Lez.10I materiali tradizionali e gli elementi costruttivi:Caratteristiche tecniche, impieghi, problematiche tecnologiche.

Acciaio

UNIVERSITA’DEGLI STUDI MEDITERRANEA DI REGGIO CALABRIA CdL SCBAACorso di Storia e Conservazione dei Beni Architettonici e Ambientali-Classe L-43

DASTECDipartimento "Arte Scienza e Tecnica del Costruire"Anno Accademico 2010-2011

Materiali tradizionali dell’architettura e del risparmio energetico (8 cfu)

Docente: Cherubina Modaffari

L’ACCIAIO

Definizione

L’acciaio è una lega ottenuta dalla fusione di minerali di ferro (Fe),carbonio (C) e altri elementi accompagnatori di lega, con una percentuale di carbonio variabile tra 0,3 e l’1,7% circa .

La ghisa è una lega di ferro e carbonio con una percentuale di carbonio variabile tra 2 e 6% circa. Non è forgiabile e si utilizza allo stato di getto,poiché non adatto a lavorazioni meccaniche.

Alla lega di ferro e carbonio possono essere aggiunti altri elementi: - silicio, conferisce un‘elevata resistenza, riduce la saldabilità;- rame, ostacola la corrosione;- manganese, aumenta la durezza, diminuisce l'elasticità; - cromo, aumenta la durezza, non riduce l'elasticità.

Il progresso della civiltà è proceduto con lo sviluppo delle tecnologie di lavorazione del metallo.

La scoperta prima del bronzo (dal 2500 a.C. circa) e poi del ferro (dal 750 a.C. circa) fu l’elemento caratterizzante di ciascuna delle due età.

Il campo delle applicazioni si ampliò con nuove scoperte di metalli e leghe.

Nel campo delle costruzioni il metallo cominciò ad essere impiegato nelle coperture, il piombo , il bronzo e il rameerano di uso comune sin dall’epoca antica.

Origini

I greci utilizzarono notevoli quantità di bronzo e di ferro per l’ancoraggio delle lastre di pietra, oltre che di piombo per la sigillatura dei giunti.

Molti grandi edifici dell’età gotica hanno raggiunto la stabilità strutturalecon l’impiego di ancoraggi e catene in ferro.

L’impiego del metallo si limitò per lungo tempo alla realizzazione di copertine e cornici per aggetti.

Nel 1720 Abraham Darby riuscì a lavorare il minerale di ferro con il coke di carbon fossile.

L’evoluzione e la successiva diffusione dell’ acciaio e del vetro sono in stretto rapporto: la progressiva dissoluzione della parete piena fu resa possibile soltanto dalle proprietà strutturali del primo (resistenza alla trazione e alla compressione).

Origini

L’era dell'acciaio ha inizio a metà dell'800 con l’innovazione dei sistemi di produzione che ampliarono le applicazioni del materiale.

Evoluzione

La svolta si ha nel 1856, con l'invenzione - ad opera dell’inglese Bessemer - del convertitore per affinare la ghisa liquida,e trasformarla in acciaio.

Un ulteriore progresso avviene nel 1865 con la messa a punto del metodo Martin-Siemens, che permise di utilizzare rottami ferrosi nella produzione.

I primi elementi strutturali prodotti furono “colonne di ghisa”, intorno al 1780, con la prima rivoluzione industriale.

La sostituzione del legno con la ghisapermise di aumentare la luce delle campate.

In seguito la ghisa si sostituisce alle colonne e agli architravi in pietra in tutti gli edifici industriali.

Si realizzano le prime opere a carattere prevalentemente ingegneristico, in larga misura ponti.

Evoluzione

Darby – Ponte sul Severn, Coalbrookdale 1776-77

Le innovazioni tecnologiche prodotte nel campo delle serre furono un riferimento per la realizzabilità di un esempio emblematico della tecnologia dell’acciaio: il Crystal Palace di Joseph Paxton (1851).

