Confronto e analisi di strutture residenziali in acciaio leggero

Confronto e analisi di strutture residenziali in acciaio leggero

Riassunto: gli edifici residenziali con struttura in acciaio leggero presentano proprietà ecosostenibili, di risparmio energetico, di tutela ambientale, ecc. Negli ultimi decenni, l'interesse per l'utilizzo di strutture in acciaio formato a freddo in tutti gli aspetti dell'edilizia è cresciuto e, in molti paesi sviluppati, si sono registrati sviluppi significativi in questo settore. Tuttavia, in alcuni paesi in via di sviluppo, gli edifici residenziali con struttura in acciaio leggero sono solo agli inizi. In questo articolo, presentiamo alcune proprietà degli edifici residenziali con struttura in acciaio leggero e l'attuale situazione della ricerca. Sulla base di queste, analizziamo e studiamo in dettaglio gli edifici residenziali con struttura in acciaio leggero in Nord America, Giappone ed Europa, illustrandone alcune caratteristiche. Successivamente, in base alle condizioni specifiche della Cina, vengono presentati lo stato di sviluppo e le proprietà degli edifici residenziali con struttura in acciaio leggero, inclusi alcuni concetti abitativi tradizionali e gli edifici residenziali in acciaio intensivo. Sulla base delle ricerche di cui sopra, vengono forniti alcuni suggerimenti e contromisure. Si ritiene che ciò sia significativo e utile per promuovere l'industrializzazione edilizia in Cina.

Parole chiave: struttura in acciaio leggero; componente; edificio residenziale; struttura formata a freddo; multistrato basso

I. INTRODUZIONE

Con lo sviluppo del settore edile, i cambiamenti nei sistemi costruttivi e nei materiali da costruzione sono diventati la tendenza attuale nello sviluppo di edifici residenziali. Negli ultimi anni, a causa del continuo miglioramento degli standard di vita, le persone hanno aumentato i requisiti in termini di alloggi, stabilità, ecc., soprattutto per le abitazioni basse. C'è un urgente bisogno di ricerca, sviluppo e promozione di soluzioni estetiche, eccellenti prestazioni strutturali, praticità d'uso, velocità di costruzione, economicità e sistemi di edilizia residenziale ragionevoli per sostituire l'architettura esistente.

Le strutture abitative in acciaio leggero si basano su elementi in acciaio economici come scheletro portante, utilizzando piastre di pressione o materiale in lamiera come involucro di parete leggero, e bulloni ad alta resistenza e altri connettori e materiali di tenuta saranno componenti portanti, componenti dell'involucro edilizio come classe di edifici residenziali prefabbricati assemblati in loco [1]. Si può osservare che il principale materiale da costruzione per le strutture abitative in acciaio leggero è la chiglia in acciaio leggero zincato come componente strutturale principale. Il vantaggio più importante dell'utilizzo di questo materiale è che si possono garantire buone proprietà residenziali, ma si può anche garantire che la casa costruita con un peso morto leggero, un alto grado di prefabbricazione, velocità di costruzione, bassa intensità di manodopera dei vantaggi [2,3]. Rispetto alla tradizione precedente, le strutture abitative in acciaio leggero presentano i seguenti vantaggi: una struttura stabile; basso costo; una campata più grande rispetto agli edifici in cemento; la resistenza alla corrosione dell'acciaio zincato può essere eccellente, durevole, con una lunga durata d'uso. Tuttavia, le strutture abitative in acciaio leggero in Cina sono ancora in fase di sviluppo. Ci sono ancora alcuni seri problemi nel processo di progettazione residenziale che necessitano di ulteriori studi. A tal fine, questo articolo analizza e confronta le abitazioni in acciaio leggero e presenta le caratteristiche delle abitazioni in acciaio leggero, sia nazionali che straniere. Forniamo inoltre alcuni suggerimenti ragionevoli.

Il documento è strutturato come segue. La Sezione 2 descrive le caratteristiche delle abitazioni in acciaio leggero all'estero. La Sezione 3 descrive l'attuale sviluppo delle caratteristiche delle abitazioni residenziali in acciaio leggero e in acciaio in Cina. Le conclusioni sono riportate nell'ultima sezione.

