Appunti di fondamenti di tecnologia, prof.ssa Oberti

Capitolo 1: L'edificio come sistema

Progetto

- Le norme fissano i requisiti obbligatori da rispettare - È condizionato dalla disponibilità di risorse

Edificio: può essere considerato un sistema costituito da diverse parti ed elementi costituenti che danno risposta ai requisiti posti alla base del progetto. L’edificio è composto da parti correlate tra loro da relazioni che ne assicurano l’unitarietà di funzionamento.

La norma UNI 8290 illustra l’articolazione delle unità tecnologiche e degli elementi tecnici in cui è scomposto il sistema tecnologico.

Unità tecnologica

Unità che si identifica con un raggruppamento di funzioni.

Elemento tecnico

Elemento che si identifica con un prodotto edilizio, più o meno complesso, capace di svolgere completamente o parzialmente funzioni proprie di una o più unità tecnologiche.

Fasi e ciclo di vita di un edificio

• Fase di produzione: approvvigionamento delle materie prime, trasporto allo stabilimento, processi di produzione e lavorazione.
• Fase di costruzione: trasporto al cantiere, costruzione o assemblaggio.
• Fase di gestione: uso, manutenzione, riparazione, sostituzione, riqualificazione.
• Fase di fine vita: dismissione dell’edificio, trasporto, riuso o riciclaggio dei materiali, conferimento in discarica.

Capitolo 2: Materiali

Categorie di materiali

Possono essere classificati in quattro categorie:

• Materiali metallici: uno o più elementi metallici miscelati tra loro. Caratterizzati da elevata resistenza meccanica e tenacità, deformabilità a freddo e a caldo, elevata conducibilità termica ed elettrica. (acciaio, alluminio e le sue leghe, rame e le sue leghe)
• Materiali polimerici: composti da lunghe catene di molecole a base di atomi di carbonio. Caratterizzati da bassa resistenza meccanica, elevata flessibilità e deformabilità, bassa conducibilità termica ed elettrica, ha ridotto peso specifico. (polietirene, poliopropilene, polistirene, policarbonato, polivinilcloruro)
• Materiali ceramici: materiali inorganici costituiti da elementi metallici e non metallici legati chimicamente tra loro. Caratterizzati da durezza e fragilità, elevata resistenza meccanica a compressione, bassa conducibilità termica ed elettrica, resistenza chimica. (vetro e laterizio)
• Materiali composti e fibrosi: costituiti da due o più materiali appartenenti alle tre classi precedenti. Costituiti da un materiale di rinforzo, in fibre o particelle, inglobato in un materiale che funge da matrice (legno).

Materiali lapidei

Possono essere classificati per genesi (tipo di formazione che li ha caratterizzati) e per composizione (tipi di sostanze e struttura delle quali sono composti). A seconda dell’appartenenza a una determinata categoria variano anche le proprietà insite nel materiale lapideo in questione, raggruppate in proprietà fisiche, meccaniche e altre proprietà minori.

Classificazione per genesi

• Rocce magmatiche: derivano dal raffreddamento e successiva solidificazione del magma. A seconda della modalità e della velocità di raffreddamento si suddividono in rocce intrusive (solidificano al di sotto della crosta terrestre in maniera lenta) e rocce effusive (solidificano velocemente sopra la superficie terrestre).
• Rocce sedimentarie: si formano in seguito a processi di erosione, trasporto e sedimentazione di rocce più antiche. Queste rocce hanno caratteristiche diverse le une dalle altre.
• Rocce metamorfiche: derivano da rocce di differente natura che hanno subito modificazioni a causa del variare di temperatura e pressione senza raggiungere lo stato liquido.

Classificazione per composizione

• Rocce solfatiche: costituite in prevalenza da gesso (solfato di calcio).
• Rocce carbonatiche: costituite in prevalenza da carbonato di calcio.
• Rocce silicatiche: costituite in prevalenza da silice e silicati. Le più importanti hanno origine magmatica come il granito, sedimentaria come i tufi.

Classificazione commerciale

• Marmo: rocce con struttura cristallina, compatte e lucidabili, adatte a sopportare sia funzioni strutturali che estetiche.
• Granito: struttura fanero-cristallina, compatte e lucidabili, funzioni strutturali ed estetiche.
• Pietra: materiali lapidei non classificabili in nessuna categoria precedente, adatte a sopportare funzioni strutturali ed estetiche.

