Che cos'è un edificio con struttura in acciaio a portale
Un edificio con struttura in acciaio a portale è una struttura a un piano o bassa costruita attorno a telai rigidi in acciaio a forma di "U" capovolta o portale. Ogni orditura è costituita da due colonne verticali e da un travetto orizzontale o inclinato, collegati agli angoli da giunti momento resistenti detti giunti a ginocchio. Questa connessione rigida alla grondaia e all'apice consente al telaio di sopportare sia carichi verticali che carichi laterali di vento o sismici senza fare affidamento su pareti portanti interne. Poiché è il telaio stesso a svolgere il lavoro strutturale, gli edifici a portale possono estendersi da 20 a 100 metri senza colonne, motivo per cui dominano magazzini, officine, hangar per aerei, capannoni agricoli e arene sportive.
La caratteristica distintiva che separa un telaio a portale da una semplice struttura in acciaio con montanti e travi è la connessione rigida del rinforzo. In un sistema trave-colonna standard, il giunto si comporta come una cerniera e i momenti flettenti non sono condivisi tra la trave e la colonna. In un telaio a portale, la staffa di sostegno trasferisce il momento flettente in modo continuo attraverso l'angolo, quindi le colonne e le travi agiscono come un unico elemento strutturale continuo. Questo è ciò che conferisce agli edifici con struttura a portale le loro lunghe campate libere e un tonnellaggio di acciaio relativamente leggero per metro quadrato.
Componenti principali di un telaio a portale Struttura in acciaio
Ogni edificio con struttura in acciaio a portale, indipendentemente dalle dimensioni o dall'uso, è assemblato da un insieme coerente di parti. Comprendere ciascun componente aiuta gli acquirenti a leggere un disegno strutturale e a confrontare i preventivi di diversi produttori a parità di condizioni.
Telaio principale
Colonne e travi realizzate con travi ad H laminate a caldo o sezioni a I saldate. La trave di solito ha una profondità variabile, che si assottiglia da un'anca profonda alla grondaia a una sezione meno profonda a metà campata per risparmiare peso dell'acciaio.
Arcarecci e cinture
Sezioni a C o Z formate a freddo distanziate da 1,2 a 1,8 metri l'una dall'altra che supportano la copertura del tetto e il rivestimento delle pareti, trasferendo i carichi al telaio principale.
Sistema di rinforzo
Rinforzo trasversale o rinforzo a portale nel piano del tetto e nelle pareti terminali che resiste ai carichi del vento longitudinale e mantiene stabile il telaio lungo la sua lunghezza.
Piastre di base e bulloni di ancoraggio
Piastre di acciaio saldate alla base della colonna e fissate alla fondazione in calcestruzzo con bulloni di ancoraggio, trasferendo le reazioni della colonna alla fondazione.
Rivestimento del tetto e delle pareti
Lamiere profilate in acciaio, pannelli sandwich o pannelli compositi isolanti fissati ad arcarecci e travi per racchiudere l'involucro dell'edificio.
Travi della gru
Mensole o staffe opzionali su colonna per il sostegno di carroponti in edifici industriali e manifatturieri.
Perché gli edifici con struttura in acciaio a portale vengono scelti rispetto ad altre strutture
Rispetto ai telai in cemento armato o alla tradizionale costruzione in muratura, il telaio in acciaio del portale offre una combinazione di velocità, campata ed efficienza dei costi difficile da eguagliare per le grandi recinzioni a un piano.
- Lunghe campate libere senza colonne interne , che è fondamentale per magazzini, palestre e linee di produzione che necessitano di spazio libero per scaffalature, macchinari o movimento di veicoli.
- Tempi di costruzione più brevi, poiché gli elementi vengono fabbricati e forati in una fabbrica e semplicemente imbullonati insieme in loco, riducendo le settimane di pianificazione rispetto al calcestruzzo gettato in opera.
- Carico di fondazione inferiore, poiché un telaio a portale ben progettato è significativamente più leggero di un telaio in cemento equivalente, riducendo le dimensioni della base e i costi di scavo.
- Flessibilità di progettazione per espansioni future, poiché le campate terminali possono essere lasciate aperte per un'estensione imbullonata senza disturbare la struttura in acciaio esistente.
- Elevato valore di recupero del materiale, poiché gli elementi strutturali in acciaio possono essere smantellati, ricollocati o riciclati a un'elevata percentuale del loro valore originale.
- Tolleranze di fabbricazione prevedibili e controllate in fabbrica che riducono le rilavorazioni in cantiere e le variazioni di qualità rispetto al calcestruzzo colato sul campo.
