Trave a sbalzo in edilizia per spazi innovativi

Cos’è una trave a sbalzo? Definizione, tipologie, vantaggi, svantaggi. Scopriamo come può influenzare gli spazi contemporanei

La trave a sbalzo rappresenta un elemento chiave nell’ambito dell’edilizia moderna, offrendo l’opportunità di creare spazi unici e contemporanei.

In questo articolo, vedremo cos’è una trave a sbalzo, esploreremo le diverse sfaccettature di travi a sbalzo, dalle tipologie ai vantaggi e vedremo com’è possibile calcolare e dimensionare una trave a sbalzo grazie anche ad un software di calcolo strutturale.

Rappresentazione di calcolo strutturale di un edificio

Cos’è una trave a sbalzo

Le travi a sbalzo costituiscono elementi strutturali orizzontali sostenuti da un unico lato, noto come cantilever, il quale si estende oltre il punto di supporto. Queste tipologie di travi sono comunemente impiegate nelle costruzioni per sostenere balconi, tetti e altre sporgenze architettoniche. Trovano inoltre impiego in progetti come ponti o altre strutture atte ad estendere la copertura su corsi d’acqua o altri ostacoli.

Essenzialmente, le travi a sbalzo si basano su un supporto unilaterale, spesso con un punto di ancoraggio fisso, affinché la struttura possa garantire una stabilità statica e sopportare le forze e i momenti che agiscono in tutte le direzioni. Solitamente, la trave a sbalzo è concepita con un’estremità come punto di supporto, mentre l’altra costituisce il punto maggiormente aggettante.

Un esempio pratico di trave a sbalzo può essere riscontrato in un balcone: esso è sostenuto su un solo lato, mentre il resto della trave si estende nello spazio aperto senza alcun sostegno sul lato opposto. Altri esempi comprendono il prolungamento di una trave continua all’interno di un piano di un grattacielo o le travi a sbalzo presenti in un segmento di ponte.

Tipologie di travi a sbalzo

Le travi a sbalzo, grazie alla loro capacità di sostenere carichi considerevoli senza richiedere supporti intermedi, si presentano in varie tipologie e materiali. Ognuna di queste soluzioni offre caratteristiche uniche che influenzano la progettazione e la resistenza della struttura.

Travi a sbalzo in cemento armato

Le travi a sbalzo in cemento armato rappresentano una delle soluzioni più comuni nella costruzione delle sporgenze. Sfruttando la robustezza e la duttilità di questo materiale, queste travi permettono di creare estensioni notevoli senza la necessità di supporti intermedi. La versatilità del cemento armato le rende una scelta popolare in diverse costruzioni moderne, garantendo resistenza e affidabilità.

Travi a sbalzo in legno

Il legno, grazie alla sua flessibilità, resistenza e aspetto naturale, è ampiamente utilizzato nella realizzazione di travi a sbalzo. Questo materiale, apprezzato sia in progetti moderni che in quelli più tradizionali, conferisce un’atmosfera calda e accogliente agli ambienti architettonici. La lavorazione artigianale del legno offre varie possibilità di design, consentendo la creazione di strutture esteticamente attraenti e funzionali.

Altre soluzioni innovative

Oltre alle tipologie convenzionali come il cemento armato e il legno, esistono soluzioni innovative che adottano materiali diversi, come l’acciaio o i compositi, per la realizzazione di travi a sbalzo. Questi materiali avanzati consentono la creazione di strutture con design innovativi e altamente performanti, garantendo una combinazione di resistenza, leggerezza e durata nel tempo. Queste soluzioni sono sempre più adottate nell’architettura contemporanea per progetti ad alto impatto estetico e funzionale.

Progettazione e calcolo strutturale delle travi a sbalzo

La progettazione accurata e il calcolo strutturale delle travi a sbalzo sono aspetti cruciali che garantiscono la stabilità, l’affidabilità e la sicurezza delle strutture. Questa fase richiede un’analisi dettagliata delle forze e delle tensioni per definire parametri chiave e vincoli strutturali che ne influenzano l’integrità.

