OSSATURA dei fabbricati

OSSATURA dei fabbricati (fr. charpente, ossature; sp. armazón; ted. Gerippe; ingl. skeleton)

Si chiama ossatura di un edificio la struttura costituita da pilastri e travi fra loro solidali, cioè lo scheletro portante le membrature orizzontali, o solai, destinate a sostenere i carichi permanenti e accidentali, i quali vengono trasmessi al terreno di fondazione attraverso le travature principali orizzontali e le pilastrate verticali.

L'ossatura solidale mancava nei fabbricati antichi, nei quali generalmente i solai con travi di legno o di ferro, oppure le vòlte di muratura, venivano portati da solidi muri longitudinali e trasversali in mattoni pieni o in pietra naturale sbozzata. La concezione di sostituire agli ingombranti muri portanti un'intelaiatura di pilastri e travi di materiali più resistenti, che consentissero quindi notevole riduzione di peso e sezioni limitate, fu determinata anzitutto dal notevole sviluppo dell'urbanesimo, che, facendo aumentare il valore delle aree fabbricabili, portò al problema della massima utilizzazione di esse, specialmente nei centri industriali e commerciali più importanti.

Problema economico perciò, la cui naturale soluzione conduceva ad aumentare sempre più l'altezza dei fabbricati. È evidente che, seguendo i sistemi costruttivi adottati dai nostri antenati, il beneficio della maggiore altezza sarebbe stato frustrato dal maggiore ingombro delle murature, specie in quelle parti, come nei piani inferiori degli edifici, nelle quali le necessità commerciali della vita cittadina richiedono maggiore utilizzazione dello spazio, per esposizione di negozî, ecc. Con quei sistemi cioè, ad edifizî più alti, anche sfruttando al massimo le caratteristiche di resistenza delle murature, avrebbero fatto riscontro ingombri sproporzionati di muri, locali stretti e aperture limitate nei piani inferiori, assolutamente inadatti per negozî e vetrine di esposizione. Il reddito di questi locali sarebbe diminuito col diminuire dell'area libera, cioè con l'aumentare dell'altezza dell'edificio, fino ad annullare, oltre un certo limite, la convenienza economica della costruzione di altri piani.

Nei tempi antichi, se pure sorsero dei fabbricati di notevole altezza, come attestano molti avanzi, essi avevano un puro scopo monumentale esteriore e venivano adibiti per fini da cui esulava o era trascurabile o di secondaria importanza lo sfruttamento degli spazî liberi. D'altro canto anche se allora si fosse voluto mirare ai due scopi, difficilmente si sarebbero potuti conciliare, perché difettavano i materiali resistenti adatti, come il ferro, mentre s'ignorava completamente il cemento armato. Il primo si usava quasi esclusivamente per chiavi e per contrastare l'azione di elementi spingenti, quando questo contrasto non si voleva affidare all'attrito, come spesso succedeva.

Ai criterî di sfruttamento delle aree fabbricabili si debbono quindi le prime manifestazioni delle concezioni moderne della struttura di un edifizio. In breve tempo però l'applicazione di questi concetti si diffuse, progredì e si generalizzò in vista dei nuovi criterî d'igiene, che richiedono soprattutto locali vasti con ampie aperture.