Evoluzione

Torre Eiffel, Parigi 1889Galleria delle macchine di F. Dutert e V. Contamin, Parigi 1889

La Torre Eiffel,realizzata nel 1889 insieme alla Galerie desMachines, diedero una forte spinta alla tecnologia dell’acciaio.

Il Cristal Palace di J. Paxton(1851).

In tale edificio, l’innovazione ènella facciata in acciaio e vetroe nei rapporti tra facciata e struttura che avviarono la cosiddetta estetica industrialedel Werkbund.

W. Gropius, Fabbrica Fagus, Alfed an der Leine (1911).

L’impiego strutturale dell’acciaio si perfeziona con L. Mies Van de Roheche utilizza elementi standardizzati in acciaio da comporre modularmente.

Mies Van de Rohe, Seagram Building, New York (1956).

Evoluzione

L’impiego dell’acciaio permette un alto grado di prefabbricazione, unito ad un’elevata precisione esecutiva.

La casa d’acciaio a Dessau del 1926 di Georg Muche , la “DimaxionDeployment” di Buckminster Fuller del 1929/45, testimoniano questa tendenza evolutiva.

Dall’inizio del XX secolo in poi vennero sviluppati “profilati normalizzati in acciaio”.

Ludwig Mies van der Rohe utilizzò speciali profili ed elementi di facciata, ne nacque una tipologia di facciata autoportante formata da elementi appesi alle membrature portanti, che venne denominata “curtain wall”.

Il nuovo principio di trasmissione dei carichi permetteva di compiere un passo considerevole in direzione della facciata continua in vetro, unendo le sezioni ridotte dei profili a una tecnica più evoluta di realizzazione delle vetrazioni.

Evoluzione

Facciata in acciaio legato.Inland Steel Building, Chicago, 1955, SOM

Facciata in bronzo, SeagramBuilding, New York, 1957, Ludwig Mies van der Rohe

Prototipo di una “DymaxionDeployment Unit”, 1929/45, Buckminster Fuller.

Facciata in acciaio anticorrosione, Civic Center, Chicago, 1966, Murphy e Som

Facciata degli uffici della Maison du peuple di Clichy, Francia, 1939, Jean Prouvè.

Le strutture spaziali

All’inizio del novecento si studiano le prime strutture tridimensionali. Si assiste alla realizzazione di costruzioni innovative in acciaio, da parte di B. Fuller e K. Wachsmann.

Caratteristiche di queste strutture sono la versatilità e la modularità, che consentono la realizzazione di opereeffimere, smontabili.

B. Fuller, Cupola Geodetica, Montreal, (1967)

Gli anni 80

Differenti risultano le tendenze negli anni ‘80: l’acciaio è trattato per singoli pezzi, ognuno dei quali vive una vita propria ed una collettiva nell’insieme della struttura.

R. Piano, Centre Pompidou, Parigi (1971-78)

Evoluzione

Lloyd’s of London, R. Rogers - Londra (1978-86)

Officina Renault, N. Foster - Swindon (1983)

Piramide Louvre, Ian Ritchie - Parigi 1987

Pharmacy, Ian Ritchie - Boves Francia

I progressi più recenti nella costruzione di facciate metalliche danno la possibilità di realizzare con tali materiali rivestimenti per edifici dalle forme particolarmente libere, attraverso l’utilizzo di tecniche avanzate di progettazione e modellazione guidate dal computer, el’impiego di lamiere molto sottili su sottostrutture di elevata complessità.

Applicazioni di questo genere sono ad esempio:il rivestimento lucido in titanio del Guggenhiem Museum di Bilbao(Frank Gehry 1997); il rivestimento di lamiera di zinco del Museo ebraico di Berlino(Daniel Libeskind 1998);le strutture della Thames Barrier (ing. Render Palmer & Tritton, 1982) o il rivestimento in piombo non trattato dell’Auditorium di Roma (Renzo Piano Building Workshop, 2003).

