Le strutture portanti e le sollecitazioni

Definizione breve

La struttura portante è l’ossatura resistente che permette a una costruzione di stare in piedi sopportando il proprio peso e le forze esterne; le sollecitazioni sono le forze che agiscono sui suoi elementi (trave, pilastro, muro) tendendo a deformarli o romperli.

Struttura resistente 📖 sub-sistema di una costruzione destinato ad assorbire il carico strutturale · Wikipedia · CC BY-SA

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Spiegazione per docenti

Qualsiasi costruzione, naturale o artificiale, destinata a sopportare sforzi e sollecitazioni di carattere statico e dinamico può stare in piedi solo grazie alla sua struttura portante, che ne costituisce l’ossatura resistente. Nell’edilizia residenziale la norma UNI 8290 distingue la struttura portante in tre componenti: struttura di fondazione, struttura di elevazione (pilastri e travi) e struttura di contenimento (muri).

Il principio storico più semplice è il sistema trilitico: due elementi verticali (piedritti: colonne o pilastri) e uno orizzontale (architrave) appoggiato sopra. L’architrave trasmette ai piedritti il peso proprio e degli elementi sovrastanti (muri, solai, tetto); i piedritti scaricano nel terreno sottostante carichi e forze. Questo schema “il peso scende sempre verso il basso, di elemento in elemento, fino al terreno” è la chiave concettuale da far cogliere agli studenti.

Su ogni elemento agiscono le cinque sollecitazioni meccaniche semplici, che esprimono le forze che possono modificare la struttura del materiale:

  • Compressione: provoca l’accorciamento del materiale schiacciato alle due estremità (tipica dei pilastri e delle colonne).
  • Trazione: provoca l’allungamento del materiale tirato alle due estremità (tipica di cavi e tiranti).
  • Flessione: piega il materiale sottoposto a una forza perpendicolare al suo asse (tipica delle travi caricate dall’alto).
  • Taglio: fa slittare uno sull’altro due piani del materiale sottoposti a forze contrarie.
  • Torsione: deforma il materiale quando si fanno ruotare le estremità in senso opposto.

La capacità di un materiale di opporsi a queste forze è la sua resistenza meccanica. Una trave di legno appoggiata su due supporti, caricata dall’alto, tende a flettersi incurvandosi verso il basso (fa una “pancia”); finché il carico è moderato l’elasticità delle fibre fa scomparire la curvatura, ma con carichi eccessivi le fibre del lato inferiore si lacerano fino alla rottura. È un esempio di scuola efficace per spiegare la flessione.

Spiegazione per studenti

Quando guardi un palazzo, una casa o un ponte, non tutto serve a “reggere”: c’è una parte, lo scheletro, che tiene su tutto il resto. Questa è la struttura portante. È fatta di pochi elementi fondamentali:

  • i pilastri e le colonne, verticali, che sostengono il peso;
  • le travi, orizzontali, che collegano i pilastri e reggono i pavimenti (solai) e il tetto;
  • le fondazioni, sotto terra, che scaricano tutto il peso sul terreno.

Il peso di una casa “scende”: dal tetto passa alle travi, dalle travi ai pilastri, dai pilastri alle fondazioni, dalle fondazioni al terreno.

Su questi elementi agiscono delle forze, chiamate sollecitazioni. Le principali sono cinque:

  • compressione: schiaccia e accorcia (come quando spingi una molla);
  • trazione: tira e allunga (come quando tendi un elastico);
  • flessione: piega (come quando una mensola si curva sotto i libri);
  • taglio: fa scivolare due parti in direzioni opposte (come le lame di una forbice);
  • torsione: avvita, gira le estremità in sensi opposti (come quando strizzi uno straccio bagnato).

Un buon progettista sceglie il materiale giusto per ogni sollecitazione: il cemento e la pietra reggono bene la compressione, l’acciaio e i cavi reggono bene la trazione.

Versione ultra-semplice (BES/DSA)

Una casa sta in piedi grazie al suo scheletro: le colonne (in piedi) e le travi (sdraiate).

Le forze che spingono sullo scheletro si chiamano sollecitazioni. Le più importanti:

  • COMPRESSIONE = schiaccia
  • TRAZIONE = tira
  • FLESSIONE = piega

Il peso della casa scende sempre verso il basso: tetto, travi, colonne, terreno.

Regola facile: la pietra e il cemento resistono allo schiacciamento; l’acciaio resiste a quando si tira.

Esempio concreto in classe

Porta in aula una spugna rettangolare e un elastico.

  • Schiaccia la spugna tra le mani: si accorcia. Questa è la compressione, quella che subisce un pilastro.
  • Tira l’elastico: si allunga. Questa è la trazione, quella che subisce un cavo.
  • Poi appoggia un righello di plastica tra due libri (i “pilastri”) e premi al centro con un dito: si piega. Questa è la flessione, quella che subisce una trave del pavimento.

Con tre oggetti che ogni studente conosce, le tre sollecitazioni più importanti diventano visibili e toccabili in due minuti.