Processo produttivo suddiviso in

• Coltivazione: operazioni atte al reperimento della materia prima dalla cava e al trasporto di essa nei luoghi nei quali avranno vita le successive lavorazioni. Le cave sono di due tipi: a gradoni o a fossa.
• Lavorazione: prevede tre fasi principali:
  • Segagione: operazioni atte a ottenere lastre
  • Lavorazione: finitura perimetrale degli elementi
  • Operazioni di finitura superficiale: atte a ottenere particolari finiture dell’elemento attraverso diversi metodi: scalpellatura, sabbiatura, bocciardatura, fiammatura o levigazione.

Malte, calcestruzzo semplice e armato

Sono conglomerati artificiali ottenuti dalla miscelazione di acqua, sabbia, ghiaia ed elementi inerti con leganti ottenuti dalla frantumazione e cottura di materiali di origine minerale. Quando nel calcestruzzo vengono annegate barre tonde di acciaio si ottiene il calcestruzzo armato. Il calcestruzzo armato diventa il materiale punto di riferimento da costruzione del Novecento.

Composizione delle malte e calcestruzzi

Le malte e i calcestruzzi sono costituiti da una miscela di leganti, aggregati, additivi e acqua nella corretta proporzione e a seconda delle prestazioni richieste.

• Leganti: materiali ottenuti dalla cottura dei materiali di origine minerale, se mescolati con acqua creano un impasto capace di indurire aderendo in maniera irreversibile.
  • Leganti aerei: impasti che induriscono e fanno presa solo in presenza di aria.
  • Leganti idraulici: induriscono in presenza di aria e di acqua.
• Aggregati: materiali minerali in forma materiale.
• Additivi: prodotti chimici che consentono di migliorare alcune caratteristiche del materiale. I più utilizzati:
  • Additivi che hanno scopo di aumentare fluidità del materiale e di conseguenza la sua lavorabilità.
  • Acceleranti o ritardanti: modificano a livello temporale l’indurimento e la presa.
  • Additivi areanti: conferiscono resistenza ai cicli di gelo e disgelo.
• Prodotti: malte e calcestruzzi si differenziano in relazione alla composizione della miscela.
  • Malte (impasto di calci aeree o idrauliche, sabbia, acqua ed eventuali additivi) si suddividono in:
    • Malte aeree: fanno presa e induriscono solo in presenza d’aria. Costituite da una miscela di gesso, calce aerea, sabbia e acqua.
    • Malte idrauliche: dopo aver fatto presa possono raggiungere il grado di indurimento necessario anche in presenza di acqua. Composte da cemento o calce idraulica, aggregati e acqua.
  • Calcestruzzo (miscela di legante idraulico, aggregati di diverse dimensioni, acqua ed additivi per migliorare le prestazioni).
    • Calcestruzzo leggero: aggregati sostituiti da materiali leggeri in granuli come l’argilla espansa e la perlite espansa.
    • Calcestruzzo cellulare ed alveolare: aggiunta di additivi, caratterizzati dalla presenza di piccolissime cavità e fessure nella propria struttura. Questo materiale è impiegato nell’edilizia per realizzare sottofondi, riempimenti e strutture portanti.
    • Calcestruzzo armato: si ottiene inglobando nel calcestruzzo un’armatura metallica, composta da barre in acciaio che contribuiscono in modo significativo a sopportare gli sforzi di trazione che il calcestruzzo da solo non riuscirebbe a sostenere.

Processo produttivo di malte e calcestruzzi

Il processo si suddivide in fase di produzione e reperimento degli aggregati, fase di miscelazione e messa in opera.