Evoluzione

Thames Barrier, Londra, 1982, RendelPalmer & Tritton

Facciata in piombo, auditorium, Roma, 2003, Renzo Piano Building Workshop

Lastre di alluminio, sede della tipografia del “Financial Time”, Londra, 1988, Nicholas Grimshaw& parteners

Lamiera di alluminio liscia, case a schiera, Londra, 1988, Nicholas Grimshaw & parteners

Facciata in titanio, Guggenheim Museum, Bilbao, Frank Gehry.Rivestimento di lamiera di zinco del Museo ebraico di Berlino, Daniel Libeskind,1998.

La gran parte della ghisa prodotta in altoforno serve per produrre l’acciaio.

Questa trasformazione è dettaaffinazione; si compie in forni Martin-Siemens in cui vengono introdotti ghisa liquida, rottami di ferro e scoria basica.

Una serie di reazioni impoveriscono la ghisa del carbonio (decarburazione)trasformandola in acciaio.

In alternativa ai forni Martin-Siemens, si utilizzano i convertitori, che insufflano aria od ossigeno nella ghisa liquida,separando impurità e carbonio.

La lega decarburata viene disossidata, attraverso piccole quantità di alluminio, silicio o manganese, che si combinano con l'ossigeno e formano scorie facilmente eliminabili; quindi colata nelle lingottiere in cui si verifica il raffreddamento e la solidificazione.

Processo di produzione

Il raffreddamento avviene in modo rapido sulle parti esterne del lingotto e più lentamente in quelle interne.

Questo inconveniente può essere eliminato attraverso:-ricottura (800-1000°C), per eliminare differenze di composizione chimica;-ricottura (700°C), per aumentare resilienza e lavorabilità.

Una fucinatura a caldo trasformerài lingotti in elementi sbozzati, con forme adatte a subire successive lavorazioni plastiche.

Raffreddamento

Lavorazioni

- Fucinatura a freddo (elementi cilindrici, poligonali);- fucinatura a caldo (elementi cavi);- stampaggio;- laminazione;- profilatura (elementi a T, doppio T, L, U);- punzonatura (semilavorati curvi);- formazione di tubi;- piegatura;- trafilatura.

I pezzi finiti si ricavano:- per colata dell'acciaio in sabbia;-dai semilavorati per ulteriore lavorazione plastica ;

- attraverso asportazione di materiale.

Distinguiamo i semilavorati in base alle sezioni:- semilavorati a sezione quadrata;- semilavorati a sezione rettangolare;- semilavorati appiattiti;- sbozzati per profilati;- semilavorati per tubi senza saldatura.

Gli acciai da carpenteria (impiego strutturale) sono detti profilati o putrelle; hanno sezione trasversale a doppio T (serie NP-IPE-HE), a T, ad L,a C ecc. Possono essere variamente combinati per la formazione di strutture composte.

Le principali caratteristiche meccaniche dell'acciaio sono: modulo elastico, resistenza a trazione, durezza, resilienza.- Il modulo elastico dell'acciaio è compreso tra 20.000 e 21.000 kg/mm2. - L'acciaio presenta elevata resistenza a trazione ed agli sforzi longitudinali o trasversali (flessione, taglio, torsione). - La resistenza meccanica a rottura degli acciai non è elevata; gli acciai speciali presentano, invece, valori del carico di rottura più elevati ed hanno migliori prestazioni grazie all'aggiunta, nella lega, di manganese, silicio ecc.

Meccaniche

Tecniche

Le principali caratteristiche tecniche dell’acciaio sono: - comportamento al fuoco: l’acciaio non brucia e non conduce il fuoco; - isolamento termico: l’acciaio ha un’elevata conduttività termica, quindi produce: perdita di calore per riscaldamento; formazione di condensa sulle superfici fredde dell’acciaio. - isolamento acustico: l’acciaio presenta un buon isolamento acustico.

Caratteristiche

Tecnologiche

Le principali caratteristiche tecnologiche dell’acciaio sono: - saldabilità- plasticità- lavorabilità- fusibilità- temperabilità.

