Lezioni, Materiale ed elementi costruttivi

Materiali e tecnologie costruttive

Introduzione alla tecnologia e costruzione

Tecnologia: cultura + materiale

Costruzione: risoluzione di un problema

I materiali più usati sono: ceramiche, calcestruzzo, vetro, metallo e legno. La storia della costruzione ci ha portato all’attuale metodo di costruzione.

Materiali tradizionali e ingegnerizzati

Materiali tradizionali: pietra, laterizio, ferro, vetro

Materiali ingegnerizzati: acciaio, vetro, cemento armato

Elementi costruttivi ed edifici

Elementi costruttivi: parete, pilastro, architrave, arco, struttura reticolare

Edificio: sistema di elementi che devono soddisfare esigenze abitative. Funzione edificio: protezione tramite involucri che sono soggetti a sollecitazioni.

Strutture e funzioni

Struttura: sostiene tutti i carichi e li scarica sul terreno.

• Integrata: parti strutturali = parti non strutturali
• Distinte: parti strutturali diverse dalle pareti di tamponamenti (edificio intelaiato)

Funzione strutturale: assicurare la stabilità, resistenza e non deformazione.

Innovazione nei progetti

Per i progetti bisogna utilizzare strumenti validi, si cerca di innovare i sistemi costruttivi per ottenere risultati migliori. Innovare per risolvere problemi a prescindere dal materiale per una soluzione più efficace. Bisogna risolvere i nodi tecnologici (passaggio da due sistemi) a prescindere dal materiale utilizzato, così da sperimentarne nuovi.

Normativa esigenziale-prestazionale

La tecnologia produce una Normativa esigenziale-prestazionale [non più morfologica-descrittiva: forma e funzione, anni '70]: l’attitudine di prodotti e procedimenti suppone la soddisfazione di esigenze e la definizione di prestazione. Queste prestazioni sono soluzioni tecnologiche in grado di soddisfare tutte le esigenze:

• Si parte dall’esigenza
• Dimostrare che la soluzione scelta è quella corretta
• Essere in grado di dare valore alla scelta
• Ogni problema deve essere risolto a prescindere dal materiale

Il problema è la funzione non il materiale o la forma. Bisogna scegliere gli strumenti giusti (materiali) per risolvere i problemi.

Sistema esigenziale

• Esigenza (uomo)
• Requisiti
• Prestazioni
• Specifiche di prestazioni
• Metodi di verifica

L’esigenza è una realtà temporale (variabile nel tempo; ambientale, culturale) per il conseguimento di un benessere materiale e morale.

Classi di esigenze

• Sicurezza: struttura che dia sicurezza in ogni occasione
• Benessere/comfort
• Fruibilità: deve essere pratico per la sua funzione
• Aspetto: qualità
• Gestione: manutenzione
• Integrabilità: garantire l’uso dell’insieme delle unità
• Ecosostenibilità/condizione economica

Le esigenze sono condizionate dal tempo e dal contesto. Bisogna soddisfare le esigenze nelle parti e nell’insieme. Le esigenze si ritrovano nel sistema tecnologico composto da unità tecnologiche.

Sistema unità tecniche e tecnologico

• Fondazioni (dirette e indirette)
• Strutture: elevazioni (verticali, orizzontali, solaio, pilastri)
• Contenimento: verticali (infissi vert, pareti)
• Chiusure (pareti): orizzontali (solai, controtetti)
• Superiori (coperture)
• Orizzontali (solai)
• Partizioni: verticali (pareti interne), inclinate (scale, rampe)
• Att. Int est: arredi, servizi
• Impianti fornitura: (elettrico, igienico, acqua)

Requisito: richiesta verso un materiale edilizio per soddisfare esigenze. Prestazione: comportamento caratteristico di un elemento edilizio. Specifiche di prestazione: misurazione della qualità e della quantità di un requisito. Metodi di verifica: regole che verificano le prestazioni.

Materiali argillosi

Tutti i materiali che come materia prima hanno l’argilla. L’argilla è una roccia sedimentaria composta da silicato idrato di alluminio e ossido di ferro con aggiunta d’acqua. Le argille sono differenti a seconda del luogo e della profondità di estrazione.

Caratteristiche dell'argilla

• Plasmabile: assume varie forme, dimensioni molto fini, si aggiunge acqua
• Assorbire: assorbe acqua fino al 70% del proprio peso

Ceramiche

• Pasta porosa: assorbe/espelle acqua (terracotta 800°, laterizio 1150°, refrattari 2000°) più facilmente usurabili e trattengono calore
• Pasta compatta: non assorbe acqua (gres 1000-1250°, porcellana 1200°, clinker 1300°) meno usura, non trattengono calore

Le prime costruzioni in argilla risalgono a 8000 anni fa, i primi a usare forni furono i romani (laterizio, calcestruzzo).