• Produzione dei leganti: processo diverso a seconda del legante.
  • Gesso: deriva da una pietra di origine sedimentaria, estremamente tenera, la quale viene estratta in blocchi, macinata e quindi cotta in forni con lo scopo di conferire proprietà leganti. Una volta cotto può essere utilizzato come legante.
  • Calce aerea (o ossido di calcio): ottenuta dalla cottura a temperatura molto elevata di rocce calcaree. Per essere utilizzato deve essere aggiunta una determinata quantità d’acqua con il fine di portare a compimento il processo di spegnimento.
  • Calce idraulica: la sua produzione è limitata. Esistono tre tipi diversi:
    • Calce idraulica vera e propria ottenuta dalla cottura di calcari argillosi o dalla miscela di calcari e argille.
    • Calce idraulica comunemente in commercio composta da cemento portland diluito.
    • Calce idraulica ottenuta dalla miscelazione di calce aerea e materiali pozzolanici.
  • Cemento: miscelazione delle materie prime, argilla, calcare e sabbia. La macinazione iniziale avviene nella cava e può essere a umido e a secco, questo viene poi fatto raffreddare e successivamente miscelato con una piccola quantità di gesso.
• Reperimento degli aggregati: la maggior parte è di origine naturale e deriva da rocce. Il ciclo di produzione è composto da: preparazione della cava, estrazione e trasporto.
  • Aggregati fini: prelevati dal mare o dai letti dei fiumi.
  • Aggregati di dimensioni maggiori: ricavati da blocchi estratti da cave a giorno o a fossa, ridotti alle dimensioni desiderate attraverso l’utilizzo di frantoi.
• Miscelazione: può avvenire a mano (si procede manualmente all’idratazione e alla miscelazione dei leganti con gli aggregati e gli eventuali additivi), a macchina (miscelazione mediante l’ausilio di macchine impastatrici dette betoniere). Gli impianti consentono la realizzazione di impasti molto controllati.
• Messa in opera: le malte utilizzate come legante per la realizzazione di murature possono essere lavorate solo manualmente. Gli intonaci possono essere messi in opera manualmente oppure mediante la spruzzatura meccanica. Il calcestruzzo può essere gettato direttamente dalle autobetoniere, mediante l’utilizzo di benne o pompato mediante appositi automezzi (la fase di getto è preceduta dalla costruzione delle casseforme).

Materiali ceramici: laterizi

Questa classe di materiali è la più utilizzata e diffusa nelle costruzioni, si ottengono dall’impasto e dalla cottura di argilla, acqua ed eventuali additivi. Particolare rilevanza hanno i laterizi.

L’utilizzo dell’argilla come materiale di costruzione si è affermato fin dall’antichità. L’apice della muratura in laterizio la troviamo nella cultura romana.

Prodotti

In commercio i laterizi sono raggruppati a seconda della loro principale funzione:

• Elementi per murature: suddivisi a loro volta secondo la norma UNI EN 771-1:
  • Mattoni: laterizio per muratura, parallelepipedi il cui volume vuoto per pieno risulta minore o uguale a 5500.
  • Blocchi: laterizio per muratura, parallelepipedi il cui volume vuoto per pieno risulta maggiore a 5500.
  • Mattoni e blocchi da rivestimento: laterizio adatto a essere utilizzato per rivestimento, faccia a vista.
  • Pezzi complementari, speciali e di corredo: elementi impiegati per svolgere funzioni particolari all’interno della muratura (architravi, elementi per il passaggio di impianti).
• La stessa norma differenzia gli elementi per la muratura anche in base alla percentuale di foratura che li caratterizza:
  • Laterizi definiti: percentuale di foratura inferiore al 15%.
  • Laterizi semipieni: percentuale di foratura tra 15% e 55%.
  • Laterizi forati: percentuale di foratura superiore al 55%.
• Tavelle: elementi in laterizio piani che presentano una dimensione (lunghezza) maggiore rispetto alle altre due. A seconda dello spessore assumono nomi diversi (tavelline, tavelle, tavelloni). Sono utilizzati per la realizzazione di solai, pareti interne divisorie o controsoffitti. Possono presentare differenti profili alle estremità e lateralmente.
• Elementi per solai (detti blocchi forati per solai o pignatte): si differenziano a seconda del loro impiego:
  • Gettati in opera: dotati di alette inferiori con il compito di contenere il getto in calcestruzzo.
  • Travetti prefabbricati: i blocchi vengono definiti interblocchi o blocchi interposti e presentano delle sporgenze laterali che permettono l’appoggio di essi ai travetti prefabbricati.
  • Solaio prefabbricato: le pignatte non presentano facce laterali sagomate poiché vanno in appoggio sulla lastra prefabbricata.
• Elementi per coperture (tegole): si suddividono in:
  • Tegole a sovrapposizione: non presentano agganci o innesti. La sovrastante ricopre in parte quella sottostante (tegole piane o embrici, tegole tonde o coppi).
  • Tegole a innesto: dotate di scanalature che permettono una connessione salda e precisa (tegole marsigliesi, portoghesi o olandesi).