Gli acciai utilizzati nelle costruzioni sono tutti saldabili; superato il limite dello 0,3% di carbonio, diminuiscono saldabilità ed allungamento percentuale.La deformazione dell’acciaio si distingue in: deformazione a caldo e deformazione a freddo (prova di piegamento). La plasticità a caldo può essere definita dal comportamento dell’acciaio in caso di fucinatura e laminatura (prove di ricalcatura a caldo e di snervamento a torsione a caldo).

Acciai comuni: composti da ferro, carbonio e da tracce di altri componenti. In base al contenuto di carbonio e alla durezza di tempra si classificano in:- extradolci: utilizzati per lamiere, tubi, bulloni;- dolci: utilizzati per chiodi, ferri da costruzione;- semiduri: utilizzati per componenti di macchine;- duri: utilizzati per rotaie, cavi metallici, tondini per c.a.;- extraduri: utilizzati per coltelli, seghe, molle.

Classificazione

Si hanno materiali teneri e plastici se il contenuto di carbonio è molto basso, duri e fragili se il contenuto è elevato.-Acciai di base non legati: durante il processo produttivo non è richiesta alcuna prescrizione di qualità che comporti precauzioni speciali - Acciai di qualità non legati: non sono richieste regolarità di risposta ai trattamenti termici.- Acciai speciali non legati: vengono sottoposti ad un trattamento di tempra superficiale; -Acciai legati o speciali: contengono, oltre al ferro ed al carbonio, silicio, manganese, nichel, cromo, che conferiscono particolari caratteristiche meccaniche/chimiche. Sono detti debolmente o fortemente legati, a seconda della percentuale degli altri elementi.

Le attuali norme classificano gli acciai da carpenteria in:- acciaio tipo I (extra dolce, dolce o ferro), indicato con i simboli Fe37 e Fe45, facilmente saldabile e con un elevato limite di snervamento.- acciaio tipo II (semiduro e duro), indicato con i simboli da Fe52 a Fe65 e di scarsa saldabilità.- acciai denominati Ex-ten, Mar-Ten e Triten, consentono di ottenere strutture con peso limitato poiché possiedono un elevato limite di snervamento; con l’aggiunta di rame e cromo assumono una discreta resistenza all’ossidazione (CorTen, Itacor e patinabili).

Gli acciai vengono utilizzati:- nelle opere di carpenteria metallica; - nel cemento armato; - nel cemento armato precompresso; - nelle opere in lamiera;- per impieghi vari.

Impieghi

Gli acciai da cemento armato vengono prodotti per trafilatura in barre tonde e lisce o ad aderenza migliorata; hanno diametri variabili da 4mm a 34mm.

Gli acciai da precompresso, sono acciai speciali prodotti a freddo in fili di circa 2÷3mm di diametro, di elevata resistenza a rottura, in seguito avvolti ad elica (trefoli).

Fra i prodotti di acciaio in forma di lamiera vi sono le lamiere “grecate” e quelle “ondulate”.

Connessioni tra gli elementi

I collegamenti possono essere realizzati per:

- chiodatura: si effettua forando i due elementi da unire e facendovi passare il chiodo, la cui estremità viene ribattuta, assicurando il collegamento;

- bullonatura: viene eseguita impiegando viti e bulloni;

- saldatura: unione stabile e continua lungo la superficie di contatto, ottenuta mediante l’azione del calore;

- incollaggio: si utilizzano adesivi acrilici, vinilici, epossidici, epossifenolici).

Grazie alla resistenza meccanica dell’acciaio, con questo materiale è possibile realizzare strutture dotate di leggerezza rispetto alla capacità portante.

Il nodo trave-pilastro è la tipologia strutturale tradizionalmente usata nell’edilizia in acciaio: è il punto più problematico, dove la presenza di sforzi in direzioni diverse rende necessaria una progettazione accurata.

