Materiali ed elementi costruttivi

Elementi e materiali

Unione di discipline diverse, comprende tutto ciò che è relativo all’applicazione dell’aspetto prettamente scientifico, a quello che invece caratterizza anni ed anni di esperienze e che poi sono state dimostrate tramite la fisica, chimica e matematica. Ci si propone dinanzi una collaborazione tra il passato, il presente e il futuro, grazie alle nuove tecnologie dei materiali ci è possibile adesso migliorare le qualità meccanico-fisiche già ottime in passato.

Parte dell’evoluzione è creare nuovi modi di realizzare un tipo di costruzione, solamente in maniera più efficace, veloce e economica quando possibile, non sempre. Al centro del metodo edilizio nell’antichità c’erano il laterizio, proveniente dalla terra e dall’argilla cruda, e poi cotta, insieme alle pietre. Blocchi non troppo delineati che venivano uniti insieme da malte molto rozze, che nonostante ciò, hanno resistito fino ad oggi. Successivamente il mattone prevarrà e l’intonaco lo ricoprirà a simulazione di un edificio storico ed importante nel 1300, questo durerà fino al 1800, da lì in poi verranno studiati nuovi materiali, il ferro, le leghe come la ghisa e l’acciaio, il legno, da sempre poco utilizzato dopo l’introduzione dei mattoni e della pietra, se non per le coperture dei tetti che sarebbero state più leggere e veloci come manutenzione.

Verrà poi introdotto l’utilizzo del cemento, non più come legante solamente, ma anche come materiale da costruzione, questa la svolta che dura fino ai giorni nostri, dove l’utilizzo del cemento rimane praticamente insostituibile ma comunque con molte energie spese nel cercare un sostituto meno inquinante in fase di produzione. Nascono le tensostrutture ispirate all’enorme velario del Colosseo, che avanzano nelle città più sviluppate di pari passo con il calcestruzzo, l’intonaco o anche solo la vernice coprente, autopulente o mangiasmog.

La tecnologia dei materiali, o degli elementi, è composta da Teknè, arte, mestiere, e Logos, parola, idea, pensiero, nel momento che i due collaborano, il risultato è un’architettura intelligente, funzionale, ma anche bella esteticamente, “Fare secondo una regola”.

Requisiti ed esigenze

Fin dagli inizi l’uomo ha cercato di sopravvivere, in ambito edilizio, costruendosi prima un rifugio, man mano che si spostava, poi con l’avvenire della sedentarietà è stato necessario creare, scoprire, modi di rendere il rifugio, più resistente, per magari diversi mesi, se non anni prima di un ulteriore spostamento, fino a quando essendosi costruito una vita, una famiglia, una comunità, un villaggio, non essendo più necessario spostarsi, per la scoperta dell’agricoltura, e la possibilità di riutilizzare il terreno ipoteticamente all’infinito, è subentrata la stanzialità, ha portato con sé esigenze, l’edilizia nasce come risolutrice di queste esigenze, che si sono modificate nel tempo, non interessa più per esempio avere un tetto impermeabile come copertura, perché è diventato scontato e obbligatorio alla costruzione di un nuovo edificio, infatti è stato non meno che naturale che si andassero configurando delle normative esistenziali-prestazionali, le esigenze si sono trasformate in requisiti, le normative da rispettare hanno creato uno standard di abitazione al quale nessuno può sottrarsi (per legge), esso può solo progredire migliorando in dimensioni, altezza, pregio dei materiali, capacità termiche ecc...

Adesso le esigenze che possono presentarsi sono la questione economica, il rapporto con l’ambiente e con le preesistenze storico-culturali, l’organismo edilizio è così messo in relazione con il contesto che lo circonda, è un sistema aperto al territorio, questo determina l’identificazione di tre procedimenti esecutivi: l’assemblaggio, svolto con elementi murari seguendo dei modelli, la carpenteria, cioè congiunzione di semilavorati e la realizzazione per getti.