Processo produttivo

• Preparazione dell’impasto: l’argilla utilizzata è una miscela di minerali che impastata con la giusta quantità d’acqua assume un elevato grado di plasticità. A questa miscela possono essere aggiunte particelle che ne aumentano le prestazioni termo isolanti.
• Formatura: processo che porta al conferimento della forma voluta all’impasto e alla realizzazione dei diversi elementi. Oggi è realizzato per estrusione (impasto fatto passare attraverso una matrice dal profilo desiderato) e per pressatura (compressione meccanica dell’impasto tra due stampi).
• Essiccazione: serve a rimuovere l’acqua in eccesso, per realizzare ciò si usano essiccatoi automatizzati. Il processo termina quando l’acqua è meno del 1%.
• Cottura: ha lo scopo di privare l’argilla della sua caratteristica plasticità. Oggi si utilizzano forni di tipo continuo (tunnel attraversati dal materiale).

Metalli: acciaio

Elementi chimici che presentano una struttura cristallina caratterizzata dalla presenza di elettroni liberi. Da questa struttura dipendono le caratteristiche fisiche: compattezza, alto punto di fusione, conducibilità termica ed elettrica. Si suddividono in:

• Metalli non ferrosi:
  • Alluminio: metallo lavorabile, leggero e lucidabile.
  • Piombo: ridotta resistenza, variazioni di dimensioni in relazione alle escursioni termiche.
  • Zinco: resistente agli agenti atmosferici, utilizzato molto spesso come rivestimento di altri metalli.
  • Rame: resistente agli agenti atmosferici, lavorabile, deformabile, ha un buon grado di resistenza.
• Metalli ferrosi: ne fanno parte il ferro e le sue leghe. Viene estratto dai suoi minerali ottenendo una lega di ferro-carbonio con un tenore di carbonio superiore al 3.5%. Da questo si ottiene la ghisa (elevata fragilità e facilmente ossidabile). L’acciaio invece è caratterizzato da un punto di fusione più elevato della ghisa e maggiore lavorabilità e minore fragilità. Può essere legato a sua volta con altri metalli: acciaio inossidabile (resistente alla corrosione) acciaio corten (miglior comportamento agli agenti atmosferici).

Le prime applicazioni della ghisa e dell’acciaio in architettura si limitarono alla costruzione di serre, edifici industriali, stazioni, padiglioni temporanei. Il percorso evolutivo del ferro si nota nella costruzione dei grattacieli. L’architettura recente vede sempre un maggior impiego di questo materiale.

Semilavorati e prodotti

• Profilati laminati a caldo: sono i prodotti più utilizzati nel settore delle costruzioni per la realizzazione di strutture portanti. Presenti sul mercato in sezioni aperte o tubolari e di varie dimensioni, uniti gli uni agli altri tramite saldatura, bullonatura o tramite l’impiego di fazzoletti di connessione in lamiera.
• Lamiere: ottenute in seguito ad un processo di laminazione a caldo. Se lo spessore del laminato è inferiore a 3mm prende il nome di lamiere sottili o lamierini.
• Profilati e lamiere formati a freddo: le lamiere sottili possono essere sottoposte ad un processo di presso-piegatura a freddo per ottenere elementi lineari profilati. In questo modo si ottengono elementi caratterizzati da un peso ridotto.
• Profilati tubolari: possono avere sezione circolare, quadrata, rettangolare o complessa e possono essere distinti in:
  • Tubi senza saldatura: ottenuti mediante un processo di laminazione a caldo, si ottengono tubi con spessori ridotti e buona lunghezza.
  • Tubi con saldatura: derivano dalla lavorazione di lamiere che consente di ottenere una vasta gamma di sezioni e dimensioni.
• Grigliati: formati per mezzo dell’elettrosaldatura di lamelle di differenti tipi.
• Reti: prodotte mediante l’intreccio di fili preventivamente piegati.
• Reti tessute: ottenute mediante la tessitura di fili metallici su telai meccanici.

Processo produttivo

• Ciclo integrale: produzioni di acciaio a partire dai minerali del ferro. Questo ciclo è molto articolato: si prepara una miscela di minerali di ferro, carbone coke e fondenti, successivamente viene calata all’interno di un altoforno e al fine di ottenere l’acciaio, la ghisa viene sottoposta ad un processo di affinazione attraverso un convertitore.
• Ciclo con forno elettrico: produzione di acciaio a partire dalla ghisa e dai rottami ferrosi. In questo processo il materiale di partenza è costituito dalla ghisa grezza prodotta negli altiforni, all’uscita dal convertitore l’acciaio può essere trattato in due modi: colata del materiale nelle lingottiere, colata continua che accoppia il processo di solidificazione dell’acciaio.