Elementi strutturali

NODI PILASTRO-FONDAZIONE NODI TRAVE-PILASTRO NODI TRAVE-TRAVE

Strutture spaziali

Passaggio dalla costruzione tradizionale a due dimensioni (trave-pilastro) a quella a tre dimensioni (strutture spaziali).

In passato, le strutture spaziali sono state ostacolate da difficoltà tecniche, oggi superate, grazie alla scienza delle costruzioni.

Chiusure orizzontali

II solaio in lamiera grecatarappresenta il naturale completamento per il diaframma orizzontale di una struttura in acciaio; ciò per l'estrema leggerezza degli elementi e per la rapidità di posa in opera.

- Il solaio in lamiera semplice a secco risolve i problemi di trasporto, le difficoltà di esecuzione per fattori climatici e per manodopera;

- Il solaio in lamiera grecata collaborante con getto di clsrealizza un sistema composito con prestazioni superiori a quelle dei due componenti isolati.

Chiusure verticali-rivestimenti

Elementi sandwich in lamiera metallicaI materiali metallici sono adatti alla produzione di elementi compositi completi , i cosiddetti elementi sandwich.

In essi due lamiere metalliche vengono accoppiate, interponendo un nucleo di materiale isolante resistente al taglio, per formare un’unità costruttiva resistente alla flessione.

Utilizzando elementi costruttivi di questo tipo, èpossibile ottenere , con uno spessore e un peso relativamente contenuti, elevati livelli di rigidità e ampie luci, oltre alla rapidità di montaggio.

Questi sistemi richiedono un trattamento accurato dei giunti e dei bordi. I materiali impiegati per gli strati esterni sono di solito alluminio, acciaio e acciaio legato.

Tipologie di pannelli sandwich in lamiera d’acciaio.

Tipologie di pannelli multistrato in alluminio.

Chiusure verticali-rivestimenti

Facciate metalliche: strutture tipoNelle facciate in metallo il fissaggio è reversibile (con collegamenti a vite), e può trovarsi nella zona dei giunti o indipendente da questi ultimi. Alcuni metalli dolci come il piombo possono essere anche chiodati.

Le viti autofilettanti vengono impiegate per collegare le lamiere tra loro o alla sottostruttura.

Inoltre si distingue tra strutture ventilate e non ventilate, con o senza elementi di complemento per la copertura o la sigillatura dei giunti.

.lamiera con motivo a lisca di pesce

lamiera con motivo a coste lamiera a sagomatura trapezoidale

lamiera ondulata

Chiusure verticali-rivestimenti

Il metallo è adatto alla progettazione di facciate con un grado di prefabbricazione molto elevato. Le dimensioni della lamiera a disposizione e le tecniche di foggiatura disponibili, così come il peso relativamente basso rispetto all’elevata resistenza agli agenti atmosferici (soprattutto nell’alluminio)permettono di produrre elementi di grande formato che offrono soluzioni molto economiche, come pannelli, cassoni o lamelle.

La realizzazione delle facciate metalliche richiede, oltre alle tolleranze di montaggio e di costruzione, la previsione delle dilatazioni dovute alla temperatura. Perciò i giunti devono essere dimensionati in maniera idonea e i collegamenti devono essere in grado di scorrere.

Chiusure verticali-schermature

Tessuti metallici

L’origine dei tessuti metallici traslucidi va ricercata negli usi industriali , al pari delle lamiere forate, essi offrono la possibilità di realizzare rivestimenti permeabili.

I tessuti metallici possono soddisfare oltre all’aspetto visivo, anche requisiti funzionali come la protezione dal sole, dagli agenti atmosferici, dal vento, protezione visiva, controllo della luce, sicurezza ecc.

I tessuti metallici possono essere applicati all’edificio in uno stato di pretensionamento.Spesso vengono impiegate molle per mantenere la tensione anche in presenza di variazioni di temperatura. In ogni caso si possono realizzare anche strutture di collegamento post-tese.