Intervalli tipici di campata, spaziatura delle campate e altezza di gronda
Campata, spaziatura delle campate e altezza della grondaia sono le tre dimensioni che determinano il tonnellaggio dell'acciaio e, quindi, il costo del progetto. La tabella seguente riassume le gamme comunemente utilizzate nei progetti di magazzino, officina e struttura a portale agricolo.
Intervalli dimensionali tipici per edifici con struttura in acciaio a portale per tipologia di edificio | Tipo di edificio | Cancella intervallo | Spaziatura della baia | Altezza della grondaia |
| Magazzino di stoccaggio | da 20 a 40 m | da 6 a 9 metri | da 6 a 9 metri |
| Laboratorio di produzione | da 24 a 36 mt | da 6 a 8 m | da 7 a 12 m |
| Hangar per aerei | da 40 a 100 mt | da 7,5 a 9 mt | da 9 a 18 m |
| Capannone agricolo | da 12 a 24 m | da 5 a 6 metri | da 4 a 6 metri |
| Arena sportiva al coperto | da 30 a 60 mt | da 6 a 9 metri | da 8 a 15 m |
Come regola generale utilizzata dagli ingegneri strutturali, il consumo di acciaio aumenta all'incirca con il quadrato della campata una volta che il telaio del portale supera i 36 metri circa, perché le sezioni delle travi e delle colonne devono diventare più profonde per controllare la deflessione. Gli acquirenti che progettano edifici con campate molto ampie spesso valutano se un telaio a più campate con colonne intermedie sia più economico di una singola campata libera gigante.
Gradi di acciaio e specifiche dei materiali
Le prestazioni di qualsiasi edificio con struttura in acciaio a portale dipendono fortemente dal tipo di acciaio utilizzato per il telaio principale, gli elementi secondari e le connessioni. I produttori in genere lavorano all'interno di una fascia ristretta di qualità di acciaio strutturale consolidate perché offrono un equilibrio affidabile e ben documentato tra resistenza, saldabilità e costi.
Tipi comuni di acciaio strutturale utilizzati nella fabbricazione di telai a portale | Grado d'acciaio | Forza di snervamento | Uso tipico |
| Q235B | 235MPa | Arcarecci, travi, controventi secondari |
| Q345B | 345MPa | Colonne e travi del telaio principale |
| ASTM A572 Gr50 | 345MPa | Elementi del telaio pesanti, colonne di gru |
| S355JR | 355MPa | Progetti di esportazione con specifiche europee |
Qualità a resistenza più elevata come Q345B o S355JR sono generalmente specificate per il telaio rigido principale perché consentono alle sezioni più leggere di sopportare lo stesso momento flettente, riducendo il tonnellaggio complessivo e il peso di spedizione. Gli arcarecci e le travi, che resistono principalmente alla flessione locale piuttosto che ai grandi momenti del telaio, sono generalmente mantenuti a un livello inferiore poiché il risparmio di peso derivante dal loro aggiornamento è minimo rispetto all'aumento dei costi.
Opzioni di rivestimento del tetto e delle pareti
Il sistema di rivestimento scelto per un edificio con struttura a portale influisce sulle prestazioni termiche, sul comfort acustico, sul comportamento al fuoco e sui costi di manutenzione a lungo termine. Tre famiglie di rivestimenti dominano oggi il mercato.
Rivestimento profilato monostrato
Lamiera ondulata o trapezoidale zincata o Galvalume fissata direttamente sugli arcarecci. Questa è l’opzione più economica ed è comune per i capannoni agricoli, i magazzini con apertura sui lati e gli edifici senza rigorose esigenze di controllo della temperatura.
Pannelli sandwich coibentati
Due pelli di acciaio legate a un'anima in poliuretano, polistirolo o lana di roccia, tipicamente di spessore compreso tra 50 e 150 millimetri. I pannelli sandwich sono la scelta standard per celle frigorifere, lavorazione alimentare e officine climatizzate perché combinano rivestimento strutturale e isolamento in un unico componente installato in un unico passaggio.
Sistemi di tetto a doppia pelle integrati
Un foglio di rivestimento interno, uno strato di coperta isolante, barre distanziatrici e un foglio esterno resistente agli agenti atmosferici assemblati in loco. Questo sistema è adatto agli edifici commerciali e di vendita al dettaglio di grandi dimensioni dove sono richiesti una finitura interna del soffitto più liscia e un isolamento moderato.
Sequenza di costruzione dalla progettazione alla consegna
Un tipico progetto di costruzione di un portale con struttura in acciaio si muove attraverso una sequenza prevedibile di fasi. Conoscere questa sequenza aiuta l'acquirente a pianificare tempi di consegna realistici e a coordinare le opere civili con la consegna dell'acciaio.
