Tecnologia dei materiali

Il progetto architettonico

Il progetto architettonico è l’esito di un processo logico-artistico-scientifico che individua forme e processi per la creazione di spazi in cui l’uomo possa svolgere specifiche attività.

Processo edilizio

Sistema edilizio

• Complesso insediativo di appartenenza (aree non edificate, spazi ad uso collettivo).

Sistema ambientale

• Organismo edilizio (unità ambientali per singole attività o gruppi di persone, spazi di relazione tra unità).
• Unità ambientali (insieme di attività compatibili spazialmente e temporalmente).

Sistema tecnologico

Insieme degli elementi che rappresentano funzioni necessarie per l’ottenimento di prestazioni.

Classificazione elementi costruttivi di un sistema costruttivo

Chiusure orizzontali

• Capriata, struttura portante di copertura degli edifici (legno, cemento armato).
• Manto di copertura (tegole, tavole di sostegno).
• Solaio (struttura resistente a carico strutturale).
• Setto murario (elementi verticali con il compito di contrastare le forze sismiche orizzontali o la spinta del vento).

Chiusure verticali

• Serramento (elementi apribili fissati al telaio).
• Fondazione.
• Pilastro.

Sistema normativo

Insieme delle prescrizioni e raccomandazioni che regola il processo edilizio, per ottenere un’adeguata qualità del prodotto e un adeguato controllo dei costi.

Norme cogenti

• Descrivono i requisiti essenziali per la protezione di interessi pubblici (sicurezza, salute) come la paesaggistica, urbanistica, edilizia, igienico-sanitaria, antincendio, acustica.

Norme volontarie

Descrivono i requisiti relativi ad esigenze accessorie di un prodotto e diventano cogenti quando vengono inserite in documenti ufficiali.

Tipo di approccio

Prescrittivo

Le norme chiedono di rispettare i livelli minimi di sicurezza.

Approccio oggettuale/descriptive

• Norme di accettazione: di materiali, descrizione delle qualità e caratteristiche.
• Norme di esecuzione: descrizione corretta posa in opera.
• Norme di controllo: descrizione metodi di controllo per verificare le proprietà richieste.

Prestazionale

Approccio esigenziale/prestazionale

• Requisiti: affinché abbiano determinate caratteristiche tali da soddisfare esigenze.
• Specifiche prestazionali: associare ad ogni requisiti i livelli di soddisfacimento.

Esigenze

Ciò che serve per il normale svolgimento di un’attività, l’individuazione delle esigenze avviene attraverso l’analisi dei bisogni.

Classi di esigenza

• Sicurezza.
• Benessere.
• Fruibilità.
• Aspetto.
• Gestione.

Requisito

Un esigenza tradotta in fattori atti a individuare le condizioni per soddisfarla.

Prestazioni

Descrivono il comportamento di un elemento tecnico in normali condizioni d’uso e di sollecitazione.

Storia

Parte dalla costruzione muraria come “cumulo”, si presentano come “indifferenziate”, nelle quali cioè non è possibile distinguere elementi costruttivi con funzioni diverse. La costruzione appare come un tutt’uno.

Passiamo poi ad orizzontamenti più complessi, ad una scatola muraria che dà rigidità alla struttura. Si ha una collaborazione strutturale degli elementi verticali e quelli orizzontali.

Si passa al tempio greco, dove la scatola muraria dà rigidità all’edificio creando un volume interno, sul perimetro esterno si hanno file di colonne contrabeazione, e tutto lo spazio è coperto da un tetto in legno a due falde, portato da un’orditura principale di travi longitudinali orizzontali, appoggiati sui frontoni e quindi non spingono sulle murature. Si ha una differenza tra parti costruttive strutturali e non, che dà origine anche ad alcuni “nodi” in corrispondenza dei quali abbiamo la connessione tra le parti.

Si passa poi ad un’ossatura più resistente, attraverso la collaborazione tra gli elementi del sistema. Lo schema strutturale di un edificio portante fa riferimento all’insieme degli elementi come un sistema tridimensionale chiuso, nel quale abbiamo collegamenti tra le murature tra loro ammorsate agli angoli, e collegate anche ai solai. Ciò permette di raggiungere altezze maggiori.

