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

Docente: Cherubina Modaffari

Lez.13 I materiali tradizionali e gli elementi costruttiviCaratteristiche tecniche, impieghi, problematiche tecnologiche.

Laterizi

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

I LATERIZI

Definizione

I laterizi sono materiali da costruzione artificiali, vari per forma e dimensioni, ottenuti dalla cottura di argilla opportunamente preparata, modellata ed essiccata.

I laterizi sono tra i più antichi materiali da costruzione “artificiali”,il cui impiego si è affermato per soddisfare le esigenze costruttive delle civiltà sviluppatesi lungo aree fluviali o lacustri, ricche di argilla.

Primi impieghi: i laterizi crudi

Gli edifici in mattoni di argilla crudarisalgono al 14000 a.C., nella valle del Nilo se ne trovano tracce.

L’argilla cruda è attaccabile dall’umidità, il suo stato è variabile. La presenza di intemperie, la rende plastica, e indurisce quando il clima èsecco.

Per questo motivo in ogni parte del mondo si riscontrano soluzioni costruttive comparabili, che hanno lo scopo di proteggere i manufatti in argilla cruda dall’erosione.

Edifici tradizionali in argilla cruda, Yemen

Primi impieghi: i laterizi crudi

In MESOPOTAMIA, intorno al 4000 a.C., si assiste alla produzione “standardizzata” di mattoni crudi di forma rettangolare, in seguito utilizzati insieme al bitume per realizzare le ziqqurat, grandiosi templi gradonati a base quadrilatera. Famosa è quella di Ur, che risale al 2300 a.C. circa. Ricostruzione teorica di una ziqqurat.

In EGITTO l’uso del mattone crudo, èprevalente per ambienti di servizio e per i mastaba,antichi edifici funebri derivanti dai tumuli dell’Alto Egitto.

Maestri nell’applicazionedella tecnica costruttiva dei laterizi furono gli antichi ROMANI.

Luxor, Valle dei Re.

Repertorio romano laterizi crudi.

Primi impieghi: i laterizi crudi

Alla cottura dei mattoni si arrivò intorno al I sec. a.C.; la diffusione di tale procedimento in Italia è da attribuire ai coloni greci.

La tecnologia dei laterizi cottiraggiunse la massima espressione grazie alle maestranze romane.

I laterizi destinati alla cottura venivano prodotti con argilla, acqua, sabbia, paglia o pozzolanafine in modesta quantità.

L’impasto veniva compresso a mano in forme di legno, quindi i mattoni venivano fatti essiccare in zona ventilata. Infine, venivano cotti alla temperatura di circa 800 °C.

Repertorio romano laterizi cotti.

I laterizi cotti

I mattoni venivano confezionati di forma quadrata, per facilitare il trasporto; per la posa in opera, venivano ridotti in forma triangolare.

Nell’ epoca romana furono compiuti passi decisivi in direzione della produzione in serie di manufatti in argilla.

Nel V secolo d.C., la tecnica produttiva dei laterizi venne ripresa dai Bizantini, che ne apprezzarono le qualità decorative e strutturali (chiesa di S. Vitale).

Durante il Rinascimento, il Brunelleschi rivalutò il ruolo strutturale di questo materiale, realizzando la cupola di Santa Maria del Fiore a Firenze, nel 1420,concepita come una doppia calotta: quella inferiore realizzata in muratura di conci di pietra e quella superiore in muratura di mattoni, posti in opera a spina di pesce, in modo da costituire un sistema autoportante.

Evoluzione storica

Chiesa di S.VitaleCupola di S. Maria del Fiore

Nel XVIII secolo, l’invenzione di strumenti come la trafilatrice, il forno ad anello e in seguito il forno a tunnel,permise la produzione su grande scala di prodotti in argilla.

All’epoca della prima rivoluzione industriale tedesca, alla fine del XIX, in molti luoghi il clinker utilizzato come paramento per le murature diventò il materiale standard per le facciate, resistente agli agenti atmosferici.