In ambito edilizio le tendenze di industrializzazione sono fra le più comuni, quelle relative all’aspetto economico-prestazionale, per risparmiare nel lungo termine, traducendosi in una ricerca di:

• Razionalizzazione del processo di produzione
• Utilizzo di manodopera non sempre qualificata
• Ripetitività di modelli costruttivi
• Ripetitività di modelli abitativi

Questo accade soprattutto nel dopoguerra dove serviva molta manodopera e non c’era tempo di formare in modo ottimale tutti gli operai, amplificato ulteriormente negli anni 60 del boom economico dove guadagnare diventava sempre più facile e gli imprenditori ne approfittarono. Si vanno poi a delineare quelle normative per rincorrere l’idea che costruire è risolvere un problema, e vanno seguite regole e soddisfatte delle richieste. La qualità di una soluzione è basata su valori numerici controllabili (relativi alle specifiche di prestazione). Il sistema esistenziale (UNI 10838/1999) deve attenersi alle seguenti:

• Esigenze
• Requisiti (riferite all’uomo)
• Prestazioni
• Specifiche di prestazione
• Metodi di verifica (TUTTE riferite a unità ambientali o componenti)

Esigenze

In una realtà territoriale, contesto ambientale e socio-culturale e in un periodo storico, si richiedono degli standard sotto al quale non si consegue ad un benessere materiale o morale, esse possono essere quantificabili e non, individuali o collettive. Esse in ambito edilizio modificano il modo di costruire, i materiali utilizzati, le dimensioni, la localizzazione e il supporto monetario che è possibile assegnargli.

Classi esistenziali

• Sicurezza
• Benessere
• Fruibilità
• Aspetto
• Gestione
• Integrabilità
• Connessioni tra unità edilizie
• Salvaguardia dell’ambiente

Si aggiungono successivamente anche:

• Attività svolte internamente all’edificio
• Azioni esterne ad esso

Attività interne

• Natura fisiologica
• Natura sociale / antropologica
• Alimentazione
• Produzione (scrivere, leggere, lavorare)
• Riposo e sonno
• Ricreative (musica, televisione, hobby)
• Igiene personale
• Educazione e riproduzione prole
• Visione spazi interni ed esterni
• Rappresentanza e immagine
• Sicurezza

Sistemi componenti di un edificio

1. Sistema ambientale e spaziale
2. Sistema tecnologico (Unità tecnologiche e classi di elementi tecnici, UNI 8290/1981)

Requisiti: richieste di comportamento, Prestazione: comportamento del componente durante il suo impiego, Specifica di prestazione: parametrizzazione qualitativa e quantitativa di un requisito, Metodi di verifica: regole per valutare il comportamento prestazionale, tramite prove sperimentali standard in loco (in opera) o in laboratorio, Controlli: a priori, controllo se il componente sarà adatto, a posteriori, controllo se il componente è stato in grado di soddisfare i requisiti dopo la sua messa in opera, utilizzato per esempio per l’acustica che non può essere controllata prima del completamento della struttura.

Chiusura (separare e conformare spazi interni rispetto all’esterno)

Verticale

Requisiti=Sicurezza: sopportare garantendo stabilità, sicurezza e funzionalità. Resistere alle sollecitazioni derivanti dal peso proprio e dai carichi di servizio, dal carico dinamico del vento. Regolare flusso dell’acqua piovana. Benessere: mantenere la temperatura della superficie interna il più possibile vicina a quella dell’aria dell’ambiente interno limitando l’apporto degli impianti di climatizzazione e controllando i fenomeni di condensa possibili. Isolare dai rumori provenienti dall’esterno, prevenire rumori generati all’interno. Poter vedere dall’interno verso l’esterno e di controllare l’illuminazione. Aspetto: comunicare i principali contenuti architettonici dell’edificio. Integrabilità: sia tra gli elementi che con gli altri sottosistemi (integrazione impiantistica). Gestione: mantenere invariata nel tempo la qualità.

Superiore

Requisiti=Sicurezza: resistere ad azioni meccaniche (peso proprio, agenti naturali ecc...), al fuoco, ai fulmini, ai tentativi di intrusione. Benessere: igrotermico (isolamento termico, all’acqua, all’aria), acustico, respiratorio olfattivo (polvere e fumi), visivo, psicologico (sicurezza e riservatezza), igienico (evitare muffe). Fruibilità: Attrezzabilità, agibilità, flessibilità. Aspetto: esigenze dell’ambiente. Integrabilità: sia tra gli elementi che con le altre unità tecnologiche. Gestione: mantenimento dell’integrità, manutenzione e esercizio (contenimento dei consumi energetici).