Ad esempio nelle cattedrali gotiche, dove la collaborazione tra elementi strutturali, ha permesso di spingere al limite la snellezza di pilastri e colonne, le grandi luci tra i sostegni, assicurando comunque stabilità.

Ammorsature

Classificazione petrografica delle rocce

• Magmatiche: rocce originate da cristallizzazione di magmi (intrusive come il granito, effusive come porfidi).
• Sedimentarie: rocce originate da deposizione di sedimenti (argilla, calcare).
• Metamorfiche: rocce originate da aumenti di temperatura e pressione (quarzite, marmo).

Classificazione commerciale delle rocce

• Graniti: rocce resistenti di natura silicatica, lucidabili (porfido, granito).
• Pietre: rocce compatte o porose, non lucidabili (argilla, tufo).
• Marmi: rocce compatte di natura carbonatica, lucidabili (marmo, calcare compatto).
• Travertini: rocce ricche di cavità, compatte, lucidabili (travertino).

Pietre toscane

• Tufi calcarei (Pisa, Grosseto).
• Graniti (Isola d’Elba).
• Marmi (Massa Carrara).

Esempi di architettura

• Chiesa di padre Pio, Renzo Piano, archi compressi in conci di marmo di Apricena, resistenza e durata elevata.
• Terme di Vals, Peter Zumthor, pareti rivestite in lastre di pietra di quarzite.

Processo produttivo

Porta alla realizzazione dei materiali lapidei, può essere diviso in due fasi, quella della coltivazione e quella delle successive lavorazioni.

Coltivazione

Si tagliano le lastre, con un filo diamantato, poi le lastre vengono ribaltate con l’ausilio di cuscini espandibili.

Trasferimento in azienda

Dopo lo stoccaggio delle lastre si passa alla segagione in lastre mediante il telaio multilama, o con fresa a disco diamantato.

Lavorazioni successive

• Segagione: operazioni atte a ottenere lastre con spessori compresi tra 1.5 e 6 cm.
• Finitura perimetrale: permette di ottenere conformazioni geometriche e finiture perimetrali.
• Finitura superficiale: per ottenere particolari finiture, attraverso ad es. la scalpellatura, la sabbiatura, la levigatura.

Elementi di pietra naturale

Blocchi, lastre, elementi costruttivi, listelli (mattoni piccolini) per rivestimento pareti.

Caratteristiche prestazionali

• Massa volumica (Kg/m³): molto leggere <1000 Kg/m³, molto pesanti 3000 Kg/m³.
• Porosità: tiene conto di tutti i vuoti (alveoli) all’interno della massa rocciosa.
• Coefficiente di imbibizione: esprime la proprietà di una roccia di impregnarsi d’acqua.
• Compattezza: rapporto tra massa volumica apparente e reale.
• Durezza: resistenza alla scalfitura.

Legante

Materiale ottenuto per cottura, a temperature elevate, di calcare, marmo, conchiglie, che danno origine ad una massa plastica che con il tempo subisce un processo di irrigidimento. Capace di far presa su materiali incoerenti collegandoli in un complesso resistente.

Nel processo di irrigidimento ci sono due fasi:

1. Presa (si passa dalla fluidità iniziale ad una massa consistente).
2. Indurimento (si verifica un continuo aumento della resistenza meccanica).

Leganti aerei

Quando il fenomeno di presa e indurimento avviene solo in presenza di aria.

• Calce viva: ottenuta per cottura del calcare, costituita quasi esclusivamente da carbonato di calcio, indurisce solo se a contatto con l’aria.
• Gesso: cottura di rocce gessose, utilizzato per la finitura di pareti lisce o con effetti estetici particolari.

Leganti meccanici

Quando il fenomeno di presa e indurimento avviene anche se immersi in acqua.

• Calce spenta: calce viva mischiata con pezzi di argilla cotta, oppure pozzolana, ne alterna le caratteristiche di resistenza e impermeabilità, consente la presa a contatto con l’acqua.
• Cemento: cottura ad alta temperatura di calcare e argilla, viene macinato e addizionato con gesso che ha funzione di ritardante di presa (cemento Portland).