Gli architetti moderni come Alvar Aalto e Mies Van der Rohe, utilizzarono con grande naturalezza il laterizio e la ceramica.

Evoluzione storica

Scuola, Amburgo, Germania, 1927, Fritz Schumacher

Wright, edifici elio-laboratorio a Racine.

Dalla metà del XX secolo in poi altri progettisti come Eladio Diesteprodussero, proseguendo la tradizione iberica, grandi invenzioni architettoniche nelle quali il laterizio costituisce una parte importante della struttura. Nel contempo questo materiale comunica la sensazione di un rivestimento leggero e ondulato.

Oggi è possibile disporre di rivestimenti ceramici dello spessore di pochi centimetri, che grazie alla loro resistenza agli agenti atmosferici sono adatti alla protezione di pannelli o pavimenti termoisolanti.

Evoluzione storica

Edificio di appartamenti, in rue de Meaux, Parigi, 1991, Renzo Piano

Chiesa, Atlantida, Uruguay, 1959, Eladio Dieste

Evoluzione storica

Istituto indiano di amministrazione, Ahmedabad, (India).1963.Louis I. Kahn

Parcheggio per auto, Genova, 1992, Renzo Piano Building Workshop

fase di montaggio

Showroom di BP Studio, Firenze , 2001, Claudio Nardi. Particolare della facciata.

Il processo produttivo dei laterizi prevede alcune fasi fondamentali:

- estrazione delle materie prime

- preparazione dell’impasto

- formatura

- essiccazione

- cottura

- stoccaggio

Schema del processo produttivo

Processo di produzione

La materia primaL’argilla è un materiale a grana finissima, composto da silicato di allumina idrato misto ad impurità minerali. Ha la proprietà di essere plastica, cioè facilmente modellabile.

La plasticità è proporzionale alla finezza dei granuli e può essere ridotta dalla presenza eccessiva di sabbia.

Le impuritàL’argilla contiene alcune impurità, che, durante la cottura, potrebbero danneggiare il prodotto finito, quali:- ossido di ferro, conferisce una colorazione rossastra dopo la cottura; può essere dannoso nei materiali refrattari, perché può renderli fusibili alle alte temperature;- carbonato di calcio, è tollerato fino al 20% e sotto forma di pulviscolo disciolto nell’impasto, se presente in quantità maggioripuò provocare disgregazioni nel prodotto finito;- carbonato di magnesio, può causare efflorescenze sul materiale dopo la cottura.

Processo di produzione

CaratteristicheLe caratteristiche da cui dipendono le prestazioni del materiale vengono determinate mediante prove di laboratorio, e sono le seguenti:

-caratteristiche fisiche: massa volumica, imbibizione, impermeabilità, conduttività termica, uniformità;

-caratteristiche meccaniche: resistenza a compressione, resistenza a flessione, resistenza a rottura, durezza, resistenza a fatica;

-caratteristiche tecniche: comportamento al fuoco, resistenza al gelo, isolamento termico, isolamento acustico.

Il valore della conduttività termica risente dell’influenza reciproca delle altre caratteristiche fisiche (massa volumica, imbibizione, impermeabilità, uniformità), variando in funzione di:- peso specifico;- porosità e alveolatura;- composizione della miscela;- formatura;- tenore di umidità.

Caratteristiche fisiche

Caratteristiche meccanicheLe caratteristiche meccaniche nei laterizi hanno importanza rilevante, soprattutto quando essi vengono utilizzati per strutture portanti.

- I laterizi hanno un’ottima resistenza a compressione, mentre risultano scarse la resistenza a trazione e quella a flessione; esse presentano valori differenti, a seconda che si tratti di elementi pieni o forati.

- Per i laterizi da copertura e da pavimentazione vengono, inoltre, considerate la resistenza all’urto, la resistenza all’usura, la durezza.