Nei fabbricati moderni si costituisce perciò un'intelaiatura principale di elementi verticali e orizzontali, solidali fra loro, di minimo ingombro, alla quale è affidata la funzione portante di tutti i carichi, mentre le murature, spesso costituite da semplici laterizî forati, servono da chiusura e divisione dei locali. Questi muri alle volte vengono addirittura portati dalla struttura principale e possono così essere ridotti notevolmente di spessore fino al limite strettamente necessario per realizzare un discreto isolamento termico e acustico. È appunto per queste necessità che qualche volta negli edifici di limitata altezza si adotta il solito sistema dei muri portanti, quando assegnando a questi gli spessori minimi ai fini dell'isolamento essi offrono una resistenza sufficiente per la stabilità dell'edificio. In ogni caso si tende a eliminare le pesanti muratune interne, costruendo delle pilastrate in ferro o in cemento armato e affidando la funzione di collegamento trasversale alle travature longitudinali e trasversali dello stesso materiale ed ai solai, quasi sempre in cemento armato. Lo scheletro completo per tutto l'edificio, di pilastri e travi, e solai in cemento armato, consente la costituzione di un'ossatura solidale, molto apprezzata per contrastare l'azione di forze orizzontali, come il vento, gli effetti dinamici di macchine in movimento e soprattutto l'azione delle scosse sismiche. Nelle zone soggette a terremoti tale ossatura è la meglio indicata, ed è prescritta da varî regolamenti. L'azione delle scosse può causare allora tutt'al più il rovesciamento di qualche parete di chiusura. Lo stesso effetto possono avere gli attacchi aerei con bombe in caso di guerra. Queste, dopo avere perforato un certo numero di piani, scoppiano; le pressioni esercitate dallo scoppio abbattono facilmente i muri di chiusura non portanti, senza arrecare danni rilevanti alla struttura principale, che rimane sempre efficiente.

Come si è detto, costituendo un'ossatura principale i muri si possono fare in elementi forati, o meglio con materiali dotati di più alto potere isolante termico e acustico.

Lo scheletro in cemento armato è in genere da preferirsi perché il più economico, almeno fino a determinate altezze. In Italia il ferro, materiale d'importazione, costa molto più che nei paesi d'origine e quindi si tende a economizzarlo, mentre il cemento, preparato con materiali locali, costa meno e in unione col ferro può consentire anch'esso minimi ingombri. Certo che, oltre una certa altezza, oltre un certo numero di piani, che in Italia per ragioni diverse non è conveniente, sorgerebbe di nuovo il problema dell'utilizzazione delle aree, e allora è giocoforza ricorrere, almeno per gli elementi verticali, al ferro.

È per questa ragione che nei grattacieli americani lo scheletro è quasi esclusivamente in acciaio, rivestito da materiali che lo proteggono contro l'azione degli agenti atmosferici.

Un sistema adottato è quello della struttura mista, cioè costituita da ferri profilati annegati nel calcestruzzo. Queste strutture, al pari di quelle in cemento armato, presentano anche una notevole resistenza all'azione del fuoco, mentre la struttura nuda in ferro andrebbe soggetta a essere distrutta alle alte temperature. Molto comune è anche l'adozione di elementi in ferro per le pilastrate e le travi principali, e del cemento armato, anche con elementi forati di laterizio, per i solai.

Non appena è possibile conviene però sempre l'adozione del cemento armato per tutti gli elementi, specialmente in presenza di terreni buoni, in cui non necessita ridurre eccessivamente i pesi della costruzione, e sempre che non si ottengano ingombri esagerati nei piani inferiori.

Tale convenienza è sentita anche nei paesi produttori di ferro. Non deve indurre in errore il fatto che in alcuni di questi, come ad es. in America, anche nei fabbricati di minore altezza si adotta qualche volta l'ossatura in ferro.

La ragione consiste nel fatto che, disponendo di elementi unificati, il montaggio di questi risulta rapido, e inoltre, cessato lo scopo per cui gli edifici furono costruiti, scopo spesso pubblicitario e di concorrenza, i medesimi possono essere facilmente demoliti. Tali fabbricati sono infatti caratteristici di quelle zone che subiscono continue trasformazioni.

Ma oltre che per la convenienza economica l'ossatura in cemento armato è da preferirsi per altre ragioni. Innanzi tutto essa è particolarmente adatta nelle zone sismiche in cui le strutture in ferro avrebbero l'inconveniente di essere molto più deformabili. È notorio che in queste zone, se nuoce un'eccessiva rigidità della struttura, nuoce altresì una marcata deformabilità. Col cemento armato si realizzano ossature solidali sufficientemente elastiche e che possono vibrare, sotto l'azione delle scosse, senza sconnettersi. Si è rilevato che in queste zone hanno resistito ossature in cemento armato, anche se non calcolate per le particolari sollecitazioni prodotte dai movimenti sismici. Una struttura in ferro, se anche resiste alle azioni delle scosse, va soggetta a essere distrutta dal fuoco, che fatalmente segue i moti tellurici per la rottura di condotte di gas, corti circuiti, ecc.