II. ABITAZIONI IN ACCIAIO LEGGERO ALL'ESTERO

A. Case in acciaio leggero nordamericane Le case in acciaio leggero nordamericane sono realizzate in legno con caratteristiche di struttura leggera. Nel mercato residenziale nordamericano, rappresentano il 20% della quota [4]. La struttura delle case è principalmente costituita da un sistema di chiglia in acciaio a forma di C formato a freddo e solitamente si tratta di ville da uno a due piani costruite nell'alta incidenza di terremoti in California e in altre regioni. Alcune case in acciaio leggero in Nord America sono riportate nella Figura 1.

In realtà, questo sistema in acciaio leggero ha raggiunto un livello di maturità notevole in Nord America. Ora, utilizzando questa tecnica, è possibile costruire edifici residenziali a più piani, da cinque a sei strati. Vale la pena ricordare che la parte più attiva della ricerca negli Stati Uniti riguarda le strutture in acciaio formato a freddo. Le ragioni di ciò sono l'espansione dell'industria di supporto, soprattutto nel settore delle abitazioni unifamiliari, e l'aumento del costo del legno. Pertanto, le case con struttura in acciaio stanno diventando sempre più economiche[5]. Pekoz [6] afferma che negli Stati Uniti, nel 1992, circa 500 case sono state costruite in acciaio leggero. Questo numero è salito a 15.000 nel 1993 e a 75.000 nel 1994. Si stima un ulteriore aumento di cinque volte entro il 2002. Gli elementi strutturali principali per questa forma di costruzione sono i montanti delle pareti e le travi del solaio in acciaio formato a freddo. Vengono utilizzate anche capriate o travicelli del tetto in acciaio leggero. Attualmente, gli Stati Uniti hanno prodotto un sistema di chiglia di questo tipo per un centinaio di aziende. Tra queste, un'azienda famosa è la Dietrich, sussidiaria della Worthington Industrial Company. Hanno sviluppato il sistema DBS per la costruzione di alloggi in acciaio leggero a più piani [4]. Utilizzando la tecnologia DBS, è possibile costruire strutture residenziali in acciaio leggero a più piani. Le pareti sono realizzate con pannelli in gesso rivestito a C su entrambi i lati e il pavimento con una chiglia in acciaio leggero di tipo C posata su pannelli in fibrocemento di 20 mm di spessore, e sono riempiti con un distanziatore isolante in lana di vetro, che riproduce un effetto sonoro. Negli Stati Uniti, le sezioni a C formate a freddo sono comunemente utilizzate come elementi delle capriate del tetto [7]. In realtà, le prime forme dei arcarecci erano semplici canali con bordo e sezioni a Z. Il canale semplice si è evoluto nei Multibeam Marks I, II e III, questi ultimi con un bordo composto. Una tendenza simile può essere osservata nell'evoluzione delle forme a Z nelle forme Zeta e Ultrazed, come mostrato in Fig. 2 [6]. Gli elementi formati a freddo possono essere prodotti in un'ampia varietà di profili di sezione. I componenti più comunemente utilizzati sono i canali a C e le sezioni a Z mostrati in Fig. 3 [10]. Questo acciaio leggero è presente in Nord America in edifici indipendenti o a schiera a causa del suo scarso isolamento acustico. Per resistere ai carichi laterali del vento e all'azione sismica, il sistema residenziale statunitense con strutture in acciaio multi-leggero si avvale di due metodi: l'utilizzo di pareti di taglio in acciaio leggero o di una struttura di supporto a telaio incrociato in acciaio. Le pareti di taglio in acciaio leggero sono generalmente installate nelle abitazioni, utilizzando lamiera d'acciaio zincata Mongolia da 0,5 mm in cartongesso, e poi fissate ai montanti in acciaio leggero. Analogamente alla formazione di sollecitazioni di taglio nella struttura di rivestimento, tra ogni strato è presente un componente speciale della parete di taglio che collega i piani superiori e inferiori per trasferire efficacemente il taglio e la tensione orizzontali dovuti alla forza orizzontale che agisce sui montanti prodotti. Nelle zone sismiche, per garantire la sicurezza strutturale, il supporto del Capo con una croce viene utilizzato come struttura in acciaio resistente alle forze laterali per formare un sistema architettonico ibrido, in cui l'acciaio leggero sopporta i carichi verticali e l'acciaio ordinario sopporta i carichi orizzontali. Per garantire l'effetto isolante delle pareti, oltre ai montanti riempiti con fibra di vetro, viene incollato uno strato di isolante sul materiale della parete esterna. Utilizzando questo metodo si eliminano in modo efficace i ponti termici tra i montanti della parete e i pannelli della parete.