Caratteristiche tecniche- I laterizi hanno un ottimo comportamento nei confronti del fuoco. I mattoni pieni resistono a temperature molto elevate (1.100 °C).I mattoni forati sono meno resistenti alle alte temperature, a causa della presenza dei vuoti.

- Per quanto riguarda l’isolamento acustico sono determinanti: la porosità della massa dell’elemento tecnico; l’alveolatura; la corretta esecuzione dei giunti.- Per quanto riguarda l’isolamento termico sono fattori determinanti: la conduttività termica dell’elemento tecnico; la corretta esecuzione dei giunti.

Classificazione

Sono molte le variabili che concorrono ad ottenere prodotti con caratteristiche e applicazioni diverse. Convenzionalmente, si adotta una suddivisione in base alla porosità della pasta.

- I prodotti a pasta porosa, cioè permeabile, e soggetti a maggiore usura, sono le terrecotte, i laterizi, i refrattari, le maioliche, le terraglie.

- I prodotti a pasta compatta, impermeabili e dotati di maggiore resistenza all’usura, sono i grès e le porcellane. La compattezza della pasta dipende dalla temperatura di cottura e dalla composizione dell’argilla.

La produzione di laterizi si diversifica in quattro comparti principali, relativi alle diverse destinazioni d’uso:

- laterizi per murature;- laterizi per solai;- laterizi per coperture;- laterizi per pavimenti e rivestimenti.

Laterizi per murature

Sono i laterizi utilizzati nelle chiusure, nelle murature non portanti e nelle murature portanti. Si distinguono in:

- mattoni pieni: laterizi pieni e i laterizi forati con percentuale di foratura < 15%. Le dimensioni sono fissate dalle norme UNI in cm 5,5 x 12 x 25;- mattoni e blocchi semipieni: laterizi con percentuale di foratura compresa tra il 15% e il 45%; le dimensioni sono variabili;-blocchi alleggeriti:favoriscono l’isolamento termico grazie all’aggiunta nell’impasto di polistirene espanso che, durante la cottura, lascia piccole cavità nella massa, aumentandone la porosità;

- mattoni forati:presentano una percentuale di foratura > del 55%; vengono utilizzati per realizzare pareti divisorie, tamponamenti multistrato, dotati di camere d’aria.

Laterizi per solai

- blocchi per solai, elementi utilizzati per le chiusure orizzontali in latero-cementoarmato, sono caratterizzati da rilevanti dimensioni e rapporti di foratura compresi tra il 65% e il 70%. Spesso i blocchi vengono preassemblati in stabilimento in pannelli opportunamente armati, facili da posare;

- tavelle e tavelloni, inizialmente utilizzati per realizzare solai con putrelle in acciaio a doppio T, vengono attualmente impiegati per realizzare anche pareti divisorie e contropareti.

Laterizi per copertureLa produzione di elementi da copertura in cotto è indirizzata verso due tipi fondamentali:

• coppi, elementi dalla caratteristica forma tronco-conica e sezione curva;

• tegole,a seconda del disegno le tegole si distinguono in:-embrici, elementi piatti dai bordi rialzati che vengono utilizzati in combinazione con i coppi per la realizzazione delle cosiddette coperture alla romana;- marsigliesi;- portoghesi;- olandesi.Vengono inoltre prodotti pezzi speciali per la copertura della linea di colmo, elementi di raccordo, comignoli per canne fumarie, tegole con bocchette di aerazione.

Laterizi per rivestimentiFacciate in materiali ceramici.

I sistemi più recenti che impiegano piastrelle di ceramica sono esclusivamente facciate appese ventilate, che presentano evidenti vantaggi dal punto di vista fisico-tecnico.

SottostrutturaLa sottostruttura delle facciate in piastrelle di ceramica deve trasmettere direttamente alle strutture portanti il carico statico risultante dal peso proprio, dalla pressione e depressione del vento e dalle variazioni termiche di volume e massa. Il collegamento alla struttura portante è solitamente in acciaio inox o in alluminio.