Tavola grafica del progetto di una trave realizzata con Edilus

Analisi strutturale e valutazione delle forze

L’analisi strutturale coinvolge l’esame approfondito delle forze gravitazionali, delle deformazioni e e del vincolo offerto all’estremo che fa da supporto. Questa valutazione è fondamentale per determinare la distribuzione delle forze e i momenti di flessione, garantendo che la struttura possa sopportare i carichi applicati senza cedere. La corretta interpretazione di questi elementi è vitale per evitare cedimenti strutturali e assicurare la sicurezza delle persone e la durata nel tempo delle costruzioni.

Equazioni per le travi a sbalzo

Le formule che permettono di calcolare le forze e le deflessioni di una trave a sbalzo possono essere semplificate in equazioni chiave. Tali equazioni sono fondamentali per determinare i parametri strutturali, considerando diversi aspetti:

Deflessioni

Le deflessioni della trave a sbalzo sono calcolate mediante formule specifiche, dove i parametri principali includono il carico (W), la lunghezza della trave (L), il Modulo di Young (E), e il momento d’inerzia della trave (I).

• W= carico
• L= lunghezza dell’asta
• E= Modulo di Young
• I= Momento d’inerzia della trave

La formula per calcolare la deviazione della trave a sbalzo è:

δ=(W⋅L³)/(3⋅E⋅I)

Momenti della trave a sbalzo

Il calcolo del momento massimo di flessione di una trave a sbalzo è determinato dal carico applicato all’estremità del cantilever e dalla distanza del punto di interesse dall’estremità fissa (punto di appoggio).

• Mx​= momento flettente nel punto x
• P= carico applicato all’estremità del cantilever
• x= distanza dall’estremità fissa (punto di appoggio) al punto di interesse lungo la lunghezza del raggio

Le formule per il momento flettente in un punto x lungo una trave a sbalzo sono:

M_x​=−P⋅x

• per un carico distribuito:

M_x​=–∫w⋅xdx

Sollecitazione

La sollecitazione su una trave a sbalzo è calcolata in base alla forza di flessione e dipende dalla sezione trasversale della trave. Per travi a sbalzo di dimensioni ridotte, il livello di stress sarà più elevato a causa di una ridotta area della sezione trasversale.

• S= sollecitazione
• A= area della sezione trasversale della trave
• σ= tensione

La sollecitazione della trave a sbalzo può essere calcolata come:

S=P​/A

S=σ⋅E

Forze di reazione

Le forze di reazione e i momenti su una trave a sbalzo dipendono direttamente dal carico applicato all’estremità del cantilever e dalla distanza del punto di carico dal supporto.

In una struttura complessa come una trave a sbalzo, è importante considerare diverse variabili, inclusi carichi multipli puntiformi, carichi distribuiti variabili o carichi inclinati. In questi casi, l’uso di equazioni più avanzate e l’analisi degli elementi finiti (FEA) sono spesso necessari per una valutazione precisa.

Nel processo di progettazione di una struttura reale, vengono presi in considerazione diversi aspetti, tra cui le combinazioni di carico, i fattori di sicurezza e le proprietà dei materiali, prima di finalizzare un progetto strutturale.

Forze di reazione della trave a sbalzo:

• F_y​= forza di reazione in direzione Y al supporto A (il supporto fisso)
• M_z​= momento di reazione su Z al supporto A (il supporto fisso)
• P= il carico applicato all’estremità della trave a sbalzo
• x= distanza del punto di carico dal supporto

Le formule per le forze di reazione sono:

F_y​=P

M_z​=P⋅x

Un comune errore associato alle travi a sbalzo è la mancanza di un adeguato ancoraggio. In determinati contesti, il punto di giunzione all’estremità iniziale e/o finale della trave a sbalzo causa instabilità. Per garantire la stabilità strutturale delle travi a sbalzo, è essenziale che il vincolo interno della trave sia integrato per entrambi gli estremi. Se, per qualsiasi ragione, sono presenti punti di giunzione interni insufficienti, possono verificarsi situazioni di instabilità.

Se vuoi avere maggiori informazioni a riguardo, ti consiglio di leggere l’articolo di approfondimento “Errori di modellazione e labilità in un calcolo strutturale: possibili cause e soluzioni“.