Realizzazione del laterizio

Estrazione: estratta dalle cave a varia profondità.

Preparazione: elaborazione del materiale estratto per renderlo ‘puro’.

• Stagionature: naturale o artificiale per vedere le reazioni alle stagioni
• Cernita: espulsione materiale in eccesso
• Macinazione: si macina per renderlo più plasmabile
• Impasto: aggiunta di acqua
• Argille magre: minerali inerti, più difficile da lavorare, assorbe molta acqua, più resistente
• Argille grasse: molte particelle attive (fini), più lavorabile, assorbe meno, può rompersi in cottura, meno resistente

Esistono prodotti smagranti per migliorare le prestazioni delle argille. Additivi che migliorano il prodotto finale: laterizio alleggerito in pasta; nell’impasto vengono inseriti materiali che in cottura evaporano creando cavità interne che alleggeriscono l’argilla e aumentano prestazioni termiche.

Densità media laterizio: 1600-1800 Kg/m³

Densità laterizio alleggerito: 450-800 Kg/m³

I fori devono essere isolati e con diametro <2,5 mm. Per fare i fori si usa polistirolo, segatura, sanza di olive o perlite (materiale roccioso che si espande, aumenta resistenza).

Modellazione

• Per filiera: unico blocco poi tagliato
• Per blocchiera: stampo

Difficoltà nella realizzazione di forme complesse (coppi).

Essiccazione e cottura

Essiccazione: inizia a evaporare l’acqua (se non eseguita si potrebbe rompere in cottura), si usa l’aria del forno.

Cottura: in forni a tunnel 800-1000°.

• A 120° esce acqua
• A 120-720° perde acqua di condensa
• A 600° inizio ritiro
• A 700-1200° solidificazione (non è più plasmabile)
• A >1200° vetrificazione (fusione impasto)

Classificazione

• Colore: composizione argille (più o meno ferro), tempo cottura, temp cottura, percentuale ossigeno
• Mezzanano o forti: prodotto finito, bello, giustamente poroso
• Albasi: poco cotto, poco resistente, molto poroso
• Ferrioli: scuro, pesante, parzialmente vetrificato

Stoccaggio

Magazzino

Mattoni

Elemento ceramico, parallelepipedo. Faccia più grossa: piatto, faccia più lunga: coltello, faccia piccola: testa.

Misure modulari: 25*12*5,5 (5,5+5,5+1=12, 12+12+1=25; 1 cm di malta). Volume: 5500 cm³

Massa volumica: 1000-1800 kg/m³

Peso: 3 kg

Resistenza al fuoco: 0

Resistenza alla compressione: 50 N/m

Argilla espansa

Altre elaborazioni dell’argilla portano all’argilla espansa usata come elemento di alleggerimento (LECA), e possiede proprietà termiche molto elevate. Usata per alleggerire. L’argilla è un materiale non rinnovabile e porta a vari problemi, come la riqualificazione delle cave e la difficoltà di smaltimento causa malta. Un possibile riciclaggio è la macinazione per costruire elementi di rivestimento.

Caratteristiche meccaniche

Ottime prestazioni a compressione (250-350 Kg/cm²), ma scarse a trazione. È un materiale molto fragile e possiede dei difetti (fluorescenze, salnitro, gelività).

Utilizzo mattoni e blocchi

Utilizzati per murature: disposizione ordinata (apparecchiatura) di elementi uniformi in modo da realizzare una costruzione continua capace di resistere. (prima della muratura costruzione a cumulo, pseudocupola)

Strutture lineari

Formate da 4 pareti, due portanti e due di controventamento, collegate al solaio tramite un cordolo.

Strutture puntiformi

2 travi portanti e 2 di controventamento (no cordolo).

Strutture lineari

Nelle murature sono presenti le scatole murarie, ogni elemento è collegato.

Vincoli progettuali (strutture lineari)

• Piante compatte e simmetriche
• Muratura continua fino alle fondazioni
• Strutture non spingenti
• Carichi riportati su muri portanti
• Fondazioni cemento armato
• In zona 4 (meno sismica) le murature possono avere dei giunti verticali ad incastro, muratura portante di 20 cm (non 24)
• Snellezza: rapporto spessore lunghezza deve essere di 15
• Muri portanti ammorzati (nodi strutturali rigidi di 1 m, anche in angoli)
• Armatura muraria di 4 ferri con diam. di 16mm

Classificazione elementi murari

• Pieno <15% di fori
• Semipieno 15<x<45 (mattoni/blocchi)
• Forato 45<x55 (blocco)

In base alla densità:

• Bassa fino a 1000 kg/m³
• Alta più di 1000 Kg/m³

Per ammorzare gli elementi si usano vari mattoni: tre quarti, mezzo mattone, quarto di mattone, mezzolungo, doppio UNI.