- Progettazione strutturale e calcolo del carico, comprendente carico proprio, carico accidentale, carico di vento, carico di neve e carico sismico secondo il codice di progettazione locale in vigore per il sito di progetto.
- Preparazione dei disegni esecutivi e approvvigionamento dei materiali, in cui ogni membro viene dettagliato con le esatte posizioni dei fori dei bulloni e le lunghezze di taglio prima dell'inizio della fabbricazione.
- Fabbricazione in fabbrica, compreso taglio, perforazione, saldatura di sezioni composte e trattamenti superficiali come granigliatura e verniciatura o zincatura a caldo.
- La fondazione e le opere civili vengono eseguite parallelamente alla fabbricazione, in modo che le posizioni dei bulloni di ancoraggio vengano calcolate accuratamente rispetto al disegno approvato del layout della fondazione.
- Trasporto di elementi fabbricati al sito, solitamente in fasci dimensionati per adattarsi a rimorchi a pianale standard o container di spedizione per progetti di esportazione.
- Montaggio in loco, iniziando con i primi due telai terminali rinforzati temporaneamente, quindi procedendo, campata per campata, con arcarecci, travi e controventi installati man mano che ciascun telaio viene montato.
- Installazione del rivestimento, seguita da scossaline, grondaie, pluviali ed eventuali porte, finestre o feritoie di ventilazione.
- Ispezione finale della coppia dei bulloni, della qualità della saldatura e della tolleranza dimensionale prima che l'edificio venga consegnato per l'uso.
Poiché la struttura principale è imbullonata anziché saldata in loco, un magazzino con struttura a portale di medie dimensioni di circa 3.000 metri quadrati può essere generalmente costruito in quattro-otto settimane una volta che le fondamenta sono pronte, una frazione del tempo richiesto per un edificio equivalente con struttura in cemento.
Protezione dalla corrosione e durata
L'acciaio è resistente ma reattivo, quindi ogni struttura in acciaio con telaio a portale necessita di un sistema di rivestimento protettivo adatto al suo ambiente. Nella pratica vengono utilizzati tre metodi di protezione, ciascuno adatto a una diversa condizione di esposizione.
Vernice di fondo alchidica o epossidica
Un primer a base di ossido rosso o ricco di zinco seguito da strati intermedi e di finitura, per uno spessore totale del film secco compreso tra circa 120 e 200 micron. Idoneo per ambienti interni asciutti con riverniciatura periodica ogni 8 – 12 anni.
Zincatura a caldo
I componenti vengono immersi nello zinco fuso per formare un rivestimento legato metallurgicamente, tipicamente di spessore compreso tra 65 e 100 micron, che offre protezione esente da manutenzione per 25 anni o più anche in condizioni umide o costiere.
Rivestimento duplex
Zincatura combinata con uno strato di vernice finale, utilizzata in atmosfere marine o industriali aggressive dove lo strato di vernice prolunga l'intervallo prima che lo strato di zinco richieda attenzione, spesso superando i 30 anni di protezione combinata.
Ciò che determina il costo di un edificio con struttura in acciaio a portale
Gli acquirenti che confrontano i preventivi spesso notano ampie differenze di prezzo per edifici che sulla carta sembrano simili. Il divario si riduce quasi sempre a una manciata di variabili.
- Tonnellaggio di acciaio per metro quadrato, che aumenta con la campata, l'interasse, la pendenza del tetto, il carico di neve e la zona di carico del vento.
- Carico con gru, poiché anche un singolo carroponte da 5 tonnellate può aggiungere un notevole peso di colonna e rinforzo rispetto a una struttura priva di gru.
- Specifiche di rivestimento, in cui i pannelli sandwich isolanti costano notevolmente di più per metro quadrato rispetto ai rivestimenti a pelle singola, ma riducono la spesa energetica continua.
- Sistema di rivestimento, con zincatura a caldo che comporta un costo iniziale più elevato rispetto alla verniciatura ma un costo di manutenzione inferiore.
- Logistica del sito, inclusa la distanza dell'officina di fabbricazione dal sito e la disponibilità di gru e strade di accesso per il montaggio.
- Requisiti delle normative di progettazione locali, poiché le zone sismiche o soggette a vento forte richiedono controventi e dettagli di connessione più pesanti rispetto a un sito interno a basso rischio.
Come punto di riferimento pratico, un semplice magazzino a campata unica con un modesto carico di neve e vento rientra comunemente tra 25 e 45 chilogrammi di acciaio strutturale per metro quadrato di superficie coperta, mentre gli edifici a campata ampia o dotati di gru possono superare i 60 chilogrammi per metro quadrato.