B. Costruzione residenziale in lamiera d'acciaio in Giappone

Poiché il Giappone è una zona sismica e l'acciaio leggero presenta buone caratteristiche di resistenza agli effetti sismici, l'acciaio leggero è diffuso a livello locale. In linea con le proprie caratteristiche uniche, il Giappone costruisce alloggi in acciaio leggero, in particolare alloggi in lamiera d'acciaio, come mostrato nella Figura 4 sottostante [8,9]. Questa struttura utilizza un nuovo processo di costruzione, ovvero utilizza una combinazione di acciaio zincato formato a freddo non saldato, noto anche come acciaio 2 × 4, che costituisce un'abitazione con una struttura a nervature in lamiera. La struttura è una forma architettonica di origine nordamericana. I pannelli delle pareti e il pavimento sono realizzati in legno a base di scatola. Tuttavia, negli alloggi in lamiera d'acciaio, il materiale in lamiera viene sostituito con acciaio, il cui spessore è di circa 1,0 mm. Su due lati sono fissati pannelli in cartongesso leggero. Con questo metodo, si ottengono le prestazioni generali della struttura, come stabilità, durata, isolamento termico, proprietà di isolamento acustico, ecc.

In realtà, questo edificio con struttura in lamiera d'acciaio è una costruzione che combina i punti di forza e i vantaggi dell'acciaio e del processo di nervatura in lamiera. Gli esperimenti condotti dagli enti edilizi hanno dimostrato eccellenti caratteristiche prestazionali, come la resistenza sismica, la resistenza al carico del vento e la resistenza al carico della neve. Nel 2003, il materiale da costruzione giapponese è stato sostituito dal legno con una sottile chiglia in acciaio. In linea con le caratteristiche architettoniche, i codici edilizi giapponesi e le istruzioni specifiche per la costruzione, sono stati installati sistemi automatici di estinzione incendi e di scarico fumi, e le decorazioni interne hanno ridotto il trasferimento di calore tra le pareti domestiche.

C. Edifici residenziali ad alta efficienza energetica in Europa

La Germania ha iniziato a implementare le nuove specifiche energetiche per gli edifici a partire dal 2002 [9]. Il suo fulcro è la quantificazione del consumo energetico. Il consumo energetico di ogni abitazione è richiesto per fornire calcoli energetici dell'edificio alle autorità competenti come documentazione necessaria. Ha un impatto significativo sullo sviluppo residenziale e sul mercato dei materiali da costruzione del paese. Per gli edifici residenziali a risparmio energetico, la Svezia utilizza il più possibile le energie rinnovabili, tra cui l'energia eolica, l'energia solare, la geotermia e altre fonti energetiche, e integra queste tecnologie. In breve, i paesi europei si concentrano maggiormente sullo studio dell'efficienza energetica e dell'edilizia ecosostenibile. Ora, i componenti in acciaio formati a freddo possono essere assemblati rapidamente e con precisione in unità strutturali complete per la consegna in cantiere. Nel Regno Unito, la maggior parte degli hotel e dei motel fuori città sono ora costruiti in questo modo. L'industria edile britannica utilizza attualmente oltre 300.000 tonnellate di prodotti in acciaio formati a freddo all'anno e questo tasso di consumo è in costante crescita [10].