Per la stessa ragione le ossature in cemento armato sono le più adatte contro le offese aeree in caso di guerra.

Le bombe, contenendo delle sostanze incendiarie, tendono a provocare, oltre l'accennato rovesciamento dei muri, incendî, ai quali il cemento armato è notevolmente resistente. Anche una temperatura molto elevata può provocare tutt'al più lo scrostamento delle parti superficiali degli elementi in cemento armato, al quale si può rimediare successivamente con buoni intonaci. Inoltre le bombe trovano una maggiore resistenza a perforare solai in cemento armato rispetto ad altri tipi, e quindi minore risulterà il numero dei piani attraversati prima dello scoppio.

Bastano questi due ultimi accenni per far rilevare la convenienza di preferire negli edifici ossature in cemento armato, specialmente in Italia ove le zone sismiche hanno un'estensione notevole.

Ossature in cemento armato. - Sono costituite dai pilastri e dalle travi portanti di collegamento ai varî piani. Molto spesso i pilastri s'incastrano in plinti isolati di fondazione; se i carichi sono notevoli e la natura del terreno non consente un'elevata pressione, i plinti si collegano con travi rovesce continue o con platee.

La disposizione dei pilastri è in relazione alla pianta del fabbricato. In generale essi vengono ubicati in modo da dividere l'area in riquadri pressoché quadrati o rettangolari.

L'interasse è arbitrario e in relazione alla forma dell'area e alla divisione dell'edificio.

I pilastri si fanno corrispondere all'incrocio di pareti divisorie.

Le travi di collegamento ai varî piani, le quali sono anche membrature principali portanti i solai, si possono disporre tutte in un senso, ma appena si prevedono forti carichi, specialmente orizzontali, è buona norma disporre le travi in tutti e due i sensi, longitudinale e trasversale. In queste travi vanno a incastrarsi i solai e le nervature di questi.

La fig. 1 mostra la disposizione più comunemente adottata per un'ossatura in cemento armato per fabbricato a uso magazzino a più piani. I pilastri dividono la pianta in riquadri rettangolari (nella figura sono indicati nella misura di m. 7 × 6 d'interasse, ma è ovvio che si possono ottenere riquadri più o meno ampî secondo la necessità), e portano le travi maestre disposte longitudinalmente al fabbricato; i solai sono costituiti da solette e nervature secondarie perpendicolari alle travi maestre. In genere si dispongono le travi principali secondo la minore luce, quelle secondarie secondo la luce maggiore per non ottenere travi di altezze eccessive. Se la pianta si può dividere in riquadri quadrati, o rettangolari molto vicini al quadrato, è preferibile eseguire i solai con armatura incrociata, con solette e nervature; le travi maestre si dispongono nei due sensi (fig. 2).

Nei fabbricati civili le travi maestre si dispongono preferibilmente lungo i muri longitudinali, esterni e di colmo, e i solai si eseguiscono a spessore costante, con laterizî forati, senza nervature in vista. Ciò per poter disporre i tramezzi di divisione fra i locali dove più si crede opportuno successivamente, senza essere obbligati dalla posizione delle travi.

I muri interni di divisione si eseguiscono con uno o due tavolati di mattoni forati dello spessore di 6 ÷ 12 cm.; in genere si eseguiscono con due tavolati solo quelli di divisione degli appartamenti (fig. 3). I muri perimetrali di chiusura si eseguiscono in comune muratura fra i pilastri e le travi, meglio se avviluppano i pilastri (figg. 4 e 5).

