguente aumento dello sforzo e instabilità della struttura.

Quali sono le prescrizioni ASCE 7-16 e IBC 2024?

Forniscono metodologie per il calcolo dei carichi dovuti al vento, definendo parametri quali la pressione di velocità e l'effetto delle raffiche, integrati nei codici edilizi per garantire strutture in acciaio resilienti.

Perché l'ancoraggio alla fondazione è fondamentale nelle strutture in acciaio?

L'ancoraggio alla fondazione previene il sollevamento, il ribaltamento e il collasso, mediante sistemi di fissaggio validati, realizzati con materiali resistenti alla corrosione e percorsi di trasferimento del carico ridondanti.