I tessuti metallici possono essere realizzati con differenti tipologie di metalli o accoppiando il metallo a materiali sintetici. Esempi di tessuti speciali sono:

Tessuti luminosi con l’inserimento di fibre ottiche;Tessuti con immagini grafiche e testi;Tessuti con permeabilità visiva variabile.

Chiusure verticali-schermature

Tessuti metallici

maglie di cavi e trefoli, acciaio legato, manicotto a pressione in rame stagnato

tessuto a maglie di filo tondo, acciaio legato

gallone (ordito e trama), acciaio legato

armatura a tela di lino (ordito e trama), acciaio legato

armatura a tela di lino con trefoli e barre, bronzo

tessuto a spirale con nastri piatti e tondini, acciaio legato

Coperture

La lamiera di acciaio zincata e sagomata è particolarmente adatta ad essere utilizzata per le coperture a falde; i tipi piùusati sono:- pannelli in lamiera grecata di acciaio zincato;- pannelli sandwich; - pannelli prefabbricati.Particolare è lo sviluppo dei sistemi costruttivi reticolari che consentono la copertura, piana o a volta, di grandi luci.

Le tensostrutture sono costituite da cavi ancorati che sostengono la copertura.

L’acciaio è un materiale non combustibile, tuttavia le sue proprietàmeccaniche variano sensibilmente in funzione della temperatura.

Si definisce resistenza al fuoco di un elemento strutturale la sua attitudine a conservare: stabilità “R, tenuta “E”, isolamento termico “I” (REI).

L’intervallo di tempo in cui un elemento strutturale sottoposto all’azione del fuoco non viene danneggiato è definito “durata di resistenza al fuoco”.

Acciaio e fuoco

Acciaio ed ossidazione

I provvedimenti applicabili per la protezione antincendio possono essere di tipo: isolante; schermante; sottraente di calore.

L’acciaio esposto agli agenti atmosferici è soggetto a corrosione, fenomeno che si genera per il contatto con l’acqua o a causa dell’umidità presente nell’aria; risulta necessario, quindi, porsi il problema della sua protezione.

Evoluzione dei materiali tradizionali nel progetto: l’involucro in metallo

ProgettiOfficina di assemblaggio dei semi conduttori, Germania, 1968, Arch. Von Seidlein

Evoluzione dei materiali tradizionali nel progetto: l’involucro in metallo

Progetti

Officina di assemblaggio dei semi conduttori, Germania, 1968, Arch. Von Seidlein

Evoluzione dei materiali tradizionali nel progetto: l’involucro in metalloProgetti Sainsbury Centre for Visual Arts, Graan Bretagna, 1978, Arch. Norman Foster & Associates

Evoluzione dei materiali tradizionali nel progetto: l’involucro in metalloProgetti Sainsbury Centre for Visual Arts, Graan Bretagna, 1978, Arch. Norman Foster & Associates

Evoluzione dei materiali tradizionali nel progetto: l’involucro in metalloProgetti Sainsbury Centre for Visual Arts, Graan Bretagna, 1978, Arch. Norman Foster & Associates

Evoluzione dei materiali tradizionali nel progetto: l’involucro in metalloProgetti Casa di abitazione, Germania, 1995, Arch. Schulitz + Partner

Evoluzione dei materiali tradizionali nel progetto: l’involucro in metalloProgetti Casa di abitazione, Germania, 1995, Arch. Schulitz + Partner

Riferimenti bibliografici• Hegger Ausch-Schwelk Fuchs RosenKranz, Atlante dei

materiali,Torino 2006, Utet

• A.A.V.V., Atlante delle facciate,Torino 2006, Utet

• A.A.V.V., Atlante dell’ acciaio,Torino 1999, Utet

• Negro A., Tecnologia dei materiali da costruzione , Torino 86, ed. Libreria Cortina (in particolare: capp. 1,2,3,4)

• Maura G., Materiali per l'edilizia , Roma 1988, ed. DEI (in particolare capp. I, II, III)