Piastrelle di facciataPer la produzione delle piastrelle vi sono vari metodi: pressione in stampi; estrusione. Lo smaltimento dell’acqua piovana può avvenire nei giunti orizzontali con una disposizione a bordi sovrapposti delle piastrelle o con la creazione di un profilo gradonato.

Assonometria di una struttura di facciata, piastrelle ceramiche su sottostruttura in alluminio con ancoraggi a clip.

Sezione tipo verticale Sezione tipo orizzontale

Schema costruttivo di facciate a filari orizzontali

Laterizi per rivestimenti

Adeguamento modulare delle altezze nella posa in opera di filari orizzontali

Camera di essiccazioneSchema costruttivo di facciate a filari verticali Bastonetti in

laterizio montato asecco (armati con tubiin acciaio zincato).

Laterizi per pavimentazioni

Possono essere messi in opera:su un massetto e lo spessore fino ad un paio di centimetri, con un particolare disegno della faccia inferiore;

"a colla", su supporto preesistente già regolare, ed allora sono più sottili e con una leggera rigatura della faccia di allettamento. Quest'ultimo tipo trova impiego particolarmente nelle ristrutturazioni.

Pavimentazioni interne

Mattoncini in Cotto per Pavimentazioni esterne

Ciottolo antico in Cotto per Pavimentazioni esterne

Laterizi per pavimentazioni

Le pavimentazioni in mattoni sono molto comuni nei luoghi caldi. I problemi dovuti al gelo possono essere superati dalla qualità della cottura del materiale o dall'utilizzo in aree riparate dall'acqua.

I mattoni possono essere posati di costa, di piatto, di testa o "a spina di pesce".

Alcuni tipi di "tessitura" delle pavimentazioni in laterizio

Laterizi per pavimentazioniI cubetti per pavimentazione in laterizio,rappresentano una valida alternativa ai cubetti di porfido, grazie al loro basso coefficiente di assorbimento idrico, e ad una buona resistenza al gelo.

I cordoli di drenaggio permettono di convogliare e allontanare le acque drenate dall’asfalto verso i pozzetti di raccolta. L’altissima resistenza a compressione del materiale con cui sono fatti e la sezione ad arco del canale li rendono atti a sopportare una carrabilità anche pesante.

Cubetti in laterizio per pavimentazioni esterne.

Cordoli drenanti in laterizio.

Muratura portanteLa muratura portante è destinata a realizzare le parti strutturali dell’edificio sostenendo i carichi che le provengono dai muri soprastanti e da travi e solai.

Gli elementi in laterizio che la costituiscono devono essere, unitamente alle malte leganti, capaci di sopportare i carichi gravanti. Per questo vengono utilizzati mattoni pieni (rapporto di foratura < 15%), o blocchi con un rapporto tra vuoti e area lorda < del 45%.

Gli elementi forati, purchè la loro percentuale di foratura sia inferiore al 55%, sono utilizzabili per la realizzazione di strutture portanti;

Muratura portante• Murature portanti o strutturali per zone

sismiche• In zona sismica, tuttavia, (“Norme tecniche per

le costruzioni in zone sismiche”, Decreto del Ministero LL.PP. del 16 gennaio 1996) devono essere impiegati esclusivamente elementi pieni o semipieni per i quali sia garantita una resistenza caratteristica ai carichi verticali rispettivamente di 70 e di 50 Kg/cm². Per gli elementi semipieni è richiesta anche una resistenza caratteristica di 15 Kg/cm² ai carichi orizzontali, nel piano della muratura. Schemi strutturali generalmente utilizzati in edifici a

muratura portante.

