Modelli di calcolo per la puntellazione di edifici
La fase costruttiva di una struttura è dove si verificano una buona parte degli incidienti del settore delle costruzioni, ed in tale fase il controllo della puntellazione è fondamentale.
E’ importante realizzare per ogni edificio uno studio dettagliato della puntellazione, soprattutto quando le strutture iniziano ad avere un peso proprio considerevole (per esempio quando sono presenti solette piene). Per evitare questo studio, spesso si preferisce sovradimensionare la puntellazione, senza però così ottenere un processo costruttivo ottimizzato.
Realizzare il calcolo ti permette invece di ottimizzare la puntellazione, risparmiando costi importanti in termini di materiale, produttività, e tempistiche di esecuzione. Sarebbe quindi importante per qualsiasi impresa essere capaci di calcolare la puntellazione ottimale, scegliendo il modello di calcolo più adeguato.
Fasi di carico
L’obiettivo di questo calcolo è determinare qual è il carico effettivo che va a gravare sui puntelli e sui solai della struttura durante le differenti fasi costruttive dell’edificio.
La puntellazione è una componente molto importante delle casseforme utilizzate per eseguire strutture in calcestruzzo.
Cos’è una cassaforma per solai? La cassaforma è un sistema ausiliare di supporto composto da una struttura provvisoria formata da travi e puntelli, e da un manto di copertura.
Durante l’esecuzione di un edificio con diversi piani, la puntellazione vive 3 fasi successive di carico:
- Puntellazione completa: è la prima fase, e si riferisce alla puntellazione necessaria per poter gettare un solaio: la quantità di puntelli in questa fase è massima, pertanto questa situazione di carico la chiamiamo ‘puntellazione completa’.
- Puntellazione parziale: le casseforme per solai che si usano attualmente permettono un recupero parziale dopo pochi giorni dal getto, nel quale viene effettuata una riduzione del numero di puntelli che supportano il solaio. In questa seconda fase la situazione di carico è diversa in quanto la struttura entra parzialmente in carico, ed è presente una quantità minore di puntelli. Questa seconda fase la chiamiamo ‘puntellazione parziale’.
- Puntellazione in altezza: su un solaio già eseguito esiste una terza fase di carico, che si verifica quando tale solaio, una volta disarmato, riceve i carichi degli altri solai superiori successivamente gettati. Ogni volta che gettiamo un nuovo solaio si verifica una trasmissione dei carichi verso i solai inferiori, attraverso la puntellazione e la struttura in calcestruzzo appena gettata. Ciò che devi fare in questa terza fase di carico è controllare, indipendentemente dalla situazione strutturale al di sopra del solaio in oggetto, qual è il carico agente più sfavorevole. Controllando tale carico saprai se l’esecuzione dell’edificio in altezza non avrà alcun problema. Questa terza fase di carico la chiamiamo ‘puntellazione in altezza’.
Come è possibile calcolare la reale distribuzione dei carichi durante le fasi costruttive?
La distribuzione e la trasmissione dei carichi attraverso i puntelli e i solai può essere derivata da diversi modelli di calcolo.
Durante la storia sono stati prodotti e sviluppati 8 modelli teorici e 9 modelli sperimentali. Vediamo quelli più importanti.
Anni ’60: il modello di Grundy e Kabaila
Il modello di calcolo teorico più usato e conosciuto è del 1963, ed è il metodo di Grundy e Kabaila. L’ipotesi di calcolo principale di questo modello è quella di considerare che i puntelli sono infinitamente rigidi.
Questa ipotesi ha senso in quanto stiamo parlando dell’anno 1963 negli Stati Uniti, dove i puntelli erano di legno e venivano inchiodati, acquisendo così una rigidità importante, diversamente dai puntelli metallici che vengono utilizzati nell’attualità che si comportano come “molle”. Inoltre le strutture erano più snelle e meno rigide rispetto alle strutture attuali.
Pertanto possiamo affermare che questo modello di calcolo, che è molto operativo e facile da applicare, non rappresenta la situazione reale di puntellazione e di tipologia di strutture che vengono eseguite oggigiorno.
Anni ’90: cambio di modelli
A partire dal 1990 vengono introdotti altri modelli (EFM, Duan y Chen, Fang…) dove l’ipotesi cambia: si considera che i puntelli abbiano rigidezza finita, e si introduce una compatibilità di deformazioni tra solai e puntelli.
A partire da questa ipotesi viene sviluppato un modello basato sulla relazione tra la rigidezza dei solai e la rigidezza dei puntelli. Tale formulazione permette di avvicinare i modelli di calcolo alla realtà, ma ancora non in una forma sufficientemente esaustiva.