III. ALLOGGIAMENTI IN ACCIAIO LEGGERO IN CINA

A. Lo stato di sviluppo delle abitazioni in acciaio leggero

Per lungo tempo, l'edilizia abitativa in Cina è stata prevalentemente dominata dal calcestruzzo. Questo materiale non è più adatto al tema degli edifici ecosostenibili di oggi, poiché richiede materiali di grandi dimensioni e lunghi tempi di costruzione. Poiché la Cina è il maggiore produttore di acciaio al mondo dal 1996, come mostrato in Figura 5, il governo statale ha iniziato a incoraggiare l'uso dell'acciaio nell'industria dell'ingegneria civile. Con la crescita continua dell'industria di lavorazione dell'acciaio per l'edilizia, la costruzione di strutture in acciaio in Cina ha avviato una fase di sviluppo ad alta velocità [11]. Dalle strutture in calcestruzzo alle normali strutture in acciaio e dalle normali strutture in acciaio alle strutture in acciaio leggero. Lo sviluppo di edifici residenziali in acciaio non richiede tecnologie avanzate e strumenti speciali, ma dovrebbe concentrarsi su tecnologie abitative mature, integrate e pratiche, come quelle dei paesi europei. Nel processo di integrazione, la chiave è la struttura dettagliata e la convergenza reciproca.

Poiché i componenti in acciaio leggero sono facilmente prodotti in fabbrica con un elevato grado di meccanizzazione, un elevato grado di commercializzazione e una rapida velocità di costruzione in cantiere, non influiscono negativamente sulla popolazione locale e favoriscono l'edilizia civile. L'acciaio leggero è un prodotto ecologico e sostenibile e i suoi indicatori economici complessivi non sono superiori a quelli delle strutture in cemento armato. Pertanto, la leggerezza e le buone prestazioni sismiche degli edifici in acciaio leggero devono diventare la norma nel settore edile. Attualmente, l'edilizia sta vivendo una fase di conversione.

B. Le caratteristiche degli alloggiamenti in acciaio leggero

L'acciaio leggero è inizialmente un concetto nuovo. Con il miglioramento degli standard di vita delle persone, sta gradualmente entrando a far parte della vita quotidiana. In alcune grandi città cinesi, come Pechino, Shanghai e altre, l'edilizia residenziale con struttura in acciaio leggero è stata introdotta in Cina grazie all'introduzione di tecnologie provenienti dal Nord America e dal Giappone. Attualmente, la maggior parte delle abitazioni in acciaio leggero in Cina rientra nella categoria delle costruzioni edilizie leggere a risparmio energetico, che utilizzano sistemi costruttivi a telaio in acciaio, pareti leggere, solai leggeri e tetti leggeri. Utilizzando acciaio saldato a travi a H ordinario, piccole sezioni di travi a H laminate a caldo o profili rettilinei e combinando un fattore di forza laterale a parete antiprofilata, è possibile realizzare strutture multistrato. Queste strutture sono coerenti con l'attuale sistema di specifiche e soddisfano i requisiti sismici [9]. Nel 2011, la Cina ha emanato e implementato il "Regolamento tecnico per la costruzione di edifici in acciaio formato a freddo di basso livello", che integra il sistema di chiglia in acciaio formato a freddo in Nord America e ne promuove la diffusione. Nel processo di progettazione utilizzando acciaio formato a freddo a C e acciaio a U, le pareti portanti sono costituite da colonne, travi guida superiori e inferiori, supporti, controventi e puntoni, pannelli di parete e altri componenti strutturali [12], come mostrato nella Figura 6 sottostante. Nonostante le disposizioni delle specifiche pertinenti, questa struttura non è ancora molto popolare. Sebbene la struttura in acciaio leggero presenti alcuni vantaggi, ad esempio leggerezza, eccellenti prestazioni sismiche, brevi tempi di costruzione, stabilità strutturale e altre caratteristiche, presenta anche alcuni problemi che devono essere ulteriormente affrontati, come l'elevata rumorosità e la scarsa refrattarietà. Questo breve periodo di costruzione dell'edificio non è attualmente riconosciuto dalle persone e la sua sicurezza e affidabilità non sono verificate.