Struttura in acciaio del portale contro la struttura in acciaio del tetto a capriata
Gli acquirenti a volte confondono un telaio a portale con un edificio a capriate e colonne, ma i due si comportano in modo molto diverso sotto carico.
Confronto di telai a portale rigidi con strutture di tetto a traliccio con giunzioni a perni | Caratteristica | Cornice del portale | Travatura e colonna |
| Collegamento ad angolo | Rigido, resistente al momento | Appuntato, senza momenti |
| Profondità dell'asta a metà campata | Trave poco profonda e affusolata | Travatura profonda a rete aperta |
| La migliore gamma di campate | Fino a circa 60-100 m | Campate molto lunghe, oltre 60 m |
| Complessità di fabbricazione | Meno membri, meno membri | Più in alto, molti membri del web |
| Sensazione di spazio interno | Più pulito, senza interruzioni | Visivamente impegnato con il rinforzo del web |
Industrie e tipi di edifici che si basano su telai a portale
Poiché la struttura in acciaio con telaio a portale è efficiente su un'ampia gamma di campate, è diventata la scelta predefinita in molti settori piuttosto che una soluzione di nicchia.
- Magazzini logistici e di distribuzione che necessitano di lunghi percorsi liberi per le corsie di scaffalature e carrelli elevatori.
- Officine di produzione automobilistica, elettronica e generale che ospitano linee di produzione e gru a ponte.
- Impianti per la catena del freddo e per la lavorazione degli alimenti che utilizzano rivestimenti in pannelli coibentati per il controllo della temperatura.
- Edifici agricoli come stalle per bestiame, depositi di cereali e rimesse per attrezzature agricole.
- Hangar aeronautici che richiedono luci libere molto ampie per accogliere l'apertura alare degli aerei.
- Strutture ricreative e sportive tra cui campi coperti, maneggi e sale espositive.
- Edifici di vendita al dettaglio e showroom che beneficiano di planimetrie aperte e prive di colonne per un layout flessibile.
Domande frequenti
Quanto dura in genere una costruzione con struttura in acciaio a portale?
Con un sistema di rivestimento adeguatamente progettato e un'ispezione di routine, il telaio principale della struttura in acciaio normalmente funziona bene per 30-50 anni o più. I fogli di rivestimento e i sigillanti generalmente necessitano di sostituzione o ristrutturazione prima, spesso entro 15-25 anni a seconda dell’esposizione al clima.
È possibile estendere un edificio con struttura a portale dopo la sua costruzione?
SÌ. Poiché i carichi viaggiano attraverso telai distinti distanziati in campate regolari, di solito è possibile imbullonare una nuova campata su una parete di estremità aperta senza disturbare la struttura esistente, a condizione che la fondazione originale e il design del telaio consentano un'estensione futura.
Quale pendenza del tetto viene utilizzata per gli edifici con struttura in acciaio a portale?
La maggior parte dei telai dei portali utilizza una pendenza del tetto compresa tra 5 e 10 gradi. Una pendenza meno profonda riduce l'altezza del telaio e il peso dell'acciaio, mentre una pendenza leggermente più ripida migliora il drenaggio dell'acqua piovana e lo spargimento della neve nelle regioni con forti nevicate.
Gli edifici con struttura a portale necessitano di colonne interne per ampie campate?
Non necessariamente. I telai a portale a campata singola possono coprire aperture fino a circa 60-100 metri senza colonne interne, sebbene campate molto ampie richiedano rinforzi più profondi e sezioni più pesanti, il che aumenta il tonnellaggio e il costo dell'acciaio.
In che modo il carico del vento influisce sulla progettazione del telaio del portale?
Il carico del vento governa il sistema di controventamento e il dimensionamento delle connessioni nella maggior parte degli edifici a portale con struttura a pochi piani, spesso più dei carichi gravitazionali. Gli edifici situati in regioni costiere soggette a vento forte o soggette a cicloni richiedono campate di rinforzo aggiuntive e fissaggi di rivestimento più resistenti per resistere al sollevamento del tetto.
Un edificio con struttura a portale in acciaio è adatto ai climi freddi?
Sì, a condizione che il telaio sia progettato per il carico di neve locale e che il sistema di rivestimento comprenda un isolamento adeguato. Pannelli sandwich isolanti o un sistema di tetto a doppia pelle sono comunemente specificati per gli edifici con struttura a portale in climi freddi per controllare la perdita di calore e prevenire la formazione di condensa.