Muratura portanteLa muratura armata è una muratura portante rinforzata mediante barre metalliche e getti integrativi di conglomerato. L’armatura resiste alle sollecitazioni di trazione, sollecitazioni alle quali la muratura semplice non è in grado di resistere, ed aumenta la duttilità strutturale.

La muratura armata è più duttile di una muratura normale: ha maggiore capacità di deformazione, e questo consente di assorbire meglio le sollecitazioni sismiche attraverso la dissipazione di energia.Con la muratura armata è possibile superare i limiti di altezza ammessi per le costruzioni in muratura ordinaria, fino ad un massimo di 25 metri in zona3 (nella stessa zona l'altezza consentita per la muratura ordinaria è di 16 metri).

Muratura non portante

Le murature non portanti, o di tamponamento, sono murature inserite in un telaio strutturale, generalmente in cemento armato, ed hanno lo scopo di costituire la separazione tra l’ambiente interno e l’esterno.

Devono essere capaci di un buon isolamento termico e costituire una buona protezione nelle condizioni atmosferiche avverse. Devono inoltre essere auto-portanti, per modeste altezze, e di peso contenuto.

Il tamponamento saràrealizzato a doppia parete, quando si dovrà ottenere un forte isolamento termico, e a parete semplice, ma con blocchi ad isolamento calcolato, nei casi piùfrequenti.

Esempio di murature: muratura monostrato (a); muratura a doppio strato (b); muratura mista (c).

Strutture orizzontali

Per le strutture orizzontali, che sono in genere soggette a sollecitazione di flessione, vengono utilizzati laterizi leggeri quali: tavelle, tavelloni e pignatte.

Le tavelle ed i tavelloni sono elementi che hanno una dimensione fissa, ossia larghezza di cm 25,mentre la lunghezza e lo spessore variano in rapporto tra di loro.

Le tavelle hanno lunghezze variabili fino a 140 cm e spessori variabili da 6 a 8 cm, sono utilizzate prevalentemente per ottenere orizzontamenti non portanti (controsoffitti); i tavelloni, invece, sono utilizzati per realizzare orizzontamenti anche portanti.

Strutture orizzontali

La posa in opera di questo tipo di sottotetto consiste in un sistema di incastri maschio-femmina che garantisce rapidità e facilità di montaggio riducendo i tempi di esecuzione e quindi i costi.

Per la posa è necessario assestare le tavelle sui travetti accostandole dal lato corto e avendo cura di fare aderire perfettamente i due lati lunghi.

Tavella Sottotetto

Strutture orizzontali

Il “laterizio lamellare” decisamente innovativo, per affiancare all’eccellente resistenza a compressione del laterizio un’analoga prestazione per quanto riguarda il comportamento a trazione. I moderni collanti ad elevata resistenza consentono infatti di accoppiare ai prodotti ceramici materiali che resistono a trazione, come le fibre (di vetro, al carbonio,ecc.), in modo da ottenere un “composito” stratificato che possa resistere a tutti gli sforzi.

Si concretizzano in oggetti e proposte di applicazione: panchine; cordoli di coronamento delle murature; solai armati; architravi di grande luce; elementi prefabbricati per la realizzazione di strutture controterra,ecc.

Tavelloni lamellari

Le pignatte sono laterizi forati di forma parallelepipeda, dotati di alette inferiori, impiegati per la realizzazione dei solai; si distinguono in tre tipi (UNI 5631/65):- tipo A, o volterrana, il più leggero, e con sola funzione di riempimento.- tipo B, rinforzato con scanalatura.- tipo C, rinforzato liscio.

I tipi rinforzati hanno funzione portante in quanto è loro affidato l’assorbimento dello sforzo di compressione e per tale motivo hanno la parte superiore (in genere pari ad 1/5 dell’altezza) con una percentuale di foratura non superiore al 50%.

Chiusure orizzontali

Sequenza operativa del getto di un solaio latero-cementizio gettato in opera

L’onere maggiore, nella realizzazione di un solaio totalmente gettato in opera è la carpenteria, cioè la costruzione di un impalcato ligneo provvisorio.

