Walking Columns: Una soluzione alla complessità strutturale e architettonica

Quando la disposizione dei piani cambia, come nel caso di un parcheggio sotto un atrio o di uffici sotto appartamenti, spesso è necessario modificare le griglie di colonne per soddisfare le esigenze architettoniche e funzionali. In questo caso, una c rappresenta un'alternativa pratica e intelligente alle ingombranti travi di trasferimento o alle raking columns, visivamente invadenti.

a) Disposizione di raking columns; b) Disposizione della colonna di trasferimento e della trave di trasferimento

Una Walking Column è una colonna strutturale che cammina o "camminante" orizzontalmente tra i piani, consentendo alla posizione in pianta della colonna di spostarsi gradualmente senza bruschi trasferimenti di carico. A differenza delle colonne inclinate o raking columns, le Walking Column sono composte da segmenti impilati verticalmente e sfalsati a ogni livello di piano. In questo modo è più facile costruirle e integrarle nei sistemi di casseratura convenzionali, mantenendo un percorso di carico relativamente diretto, un principio fondamentale per una progettazione strutturale efficiente.

a) Walking Column  in un edificio reale e b) Meccanismo di trasferimento del carico di una Walking Column (SheerForce Engineering, 2021).

Una descrizione dettagliata dei diversi sistemi strutturali, compresi i metodi di trasferimento del carico e i rispettivi vantaggi e svantaggi, è disponibile alla seguente pagina web di SheerForce Engineering.

Problemi che si presentano

Sebbene le walking columns possano essere un vantaggio in alcuni layout strutturali, essi comportano anche sfide progettuali uniche che vanno al di là dell'ambito di applicazione dei codici convenzionali come l'ACI 318 o l'Eurocodice. Questi elementi presentano in genere bassi rapporti luce/profondità, che vanno da 1:9 a 1:4, il che li rende fondamentalmente diversi dalle travi alte. Per rapporti inferiori a 1:4, le travi alte sono generalmente favorite per la loro maggiore resistenza al ribaltamento, essendo appoggiate su due facce opposte. Al contrario, la geometria snella dei pilastri può inibire la formazione di campi di compressione diagonali a puntone, caratteristici del comportamento delle travi profonde.

Di conseguenza, la loro progettazione richiede un'attenta considerazione dell'azione del puntone del diaframma, un'armatura complessa dei nodi e l'affidamento ad approcci basati sulla meccanica, come il metodo del tirante puntone (STM). Se il metodo STM rimane efficace ed efficiente per tutti i rapporti d'aspetto, in particolare nei casi più snelli, è necessaria un'ulteriore valutazione attraverso strumenti FEM scientificamente orientati, che garantiscano sia la sicurezza strutturale che l'ottimizzazione dei materiali. Tuttavia, l'utilizzo di tali software per la progettazione di colonne in calcestruzzo può richiedere molto tempo a causa della loro natura iterativa.

IDEA StatiCa Detail aiuta gli ingegneri a trovare una soluzione che fornisca un'analisi sufficientemente realistica basata sui dati di input (e non solo sulle stime), evitando allo stesso tempo di dedicare ore o addirittura giorni alla modellazione. Con Detail è possibile eseguire analisi FEM applicando il metodo CSFM e modellare utilizzando le entità disponibili nell'applicazione. Ciò sostituisce la necessità di definire manualmente tutte le interazioni tra armatura e calcestruzzo, le condizioni al contorno o la meshatura, poiché il software gestisce questi aspetti automaticamente.

La sicurezza strutturale prima di tutto

Nel  metodo strut and tie, si ipotizza l'aspetto del modello di puntone e tirante e si progettano di conseguenza i singoli componenti. Allo stesso modo, i rapporti di cui sopra sono solitamente basati sull'esperienza. Ma cosa succede se dobbiamo progettare un tipo di struttura leggermente diverso? Possiamo essere sicuri al 100% che la struttura si comporti esattamente come ipotizzato? I metodi FEM possono fornire questo livello di sicurezza.

