fondamenti di tecnologia dell'architettura

Tecnologia dell'architettura

Edificio come sistema

Il progetto è un processo dialettico tra i vincoli che la realtà impone e le possibilità creative.

Progetto

• Progetto come atto creativo, volto a soddisfare delle esigenze esplicite (dei committenti) e implicite (dei destinatari del progetto)
• Vincoli: fisici, materici, normativi (es. caratteristiche fisiche dei materiali, reperibilità, contesto fisico e climatico, regole per benessere e sicurezza)

Nella fase preliminare è importante il rapporto tra esigenze, requisiti (da vincoli) e prestazioni, che permettono di motivare il percorso ideativo e decisionale.

Vincoli normativi

Vincoli: paesaggistici, urbanistici, edilizi, igienico-sanitari, sismici, acustici, comfort e risparmio energetico; questi fissano i requisiti obbligatori, ma esistono inoltre requisiti specifici per ogni progetto che dipendono da diversi aspetti (funzione, luogo, utenti, obiettivi).

Vincoli culturali

I vincoli culturali riguardano la cultura materiale locale, ovvero l'insieme di opere dell'uomo, che si manifestano ripetutamente in determinati luoghi (legata a materiali, contesto climatico ecc.).

Il progetto è condizionato dalla disponibilità di risorse (naturali, intellettuali, economiche).

• Naturali = materie prime e materiali, possono essere locali o importati (importazione implica impatti ambientali per trasporto e un costo maggiore).
• Intellettuali = operatori del processo (progettisti, produttori, costruttori) che interagiscono tra di loro dalle prime fasi del progetto per curare ogni aspetto specifico.

Il progettista è il regista dei diversi operatori, deve essere in grado di governare le istanze all'interno del progetto.

L'edificio può essere considerato un sistema, costituito da diversi elementi, ciascuno con un ruolo e un contributo specifico, che nel loro insieme danno una risposta ai requisiti e alle esigenze poste alla base del progetto. Esempio: rapporto tra sistema degli spazi (ambientale) e le scelte tecnico-costruttive (sistema tecnologico); interrelazione tra le prestazioni dei singoli componenti e quelle delle parti assemblate.

Esigenza

Ciò che di necessità si richiede per il corretto svolgimento di un'attività dell'utente o di una funzione tecnologica, il bisogno dell'utente. Bisogna far fronte all'esigenza esplicita del committente, quella inespressa degli utenti (capacità dell'architetto di saper cogliere esigenze sociali ancora da esprimere) e quelle oggettive imposte dalla legge.

Esigenze oggettive = sicurezza (es. resistenza meccanica, al fuoco), aspetto, benessere (termoigrometrico, acustico, visivo, qualità dell'aria), fruibilità (accessibilità, arredabilità, idoneità distributiva), gestione (mantenibilità), integrabilità funzionale delle parti, uso razionale delle risorse, salvaguardia ambientale.

Requisiti

Trasposizione tecnica delle esigenze, fattori atti a soddisfare le esigenze, si individuano confrontando le esigenze con fattori ambientali ed economici e riguardano le scelte dei materiali, degli elementi costruttivi e le relazioni tra le diverse parti dell'opera.

Prestazioni

Comportamento dell'edificio e delle sue parti nelle effettive condizioni d'uso e di sollecitazione, è il risultato in relazione alle scelte fatte in fase di progettazione.

Subsistemi dell'edificio

Norma UNI 8290 del 1981 sull'articolazione dell'edificio.

• Unità tecnologica = raggruppamento di funzioni, compatibili tecnologicamente, necessarie per l'ottenimento di prestazioni ambientali.
• Elemento tecnico = prodotto edilizio, capace di svolgere funzioni proprie di una o più unità tecnologiche.

Struttura portante

Insieme delle unità tecnologiche e degli elementi tecnici appartenenti al sistema edilizio aventi funzione di sostenere i carichi del sistema edilizio stesso e di collegare staticamente le sue parti.

• Struttura di fondazione
• Struttura di elevazione
• Struttura di contenimento

Chiusura

Insieme avente funzione di separare e conformare gli spazi interni del sistema edilizio stesso rispetto all'esterno.

