Premesse e riflessioni
Benvenuti al mio sesto articolo del blog! Come ormai è tradizione, mi piace portare un tocco personale. Quanti di noi ricordano quando hanno analizzato la loro prima travatura reticolare? Io avevo 18 anni ed ero al secondo anno di sixth form, a studiare per gli A Levels. La materia era Disegno Tecnico e il metodo era la Notazione di Bow.
Quanti ingegneri (meno giovani) se lo ricordano? Qualche anno dopo, all'università, la travatura reticolare è stata il primo sistema strutturale che ho realizzato – ammetto, insieme ad altri tre membri del gruppo. È stata tagliata, forata, bullonata e provata fino alla rottura – cosa che, mi affretto ad aggiungere, non ha richiesto molto tempo!
Le travature reticolari esistono ovviamente in molte forme e dimensioni e sono realizzate con così tanti materiali diversi che è difficile contarli – ricordate le strutture fatte con le cannucce? Il denominatore comune, però, sono sempre stati i giunti – non solo come andrebbero trattati, ma anche come andrebbero progettati. In rapporto alle loro dimensioni, offrono capacità portanti eccezionali, e questo è uno dei motivi per cui sono una soluzione "di riferimento" nelle situazioni più complesse!
Ho sempre amato il legno – molto probabilmente perché sono un grande appassionato di storia dell'edilizia e delle costruzioni. Il legno è stato il primo materiale strutturale utilizzato per realizzare travature reticolari. Le travature reticolari in legno risalgono al 2500 a.C. Gli antichi Greci le utilizzavano nelle loro coperture e furono molto presenti nell'architettura medievale.
Molti dei vecchi granai della decima furono costruiti con questi metodi. I giunti venivano realizzati direttamente negli elementi in legno con i tradizionali incastri a mortasa e tenone, con caviglie in legno o soluzioni simili. Gli strumenti a disposizione degli artigiani del passato erano piuttosto limitati, e il risultato erano opere d'arte tridimensionali, più che semplici strutture per tenere fuori vento e pioggia.
Le travature reticolari in legno sono sempre state utilizzate nell'edilizia residenziale, dai manieri medievali alle abitazioni moderne. Ciò che è cambiato in modo radicale sono i metodi e le forme impiegati. Le moderne travature di copertura di oggi, con i loro elementi snelli e le piastre di collegamento ingegnerizzate, sono ben lontane dall'immagine qui sopra.
Se si osserva l'evoluzione delle travature reticolari in acciaio, occorre prima considerare il ferro, sia fuso sia battuto, e il suo ruolo. Il settore in gran parte responsabile di questo sviluppo è quello dei trasporti – si pensi alle ferrovie (in tutto il mondo).
Ci sono molti esempi notevoli sparsi per il mondo:
La travatura lenticolare di Brunel – Royal Albert Bridge - Ferro
Il Forth Rail Bridge sul Firth of Forth - Acciaio
Con i ponti all'avanguardia per ingegnosità ed eleganza progettuale, chi si sarebbe fatto avanti dal punto di vista degli edifici? Nel 1889 fu costruita a Parigi la "Dama di ferro" (nota anche come Torre Eiffel). Sebbene sia realizzata in ferro battuto, è forse una delle costruzioni più iconiche al mondo a presentare travature reticolari e comportamento reticolare.
Naturalmente, le strutture moderne si affidano sempre più alle travature reticolari per superare situazioni particolari o per coprire grandi luci libere. Esistono diversi tipi di travature reticolari, alcuni con nomi particolari:
- travatura ad arco con tirante (bowstring)
- travatura a ventaglio (fan)
- travatura Fink
- travatura gambrel
- travatura Howe
- travatura king post
- travatura queen post
- trave Vierendeel (una forma di travatura reticolare)
- travatura Warren
- ecc.
L'analisi strutturale, i metodi di progetto e i materiali sono cambiati, ma resta costante la difficoltà nel progetto dei collegamenti. Essere in grado di valutare correttamente i carichi richiesti su una travatura reticolare (e su qualsiasi struttura, del resto) è fondamentale. Molte travature reticolari hanno le loro radici nella geometria, quindi è importante che la geometria sia riconosciuta anche come un fattore rilevante, talvolta architettonico.
E IDEA StatiCa?
Gli elementi stessi (in una travatura reticolare in acciaio) sono spesso snelli e di conseguenza soggetti a effetti aggiuntivi che possono indurre il progettista a prendere in considerazione forme di analisi più avanzate. Disporre di una soluzione software in grado di combinare tutti questi requisiti con funzionalità di facile utilizzo è assolutamente essenziale nel mondo dell'ingegneria strutturale di oggi.
Per fortuna esiste IDEA StatiCa. IDEA StatiCa Connection consente di progettare in modo sicuro ed efficiente gli articolati collegamenti delle travature reticolari di oggi – sono disponibili anche collegamenti avanzati a base di legno (con piastre). Può utilizzare il modello analitico di diverse soluzioni FEA tramite un'applicazione chiamata IDEA StatiCa Checkbot. Checkbot fornisce il collegamento tra il software FEA e IDEA StatiCa Connection. Se il progettista è preoccupato per gli elementi all'interno della travatura reticolare, abbiamo IDEA StatiCa Member. IDEA StatiCa Checkbot può essere utilizzato anche per gestire questa soluzione.
