Schemi completi di Fondamenti di Tencologia dell'architettura / Scienze dei materiali

Introduzione

Il progetto dell'edificio deve confrontarsi con numerosi vincoli, che possono essere fisici, materici, normativi, nonché legati al contesto fisico e climatico. Allo stesso tempo però, il progetto è anche un atto creativo. La qualità del progetto sarà legata al modo in cui il progettista riesce a dare risposta ai bisogni formulati dal committente e a quelli inespressi: le esigenze determinano dei requisiti che verranno soddisfatti tramite prestazioni.

Vincoli normativi

• Paesaggistici;
• Urbanistici;
• Edilizi;
• Igienico-sanitari;
• Acustici;
• Comfort e risparmio energetico.

Tutti questi aspetti costituiscono dei vincoli prestabiliti e chiariti in determinate norme di cui il progetto deve necessariamente tenere conto. Molti progetti hanno come vincolo primario il contenimento dei costi, con conseguente riduzione di requisiti; in altri casi si vogliono altre prestazioni, per cui si baderà meno al costo del progetto.

Il progetto è condizionato dalla disponibilità delle risorse necessarie a renderne praticabile l'attuazione in un determinato momento e luogo.

Risorse

• Risorse naturali - sono le materie prime, i materiali alla base della costruzione dell'edificio. Legato a questo concetto sta anche la sostenibilità ambientale data dalla maggiore reperibilità in luogo dei materiali;
• Risorse intellettuali - sono le conoscenze relative alle tecniche esecutive. Quanto maggiore è il ventaglio di conoscenze disponibili nel progetto, tanto maggiore è la quantità di possibilità che il progetto ha a disposizione. Per questo è fondamentale che i diversi operatori di progetto collaborino e interagiscano durante la fase progettuale stessa, in quanto interventi specialistici a fase progettuale ultimata rischiano di snaturare il progetto, anziché migliorarlo;
• Rapporto tra materiali e spazi - non è pensabile un progetto che definisca prima gli spazi senza pensare ai materiali e le soluzioni costruttive, ma c'è bisogno di un'interazione tra i due aspetti. Molte prestazioni sono garantite solo dal funzionamento dell'intero complesso e l'unitarietà di funzionamento è garantita dalle relazioni tra le varie parti.

Esigenze e requisiti

L'esigenza è ciò che si richiede per l'esercizio e lo svolgimento di un'attività, per soddisfare la quale vengono stilati dei requisiti. Le esigenze si dividono in più classi:

• Sicurezza;
• Benessere;
• Fruibilità;
• Aspetto;
• Gestione;
• Integrabilità;
• Salvaguardia ambientale.

La sicurezza va intesa sia dai pericoli provenienti dall'esterno, sia da quelli provenienti dall'edificio stesso. Il benessere, come la sicurezza, è un'esigenza fondamentale e riguarda la qualità della vita all'interno dell'edificio: può essere termoigrometrico, acustico, visivo…

La qualità dell'opera dipende anche dalle prestazioni atte a soddisfare i requisiti. Ovviamente, è impensabile di soddisfarli tutti, per cui bisogna stabilire delle gerarchie. Spesso i requisiti di progetto hanno anche dei valori prestabiliti da soddisfare imposti da delle norme. I requisiti sono soddisfatti dalle prestazioni, che altro non sono il risultato conseguito in relazione al comportamento effettivo dei materiali e dei comportamenti scelti.

Sistema ambientale e sistema tecnologico

Organismo edilizio: è l'insieme strutturato di elementi spaziali ed elementi tecnici, interni ed esterni, relativi all'edificio, caratterizzati dalle loro funzioni e relazioni reciproche.

Unità ambientale: è il raggruppamento di attività dell'utente, derivanti da una determinata destinazione d'uso dell'organismo edilizio, compatibili tra di loro temporalmente e spazialmente.

Unità spaziale: è la porzione di spazio fruibile destinata allo svolgimento delle attività di un'unità ambientale.

Tutte queste forme, questi spazi, non possono però non essere pensati in relazione al modo in cui è necessario costruirli, di che materiali sono fatti, di quale colore… in quanto il sistema tecnologico è in stretta relazione con esse. Il sistema tecnologico è, infatti, l'insieme strutturato di unità tecnologiche ed elementi tecnici, definiti nelle loro prestazioni e relazioni.