• Chiusura verticale
• Chiusura orizzontale inferiore
• Chiusura orizzontale su spazi esterni
• Chiusura superiore

Partizione interna

Insieme avente funzione di dividere e conformare gli spazi interni del sistema edilizio stesso.

• Partizione interna verticale
• Partizione interna orizzontale
• Partizione interna inclinata

Impianto di fornitura servizi

Insieme avente funzione di consentire l'utilizzazione dei flussi energetici, informativi e materiali richiesti dagli utenti e di consentire il conseguente allontanamento degli eventuali prodotti di scarto.

• Impianto di climatizzazione
• Impianto idrosanitario
• Impianto di smaltimento liquidi
• Impianto di smaltimento aeriformi
• Impianto elettrico
• Impianto fisso di trasporto

Ciclo della materia

Il rapporto uomo-natura determina due flussi:

• Input = da natura a produzione (materie prime, energia, acqua)
• Output = da produzione a natura (rifiuti, energia, acqua)

Per una maggiore sostenibilità bisogna ridurre i due flussi; il progettista ha la responsabilità di attuare delle scelte progettuali orientate alla riduzione dell'impatto ambientale.

Life Cycle Assessment

Metodo per quantificare il consumo delle risorse e il rilascio di emissioni inquinanti.

Fase A: A1 approvvigionamento di materie prime, A2 trasporto, A3 produzione manufatti prodotti, A4 trasporto, A5 cantiere.

Materia prima = ogni materia fornita dalla natura e base di successive lavorazioni.

Il processo di estrazione ha un notevole impatto sull'ambiente, per la sostenibilità è meglio usare materiale a basso contenuto di energia incorporata (di estrazione). Esistono inoltre materiali rinnovabili (vegetali tipo legno) che hanno un processo di produzione inferiore a 20 anni e richiedono un'attività di prelievo e non d'estrazione (anche se aspetti negativi come disboscamento).

Il trasporto è un'attività altamente impattante soprattutto in campo edile in cui i materiali sono molto pesanti, per ridurre emissioni è meglio un approvvigionamento a breve distanza.

Alcune materie prime giungono in cantiere senza lavorazioni (ghiaia), altre con poche lavorazioni (legno massello o pietra), ma la maggior parte dei materiali edilizi deve essere prodotta tramite produzione industriale, che ha grandi impatti e consumi di energia. In alcuni casi le materie prime subiscono trasformazioni in più fasi.

Semilavorato = materiale già lavorato ma che richiede ancora successive trasformazioni, si trova in uno stato intermedio.

Materiale = insieme di sostanze che possono avere in comune l'origine o la destinazione a un'unica funzione.

Componenti edilizi = eletti costruttivi più complessi, preassemblati in stabilimenti, la cui forma non subisce modificazioni in cantiere, vengono solo assemblati.

In cantiere avvengono due tipi di operazioni che coesistono in relazione a diverse parti d'opera: costruzione in loco di parti d'opera (es per i setti murari o i pilastri) e assemblaggio di componenti edilizie. Sempre più frequente è l'uso di prefabbricati di intere parti d'opera i cui vantaggi sono la velocizzazione, maggiore qualità esecutiva, ridotta necessità di manodopera, riduzione impatti di cantiere (che vengono spesso solo spostati in altre fasi).

L'assemblaggio può avvenire "a umido" in modo irreversibile tramite leganti umidi o "a secco" in modo reversibile tramite connessioni meccaniche.

Fase B 1-7: uso, gestione, manutenzione. Per garantire il corretto funzionamento dell'edificio.

Per esempio un aspetto importante per la sostenibilità è un elevato isolamento termico per contenere i consumi energetici e sistemi di riscaldamento e raffreddamento a bassi consumi. Il progettista deve farsi carico delle previsioni di comportamento dell'edificio e spesso questa negligenza fa sì che questa sia la fase più impattante. Un altro aspetto sono le condizioni di igienicità degli ambienti, che dipendono da materiali, dal sistema impiantistico e umidità. I materiali e gli elementi tecnici possono perdere di efficienza, essere oggetto di obsolescenza funzionale (da cambiamento degli stili di vita sociali) o tecnologica (con invenzione di prodotti più innovativi). Questo comporta la necessità di interventi di manutenzione che hanno impatti ambientali.

