Acciaio, Materiali e elementi costruttivi

densità,l’altra caratteristica molto importante è il punto di fusione perché ci dice la misura in cui per

estrarre acciaio c’è bisogno di molta energia. Per cui il minerale insieme ad altri additivi attraverso

un processo siderurgico viene poi unito chimicamente al carbonio per ottenere questi due prodotti,la

ghisa e l’acciaio. Cosa succede se nel ferro vario la percentuale di carbonio?varia una caratteristica

che è quella dell’elasticità;il peso rimane lo stesso,il punto di fusione anche,a cambiare è la

caratteristica meccanica del materiale. Oltre alla sua lavorabilità cambia il fatto che il materiale è

più fragile se ha un alto contenuto di carbonio. Ricordiamo che la fragilità è quella proprietà per cui

il materiale si rompe in maniera immediata,senza deformarsi. Se un oggetto di metallo cade,questo

si deforma,all’interno degli oggetti di metallo la ghisa si comporta più come il vetro,non è capace di

deformarsi ma si spacca. La duttilità del materiale ci interessa da due punti di vista,uno è quello

della lavorazione del metallo e l’altra è quella del suo comportamento sotto sforzo. Il legno è stato

definito un materiale anisotropo,il metallo invece è isotropo ossia ha un comportamento meccanico

omogeneo in tutte le direzioni. La resistenza meccanica è molto forte e lo rendo molto adatto a

sopportare notevoli sforzi,che generalmente sono concentrati in un’architettura nelle strutture,per

cui è un materiale principalmente strutturale. La tenacità è la sua caratteristica di resistere a livello

molto elevato,ma anche con una dinamica specifica. Vediamo nel video una barra di

acciaio,zigrinata perché è di quelle che si usano per il calcestruzzo,ed è inserita all’interno di un

macchinario che la tira e misura (come la pressa per la trave di lego la resistenza a compressione) la

resistenza a trazione del materiale(si tratta di un test a rottura). Il materiale si allunga,si

assottiglia(snervamenti dell’acciaio) e poi si spezza. Se avessimo messo vicino a questa macchina

un indicatore che misurava in newton l’azione su questa barra e questa trazione fosse stata messa a

confronto con le deformazioni si sarebbe ottenuto il diagramma di hook ed è la caratterizzazione

meccanica di un materiale in questo caso sottoposto a trazione. Inizio a tirare e questo come fosse

un elastico inizia ad allungarsi,questa inclinazione si chiama modulo elastico(l’angolo) e

rappresenta la funzione che è una retta e che esiste fra il rapporto tra l’allungamento e la forza ed è

una funzione lineare,ossia tanta forza e tanto allungamento,raddoppio la forza e raddoppio anche

l’allungamento ed è così fino ad un certo punto in cui si dice che l’acciaio lavora nella sua fase

elastica ;vuol dire che il materiale cambia il suo aspetto,ma terminata la sollecitazione della forza

torna all’aspetto originario,ma ciò accade solo se si trova prima di quel punto che si trova sul

grafico;dopo quel punto ha inizio la regione plastica,anche qui abbiamo una trasformazione che

però questa volta non è reversibile,questo tipo di proprietà del materiale è molto usato nella

lavorazione per cui con questo diagramma possiamo dire che la regione elastica è lo stato di lavoro

di un materiale in acciaio : se devo fare una trave o un pilastro in acciaio,lo si deve far lavorare in

maniera che non superi quel limite rimanendo nella regione elastica,se io invece devo piegare il

materiale in acciaio dovrò imprimere su questo materiale una forza superiore in maniera che superi

il punto limite della regione elastica e in modo tale che finita la deformazione il materiale rimani in

quello stato. Per cui questa è la fase delle lavorazioni,in questo caso non stiamo considerando la

temperatura perché la temperatura dell’acciaio modifica questo stato,lo consideriamo a temperatura

ambiente ma la maggior parte delle lavorazioni dell’acciaio avvengono a temperature elevate. Se

supero il punto la regione plastica dove vi è il restringimento della barra in acciaio,se io mi fossi

fermato poco prima della rottura e avessi cessato l’azione della forza avrei ottenuto una barra

deformata che non si sarebbe rotta ma non sarebbe nemmeno tornata al suo stato iniziale,ha subito

perciò una deformazione plastica. Questo diagramma spiega molte cose dell’acciaio,lavorazioni,uso

coefficienti di sicurezza,perché l’acciaio è un buon modo di costruire;a differenza del legno che

posto a sollecitazione prima o poi si rompe,l’acciaio prima di rompersi si deforma notevolmente in

maniera plastica. Ciò invece non avviene con la ghisa che ha un comportamento più simile al

vetro,alla porcellana,non è in grado di deformarsi notevolmente,si deforma poco e poi si rompe. In

relazione al fatto che il materiale è molto sensibile alla temperatura,c’è il problema,nelle

costruzioni,che se io utilizzo una struttura in acciaio e la dimensiono per un certo carico lo faccio

pensando ad una certa temperatura tra i 0 e i 40 gradi che non sono i 400/600 gradi che si possono

produrre durante un incendio. Alle temperature che si hanno durante un incendio le proprietà

meccaniche dell’acciaio scendono e il materiale si deforma molto prima ad alte temperature,perciò

un tema molto importante per le strutture in acciaio è quello della protezione dagli incendi che

avviene in due modi : 1) non mettere l’acciaio a vista,a contatto con il potenziale incendio ed è il

caso del calcestruzzo armato,dove il ferro è all’interno del calcestruzzo e quindi il ferro è protetto;