La Ohio State University ha recentemente pubblicato un confronto tra l'uso di SaT, CSFM (tramite IDEA StatiCa) e FEM (ABAQUS) per l'analisi di diversi modelli. ABAQUS ha previsto costantemente capacità più elevate, riflettendo la sua forza nel catturare il comportamento complesso del materiale e le condizioni di carico. Al contrario, STM e CSFM (con fattori ϕ) hanno fornito stime più conservative. Il CSFM si è rivelato uno strumento affidabile per la valutazione di pilastri calpestabili, offrendo preziose indicazioni sui meccanismi di rottura e sulle prestazioni strutturali. Potete leggere lo studio completo qui.

Confronto della direzione delle tensioni principali calcolate con i modelli IDEA StatiCa e ABAQUS

Dalla teoria alla pratica

Nella pratica, non sempre sono disponibili casi ideali che corrispondono ai modelli teorici. Un vantaggio fondamentale di IDEA StatiCa Detail (CSFM) è la sua capacità di modellare e analizzare qualsiasi geometria, indipendentemente dalla complessità, offrendo agli ingegneri un elevato grado di flessibilità. I risultati includono campi di sollecitazione e deformazione, ampiezza delle fessure, percorsi di carico e rapporti di utilizzo, che forniscono all'utente una comprensione molto chiara di ciò che sta accadendo all'interno della struttura e di come viene applicato il carico. È possibile eseguire queste valutazioni sia in ACI che in EN, poiché l'applicazione include librerie di materiali e coefficienti per entrambi i codici. Dai risultati ottenuti è possibile generare un rapporto completo, che include l'esportazione della distinta materiali e della disposizione delle armature.

Per una migliore comprensione del processo di modellazione, dei risultati e dell'applicazione stessa, date un'occhiata al tutorial passo-passo o a questo webinar* dedicato all'argomento.

*Sebbene l'interfaccia dell'applicazione sia leggermente cambiata rispetto alla versione citata nel webinar, il metodo e i principi di modellazione rimangono gli stessi.

a) Modello armato di walking column in IDEA StatiCa, b) Risultati - campi di tensone del calcestruzzo e c) Risultati - deformazione

Il CSFM non è un concetto nuovo, è un metodo consolidato che viene utilizzato da diversi anni ed è stato convalidato sia nella ricerca accademica che nelle applicazioni reali. Un esempio significativo è quello di IMEG, un pioniere nel campo dei walking columns, che ora utilizza IDEA StatiCa Detail per verificare i modelli di puntoni e tiranti per gli elementi strutturali critici. Uno dei progetti in cui IDEA è stato utilizzato per verificare i dettagli critici è il Laurel Rittenhouse Square Project, mostrato al centro dell'immagine sottostante.

Esempi di utilizzo di walking columns- Vancouver House, The Laurel Rittenhouse Square, Seminole Hard Rock Hotel and Casino di IMEG

Conclusione

Le walking columns offrono una soluzione strutturale pratica e intelligente per spostare le griglie di pilastri in strutture complesse, evitando la necessità di travi di trasferimento ingombranti o di raking columns visivamente invadenti. La loro geometria unica, tuttavia, introduce diverse sfide progettuali non completamente affrontate dai codici convenzionali, che richiedono metodi di analisi avanzati.

L'uso combinato del metodo Strut-and-Tie (STM) e del FEM, in particolare attraverso strumenti come IDEA StatiCa Detail, fornisce agli ingegneri un mezzo affidabile ed efficiente per modellare e valutare l e walking columns. Grazie al supporto delle norme ACI ed EN, alle librerie di materiali integrate e alle funzioni di reporting complete, IDEA StatiCa Detail consente di colmare il divario tra i concetti teorici e l'attuazione pratica.