Appunti di Architettura tecnica 2

CORSO DI ARCHITETTURA TECNICA 2 – TULLIA IORI

GHISA FERRO E ACCIAIO

L'avvio dell’ingegneria moderna coincide con l'introduzione di nuovi materiali, in particolare la

ghisa, il ferro e l'acciaio.

Ghisa, ferro e acciaio sono tutte leghe di ferro composte principalmente da ferro e carbonio. Le

percentuali di queste componenti sono diverse tra i tre materiali:

• Ghisa: percentuale di carbonio > 2%

• Ferro: percentuale di carbonio = 0,05% (lo 0% di carbonio, ovvero il ferro puro, di fatto non esiste

in natura)

• Acciaio: percentuale intermedia di carbonio

La presenza di carbonio conferisce al materiale una particolare durezza, mentre la sua assenza dà

al materiale duttilità, lavorabilità (ad esempio il ferro a basso contenuto di carbonio è detto "dolce"

proprio perché facile da lavorare).

Il ferro è stato da sempre utilizzato in edilizia per la realizzazione di piccole parti della costruzione

che avevano funzione di collegamento fra le parti, ma la sua diffusione massiccia in questo campo

avviene molto tardi. Il ferro ha una buona capacità di resistere a trazione (nell’antichità, infatti,

veniva utilizzato per le catene degli archi).

Molto diverse sono le caratteristiche della ghisa: ha una buona capacità di resistere a

compressione e pessima capacità di resistere a trazione.

MINERALI DI FERRO

Il ferro in natura non esiste, ma esistono i giacimenti di minerali di ferro. Il minerale di ferro può

essere di varia natura, prevalentemente abbiamo carbonati di ferro (ferro + acido carbonico) e

ossidi di ferro (ferro + ossigeno).

Carbonati di ferro:

Siderite: si presenta in giacimenti molto potenti (concentrazione di ferro rispetto al

o giacimento = 50%). Ricchissima di siderite è la Germania e l'Austria. Alcuni piccoli

giacimenti si trovano anche in Italia, nella zona delle Prealpi Lombarde (che hanno portato

allo sviluppo della piccola siderurgia in queste zone).

Sferosiderite: derivato della siderite, composto oltre che dal carbonato di ferro anche da

o altre sostanze (argilla, silice etc.). Anch'esso si trova in giacimenti abbastanza potenti. Ne

sono ricche la Germania, la Francia e gli Stati Uniti.

Stratificazione di sferosiderite e carbon coke: giacimenti naturali conformati a strati

o alternati di carbon coke e sferosiderite (detti black band). Sono situati quasi esclusivamente

in Inghilterra, questo ha determinato la ricchezza di questo paese durante tutta la

rivoluzione industriale. Questi giacimenti, infatti, danno il vantaggio di poter estrarre allo

stesso tempo il minerale e il combustibile da utilizzare per lavorarlo.

Ossido di ferro:

Ematite rossa: molto diffusa sull'Isola d'Elba (infatti una delle più grandi imprese

o siderurgiche italiane l'"Ilva" prendeva il nome proprio da quest'isola).

Ematite bruna: si presenta in banchi poco potenti (il minerale ha una concentrazione di

o ferro di circa il 30%) ma molto estesi, vale quindi la pena di estrarla perché a dispetto della

bassa percentuale di ferro la vastità dei giacimenti permette un buon rendimento. Questo

minerale è molto diffuso in Europa, è presente in Germania, Francia (dove viene detta

"Minet"), Spagna ma non in Italia.

CARBONE

Altro componente determinante per lo sviluppo della siderurgia è il carbone. 1

In Italia i giacimenti di carbone sono quasi del tutto assenti (solo in Sardegna, in particolare a

Carbonia, si trovano dei piccoli giacimenti). Il ritardo italiano nella rivoluzione industriale è dovuto

quindi, più che alla scarsità di minerali alla totale assenza di giacimenti di carbone, fondamentale

anche per il funzionamento delle macchine a vapore.

LAVORAZIONE DEL MATERIALE

Dopo l'estrazione il minerale viene sottoposto a diverse fasi di lavorazione, in particolare:

Lavaggio;

o Frantumazione;

o Purificazione mediante calcinazione e riduzione.

o

Il processo di riduzione consiste nell'estrarre dal minerale la componente di ossigeno.

L'eliminazione dell'ossigeno dal minerale avviene tramite il calore che riesce a saturare l'ossigeno.

Il minerale, quindi, deve essere posto in un forno dove avviene una forte combustione che

sviluppando anidride carbonica riesce ad eliminare l'ossigeno presente nel composto.

