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Telaio

Alcune tipologie di strutture a telaio.
Alcune tipologie di strutture a telaio.

Definizione – Etimologia

Dal latino telarium a sua volta derivato dal vocabolo di origine indeuropea texere che indica una trama o una figura geometrica composta da linee mutuamente ortogonali. Nell’uso comune il termine ha vari significati: può indicare una cornice, una macchina per tessere o anche una struttura portante di qualunque forma (ad esempio il telaio di un’automobile o di una bicicletta). Sinonimi di telaio sono talvolta i termini ossatura, intelaiatura e scheletro. Nelle costruzioni il termine telaio indica una tipologia di struttura resistente composta da elementi monodimensionali collegati fra loro più o meno rigidamente.

Generalità

Il telaio è prevalentemente caratterizzato da elementi portanti verticali (ritti, pilastri o colonne) e orizzontali (traversi o travi) collegati fra loro in corrispondenza di nodi (se non diversamente specificato intensi come rigidi, cioè in grado di trasferire ogni tipo di sollecitazione – forze e momenti flettenti – fra le aste) in modo da formare delle maglie rettangolari. Talvolta gli elementi, soprattutto i traversi, possono essere inclinati.
L’esempio più semplice di telaio è il portale incastrato (sistema tre volte iperstatico) o incernierato alla base (sistema una volta iperstatico), costituito da due ritti e da un traverso. Il portale si trova anche nella variante con traverso sostituito da due falde inclinate, portale eventualmente reso isostatico, nel caso di cerniere alla base, dalla presenza di una cerniera di sommità. Altrimenti, più comunemente, si hanno telai multipli composti da più elevazioni e più campate, telai che possono essere visti come combinazione in serie e in parallelo di portali. All’aumentare delle maglie interne (ogni maglia è tre volte iperstatica) e del numero di ritti vincolati a terra (con incastri o cerniere) aumenta il grado di iperstaticità.
Il comportamento statico della struttura a telaio è legato alla mutua e vantaggiosa collaborazione degli elementi costitutivi (nell’ipotesi in genere assunta di nodi trave-pilastro rigidi), basata su una ripartizione dei compiti flessionali fra i diversi elementi. Nel caso di carichi verticali, le travi del telaio trasferiscono i momenti flettenti di estremità, attraverso i nodi rigidi, sui pilastri, con una ripartizione funzione delle rigidezze degli elementi. In questo modo le travi sono inflesse (con, in genere, deboli sforzi assiali), mentre i pilastri risultano presso-inflessi (con eccentricità maggiore in genere per i pilastri d’ambito) con taglio costante (il telaio risulta spingente in quanto, per effetto del taglio, si hanno reazioni orizzontali alla base dei pilastri). Nel caso di carichi orizzontali (ad es. le forze sismiche agenti all’altezza dei traversi), travi e pilastri collaborano sviluppando momenti variabili linearmente e taglio costante. Sui pilastri si hanno incrementi o decrementi di compressione (dovuta ai carichi verticali), così da equilibrare insieme ai momenti alla base dei pilastri (se incastrati) il momento ribaltante indotto dalle forze orizzontali.
La valutazione delle sollecitazioni interne in un telaio è operazione complessa, visto l’elevato grado di iperstaticità del sistema. Storicamente si cita il metodo ideato da Cross nel 1930, che si basa su un procedimento iterativo per la ripartizione dei momenti agenti sui singoli elementi. Esistono poi metodi semplificati che consistono nell’isolare una parte di telaio. Una semplificazione tratta ad esempio le travi di una certa elevazione come una travata continua appoggiata in corrispondenza dei pilastri e, nel trattare i pilastri, come assialmente compressi. Si ricorda inoltre la semplificazione, di uso frequente per l’analisi del comportamento di telaio soggetti a forze orizzontali, con uno schema shear-type in cui i traversi sono assunti come infinitamente rigidi e quindi i pilastri sono bloccati alla rotazione alle estremità.
Oggigiorno, l’analisi strutturale dei telai non presenta, almeno in ambito elastico, più problematiche particolare grazie alla diffusione del calcolo automatico tramite elaboratore elettronico. In genere comunque l’analisi è condotta, semplificando così la realtà strutturale, per strutture piane indipendenti. Le altre ipotesi o semplificazioni comunemente adottate consistono nel assumere gli elementi assialmente e a taglio infinitamente rigidi. La prima ipotesi consente di avere come gradi di libertà le rotazioni dei nodi e, nel caso di telaio non controventati (o a nodi mobili), gli spostamenti orizzontali all’altezza dei traversi. Il metodo degli spostamenti è quello più usato nell’analisi strutturale dei telai (il metodo degli elementi finiti è anch’esso riconducibile, almeno per le strutture a telaio, al metodo degli spostamenti).
Oltre al legno di impiego tradizionale (si pensi ai timber frames dei paesi nordici) nelle costruzioni civili e industriali, si incontrano strutture a telaio in acciaio o in calcestruzzo armato (talvolta composte da elementi prefabbricati). Tipico esempio è quello dei capannoni industriali monopiano in cui la strutture principali sono a portale. Negli edifici si incontrano invece telai multipli in acciaio o in calcestruzzo armato. Questi possono essere disposti lungo due direzioni, in modo da formare una maglia tridimensionale, per assolvere anche al compito, di controvento, di assorbire le forze orizzontali da sisma o da vento. Altrimenti si hanno disposizioni dei telai lungo una direzione ortogonale all’orditura dei solai allo scopo principale di scaricare i carichi verticali dei solai a terra.
Talvolta i nodi dei telai sono flessibili o semi-rigidi. Questo è frequente soprattutto nelle strutture in acciaio o prefabbricate. Nel caso di nodi flessibili, nello schema statico del telaio, si dispongono delle cerniere in corrispondenza del nodo trave-pilastro per cui lo schema è quello di telaio pendolare (pilastri a comportamento a mensola collegati da travi semplici appoggiate alle estremità).
Nelle strutture in acciaio le caratteristiche della connessione trave-pilastro (in relazione alla capacità di trasferire il momento flettente) determina la condizione di nodo rigido o flessibile o quella intermedia. Nelle strutture prefabbricate, la morfologia degli elementi determina la posizione dei collegamenti: si hanno ad esempio pilastri continui con mensole tozze su cui poggiano travi singole, ecc.
Nel caso di nodi flessibili, i telai devono essere affiancata a opportune strutture di controvento (talvolta usate anche nel caso di nodi rigidi) che assorbono le azioni orizzontali. I controventi sono realizzati ad esempio con pareti o nuclei in calcestruzzo armato o con diagonali nei telai in acciaio.

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