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.
📖 sub-sistema di una costruzione destinato ad assorbire il carico strutturale · Wikipedia · CC BY-SA
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
| Criterio | Iniziale | Base | Intermedio | Avanzato |
|---|---|---|---|---|
| Riconoscere gli elementi portanti (trave, pilastro, fondazione) | Confonde gli elementi tra loro | Riconosce gli elementi se guidato | Riconosce e nomina gli elementi in autonomia | Riconosce gli elementi e spiega la loro funzione nel percorso dei carichi |
| Identificare le sollecitazioni | Non distingue le sollecitazioni | Distingue compressione e trazione | Distingue le cinque sollecitazioni con esempi | Associa ogni sollecitazione all’elemento e al materiale adatto |
| Applicazione pratica (modello/telaio) | Partecipa solo se sollecitato | Realizza il modello seguendo le istruzioni | Realizza il modello e ne verifica la stabilità | Migliora il modello motivando le scelte tecniche |
| Linguaggio tecnico | Usa solo termini quotidiani | Usa alcuni termini tecnici | Usa il lessico tecnico in modo corretto | Usa 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
- arco-e-strutture-spingenti
- materiali-da-costruzione-e-cemento-armato
- costruire-un-edificio-dalle-fondazioni-al-tetto
- ponti-tipologie-e-forze
- attivita-modello-di-ponte-di-carta
Micro-competenze collegate (ProfTecnologIA)
Lo studente conosce i principali sistemi strutturali (fondazioni, muri portanti, pilastri, travi, solai, coperture), sa distinguere strutture in muratura, cemento armato, acciaio e…