Questo processo ha subito varie tappe a mano a mano che si andava perfezionando la costruzione

dei forni:

• Bassi forni: il primo metodo che si utilizzò per la saturazione dell'ossigeno dal minerale, in epoca

premedievale, sfruttava l'utilizzo di bassi forni, così detti perché costruiti in parte interrati in parte

fuori terra (solitamente con materiali di tipo laterizio). In questi forni però non si riusciva mai ad

arrivare alla temperatura di fusione del ferro (1500°), quindi il minerale cominciava sì a perdere

ossigeno, ma manteneva una consistenza solida (spugnosa). All'uscita dal forno quindi il materiale

aveva ancora bisogno di essere lavorato e questo avveniva ad opera di artigiani che, con l'incudine

e il martello, cercavano di privare il materiale delle parti rimaste di ossigeno e altre scorie, per

ottenere un materiale più puro possibile. Questo metodo però era decisamente inefficiente

perché comportava la perdita, oltre che delle scorie, anche di parti di ferro.

• Alti forni: nel Medioevo, grazie alla sperimentazione dei monaci benedettini, si cominciò a capire

che per lavorare bene i minerali di ferro, al fine di ottenere una sostanza il più pura possibile,

bisognava migliorare la qualità e l'efficienza dei forni. Proprio i monaci cominciano a costruire ed

utilizzare gli altiforni, detti così proprio perché raggiungevano una notevole altezza, la lunghezza

del camino stimolava la combustione. Il fuoco era alimentato da grandi mantici, che aumentando

la fusione ne aumentavano la potenza.

Con l'utilizzo degli altiforni si riesce ad aumentare dapprima la produzione della spugna ferrosa e

poi, con il progredire di questo metodo e quindi raggiungendo temperature sempre più elevate, si

riesce finalmente a fondere il minerale. Quando il ferro si fonde, succede una cosa imprevedibile,

ovvero colando va a mischiarsi con il combustibile ad alta percentuale di carbonio. Questa fusione

dà vita ad un nuovo materiale: la ghisa.

GHISA

L'invenzione della ghisa viene attribuita, come conseguenza della creazione degli altiforni, ai

monaci benedettini. L'invenzione della ghisa fu una vera e propria rivoluzione perché era un

materiale assolutamente innovativo; infatti, le sue caratteristiche erano molto diverse da quelle

del ferro.

In primo luogo, la ghisa si può fondere, e quindi così come è stata creata può essere liquefatta e

prendere nuova forma, versandola in stampi di forma qualunque per ottenere oggetti di sagoma

qualsiasi.

Con questo metodo si potevano ottenere anche oggetti di forma molto sofisticata, di buona

resistenza. In ghisa si costruivano anche molti oggetti di uso comune. 2

La ghisa può essere di due tipi, bianca o grigia, se è composta in maggioranza rispettivamente da

silice o manganese.

NB: Anche l'acciaio può essere fuso in alcune varianti. L'acciaio però ha una temperatura di fusione

molto più elevata e raffredda molto rapidamente (è più difficile fargli prendere forme articolate).

La ghisa dà quindi il via a un mondo di nuove produzioni ma richiede la combustione mediante

altiforni e quindi il combustibile diventa necessario per queste pratiche.

Non tutte le nazioni però sono ricche di legna da impiegare per la combustione, in particolare

l'Inghilterra non lo è, e le poche foreste presenti a quel tempo sono state quasi interamente

sfruttate per la produzione della ghisa.

La deforestazione, soprattutto in Inghilterra cominciò quindi a diventare un grosso problema e si

cercò anche di limitarla con l'imposizione di varie tasse.

Il problema però non si risolse fino al '700 quando, proprio un inglese, Abram Darby I, ebbe l'idea

di utilizzare il coke come combustibile, invece che il legno. Il carbon fossile, di cui l'Inghilterra è

ricchissima, comincia quindi ad essere sfruttato per alimentare gli altiforni.

L'utilizzo del carbon coke aveva molti vantaggi, in primo luogo eliminava il problema di trovare

legna, in secondo luogo si scoprì che il carbon coke era molto più resistente del legno, cioè quando

si estrae ha una elevata capacità di resistere al carico di minerale.

Si riescono a creare, quindi, cotture nell'altoforno con molto minerale e molto carbon coke, senza

rischio che la catasta di materiale da lavorare si rompa facendo perdere la capacità di aerazione

del forno. La resistenza del coke anche in avanzato stato di combustione, favorisce l'utilizzo di

cariche di minerale molto forti, e comporta una maggiore efficienza della produzione.