2) oppure vengono applicati dei materiali sopra l’acciaio che servono a proteggerlo,ad esempio

spruzzando intonaco di 2/2,5 cm sul materiale in maniera che lo protegga dal fuoco ed è evidente

che queste soluzioni sono adatte quando il materiale non è a vista;nel caso di strutture a vista si

utilizzano delle soluzioni differenti che però si rivelano più costose e danno minore protezione e

sono delle vernici che in presenza di incendio si gonfiano costituendo uno scudo. Quindi nella

progettazione di una struttura in acciaio si devono pensare adeguati sistemi di protezione dal fuoco.

L’altra problematica relativa all’acciaio è costituita dall’ossidazione (la ruggine) che avviene in

ambienti umidi,gli acciai non trattati tendono ad ossidarsi. La ruggine corrode il materiale che a

lungo andare perde sezione,perde materiale e si assottiglia per andare incontro a questo problema si

utilizzano materiali legati con altri metalli che sono l’acciaio inossidabile,nonostante sia

impensabile il suo impiego per costruire una struttura di un edificio perché ciò comporterebbe dei

costi enormi. Altra soluzione,più ragionevole,è quella di applicare dei trattamenti di protezione

all’ossidazione,anche se in generale si dovrebbe evitare di utilizzarli in ambienti umidi che risulta il

rimedio più efficace contro l’ossidazione. Dal punto di vista delle lavorazioni i prodotti in acciaio

utilizzati in edilizia sono tutti ottenuti attraverso lavorazioni plastiche a caldo (1100-1300 °C) o a

freddo (laminatura, trafilatura,…).

Ogni famiglia di prodotti è caratterizzata da proprietà morfologiche tecnologiche specializzate per

l`uso a cui è destinata,(s27)

,facendo uso di quelle proprietà,l’acciaio può essere lavorato in molti modi e queste lavorazioni

producono dei semi-lavorati : la laminazione che sfrutta la malleabilità del materiale,il materiale si

deforma plasticamente e mantiene questa deformazione,per favorire questa lavorazione si applicano

alte temperature,passa attraverso dei rulli e viene spianato fino ad ottenere delle lame sottilissime

(lamiere,alluminio o carta stagnola). Questa capacità di lasciarsi ridurre in lamine molto sottili

genera le lamiere che sono industrialmente commercializzate sottoforma di rotoli di acciaio e sono

alla base di molti tipi di lavorazioni (automobili,pentole..). L’altro modo di lavorare l’acciaio è

quello di ridurlo in fili sfruttando la capacità del materiale che si chiama duttilità ed è la sua

attitudine ad essere ridotto in fili ,anche molto sottili ed è utilizzata per fare delle trecce di cavi (cavi

ascensori,tiranti dei ponti..).Altra lavorazione a cui sono sottoposte le lamiere è l’imbutitura,è una

lavorazione a freddo dove la lamiera viene spinta da un punzone e si deforma,allungandosi

seguendo la forma della matrice entro cui viene spinta. Altra lavorazione molto comune per

l’acciaio e soprattutto per l’alluminio è l’estrusione modalità con la quale si ottengono delle sezioni

piuttosto complesse e costanti,il materiale viene spinto allo stato plastico all’interno di una

matrice,assume quella forma e raffreddandosi rimane rigido ( con questa lavorazione si ottengono

infissi in alluminio,i serramenti). Lavorazione invece più rara perché più costosa è quella della

fusione che riporta il materiale allo stato fluido,lo cola all’interno di stampi e lasciato raffreddare

assume la forma dello stampo in cui è contenuto,ed è la lavorazione con cui si ottiene tutta la

bulloneria,forme complesse ma piccole etc. La caratteristica fondamentale dell’acciaio è che

consente di unire pezzi per la sua saldabilità,ossia il materiale sottoposto nuovamente ad alte

temperature si fonde localmente e questa fusione locale consente al materiale fluido di mescolarsi

con altro materiale e consente una continuità. Per cui oggetti derivanti da lavorazioni diverse

vengono saldati e danno vita ad un oggetto complesso. La saldatura in edilizia è un problema

piuttosto delicato perché lavorare in officina e in cantiere sono due cose diverse per cui si tende di

limitare questo tipo di attività e generalmente le strutture vengono saldate a pezzi in officina e

portate in cantiere. Abbiamo una tabella che indica i materiali a quale tipo di lavorazione e unione

possono essere sottoposti,il concetto è che cambiano le proprietà dei materiali e quindi cambiano le

loro possibilità di essere lavorati e le modalità di connessione. Per fare un riepilogo sulla differenza

tra ghisa e acciaio, diciamo che la lavorazione principale con cui si fa la ghisa è la fusione,la ghisa

ha buona resistenza a collusione per cui non si ossida a differenza dell’acciaio,si auto protegge. La

resistenza meccanica è inferiore all’acciaio,buona quella a compressione ma scarsa a trazione,per

cui in ghisa si realizzano elementi complessi ma non le travi . L’acciaio invece si comporta bene in

qualsiasi direzione,è resistente,è duttile e ha una buona resistenza a trazione,a

compres