Partizione interna-verticale

Requisiti=Sicurezza: protezione incolumità degli utenti, stabilità, ininfiammabilità, sicurezza elettrica, asetticità, protezione intrusioni. Benessere: igrometrico, acustico, visivo, olfattivo, tattile. Fruibilità: attrezzabilità, transitabilità. Aspetto: finiture diversificate, regolarità geometrica, uniformità di superficie. Integrabilità: sia tra gli elementi che con gli altri sottosistemi: integrazione impiantistica, stabilità morfologica. Gestione: mantenimento dell’integrità, manutenzione (pulibilità, ripristinabilità).

Funzioni e tecniche costruttive

I materiali edilizi si dividono in due categorie, i materiali tradizionali: la pietra, il laterizio, il legno, il ferro e il vetro (principalmente), e i materiali ingegnerizzati: il cemento armato, l’acciaio, il legno (principalmente).

Importante è il fatto che il sistema edilizio è identificabile tramite una serie di funzioni circoscritte, esse sono rappresentate da unità tecnologiche, con separati sistemi costruttivi e materiali, che vengono studiate separatamente, ma poi nel momento di unione di ogni unità con l’altra, esse vanno integrate, sono gli elementi costruttivi che compongono i sistemi costruttivi.

Gli elementi costruttivi sono caratterizzati da una specifica e ricorrente locazione nella costruzione e morfologia, oltre al possibile materiale del quale possono essere fatti. I principali sono:

• Pilastro: può essere in muratura, cemento armato, legno o acciaio.
• Parete: può essere in muratura, cemento armato, a telaio metallico o ligneo.
• Architrave se è in muratura e Trave se è in acciaio, cemento armato o legno.
• Arco: in muratura, cemento armato, acciaio, legno.
• Struttura reticolare: cemento armato, legno, acciaio.

Come prima funzione, un edificio ha quella di proteggere uno spazio nel quale si svolgono delle attività, e poi costruire superfici di partizione dell’ambiente stesso; queste superfici, perimetrali e partizionatrici sono costantemente soggette a sollecitazioni meccaniche di vario tipo, sia naturali o chimiche per agenti atmosferici, sia di tipo fisico come, per esempio, quelle relative alla gravità; ci sono pareti che essendo portanti avranno un ruolo strutturale, le quali devono garantire stabilità, resistenza e la non deformabilità.

Quindi queste sollecitazioni possono essere:

• Dirette
• Indirette
• Statiche
• Dinamiche
• Fisse
• Libere
• Permanenti (peso proprio= volume per densità)
• Variabili (somma dei carichi mobili come persone, animali, veicoli, mobilio, e degli agenti atmosferici, questi carichi espressi in kN/m² solaio abitazione civile deve resistere a 2kN/m², cioè circa 200Kg/m²)
• Eccezionali

Altro fattore da considerare è che gli elementi sono sempre uniti nei sistemi tramite i vincoli, luoghi destinati ad equilibrare il sistema delle forze (carichi o forze attive) tramite delle reazioni vincolari (forze passive), in base ai gradi di libertà di un vincolo esso può avere diverse caratteristiche:

• Appoggio semplice o vincolo di primo grado= carrello, blocca un solo spostamento e lascia al solido due gradi di libertà, è anche un vincolo bilatero, infatti elimina sia abbassamento ché innalzamento rispetto al piano d’appoggio.
• Vincolo doppio o di secondo grado= cerniera, blocca due spostamenti e lascia un solo grado di libertà, e cioè la rotazione attorno al piano d’appoggio, il momento è il prodotto tra la forza e la lunghezza del braccio.
• Vincolo totale o di terzo grado, incastro, non lascia nessun grado di libertà, il momento che lo caratterizza si oppone alla forza di rotazione.

In base al numero e tipo di vincoli essi possono rendere una struttura ipostatica (labile), isostatica, iperstatica. Le sollecitazioni possono essere di vari tipi, differenti per il tipo di deformazioni indotte sul solido, esso deve contrapporre alle forze deformanti altre equivalenti e contrarie per rimanere in uno stato di equilibrio.