L'Inghilterra quindi si scopre possidente di una grande ricchezza, il combustibile carbon coke, che

abbinato alla ricchezza di minerali di ferro dà luogo ad una vera e propria produzione industriale di

ghisa.

COSTRUZIONI IN GHISA

Questa rivoluzione porta nel 1779 alla costruzione, da parte di Abram Darby III (nipote di Abram

Darby I), di un ponte di piccola luce interamente eseguito in ghisa, il PONTE DI COALBROOKDALE.

Darby III investì in questa impresa proprio perché il ponte fosse un simbolo della produzione del

territorio.

Il ponte viene costruito dividendolo in mezzi archi a terra e poi montato connettendo le varie

parti, con i metodi che si utilizzavano per il legno (innesti a mortasa). Questi metodi durarono

poco perché il processo evolutivo di costruzioni in ghisa fu rapidissimo. Si capì infatti che la ghisa

era un materiale molto più resistente della pietra che permetteva di coprire luci molto maggiori,

si elaborarono quindi tecniche specifiche per il materiale dapprima imitando le tecniche

costruttive tipiche della muratura (conci di ghisa) che verranno via via abbandonate non appena ci

si rende conto che la buona resistenza del materiale fa sì che sia possibile utilizzare strutture

molto meno pesanti, come le strutture reticolari. Si va quindi affinando sempre più una tecnica

costruttiva specifica per il materiale.

Ricordiamo che all'epoca non esisteva la possibilità di verificare, mediante calcoli matematici, la

effettiva stabilità del ponte.

La principale novità che si presenta nella costruzione del ponte in ghisa è data dalla leggerezza

della struttura; fino ad allora infatti il peso della struttura in muratura era tale che lo sforzo ad

essa imposto dai carichi fosse trascurabile, in questo caso invece il carico che agisce sul ponte

comincia ad avere una grandezza paragonabile al peso della struttura. Quindi il rapporto tra il peso

dell'opera e l'incidenza dei carichi comincia ad essere un problema rilevante; nasce quindi

l'esigenza di cominciare a considerare in maniera seria l'incidenza dei carichi (sia statico che in

moto). 3

In ghisa furono costruiti ponti che avevano una funzione quasi esclusivamente decorativa, come

il ponte di Waterloo, senza conoscere minimamente il comportamento strutturale delle opere.

Con la ghisa, oltre ai ponti, si cominciano a fare le colonne. Questo era un ottimo utilizzo per la

ghisa che è 5/10 volte più resistente a compressione di una buona pietra. Le colonne in ghisa sono

oltretutto molto facili da fare perché si creano fondendo la ghisa a formandola a terra.

Con le colonne cominciano a diffondersi anche le travi in ghisa; questo però fu dovuto più che alla

resistenza del materiale a flessione (che è molto bassa) alla volontà di limitare al minimo il rischio

di incendi. In questo periodo, infatti, l'utilizzo nelle fabbriche di macchine a vapore, provocava il

continuo scoppio di incendi negli stabilimenti, la ghisa quindi diventa un materiale per travi in

sostituzione del legno, che era altamente infiammabile, proprio perché ha una buonissima

resistenza al fuoco.

Sappiamo però che la ghisa non è un materiale molto adatto per la costruzione di travi, infatti

resiste bene a compressione, ma non a flessione; sarebbe necessario trovare un altro materiale

per la costruzione delle travi che resista bene a trazione.

Tutto il processo evolutivo della forma della trave, che porterà alla creazione della perfetta trave

a doppia T, non viene da ragioni statiche, ma deriva da ragioni costruttive e dal fatto che si

cominciano ad utilizzare sagome simili alle rotaie del treno. Imitando quelle forme, si capisce che

la forma a T rovesciata è molto adatta per la costruzione delle travi in quanto è evidente che è

necessaria una maggior quantità di materia nella parte bassa della trave (prove di carico) che

deve resistere di più a trazione.

DALLA GHISA AL FERRO

La produzione di ghisa a livello industriale si estende per tutto il '700.

Quello che si cerca di fare a questo punto è di produrre industrialmente ferro partendo proprio

dalla ghisa.

Per ottenere il ferro bisogna privare la ghisa di grandi quantità di carbonio, e per avere questo

effetto è necessario bruciarlo, ovvero farlo combinare con l'ossigeno facendolo diventare anidride

carbonica che abbandona il composto. Tutto ciò però deve avvenire senza che il materiale vada a

rimescolarsi con il carbon coke (altrimenti avrei di nuovo un incremento di carbonio).

