Fino al 38% di acciaio in meno: è il risparmio di massa più alto tra i tre casi analizzati in uno studio parametrico sui controventi con cavi a X per edifici alti a telaio in acciaio, pubblicato su Construction Materials (vol. 6, pag. 26, doi: 10.3390/constrmater6030026). La ricerca, firmata da Mustafa Al-Bazoon, Saba Jasim Al-Rubaye, Faten I. Mussa, Abdulkhaliq A. Jaafer, Lateef Assi e Mohanad M. Abdulazeez, misura quanto incida sul peso della struttura il sistema di contrasto alle azioni orizzontali, distinguendo tra progetto con i soli carichi di esercizio e progetto in cui compare anche il vento.
Tre telai in acciaio e due algoritmi di ottimizzazione
Alla base del lavoro ci sono tre telai piani in acciaio, da 10, 20 e 30 piani, modellati e analizzati con SAP2000. Ogni geometria è stata progettata sia con i carichi di esercizio sia con l’azione del vento, imponendo vincoli di resistenza e di spostamento laterale, e portata al peso minimo tramite due procedure di ottimizzazione: l’algoritmo Differential Evolution (DE) e l’Enhanced Colliding Bodies Optimization (ECBO).
Il campo di indagine non è casuale. Negli edifici alti, accanto al sistema per i carichi gravazionali, è il sistema resistente laterale a condizionare in misura preponderante l’intero progetto: da esso dipendono le sezioni dei membri e, di conseguenza, la massa complessiva della struttura.
Il vento fa crescere la massa totale del telaio
Il primo esito comune ai tre casi riguarda le condizioni di carico. Quando il vento entra nel progetto insieme ai carichi di esercizio, il peso strutturale totale sale rispetto a quello ottenuto considerando i soli carichi di servizio. La quantità di materiale, in altri termini, risente direttamente dell’azione orizzontale del vento e dei vincoli di verifica che la accompagnano.
Quanto alleggerisce la controventatura con cavi a X
Il confronto con i telai privi di controvento restituisce riduzioni di massa complessiva in tutti e tre i casi. Il meccanismo alla base del risparmio è la migliore distribuzione delle forze interne tra i componenti strutturali: la presenza dei cavi ridistribuisce gli sforzi nel telaio, con effetti diretti sulle sezioni richieste.
L’andamento non è proporzionale all’altezza. Il caso di 20 piani è quello che trae il maggior vantaggio, con riduzioni fino al 38%, mentre le configurazioni di 10 e 30 piani si fermano rispettivamente al 6% e al 20%.
| Piani | Riduzione massima di massa rispetto al telaio non controventato |
|---|---|
| 10 | 6% |
| 20 | 38% |
| 30 | 20% |
Il rapporto di interazione comanda il dimensionamento
In tutti i casi di progetto il vincolo determinante è stato quello di resistenza, espresso attraverso il rapporto di interazione. Gli spostamenti laterali, pur rientrando tra le condizioni imposte in fase di ottimizzazione, sono sempre risultati inferiori al limite massimo previsto dai requisiti AISC e ASCE: il controllo della rigidezza non ha dettato le sezioni in nessuna delle tre configurazioni analizzate.
Per generalizzare i risultati servono altri casi
Gli stessi autori delimitano la portata delle conclusioni. I tre telai coprono una gamma di altezze ampia, ma restano configurazioni numeriche specifiche: prima di estendere le percentuali di risparmio osservate ad altre geometrie edilizie sono necessari studi ulteriori su un insieme più vasto di edifici.
Resta il dato di fondo, utile a chi dimensiona strutture in acciaio: la scelta del sistema resistente laterale incide direttamente sulla quantità di materiale, e una controventatura con cavi può ridurla in misura consistente già alle altezze intermedie. Quantificarla con modelli parametrici e algoritmi di ottimizzazione consente di valutare il contributo del sistema caso per caso, senza trasferire acriticamente i risultati da un edificio all’altro.
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