Vincoli interni delle aste

Ruolo dei software di modellazione strutturale

L’utilizzo di software di modellazione e analisi strutturale è cruciale per semplificare e ottimizzare il processo di progettazione delle travi a sbalzo. Questi strumenti avanzati consentono agli ingegneri di visualizzare le forze e le tensioni, eseguire simulazioni e testare la resistenza delle strutture prima della realizzazione fisica. I software permettono una valutazione accurata e un’ottimizzazione delle dimensioni, dei materiali e della forma delle travi, garantendo una progettazione efficiente e sicura. Alcuni software offrono funzionalità avanzate che integrano analisi sismiche, termiche e di resistenza agli agenti atmosferici, fornendo risultati dettagliati per strutture complesse e innovative.

Vantaggi e svantaggi della trave a sbalzo

Le travi a sbalzo offrono diversi vantaggi e svantaggi nel loro utilizzo. Vediamo più nel dettaglio questi aspetti.

Vantaggi

I vantaggi significativi che portano a scegliere le travi a sbalzo in ambito architettonico e costruttivo:

• spazi aperti e senza ostacoli: la caratteristica principale è la capacità di creare spazi aperti e senza ostacoli. Questo permette un design fluido e l’assenza di supporti intermedi, offrendo ambienti ampi e liberi;
• aspetto estetico accattivante: l’uso di travi a sbalzo può contribuire all’aspetto estetico degli edifici, conferendo un design moderno e distintivo;
• potenziale architettonico: consentono un’esplorazione creativa del potenziale architettonico, permettendo progetti innovativi che sfruttano le possibilità strutturali di queste travi.

Svantaggi

Tuttavia, l’uso delle travi a sbalzo può comportare alcuni svantaggi:

• limitazioni strutturali: queste travi presentano alcune limitazioni in termini di portata e resistenza, richiedendo una valutazione approfondita per evitare sovraccarichi o cedimenti;
• necessità di supporto adeguato: anche se progettate per funzionare con un solo supporto, la necessità di un supporto adeguato è cruciale, comportando la corretta installazione e vincoli strutturali;
• complessità nella progettazione e installazione: la progettazione di travi a sbalzo richiede un’analisi approfondita delle forze e delle tensioni, rendendo il processo più complesso rispetto a soluzioni strutturali più tradizionali. Inoltre, l’installazione richiede precisione e attenzione per garantire la sicurezza e la stabilità della struttura.

Bilanciare i vantaggi con gli svantaggi è fondamentale per decidere se le travi a sbalzo sono la soluzione strutturale ideale per un determinato progetto. La corretta progettazione, l’analisi accurata e l’attenzione ai dettagli sono essenziali per massimizzare i benefici e minimizzare gli svantaggi derivanti dall’utilizzo di queste travi.

Innovazioni e tendenze future nella trave a sbalzo

Materiali sostenibili

La tendenza alla sostenibilità si traduce nell’esplorazione e nell’implementazione di nuovi materiali e risorse che riducono l’impatto ambientale. L’impiego di legno proveniente da foreste certificate, riciclo di materiali come il cemento e acciaio e lo sviluppo di compositi avanzati eco-compatibili sono al centro di molte innovazioni. Materiali come il legno lamellare incrociato (CLT) e i compositi a base di fibre naturali si stanno affermando per la costruzione di travi a sbalzo, garantendo robustezza strutturale e minimizzando l’impatto ambientale.

Design avanzato

L’evoluzione nel design e nelle tecniche costruttive è un’altra prospettiva fondamentale per il futuro delle travi a sbalzo. Gli architetti, sfruttando le nuove tecnologie e le potenzialità dei software di modellazione, stanno progettando travi a sbalzo con forme e strutture audaci. Questo si traduce in progetti architettonici unici e visionari, che non solo enfatizzano l’estetica degli spazi ma anche l’efficienza strutturale. Il design avanzato si focalizza sulla combinazione di forme organiche e geometrie intricate, sfruttando al meglio le capacità dei materiali e delle tecniche costruttive.

Come utilizzare un software di progettazione strutturale

Nel seguente video puoi scoprire come sfruttare le potenzialità di un software per il calcolo strutturale per portare a termine i tuoi progetti in tempi ridottissimi.

Indirizzo articolo: https://bim.acca.it/trave-a-sbalzo/