Apparecchiature murarie

• Giacitura a foglio (non portante)
• Spessore di faccia (non portante)
• Spessore di portata (portante)

Le apparecchiature possono essere semplici (solo laterizio) o complesse (laterizio + pietra).

Regole apparecchiatura

• Spazzamento dei giunti, giunti ci 1 cm, esce più facilmente calore:
• Muro a 1 testa
• Muro a 2 teste a disposizione di punta
• Muro a 2 teste a disposizione di punta e faccia
• A 2 teste concatenamento gotico
• A 3 teste punta e faccia con concatenamento gotico
• A 3 teste disposizione a blocco

Blocco

• Volume >5500 cm³
• Dimensioni variabili
• Massa volumica 650-1450 kg/m³
• Peso 1,5-12 kg
• Resistenza al fuoco 0
• Resistenza a compressione 15-50 N/mm³

Blocco alleggerito

• Volume >5500 cm³
• Massa volumica 450-800 kg/m³
• Peso 6-13 kg
• Resistenza al fuoco 0

Utilizzo dei blocchi ad incastro

I blocchi ad incastro possono essere utilizzati anche negli incroci murari.

Resistenza delle strutture

Una struttura deve resistere a varie sollecitazioni dirette o indirette. Risposte dell’edificio: statica (non varia nel tempo), o dinamica (azioni che variano nel tempo). Variazioni nello spazio: fisse (non si sposta), o libere (edificio libero di spostarsi). Variazione di intensità nel tempo: permanenti (peso edificio), variabili (persone, mezzi), eccezionali.

Carico permanente

Somma del peso della struttura e di tutti i carichi che gravano su di essa P=volxdesn.

Carico accidentale

Somma di carichi mobili e degli agenti naturali.

Materiali e densità

• Acciaio: 7800 Kg/m³
• Alluminio: 2700
• Calcestruzzo: 2400
• Laterizio: 1800
• Legno: 600

Vincoli

Ogni parte dell’edificio è unita in un sistema tramite collegamenti detti vincoli. I vincoli sono luoghi destinati ad equilibrare le forze attraverso reazioni. I vincoli limitano la libertà di un edificio.

In base ai vincoli una struttura può essere:

• Ipstatica (labile)
• Isostatica (3 vincoli)
• Iperstatica (più vincoli del necessario)

Vincoli principali

• Carrello: semplice, limita solo il movimento lungo asse y
• Cerniera: 2 gradi di libertà, limita x e y
• Incastro: 3 gradi di libertà, vincolo totale

Sollecitazioni e resistenze

Le azioni causano delle sollecitazioni e affinché ci sia equilibrio i materiali devono apporre delle resistenze.

• Compressione: su un lato l’elemento si contrae e si estenda nell’altro lato
• Trazione: l’elemento si allunga e si assottiglia
• Flessione: complessa, ci sono sia forze di compressione che di trazione
• Taglio: effetto combinato di trazione e compressione ortogonali
• Torsione: avviene nei pilastri e nelle travi
• Carico di punta: subito da elementi snelli

A seconda del vincolo varia il carico di punta.

Sistemi ed elementi costruttivi in muratura

Apparecchiatura muraria: ordinata disposizione di elementi uniformi così da costruire una costruzione continua capace di funzionare come struttura resistente, fornendo contemporaneamente risposta ad altre esigenze, quali quella della chiusura o suddivisione di uno spazio.

Funzionamento strutturale

La muratura avendo poca resistenza a trazione cerca di distribuire tutti i carichi come compressione. Importante è che essa sia ben ammorzata per assicurare la solidità.

Principi strutturali

• I piani che costituiscono la muratura devono essere continui e resistenti (buona ammorzatura)
• L'elemento costruttivo e il suo peso non devono provocare instabilità di trazione dovuti alla snellezza della muratura in rapporto al carico cui è sottoposta (snellezza)
• I carichi portanti non devono provocare sollecitazioni di trazione in alcuna parte.

Continuità della muratura

Ogni parte della muratura scarica sugli elementi sottostanti, ma dove ci sono le aperture la muratura diffonde le tensioni al suo interno.

Cause di deformazioni e perdita di stabilità

• Snellezza

Il funzionamento dell'edificio in muratura: lo schema strutturale di un edificio in muratura è costituito da scatole murarie, dove murature sono fra di loro ammorsate agli angoli e solai rigidamente collegati alle stesse permettono di fornire altri vincoli e altre direzioni lungo le quali si distribuiscono le sollecitazioni.