In parallelo vengono sviluppati modelli sperimentali. Nel 1992 Moragues, della Università Politecnica di Valencia, realizza una misura reale di due edifici ad Alicante (Spagna) con casseforme recuperabili. Con questo esperimento verifica che i carichi che realmente si producono nella struttura sono lontani da quelli teorici ipotizzati, e pertanto conclude che occorre eseguire uno studio più approfondito per sapere realmente qual è il carico trasmesso a tutta la struttura.
Anno 2005: nuovo modello di calcolo
Come evoluzione dei modelli anteriori, e a continuazione degli esperimenti iniziati da Moragues, nel 2005 l’Università di Valencia (UPVB) ed il suo istituto ICITECH iniziano un progetto di ricerca, in collaborazione con il Gruppo Alsina, che durerà diversi anni e passerà per differenti fasi.
In una prima fase viene costruito sperimentalmente un edificio reale, con tutta la struttura completamente monitorata, sviluppando la tesi di dottorato di Yezid A. Alvarado Vargas.
L’edificio costruito è un edificio con solette piene di spessore 25 cm, composto da una campata con due sbalzi laterali. I puntelli vengono totalmente monitorati durante il processo di costruzione in tutte le sue fasi, utilizzando una cassaforma recuperabile.
Le varie fasi comprendono il getto della prima soletta, il disarmo parziale, il getto del secondo solaio, ed il secondo disarmo parziale; prima del getto del terzo solaio viene effettuato il disarmo totale del primo, neutralizzando così l’effetto sulle fondazioni (considerate infinitamente rigide). Infine viene simulato l’esecuzione del quarto solaio con recipienti d’acqua, riproducendo in questo modo una costruzione standard con 3 solai puntellati.
Il controllo del calcestruzzo è stato continuo, con la collaborazione di un laboratorio esterno per le prove.
Sono stati introdotti estensimetri per la misura delle deformazioni, e sonde per misurare la temperatura dell’ambiente e del calcestruzzo. In questa maniera è stato possibile controllare continuamente il tipo di calcestruzzo e le sue caratteristiche.
Per acquisire ed immagazzinare i dati sono stati disposti 40 moduli di acquisizione dati, e più di 3.700 metri di cavo, per un totale di 17.000 misure. Le misure sono state continue, ed in ogni fase di getto, disarmo parziale e disarmo totale, venivano acquisite misure ogni cinque secondi, mentre durante le fasi non operative le misure venivano acquisite ogni cinque minuti.
Alla fine dell’esperimento sono stati ottenuti 4.500.000 dati relativi ai carichi, che hanno permesso di controllare perfettamente tutto il processo in maniera molto più accurata di qualsiasi altro esperimento anteriore.
Il modello NPS
Parallelamente allo studio sperimentale e secondo i risultati, viene sviluppato il nuovo metodo di calcolo NPS, che come ipotesi principale di calcolo considera che i puntelli hanno rigidità infinita. Oltre alla validazione sperimentale, il metodo viene confermato da modelli numerici ad elementi finiti in 3D, utilizzando il programma Ansys.
Per avere una maggiore validazione del metodo, nel 2008 viene sviluppato una seconda tesi di dottorato, di Isabel Gasch Molina, per verificare se le misure in cantiere corrispondevano o meno ai risultati del modello.
Sono state misurati tre cantieri diversi con le tre tipologie di solai bidirezionali più frequenti: soletta piena, solaio con alleggerimenti a perdere, solaio con alleggerimenti recuperabili. I risultati sono stati paragonati con diversi modelli di calcolo, verificando così che il nuovo modello di calcolo è il più vicino di tutti alla realtà, con una coincidenza dei carichi del 90-95% e una deviazione tra 0.14 e 0.16.
La verifica di questo modello di carico ha permesso una nuova pubblicazione scientifica, apparsa sulla rivista Engenieering Structures, (Vol 33, 2011- Pag. 1565 a 1575).
Conclusioni
Riassumendo possiamo concludere che il metodo NPS è il metodo che più si avvicina alla realtà, essendo quello che possiede il livello più alto di validazione tanto numerica come sperimentale.
Perchè è importante? Perchè con l’applicazione di tale modello (tramite l’uso del Software STC) le imprese di costruzioni hanno la possibilità di ottimizzare i sistemi di puntellazione e i tempi di esecuzione, assicurando la sicurezza in tutte le fasi. In questo modo i costi e le perdite di produttività vengono minimizzati, fattore competitivo imprescindibile al giorno d’oggi.