Fase C: dismissione

• C1 dismissione, C2 trasporto, C3-4 scenari di fine vita

La dismissione si articola in demolizione o disassemblaggio.

Demolizione collettiva = edificio distrutto in macerie, impatti ambientali dovuti a materiali potenzialmente inquinanti in macerie e occupazione del suolo delle discariche.

Demolizione selettiva = prima si smontano le parti assemblate a secco poi demolizione collettiva. Per poter disassemblare il maggior numero di elementi bisogna pensarci in fase di progettazione. Le parti smontate possono essere riciclate (i materiali vengono riprocessati evitando il prelievo di nuove materie prime) o riutilizzate in nuove costruzioni. Secondo una direttiva europea il 70% dei materiali di demolizione, calcolati in termini di peso, dev'essere riciclato.

Materiali

Citazioni

• Dino Formaggio: materiale inteso come fatto culturale, stabilisce una relazione diretta tra cultura e espressione artistica
• Frank Lloyd Wright: esortazione a non cercare di nascondere la natura dei materiali
• Vincenzo Scamozzi: esortazione a prendersi cura dei materiali e di conoscerli profondamente

Categorie

1. Materiali metallici = composti da uno o più elementi metallici miscelati. Elevata resistenza meccanica, conducibilità elettrica e termica, tenacità, deformabilità a freddo e caldo. Alluminio, acciaio e le sue leghe, rame e le sue leghe.
2. Materiali polimerici = catene di molecole a base di atomi di carbonio. Bassa resistenza meccanica e conducibilità termica e elettrica, elevata deformabilità e flessibilità, ridotto peso specifico, soggetti a rammollimento e decomposizione a temperature basse. Polietilene, polistirene, polipropilene ecc.
3. Materiali ceramici = inorganici costituiti da elementi metallici e non metallici legati chimicamente tra di loro. Durezza e fragilità, elevata resistenza meccanica a compressione, bassa conducibilità termica e elettrica, elevata resistenza chimica. Vetro e laterizio.
4. Materiali compositi e fibrosi = costituiti da 2 o più materiali delle tre classi precedenti. Costituiti da un materiale di rinforzo inglobato in un materiale che funge da matrice. Resine rinforzate con vetro o carbonio, legno.
5. Materiali lapidei = ottenuti da estrazione di rocce, hanno funzione strutturale e/o estetica. Marmo, granito, travertino, pietra.
6. Conglomerati = miscele di acqua, inerti e leganti. Calcestruzzo, malte.

Proprietà

1. Economiche (prezzo, reperibilità, riciclabilità)
2. Fisiche generali (densità)
3. Meccaniche (elasticità, duttilità, tenacità, comportamento a rottura)
4. Termiche (calore specifico, conducibilità termica, dilatazione termica)
5. Elettriche e magnetiche (conduzione e resistività elettrica)
6. Di interazione con l'ambiente (ossidazione, corrosione)
7. Connesse alla produzione (lavorabilità, assemblabilità, finitura)
8. Estetiche (colore, tessitura)

Densità

Rapporto tra massa e volume (kg/m³).

Bassa densità per materiali polimerici (15-100 kg/m³), alta densità per materiali lapidei (1100-3400), calcestruzzo (2000-2400) e metalli (acciaio 7850).

Modulo elastico (o di Young)

Resistenza a deformazione elastica (Pa) e si indica con E. Se E è elevato comporta poca deformazione (es materiali ceramici) e viceversa.

Corpo sottoposto a una forza: comportamento elastico = deformazione temporanea per forze di piccola intensità. Comportamento plastico = deformazione permanente per forze di maggiore intensità. Aumentando ancora si arriva alla rottura.

Resistenza a trazione e compressione

Lo sforzo che un materiale riesce a sopportare prima di arrivare a rottura (Pa). Materiali duttili = si deformano molto prima di rompersi (acciaio e metalli). Materiali fragili = si rompono senza deformarsi (vetro).

Tenacità

Resistenza a frattura (Pa).

Conducibilità termica

Attitudine di un materiale di trasmettere calore (W/mK). Valori bassi per materiali termoisolanti (materiali ceramici), valori alti per conduttori (metalli). Questo dipende dalle caratteristiche chimico-fisiche del materiale.