Chiusure orizzontaliLe alternative tecniche sono i solai con travetti prefabbricati in cemento armato o cemento armato precompresso. I travetti a traliccio sono quelli più in uso e sono composti da una piccola struttura reticolare spaziale con discrete capacitàautoportanti. A seconda dell’utilizzazione vengono realizzati tralicci di diverse altezze e armature. Oltre a un’armatura di base, già inserita nell’elemento, aggiunti altri ferri d’armatura da posizionare immediatamente prima del getto.

solaio latero-cementizio con travetti prefabbricati a traliccio

solaio latero-cementizio con travetti prefabbricati in calcestruzzo precompresso

Coperture

Gli elementi più importanti nella realizzazione di una copertura sono la struttura portante e il manto di copertura.

- La progettazione di una copertura inizia dalla tecnologia impiegata per la realizzazione del piano inclinato della falda, che dipende dalla destinazione d’uso, da motivi economici, estetici, dai materiali impiegati e dalla manodopera.

- I manti di copertura più ricorrenti sono quelli di tipo discontinuo a piccoli elementi, realizzati dalla sovrapposizione di tegole e coppi, la cui impermeabilità è legata all’inclinazione e alla sovrapposizione degli elementi.

Il degrado

In presenza di alcuni fenomeni i laterizi sono soggetti a degrado:

- nel caso di presenza di umiditàascendente si formano efflorescenze e distacco degli intonaci;

- l’umidità da condensazione interna invece è un fenomeno dovuto al raffreddamento del vapore acqueo all’interno dei materiali costituenti la chiusura esterna.

- l’umidità da pioggia e vento è un caso particolare di umidità da condensazione e si ha soprattutto quando i giunti sono degradati e le pareti sono molto permeabili.

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

Progetti Cappella per la benedizione, Batschuns, Austria, 2001. Arch. Marte, Weiler.

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Evoluzione dei materiali tradizionali nel progetto: l’involucro in laterizioProgetti Casa unifamiliare, Ealing/Londra, 2001, Arch. Burd Haward Marston

Facciata in piastrelle di materiale ceramico di piccolo formato applicate a una struttura di legno

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Evoluzione dei materiali tradizionali nel progetto: l’involucro in laterizioProgetti Grattacielo fieristico, Hannover, Germania, 1999, Arch. Herzog & partner

• Sistema di facciate in mattoni appese e ventilate su sottostruttura di alluminio.• Piastrelle di facciata con scanalature orizzontali: bloccaggio dell’acqua di percolatura.

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Evoluzione dei materiali tradizionali nel progetto: l’involucro in laterizioProgetti Grattacielo fieristico, Hannover, Germania, 1999, Arch. Herzog & partner

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Evoluzione dei materiali tradizionali nel progetto: l’involucro in laterizioProgetti Daimier Benz/Debis C1, Potsdamer Platz, Berlino, 1998, Arch. Renzo Piano Building Workshop.

• Facciata sviluppata come parte di un progetto di ricerca dell’UE• Primo tipo di facciata con rivestimento a tenuta d’acqua in piastrelle di materiale ceramico applicato a una parete esterna ad alto livello di isolamento con finestre standard.• Secondo tipo di facciata costruito in modo analogo, ma con più uno strato esterno di lamelle di vetro per la protezione da vento, pioggia e rumori antitraffico.• Elementi in ceramica estrusa di notevole lunghezza.• Lesene verticali con interposti elementi tubolari a sezione quadrata orizzontali con tubolare in acciaio antirottura incorporato.

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Evoluzione dei materiali tradizionali nel progetto: l’involucro in laterizioProgetti Daimier Benz/Debis C1, Potsdamer Platz, Berlino, 1998, Arch. Renzo Piano Building Workshop.

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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 delle murature,Torino 1998, 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)