Viene quindi ideato un nuovo forno, ad opera di Henry Cort (1784). Questo è un forno a riverbero,

in cui la ghisa fluida viene lasciata in un bagno che non è a contatto con il combustibile, che brucia

sotto di essa. Poi c'è un focolare secondario alimentato da una corrente d'aria che trasporta

ossigeno che va a lambire il bagno di ghisa. L'ossigeno caldo che deve bruciare il carbonio

(generando anidride carbonica) passa sopra il bagno di ghisa. Il processo è abbastanza veloce ma

ha un inconveniente: il bagno di ghisa, infatti, deve essere continuamente rimescolato, altrimenti

l'operazione di sottrazione del carbonio interesserebbe solo lo strato superficiale del bagno di

ghisa. Per rimestare il bagno si usavano delle finestrelle di accesso ai forni attraverso le quali degli

operai effettuano questa operazione di mescolamento. Il ferro così prodotto viene detto

"puddellato" proprio dal termine inglese "puddle" che vuol dire mescolare. Questo processo è

stato per lungo tempo il l'unico utilizzato per la produzione del ferro.

LAVORAZIONE DEL FERRO E UTILIZZI

Il ferro così prodotto non è realmente ferro puro, si osserva infatti ancora la presenza di impurità

nella materia, ma sappiamo che il contenuto di carbonio è quello giusto.

Sul ferro così prodotto vengono effettuate lavorazioni successive; una delle prime lavorazioni

effettuate sul ferro è stata la produzione del filo di ferro, in cui la massa ferrosa uscente dal forno

a riverbero viene fatta passare attraverso un canale che costringe il materiale ad assumere una

forma a filamento. Il transito attraverso questo canale purifica ulteriormente la materia, perché

impedisce il passaggio di impurità attraverso di esso. 4

La produzione del filo di ferro è molto importante perché la qualità di questo ferro è molto

migliore; la resistenza di una matassa di fili di ferro è quindi molto migliore di quella che ha una

catena costituita di elementi di ferro. Tutto lo sviluppo del ponte sospeso in Europa era avvenuto

fino ad allora tramite l'uso delle catene di ferro, finché in Francia non si sperimenta la costruzione

di questi ponti sostituendo le catene con cavi costituiti da filo di ferro. Ci si rende conto quindi che

è molto più sicuro costruire i ponti sospesi utilizzando filo di ferro piuttosto che catene e questo

porterà ad un grande sviluppo nella costruzione dei ponti sospesi.

Il ferro puddellato viene ridotto a fili o a piatti che potevano essere combinati tra loro mediante

chiodatura (chiodo battuto a caldo in un foro già preformato finché non diventava un tutt'uno con

il piatto di ferro).

Il ferro viene utilizzato inoltre per la creazione delle lamiere che hanno permesso un grande

sviluppo dell'industria navale permettendo la costruzione di grandi piroscafi.

La diffusione del ferro consente anche l'evoluzione del modello della trave, viene introdotta infatti

(intorno al 1830) un modello di trave in ghisa armata con due fasce di ferro pudellato. Questo

sistema consisteva nell'integrare la resistenza della ghisa con un altro materiale che era capace di

resistere a trazione (sollecitazione alla quale la ghisa resiste male). Il concetto, quindi, è analogo a

quello utilizzato per il cemento armato, unire un materiale che resiste bene a compressione ma

non a trazione, cioè il cemento, con uno che invece sopporta meglio la trazione, ovvero il ferro; in

questo modo si ottiene un materiale composto che riesce a sopportare gli sforzi di flessione.

Purtroppo, nella ghisa armata però le sollecitazioni non si distribuivano come avrebbero dovuto,

il motivo era dato dalla mancanza di aderenza fra i due materiali, che non essendo realmente

legati tra loro non si distribuivano le sollecitazioni in modo corretto.

Nel 1830 incontriamo anche un altro tipo di sperimentazione, ovvero la ghisa armata

presollecitata; in questo caso le fasce di ferro venivano presollecitate in modo da comprimere i

conci di ghisa della trave.

Questo dava caratteristiche al materiale completamente diverse da quelle che esso aveva

naturalmente, la ghisa infatti veniva "addestrata" a resistere anche a trazione. Si precomprimeva

la ghisa in modo che poi la trazione fosse solo uno scaricamento della compressione (stesso

meccanismo del cemento armato precompresso).

LA TRAVE IN FERRO E LE PRIME COSTRUZIONI

Dopo queste sperimentazioni però con il ferro puddellato viene introdotta finalmente la trave a

doppia T, questo avviene già nella metà dell'8