L'edificio si caratterizza in sistema ambientale e sistema tecnologico, e allo stesso modo anche i requisiti si differenziano in ambientali e tecnologici:

• Ambientali - sicurezza strutturale;
• Tecnologici - sicurezza antincendio (anche ambientale, per le vie di fuga).

Subsistemi

L'edificio può essere scomposto in subsistemi ed elementi costruttivi.

Unità tecnologica: un'unità che si identifica con il raggruppamento di funzioni, compatibili tecnologicamente, necessarie per l'ottenimento di prestazioni ambientali.

Elemento tecnico: un elemento che si identifica come prodotto edilizio, capace di svolgere parzialmente o completamente funzioni proprie di una o più unità tecnologiche.

La classificazione di elementi tecnici da parte della norma UNI li raggruppa a seconda della loro funzione, in quanto altri criteri sarebbero risultati eccessivamente variabili nel tempo. Le classificazioni servono per scomporre i problemi complessi, ma spesso presentano comunque delle ambiguità difficili da risolvere.

Classi di unità tecnologiche:

• Struttura portante;
• Chiusura;
• Partizione interna;
• Impianto di fornitura servizi.

Life cycle assessment

Per diventare prodotti edilizi i materiali devono subire diversi processi di trasformazione: tramite un processo di costruzione vanno a formare l'edificio. Questo, al termine del suo ciclo di vita, subisce un processo di dismissione nella quale le sue parti e le sue componenti vengono riutilizzate oppure smaltite in discarica.

Life Cycle Assessment: valutazione ambientale del ciclo di vita, è un metodo che consente di quantificare il consumo di risorse e il rilascio di inquinanti in ciascuna delle attività nel ciclo di vita dell'edificio.

1. Approvvigionamento materie prime - spesso le risorse naturali prevedono un processo di estrazione per quanto riguarda gli elementi minerali, il quale risulta oneroso economicamente ed energeticamente. I minerali non sono risorse rinnovabili. Al contrario il legno è più semplice da ricavare ed è rinnovabile, ma può dar vita ad opere di disboscamento.
2. Trasporto delle materie prime - il trasporto dei materiali è spesso causa di inquinamento e quindi spesso si sceglie di usare materiali prevalentemente reperibili in luogo.
3. Lavorazione delle materie prime - può avvenire in opera, come per la gettata di calcestruzzo, o la malta, oppure i materiali possono essere lavorati in fabbrica, costituendo semilavorati, e poi trasformati definitivamente in lavorati. Il legno è un caso particolare, in quanto viene spesso lavorato e ricomposto, a formare il legno ingegnerizzato;

Tutti gli elementi costruttivi sia preformati sia pre-assemblati vengono definiti componenti edilizi, in quanto la loro forma non presenta modifiche successive in cantiere. Qui possono avvenire due tipi di trasformazioni:

• La costruzione in loco - casseformi e armature in metallo;
• Assemblaggio di componenti edilizi - quando si tratta di prefabbricazione viene richiesta un'accurata precisione e misurazione degli elementi, i quali vengono prodotti in massa e devono combaciare perfettamente. Si può eventualmente fornire più materiale del previsto per poter effettuare delle modifiche in cantiere, ma questo può spesso generare degli sprechi.

Esistono poi casi estremi in cui l'intero edificio è prefabbricato, ma per edifici di grandi dimensioni si preferisce, ovviamente, la prefabbricazione di elementi separati e poi assemblati in cantiere.

Vantaggi della prefabbricazione:

• Velocizzazione dei tempi di cantiere;
• Conseguente contrazione dei costi e maggiore programmazione dei tempi;
• Maggiore qualità esecutiva;
• Ridotta necessità di manodopera specializzata in cantiere;
• Riduzione degli impatti di cantiere.

Ci sono due tipi di assemblaggio:

1. L'assemblaggio a umido - le giunzioni sono con materiali umidi, come malte, colle…
2. Assemblaggio a secco - le giunzioni sono eseguite con connessioni meccaniche, come viti, bulloni…

Nel caso dell'assemblaggio a umido la demolizione deve essere collettiva, mentre se l'assemblaggio è a secco la demolizione può essere tramite smontaggio e riuso dei componenti.

Fasi del ciclo di vita dell'edificio

1. Produzione - approvvigionamento delle materie prime, trasporto in stabilimento, lavorazione;
2. Costruzione - trasporto in cantiere, assemblaggio o costruzione;
3. Gestione - uso, manutenzione, riparazione, sostituzione, riqualificazione;
4. Fine vita - dismissione dell'edificato, trasporto, riuso o riciclaggio, conferimento in discarica.