Trasmittanza termica

Per misurare il flusso di calore trasmesso per conduzione, dipende dalla conducibilità e dallo spessore del materiale (W/m²K), si indica con U. Minore è la U, più il materiale ha prestazioni di isolante termico.

Calore specifico

Attitudine di un materiale ad accumulare calore (J/KgK). Elevati valori implicano un'elevata inerzia termica.

Coefficiente di dilatazione termica

Descrive l'entità della dilatazione che un materiale subisce in relazione a un aumento di temperatura. Importante quando materiali di diversa natura sono messi a contatto o interagiscono. Per esempio nel caso del calcestruzzo armato, calcestruzzo e acciaio hanno coefficienti molto prossimi onde evitare uno stato di tensione tra gli elementi o all'interno del materiale.

Durata

Propensione di un materiale a conservare inalterate le proprie caratteristiche durante l'esercizio, in funzione del tempo, la temperatura e gli agenti ambientali.

Strategie sostenibili

Quasi tutti i materiali possiedono qualche aspetto efficiente dal punto di vista ambientale e anche scegliendo i materiali più ecologici non si ha la garanzia che l'edificio nel suo complesso sia eco-compatibile perché ciò dipende anche dall'uso del prodotto. Inoltre bisogna sempre verificare che le prestazioni dei materiali siano adatte ai requisiti, quindi scegliere materiali rinnovabili e naturali potrebbe essere un errore progettuale. I materiali riciclabili hanno lo svantaggio che il riciclo stesso comporta consumi e impatti ambientali e porterebbe dei vantaggi futuri; è più utile usare materiali già riciclati che portano vantaggi ambientali. Importante è l'aspetto di distanza tra luogo di estrazione, di lavorazione e di messa in opera. Si prediligono materiali locali per ridurre gli impatti del trasporto e per valorizzare la cultura materiale dei luoghi. Bisogna poi considerare la durata dei materiali in modo da diluire nel tempo i consumi dei lavori di manutenzione.

Struttura portante

Formata da elementi che contribuiscono a sorreggere le varie parti dell'edificio, i carichi e le sollecitazioni, trasmettendoli al terreno.

• Carichi statici o permanenti = peso proprio
• Carichi accidentali = che cambiano nel tempo (persone, mobili)
• Carichi eccezionali = es neve, tra cui carichi dinamici (sismi, vento) che impongono sollecitazioni non solo verticali ma anche orizzontali

Le scelte di posizionamento della struttura portante condizionano la dimensione degli spazi interni e la loro fruibilità.

Requisiti della struttura portante

1. Idoneità distributiva
2. Mantenimento dell'integrità per ragioni di sicurezza. Stabilità = equilibrio = capacità di una struttura di mantenere il suo assetto geometrico se sollecitata da forze diversamente orientate (dipende dalla geometria degli elementi costruttivi). Tramite controventatura:
   • Giunti tra pilastri e travi di tipo rigido (praticabile in calcestruzzo armato per continuità, con acciaio dipende da tipo di connessioni)
   • Controventi diagonali in campate orizzontali e verticali
   • Pannelli o muri di controventamento (soluzione più integrabile es. vano scala)
3. Indeformabilità dipende dai materiali e dal tipo di sollecitazione, rapporto tra sollecitazione e deformazione = modulo di elasticità (E), punto di rottura = limite di snervamento (varia con il materiale)
4. Resistenza meccanica = massimo sforzo che un materiale può sopportare prima della rottura. Sollecitazioni: compressione (schiacciamento), trazione (stiramento), flessione (compressione + trazione) e sollecitazioni da taglio (pietra, legno, laterizio, acciaio, calcestr.)

Laterizio, pietra, calcestruzzo: resistenza a compressione, non a trazione. Acciaio, legno, calcestruzzo armato: resistenza sia a trazione che compressione (usati per parti strutturali). Calcestruzzo armato (calcestruzzo + acciaio): resistenza a compressione calcestruzzo + resistenza a trazione acciaio.

Pilastri e muri portanti sono soggetti a compressione (sezione deve essere ampia), travi e solai.