Nella maggior parte dei casi questi muri si eseguiscono in mattoni pieni (fig. 4) o anche in mattoni forati (fig. 5) o di materiale leggiero, data la loro funzione che è soltanto quella di chiusura. Spesso, allo scopo di alleggerire al massimo i pesi, si costruiscono in mattoni pieni le murature del piano terreno, con uno o due tavolati di mattoni forati quelli dei piani superiori. Di solito quando si adottano i due tavolati di mattoni forati nei muri perimetrali, quello interno si dispone a filo pilastro, quello esterno al di fuori, sovrapponendolo al pilastro, e ciò per impedire eventuali incrinature, che col tempo si possono produrre nell'intonaco lungo la linea di distacco fra il pilastro e il muro, per l'assestamento elastico della struttura sotto i carichi e per le dilatazioni termiche.

Nella fig. 6 è indicata la sezione trasversale dell'ossatura del fabbricato della fig. 3. Essa è costituita da pilastri e travi principali longitudinali per tutti i piani, tranne che per il piano terreno rialzato e il tetto, in cui le travi e i puntoni sono disposti trasversalmente. L'irrigidimento trasversale è ottenuto con i solai in laterizî forati e sovrastante soletta di cemento armato.

I pilastri hanno sezione rettangolare. Difficilmente in questi edifici si ricorre ad altre forme; solo qualche volta quella circolare o poligonale, quando i pilastri debbono presentare l'aspetto di colonne. La sezione varia da piano a piano restringendosi verso l'alto, col diminuire del carico.

Le travi hanno in genere forma rettangolare, o meglio a ??? o a ??? , se in esse si comprendono le parti dei solai adiacenti. I solai possono essere di cemento armato, con semplice o doppia soletta e nervature, ma più comunemente sono in cemento armato e laterizî forati; in questo caso, in prossimità delle travi, si sopprimono i laterizî per avere una sezione piena di calcestruzzo, la quale costituisce l'ala della trave. Le figure 7 e 8 fanno vedere le sezioni delle travi tra due pilastri rispettivamente di colmo e di perimetro.

Quando nelle travi di perimetro occorre far posto, in corrispondenza delle aperture, a rulli per gelosie avvolgibili, le travi possono farsi anche trapezie (fig. 9). Il tetto può essere costituito da un solaietto di elementi forati, ordito fra i puntoni, o con la solita orditura di terzere e travicelli in legno, il tutto portato dai puntoni.

Infine nella fig. 10 si ha la vista di un tipo di solaio in cemento armato con armatura incrociata fra laterizî forati, in via di esecuzione, nella fig. 11 quella di un solaio con soletta e nervature in cemento armato e sottostante strato di tavelline di laterizî per formare camera d'aria e nascondere le nervature del solaio.

La costruzione di queste ossature procede per piani. Dopo avere gettati i pilastri di un piano fino al livello inferiore delle travi del piano sovrastante, si procede ad armare le travi e il solaio di questo piano e successivamente al getto di esso. Ultimato questo, si armano i pilastri sovrastanti. Per assicurare la continuità tra i pilastri dei varî piani, si fanno sporgere da quelli del piano sottostante i ferri per ~ 30 diametri oltre il piano del solaio, per poterli legare all'armatura dei pilastri superiori, come è visibile nelle figure 12 e 13 rispettivamente per una pilastrata il cui restringimento si eseguisce da tutti i lati (pilastri di colmo), e per una pilastrata in cui tale restringimento si eseguisce solo da una parte (pilastri perimetrali).

Se il fabbricato è a un unico piano come nei capannoni, l'ossatura principale è costituita da telai semplici o multipli a un piano, in genere di forti luci.

Ossature in ferro. - Per quanto riguarda l'ubicazione dei pilastri e la disposizione delle travi, esse sono del tutto analoghe a quelle che si hanno di solito nelle ossature in cemento armato.

Variano naturalmente le forme dei pilastri e delle travi, che sono in genere costituiti da profilati o da elementi composti di lamiere e cantonali. Variano anche gli attacchi fra i varî elementi. Mentre nelle strutture in cemento armato la solidarietà è assicurata dai ferri degli elementi adiacenti, che si sovrappongono a vicenda, e dalla monoliticità del getto, nelle strutture in ferro essa viene realizzata con piastre e cantonali di attacco con robuste chiodature o saldature.