Dal concetto all’attività

Livello base

Caccia agli elementi portanti: con una scheda a immagini (o foto della scuola), gli studenti colorano di rosso i pilastri/colonne, di blu le travi, di verde le fondazioni. Poi associano a ciascuna delle tre immagini (spugna schiacciata, elastico teso, righello piegato) il nome corretto della sollecitazione. (proposta progettuale)

Livello intermedio

Costruzione di un telaio con cannucce e plastilina (nodi): gli studenti realizzano un cubo “scheletro” e poi vi appoggiano un peso (un libro) per verificare quali aste si schiacciano (compressione) e quali si tendono (trazione). Confrontano la stabilità del cubo prima e dopo aver aggiunto una diagonale (controvento). (proposta progettuale)

Livello avanzato

Sfida della trave: gruppi diversi costruiscono una trave di carta o cartoncino lunga 30 cm appoggiata su due banchi e gareggiano per reggere il maggior numero di monete senza flettersi oltre un limite segnato. Devono motivare la sezione scelta (piatta, a “L”, a “U”, a tubo) collegandola alla resistenza a flessione. Si collega naturalmente all’attività attivita-modello-di-ponte-di-carta. (proposta progettuale)

Misconcezioni frequenti

  • “I muri reggono sempre tutta la casa.” Nelle costruzioni moderne in cemento armato lo scheletro (pilastri e travi) regge i carichi, mentre molti muri sono solo tamponature di laterizio che dividono gli spazi: si crea uno scheletro in cemento armato e lo si tampona con murature di laterizio.
  • “Compressione e peso sono la stessa cosa.” Il peso è la causa (una forza); compressione, trazione, flessione sono i modi diversi in cui quella forza agisce su un elemento a seconda di come è disposto.
  • “Un materiale resistente lo è in tutti i modi.” No: un materiale può resistere bene a una sollecitazione e male a un’altra. Il legno, ad esempio, ha buona resistenza a compressione e a flessione lungo le fibre, ma sopporta molto meno gli sforzi perpendicolari alle fibre.
  • “Le fondazioni servono a poco perché non si vedono.” Sono invece l’elemento che scarica al terreno tutto il peso del fabbricato; se il terreno non è solido si consolida con pozzi e palificazioni.

Collegamenti interdisciplinari

  • Scienze (fisica): forze, equilibrio, peso e baricentro; deformazioni elastiche e plastiche.
  • Matematica/Geometria: triangolo come figura indeformabile, ruolo delle diagonali e dei controventi; rapporti tra dimensioni e portata.
  • Storia/Arte: dal sistema trilitico (dolmen, templi greci) all’arco romano, fino ai grattacieli e alle tensostrutture; evoluzione dei materiali.
  • Educazione civica: sicurezza degli edifici, normativa edilizia (UNI 8290) e rischio sismico.

Strumenti digitali utili

  • GeoGebra per visualizzare forze e scomposizione dei carichi. (proposta progettuale)
  • Tinkercad / simulatori di strutture online per modellare un telaio e applicare carichi virtuali. (proposta progettuale)
  • Fotocamera del tablet per documentare il “viaggio del peso” in un edificio reale o nella scuola. (proposta progettuale)
  • Video e animazioni sulle cinque sollecitazioni reperibili nei materiali digitali allegati ai libri di testo. (proposta progettuale)

Valutazione e rubriche

CriterioInizialeBaseIntermedioAvanzato
Riconoscere gli elementi portanti (trave, pilastro, fondazione)Confonde gli elementi tra loroRiconosce gli elementi se guidatoRiconosce e nomina gli elementi in autonomiaRiconosce gli elementi e spiega la loro funzione nel percorso dei carichi
Identificare le sollecitazioniNon distingue le sollecitazioniDistingue compressione e trazioneDistingue le cinque sollecitazioni con esempiAssocia ogni sollecitazione all’elemento e al materiale adatto
Applicazione pratica (modello/telaio)Partecipa solo se sollecitatoRealizza il modello seguendo le istruzioniRealizza il modello e ne verifica la stabilitàMigliora il modello motivando le scelte tecniche
Linguaggio tecnicoUsa solo termini quotidianiUsa alcuni termini tecniciUsa il lessico tecnico in modo correttoUsa e collega i termini tecnici in spiegazioni complete

Inclusione e adattamenti

  • Per BES/DSA: usare la versione ultra-semplice con icone-simbolo per le tre sollecitazioni principali; privilegiare l’esperienza pratica (spugna, elastico, righello) prima del lessico.
  • Mappa visiva del percorso dei carichi (tetto, trave, pilastro, fondazione, terreno) con frecce.
  • Glossario illustrato dei termini chiave (trave, pilastro, fondazione, compressione, trazione, flessione) con un’immagine per ciascuno.
  • Lavoro in coppia o piccolo gruppo nelle attività di costruzione, assegnando ruoli (chi costruisce, chi carica i pesi, chi misura).
  • Tempi distesi e consegne spezzate per le attività di livello intermedio e avanzato.

Fonti

  • 9788826812885_Volume-B — sezioni “Le strutture resistenti / L’arte del costruire” e “Costruire un edificio: dalle fondazioni al tetto” (p.257-259); UNI 8290, classificazione della struttura portante (p.258)
  • 9788839564078_Settori-produttivi — “Proprietà meccaniche” e “Sollecitazioni meccaniche semplici” (p.36); resistenza a compressione e flessione del legno, esempio della trave caricata dall’alto
  • Le sezioni didattiche (attività per livelli, strumenti digitali, parte della rubrica e degli adattamenti) sono in larga parte (proposta progettuale).

Pagine collegate

Micro-competenze collegate (ProfTecnologIA)

MC-AMB-2-01 Edilizia/Ambiente
Strutture edilizie e tecniche costruttive

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