Materiali

La scelta dei materiali è un aspetto molto delicato nell'ambito del progetto. Materiali di diversa origine convergono oggi nel cantiere e la conoscenza di questi è necessaria per affrontare l'attività progettuale. Le caratteristiche dei materiali devono essere fonte di ispirazione per l'attività progettuale, la quale deve basarsi soprattutto sulla corrispondenza tra forme e materiali. Il materiale non è solo un fatto tecnico, ma ha una propria storia, una sua cultura, tramonta e torna di moda.

I materiali possono essere classificati in 4 categorie:

• Materiali metallici - resistenza meccanica, tenacità, deformabilità, conducibilità termica ed elettrica;
• Materiali polimerici - composti da molecole a base di atomi di carbonio - bassa resistenza meccanica, flessibilità, deformabilità, bassa conducibilità, ridotto peso specifico;
• Materiali ceramici - costituiti da elementi metallici e non metallici - durezza, fragilità, resistenza meccanica a compressione, bassa conducibilità;
• Materiali compositi e fibrosi - costituiti da due o più materiali delle classi precedenti, di solito uno di rinforzo e l'altro che funge da matrice (legno).

La scelta del materiale deve essere guidata dalla valutazione delle prestazioni che il materiale è in grado di offrire rispetto al quadro dei requisiti, per cui, all'interno del processo progettuale, la conoscenza dei materiali riveste un ruolo decisivo. Ovviamente, più un materiale è raro e complesso da produrre più il suo costo lieviterà.

La densità costituisce il rapporto tra la massa e il volume di un materiale, si misura in kg/m³ ed è più bassa per quanto riguarda i materiali polimerici espansi (isolanti), mentre sale per i materiali lapidei e metallici. Bisogna valutare attentamente anche le proprietà meccaniche dei materiali, tra cui emerge il modulo elastico, se questo è alto i materiali si deformano poco sottoposti a sforzo: in architettura la deformabilità dei materiali spesso costituisce un problema. Il modulo elastico, E, ha unità di misura il Pascal.

Il comportamento dei corpi può essere:

• Elastico - un corpo sottoposto a una forza si deforma ma col passare del tempo ritorna alle condizioni originali;
• Plastico - il corpo subisce una deformazione permanente;
• Se le sollecitazioni aumentano ancora si può arrivare a frattura.

Per quanto riguarda i comportamenti dei corpi sottoposti a trazione si possono distinguere due comportamenti:

• Duttile - deformazioni plastiche prima di giungere alla rottura (acciaio);
• Fragile - si raggiunge la rottura senza deformazioni significative (vetro).

La resistenza di un materiale alla frattura viene espressa dalla tenacità. Altro fattore importante sono le proprietà termiche dei materiali, specialmente per quanto riguarda l'isolamento termico dell'edificio:

• Conducibilità/conduttività - attitudine di un materiale a trasmettere calore;
• Trasmittanza termica - dipende dalla conducibilità termica di un materiale e dal suo spessore e misura il flusso di calore trasmesso per conduzione, convezione e irraggiamento attraverso una superficie di 1m² in presenza di una differenza di temperatura di 1K;
• Calore specifico - è la proprietà che esprime l'attitudine di un materiale ad accumulare calore e si misura in J/kgK. È particolarmente significativo quando riferita a materiali utilizzati per la realizzazione di chiusure verticali esterne - più è alto il calore specifico più sarà alta l'inerzia termica dell'edificio;
• Coefficiente di dilatazione termica - indica l'entità della dilatazione subita da un materiale in seguito ad un aumento della temperatura - importante da considerare quando si uniscono elementi di diversa natura.

Da considerare nella scelta dei materiali è anche la loro efficienza ambientale. Spesso si commette l'errore di accontentarsi di un materiale perché soddisfa uno solo dei requisiti ambientali, tra cui la riciclabilità, la naturalità… ma l'eco-compatibilità è un attributo difficilmente stimabile, in quanto si relaziona anche al tempo e alle condizioni d'uso dell'edificio.