Ma questo tipo di edificio in acciaio leggero rappresenta la tendenza di sviluppo dell'architettura cinese e necessita di più ricercatori per studiarne la sicurezza, l'affidabilità e la durata. In una parola, la Cina è all'inizio del settore degli edifici residenziali leggeri con struttura in acciaio e ha ancora molta strada da fare. Rispetto ai paesi sviluppati, ci sono molte domande e la Cina è ancora molto indietro. È necessario migliorarlo e perfezionarlo costantemente [13].

C. Raccomandazioni e strategie

Le strutture residenziali in acciaio leggero offrono buone prestazioni, leggerezza, elevata produttività, velocità di costruzione, bassa intensità di manodopera, ecc. e si sono gradualmente sviluppate negli Stati Uniti e in Europa negli ultimi trent'anni, creando una serie di tecnologie altamente mature. Oggi, molte aziende nazionali ed estere desiderano costantemente trasferire la tecnologia delle strutture residenziali in acciaio leggero in Cina, ma ciò non ha senso. Le ragioni sono le seguenti:

1) Non esiste una specifica sistematica per l'acciaio leggero.

Sebbene il "Regolamento tecnico per le strutture in acciaio formato a freddo" sia stato promulgato nel 2011, è difficile prendere in considerazione la realizzazione di componenti portanti di grandi dimensioni con spessori di acciaio pari o inferiori a 2 mm. Per i sistemi di telai portanti in lamiera zincata con ampio utilizzo di spessori di parete compresi tra 0,8 e 1,6 mm, all'estero non esistono né analisi teoriche né dati sperimentali rilevanti, il che rende la progettazione di strutture in acciaio leggero molto difficile in Cina.

2) La società nel suo complesso ha bisogno di un processo di accettazione di questo nuovo sistema abitativo.

Le persone sono ancora molto estranee a una struttura del genere e ne comprendono ancora poco la sicurezza, la stabilità, la comodità, ecc.

3) Il costo del progetto è elevato.

Poiché la tecnologia è ancora agli inizi, la mancanza di manodopera qualificata e la necessità di componenti in acciaio leggero importati dall'estero determinano un aumento dei prezzi delle abitazioni. Per risolvere i problemi sopra menzionati, si consigliano le seguenti raccomandazioni e strategie:

1) Per migliorare le specifiche dell'acciaio leggero, la realizzazione di una serie di progetti pilota colma le lacune tecnologiche in questo ambito. È opportuno sostenere le grandi imprese che svolgono ricerche in questo settore.

2) Sulla base della costruzione di progetti pilota e dell'esperienza acquisita, si dovrebbe cogliere l'opportunità di preparare i corrispondenti standard tecnici e codici per le strutture in acciaio leggero.

3) Una volta promulgata la norma tecnica, il sistema tecnologico dovrebbe essere incorporato nelle scuole professionali come contenuto didattico.

4) Vengono recepite alcune esperienze positive di paesi stranieri. Si conduce ricerca scientifica mirata a situazioni specifiche. Gli Stati dovrebbero adottare politiche volte a sostenere la ricerca in questa tecnica, in modo che le strutture in acciaio leggero vengano gradualmente diffuse. Attraverso questo metodo, si spera che un numero sempre maggiore di persone riconosca questa struttura.

IV. CONCLUSIONE

In breve, gli edifici residenziali multipiano in acciaio leggero in Cina offrono buone prospettive di sviluppo, grazie a un minor consumo di materiali, un basso inquinamento, tempi di costruzione brevi e sono in linea con il trend di sviluppo dell'architettura nazionale. Diventeranno una nuova realtà per l'edilizia residenziale in Cina. Con la promulgazione di linee guida e specifiche tecniche per gli edifici residenziali in acciaio, anche gli edifici residenziali multipiano in acciaio leggero dovranno essere ulteriormente sviluppati. Grazie all'assorbimento e al miglioramento della tecnologia delle strutture in acciaio leggero all'estero, all'aumento della capacità produttiva e allo sviluppo della tecnologia dell'acciaio, credo che le strutture in acciaio leggero saranno ampiamente utilizzate e sviluppate in Cina.