Importante è il modulo di elasticità:

Se si sollecita un solido di lunghezza L così da avere una variazione di lunghezza ΔL allora la lunghezza dello stesso solido dopo la deformazione è pari a L+ΔL. Il rapporto tra la variazione di lunghezza e la lunghezza iniziale ΔL/L = ε esprime la deformazione unitaria (ε) riferita all’unità di misura della lunghezza originaria. La tensione unitaria (σ), definito da Augustin Cauchy (1789-1857) come il rapporto tra rottura sotto carico di un materiale e le sue dimensioni geometriche, è un valore caratteristico di ogni materiale e si esprime come

σ = P/A (kg/cm²) dove P è la pressione unitaria esterna e A è la superficie. Dal rapporto tra la tensione unitaria e la deformazione unitaria si ottiene il modulo di elasticità ovvero E = σ/ε (kg/cm²) con σ= sforzo (tensione unitaria); ε= allungamento unitario (deformazione unitaria). Il modulo di elasticità E, detto anche modulo di Young, è definibile anche come “Il carico P teorico capace di allungare un filo della sezione di 1,0 cm² fino al doppio della sua lunghezza iniziale”.

Sollecitazioni

• Compressione, forze esterne producono una contrazione del materiale avvicinando le particelle.
• Trazione, forze esterne producono un allungamento del materiale distanziando le particelle.
• Flessione, forze esterne producono una rotazione delle sezioni del solido attorno ad un punto o asse di rotazione e si creano quindi due sollecitazioni contemporaneamente, compressione sulla parte diretta all’asse di rotazione e trazione sull’opposta.
• Taglio, le forze esterne producono uno scorrimento tra due parti provocando deformazioni angolari e non di lunghezza, immaginabile come una combinazione di trazione e compressione ortogonali tra loro e posizionate a 45° con l’asse.
• Torsione, forze esterne che producono una rotazione delle sezioni del solido rispetto al proprio baricentro, l’asse del solido rimane invariato sia di lunghezza che di posizione, si chiama asse neutro, dal quale più ci si allontana e più il solido tende ad aumentare il proprio momento torcente, questa considerazione determina la creazione di elementi cavi, per poter concentrare il materiale nella zona più a rischio. Produce anche deformazioni di taglio.
• Carico di punta, in caso di un elemento snello, cioè molto più lungo della sua sezione (infatti interessa maggiormente i pilastri), questo determina costanti incurvamenti per ogni singola forza esterna applicata o per ogni eccentricità, questi incurvamenti nascono dall’opposizione che attuano le forze nel punto di appoggio del solido, esse vanno a deformare il solido in base al tipo di vincoli presenti alle estremità.

Queste forze sono sempre presenti e ogni tipo di materiale ha un’elasticità anche se minima, con la quale resiste, come una molla ed esse, però naturalmente come ogni molla, essi hanno un limite, che se superato porta alla separazione dei legami componenti la struttura e causerebbe la rottura o il cedimento del materiale, in ambito edilizio, generalmente la maggior parte dei materiali sono molto resistenti a compressione e poco se non per niente resistenti a trazione (solo il legno e il metallo resistono anche a trazione), infatti è stato sempre necessario trasformare le forze di trazione in compressione, l’esempio più rappresentativo è l’arco, che trasforma la possibile flessione e conseguente trazione di un architrave, in compressione agente sul piano d’imposta, poi sugli stipiti o piedritti della struttura e poi scaricando la forza per terra. Molto spesso entrambe le forze agiscono sul materiale, generalmente in modo reciproco sugli intradossi e sugli estradossi di travi o elementi di sostegno obliqui, una però è quella che prevale sull’altra e porta il materiale, se non resistente a rompersi, in aggiunta a queste due, se si presenta anche un carico, è possibile che le forze che premono verso il basso e quelle di contrasto verso l’alto vadano a creare le tensioni di taglio, date anche da fessurazioni interne nel caso del cemento armato, che se sono inclinate formano tensioni di taglio diagonali e creano la rottura obliqua.

Altro fattore fondamentale da prendere in considerazione di una struttura è la sua stabilità, essa è determinata dalla capacità di mantenere la propria conformazione geometrica sotto azioni meccaniche diversamente direzionate, importante è il mantenimento della posizione di equilibrio, soprattutto per le sollecitazioni in compressione, le quali una volta perso l’equilibrio, non possono più riacquistarlo, non è così invece per le sollecitazioni in trazione, esse sono capaci di tornare allo stato di equilibrio se non eccessivamente modificato, esempio cavi di un ponte mossi dal vento, pilastro mosso dal vento anche per effetto del proprio peso, crolla. Per evitare tutto ciò si mettono in atto det.