• La durata del materiale, la stabilità, la resistenza meccanica, la sicurezza al fuoco, sono tutte caratteristiche da considerare nella scelta dei materiali, per cui non bisogna trascurare le prestazioni in opera a fronte della matrice naturale e rinnovabile dei materiali.
• Altro aspetto da analizzare è la chiusura del ciclo di progettazione e costruzione del prodotto edilizio: l'uso di materiali riciclabili appare una soluzione sicuramente adatta per ridurre gli impatti ambientali, ma lo stesso processo di riciclo determina consumi e impatti ambientali. L'uso di materiali provenienti da processi di riciclo è ancora più apprezzabile, soprattutto nel caso in cui i materiali riciclati conservano le stesse caratteristiche prestazionali di quelli di partenza.
• Infine, la durata prolungata dei componenti in uso permette di ridurre gli interventi di manutenzione all'edificio e di evitare la riattivazione del ciclo produttivo.

La metodologia LCA offre la possibilità di misurare gli impatti prodotti da un materiale o da un prodotto rispetto a determinati indicatori.

Malte e calcestruzzo

Sono dei conglomerati composti da:

• Acqua;
• Leganti;
• Elementi inerti;
• Sabbia;
• Ghiaia.

Se all'interno del calcestruzzo vengono inserite delle barre di acciaio questo viene definito "armato".

Evoluzione storica

I popoli nomadi si accorgono che le rocce di origine calcarea se scaldate cambiavano le loro caratteristiche, e se raffreddate tornavano come prima: pensano quindi di unirle a frammenti lapidei. Dal II secolo a.C. inizia il vero e proprio uso di questi materiali attraverso l'opus caementicium.

In età industriale:

• 1755: Smeaton scopre le proprietà della pietra Portland;
• 1824: Aspedin elabora un composto per ottenere il famoso cemento Portland;
• 1844: Johnson migliora il processo di cottura;
• 1892: Francois Hennebique inventa il sistema produttivo in calcestruzzo armato - le barre di acciaio sono posizionate dove il sistema è sollecitato a trazione.

Nel Novecento il calcestruzzo armato si diffonde con diversi vantaggi, tra cui la possibilità di creare grandi finestre scaricando il peso su pilastri e non sulle murature. Fressinet inventa il calcestruzzo armato precompresso, attraverso una pretensione delle armature. Diventa quindi il materiale di riferimento per il movimento Moderno - pilotis, finestre a nastro e pianta libera.

Composizione

Leganti: uniscono gli inerti e possono essere aerei o idraulici.

• Gesso: si ottiene con la cottura della pietra da gesso e se mescolato con acqua si indurisce;
• Calce aerea: è l'unico legante aereo, si ottiene dalla cottura del calcare a 900 °C (prima calce viva, poi spenta con acqua), usata spesso come legante per malte per intonaco;
• Calce idraulica: dalla cottura di marne o da miscele di carbonato di calcio e argilla;
• Cemento: argilla, calcare e sabbia cotti e poi raffreddati e mescolati con gesso.

Aggregati: sono materiali minerari di forma granulare, scheletro strutturale di malte (0.1-7mm) e calcestruzzi (3-30mm).

Additivi: modificano le caratteristiche dell'impasto e finali, aumentano la fluidità e accelerano o ritardano la presa.

Prodotti:

• Malte aeree;
• Malte idrauliche;
• Malte pozzolaniche (o cocciopesto) - malta aerea a granulometria sottile;
• Malte bastarde - leganti diversi;
• Calcestruzzo - cemento (9-14), aggregati (75-80), acqua (5-11), additivi. Può essere normale, alleggerito, cellulare o alveolare.
• Calcestruzzo armato può essere ad armatura lasca o con armatura pre-tesa/precompressa, a seconda che venga tesa e poi rilasciata o che venga tesa dopo la presa del calcestruzzo.

Il calcestruzzo può quindi essere usato in cantiere: si può gettare tramite autobetoniere oppure con getti, all'interno di casseforme che possono essere in legno o in metallo, all'interno delle quali viene posizionata l'armatura in acciaio. La presa e lo sviluppo della resistenza del calcestruzzo ha una durata media di 28 giorni.

Profilo ambientale

Consumo di risorse non rinnovabili a causa del reperimento delle rocce per leganti e aggregati. Grande utilizzo di energia in fase di produzione e cottura, con emissioni di polveri e gas.

Solai

I solai possono essere:

• Monolitici - con un getto di calcestruzzo;
• Misti - calcestruzzo ed elementi di alleggerimento, come le pignatte (laterocemento). In questo caso la trave deve essere molto larga oppure deve essere ribassata per aumentarne la resistenza.

Ci sono tre possibilità di realizzazione:

• Gettato in opera;