Ragioni strutturali dell'apparecchiatura muraria

Sfalsamento dei giunti. Il funzionamento della muratura come involucro. Il comportamento “conservativo” degli edifici in muratura. La muratura mantiene e protegge l’ambiente al suo interno, in quanto di clima e partizione.

Materiali per murature e apparecchiature murarie

• Pietre nelle murature: ormai poco usato.
• Laterizi per murature: il laterizio è molto usato per maneggevolezza e assemblaggio.
• Elementi di calcestruzzo per murature: blocchi semipieni o forati, sono prodotti per stampo con calcestruzzo di cemento e aggregati di diversa natura.

Regole di apparecchiatura delle murature, coordinazione modulare e giunti

• La monoliticità della muratura
• Sfalsamento dei giunti verticali, realizzati con materiali in grado di assorbire le differenze di comportamento sotto carico e i movimenti diversi fra gli elementi
• Occorre pertanto evitare collegamenti rigidi a malta cementizia o con staffe.

Elementi costruttivi dei sistemi in muratura

Svolge funzione strutturale di sostegno del peso proprio e dei carichi che su di esso agiscono. In base a ciò possiamo avere i tipi di murature che seguono:

• Murature portanti verticali: struttura di elevazione verticale di un edificio e portano i carichi permanenti e accidentali che su di essi si applicano e attraverso esse scaricano, per il tramite delle fondazioni, sul terreno.
• Murature autoportanti verticali: le murature autoportanti scaricano il peso proprio direttamente sulle fondazioni e sul terreno.
• Murature verticali di contenimento: si tratta di quelle murature che contengono il terreno in corrispondenza di un dislivello naturale o artificiale.
• Murature portate verticali: funzione di chiusura o partizione, funzione di resistere ai carichi del sistema edilizio e solo devono essere in grado di mantenersi stabili e non deformarsi.
• Murature nelle strutture di orizzontamento (archi, volte e cupole): in grado di portare il proprio peso e quello di altri carichi verso i sostegni che li condurranno al terreno.

Si possono realizzare con la tecnica della muratura:

• Muri portanti in senso stretto, sostegni continui dei solai
• Muri portanti di irrigidimento e di controvento, pareti strutturali con prevalente funzione di irrigidimento
• Muri contro terra, stabili, per forma e condizioni di vincolo, alla spinta del terreno
• Muri liberi, autoportanti, per partizione o delimitazione di spazi esterni
• Pilastri in muratura o setti, sostegni isolati di carichi postanti da travi o archi
• Muri di tamponamento
• Muri divisori o di partizione interna verticale
• Piattabande
• Archi in muratura
• Volte o cupole in muratura
• Scale in muratura, realizzate con strutture di supporto voltate

Murature portanti

Il muro portante e la concezione strutturale degli edifici in muratura: nell'organizzazione dell'edificio a muratura portante è identificabile una “maglia” (scatola). La maglia (scatola) muraria è realizzata da celle elementari chiuse, affinché ogni parte risulti collegata a tutti e quattro i suoi lati perimetrali a pareti o solai ad essa ortogonali, per garantire la resistenza a carichi agenti secondo diverse direzioni.

Necessità della maglia muraria

Edificio fatto da più scatole, e ogni scatola garantisce stabilità.

Criteri di progettazione della maglia (scatola) muraria

La dimensione deve risultare compatibile con esigenze e vincoli strutturali. Le celle si affiancano fra di loro e si sovrappongono su più piani. La tessitura della maglia muraria può essere più o meno regolare.

Criteri di progettazione del muro portante

Nelle murature portanti fondamentali è la creazione del cordolo in cemento armato il quale distribuisce i carichi.

Tipologie di muri portanti non armati

• Murature monostrato: pareti senza intercapedine
• Murature a doppio strato senza intercapedine connessi con un giunto di malta longitudinale rinforzata con staffe metalliche trasversali
• Muratura cava con intercapedine riempita di sabbia e cemento o calcestruzzo, saldamente collegati fra loro con staffe metalliche
• Muratura a doppia parete con intercapedine interposta, è vuota o riempita con isolante
• Muratura articolata con connessioni fra i tavolati ottenute utilizzando elementi della muratura posti trasversalmente in alcuni corsi

• Monostrato: tutte le funzioni sono svolte da un solo strato
• Pluristrato: spesso portanza svolta da un solo strato
• Cava: o a cunicoli o a labirinto, poi riempita da elementi che conferisce rigidità
• A diaframma: sono presenti degli irrigidimenti-diaframma esterno

Muratura armata

Muratura armata concentrata: realizzata in elementi artificiali, nei quali sono inserite, immerse in calcestruzzo o in mur...