Dove si inserisce IDEA StatiCa? Consideriamo un esempio semplice, ma essenziale:
Queste sono probabilmente le strutture più sottovalutate delle nostre reti stradali di oggi. Sono soggette a tutti i consueti tipi di carico: permanenti, variabili, vento, neve e ghiaccio. Poi ci sono i carichi dinamici, da considerare eventualmente. Tutto questo nel tentativo di progettare qualcosa che possa essere fabbricato in modo efficiente e montato rapidamente.
Questo esempio è stato semplificato perché vogliamo concentrarci sull'interazione con la soluzione IDEA StatiCa.
Fase 1 – Analisi agli elementi finiti
La struttura è stata modellata, analizzata e progettata in un'applicazione adeguata di analisi agli elementi finiti (FEA) – in questo caso Autodesk Robot Structural Analysis. Consultate il nostro sito web per l'elenco completo delle applicazioni supportate.
Il componente aggiuntivo IDEA StatiCa Checkbot è stato avviato dall'interno di Robot. L'installazione della maggior parte di questi cosiddetti componenti aggiuntivi nelle altre applicazioni supportate avviene automaticamente, per rendere il loro utilizzo ancora più rapido e semplice.
Fase 2 – Esportazione in Checkbot
Gli elementi e i collegamenti vengono selezionati in Robot ed esportati in Checkbot. In caso di modifiche, il modello Checkbot può anche essere sincronizzato con il software FEA. I carichi esterni inseriti nel modello FEA vengono utilizzati per l'analisi globale e le reazioni interne – sforzi assiali, tagli e momenti – vengono trasferite a Checkbot. Una volta in Checkbot, sono disponibili sia per Connection sia per Member.
In Checkbot è possibile anche visualizzare gli effetti del carico.
Gli elementi in IDEA StatiCa Checkbot possono inoltre essere uniti – in questo modo gli elementi continui, composti da tratti più corti, possono essere uniti per il progetto di un collegamento. In questo esempio, gli elementi del corrente inferiore sono stati modificati in tal modo. Al contrario, il corrente superiore non lo è stato perché nel suo collegamento non è necessario. Questo è molto utile quando si utilizzano applicazioni FEA che devono modellare in questo modo gli elementi continui.
Fase 3 – Progetto e verifica dei collegamenti
I collegamenti possono essere progettati e verificati con IDEA StatiCa Connection e gli elementi possono essere verificati in IDEA StatiCa Member. Il posizionamento degli elementi è sempre stato un compromesso tra analisi e realtà. Gli elementi possono spostarsi in fase di fabbricazione per facilitarne la saldatura – questo può spesso causare problemi nel modello analitico. In IDEA StatiCa possiamo modificare le eccentricità per tenere conto di questa discrepanza.
È all'interno della soluzione Connection che occorre ricordarsi di far corrispondere il modello di analisi quando si considera il Tipo di modello. Se si intende utilizzare collegamenti con un singolo bullone in una tradizionale piastra di nodo, occorre ricordarsi di modificare di conseguenza il Tipo di modello – in N,Vy,Vx – che non consente momenti. Tuttavia, se il collegamento (come in questo esempio) può trasmettere un momento, questo passaggio può essere evitato.
Lavorare con le effettive combinazioni di carico di progetto è indispensabile per ottenere un modello di collegamento e una verifica normativa sicuri ed efficienti. Utilizzando quattro semplici operazioni per creare un giunto completamente saldato, possiamo vedere che tutti gli effetti del carico critici (le nostre combinazioni di progetto) sono stati verificati uno dopo l'altro e sono tutti soddisfatti.
Fase 4– Verifica degli elementi
Il secondo collegamento può essere progettato in modo analogo, prima di esaminare il controvento in IDEA StatiCa Member.
Ciò che questo mostra, tuttavia, è che ci sono ampi margini per approfondire l'efficienza dei materiali e dei collegamenti, poiché molti elementi delle travature reticolari sono sovradimensionati per compensare la mancanza di un'analisi avanzata.
Considerazioni finali
Le travature reticolari sono una parte essenziale dell'ingegneria strutturale e il loro impiego diventerà sempre più audace. I progressi nei materiali e nei metodi di costruzione porteranno a nuovi progetti e concetti nei prossimi anni – ne sono certo. Ciò che vedo nell'approccio di IDEA StatiCa come archivio di dati è il meglio di entrambi i mondi: possiamo lasciare che gli esperti del settore FEA continuino a sviluppare soluzioni di livello mondiale, mentre noi ci colleghiamo ai loro risultati e al loro modello per creare i modelli dei collegamenti e le verifiche degli elementi – un campo in cui siamo i migliori della categoria!
Spero che questa incursione nel mondo delle travature reticolari vi sia piaciuta e che abbiate visto come noi di IDEA StatiCa possiamo aiutarvi in diversi modi. Tenete d'occhio un articolo correlato in arrivo prossimamente sui controventi.