Nella fig. 14 sono indicate alcune sezioni comuni di pilastri, nella fig. 15 la costituzione di un plinto, nella fig. 16 l'attacco di due travi secondarie a una trave maestra e nelle figg. 17, 18 e 19 alcuni schemi di attacco di travi maestre a pilastri.

I solai di queste strutture, come è già stato detto, possono essere eseguiti in cemento armato o anche con laterizî compresi fra i travetti secondarî e soprastante caldana.

Calcolo. - Il calcolo di queste strutture procede con i metodi della scienza delle costruzioni. I solai vengono considerati nelle condizioni di totale o parziale incastro, secondo le condizioni che s'intendono realizzare. Anche i travetti secondarî vengono calcolati in modo analogo.

Per quanto riguarda l'ossatura vera e propria, cioè i pilastri e le travi principali, è da considerare la solidarietà di tutte le membrature, cioè lo schema statico nel complesso. Per le disposizioni che si seguono normalmente, la struttura principale si riduce a serie di telai semplici o multipli, a un piano o a diversi piani, in senso trasversale o longitudinale.

Qualche volta, specie quando le campate ed i piani sono numerosi, questi schemi statici risultano molto complessi, o almeno laboriosi per lo sviluppo dei calcoli. Allora gli schemi principali si dividono opportunamente in altri più semplici, oppure, come spesso è consentito, si considerano le varie membrature in condizioni di totale o parziale incastro, secondo il giusto criterio del progettista, al quale è dato apprezzare il reale comportamento statico della struttura. Quest'ultima semplificazione è anche giustificata dal fatto che è difficile in pratica realizzare la completa solidarietà fra i varî elementi; nelle strutture in cemento armato per le discontinuità dei getti, in quelle in ferro perché per quanto bene possano essere eseguite le chiodature, in pratica gli attacchi non risultano mai perfettamente rigidi per inevitabili giuochi nei fori.

È invalso l'uso, specialmente nei fabbricati a più piani, di considerare le membrature orizzontali come perfettamente incastrate agli estremi per il calcolo degli attacchi, semincastrate invece per quello delle sezioni mediane. Nei pilastri intermedî le sollecitazioni di flessione sono generalmente trascurate, ma in compenso si adottano carichi di sicurezza più bassi di quelli normali.

Per i pilastri perimetrali, che risentono maggiormente l'effetto d'inflessione dei solai, si ammettono in generale sforzi d'inflessione determinati usando il seguente metodo sufficientemente approssimato nei casi più comuni della pratica.

Siano AB e BC due pilastri perimetrali di due piani successivi (fig. 20); per effetto del carico q per ml. della trave orizzontale o della parte di solaio BD che si scarica nel nodo B, si verificheranno alla testa del pilastro AB e al piede del pilastro BC due momenti M₁ ed M₂ di segno contrario, per i quali si possono fissare i seguenti valori:

In queste formule, indicando con J₁ ed J₂ i momenti d'inerzia dei due pilastri (inferiore e superiore) con J quello della trave o del solaio BD, è:

Il momento negativo nella trave in B, risulta.

In generale però conviene in pratica ammettere nella sezione d'incastro B della trave o del solaio il momento corrispondente all'incastro perfetto − ql²/12, senza considerare la diminuzione apportata dalla solidarietà a questo valore, come risulta dalla (3).

Per quanto riguarda la stabilità della sezione mediana della trave, sollecitata da momento positivo, converrà considerare un valore del momento + ql²/12, oppure, per maggior prudenza, quello corrispondente a una solidarietà parziale, cioè: + ql²/8 − 1/2 (M_B + 1/12 ql²), con M_B uguale al valore dato dalla (3).

Bibl.: A. Hawranek, Der Stahlskelettbau, Berlino 1931; F. Bleich, Stahlhochbauten, ivi 1932; F. Masi, Case in acciaio, Milano 1933; L. Santarella, Il cemento armato, II, ivi 1933.