Malte

È un conglomerato di legante + acqua + inerti fini (sabbia) + eventuali additivi. Caratteristiche di lavorabilità all’impasto bagnato, resistenza meccanica allo stato asciutto.

Storia delle malte

Le malte erano già presenti ai tempi dei Fenici, e furono poi perfezionate dai Romani, e impiegate per la realizzazione di acquedotti. Questa tecnologia è alla base anche delle mura a sacco romane, costituite da due muri in mattoni o in pietra, che creano una specie di sacco, e nello spazio vuoto all'interno viene effettuato un getto di frammenti di laterizi e pietrisco tenuti insieme da malta di calce o di cemento.

Malte aeree

Che fanno presa ed induriscono soltanto se messe a contatto con l’aria (gesso, calce aerea).

Malte idrauliche

Possono dar luogo a reazioni di indurimento anche non a contatto con l’aria (cemento).

Diametro granuli

• Sabbia fine (intonaci lisci).
• Sabbia media (murature o intonaci grezzi).
• Sabbia grossa (murature o intonaci rustici).

Tipo di legante

• Malta di calce aerea (intonaci).
• Malta di calce idraulica (intonaci, murature, rivestimenti).
• Malta cementizia (impermeabilizzazioni, rivestimenti).
• Malta di gesso (intonaci interni).

Classificazione destinazione d’uso

• Malte per muratura: per allettare altri materiali, quindi funge da letto di posa per altri materiali.
• Malte per intonaci: come la stilatura, per chiudere fessure o rifinire elementi murari.
• Malte per sottofondi: di finitura, rifinire sistemi a malta grezzi.
• Malte speciali: da iniezione, per ripristinare sistemi precedentemente.

Intonaco

È uno strato di rivestimento delle murature che ha funzione protettiva e talvolta anche funzione estetica. È un conglomerato di legante + inerti (sabbia) + eventuali additivi (intonaci a base di gesso, dove il legante è il gesso).

Storia dell'intonaco

L’argilla impastata con la paglia è stato primo intonaco usato dall’uomo nell’antichità che poteva essere usato su pareti in legno o in pietra. In epoca Romana si trovano i primi scritti che parlano di un intonaco di calce e pozzolana o calce e cocciopesto: questo nuovo intonaco aveva la capacità di indurire più velocemente anche in acqua. È con questo intonaco di calce e cocciopesto che sono stati costruiti i grandi monumenti dell’antichità che resistono tutt’ora dopo millenni dalla loro costruzione.

Finitura superficiale

• Rinzaffo: legame meccanico tra supporto e arriccio, deve essere aderente e rugoso.
• Arriccio: interfaccia tra rinzaffo e velo, per rimediare alle imperfezioni della parete, perfettamente livellato.
• Velo: definisce l’aspetto della parete, la protegge dagli agenti atmosferici, liscio, permeabile al vapore e all’ingresso d’acqua. Quindi aspetto estetico.

Esecuzione dell’intonaco

Data l’irregolarità dei mattoni prima dell’intonacatura, si preparano dei riferimenti di spessore, listelli perfettamente in piombo su cui si fa scorrere un listello di livellamento. Stesura livellamento - lisciatura.

Rete porta intonaco

Per evitare la disgregazione della muratura, deriva dalla tessitura di filari in fibra di vetro.

Intonaco armato

Più per un consolidamento strutturale per murature. Ha la funzione di rinforzo dell’angolo, evita fessurazioni, poi può essere intonacato o stuccato.

Paraspigoli

Calcestruzzo: è un conglomerato costituito da una miscela di legante (cemento), acqua, e aggregati fini e grossi (sabbia e ghiaia), con l’aggiunta di additivi se necessario, che influenzano le caratteristiche fisiche e chimiche.

Progettazione

L’indurimento del calcestruzzo (CLS), è un processo che ha inizio subito dopo la presa, nel giro di un giorno assume la rigidità tipica di una pietra naturale e sviluppa una parte della sua resistenza meccanica. La fase di indurimento si considera conclusa entro i primi 28 giorni poiché si sviluppa il 90% della resistenza meccanica complessiva.

Qualità del CLS

La composizione del CLS deve essere stabilita in modo da soddisfare le prestazioni richieste e minimizzare i fenomeni di segregazione e di essudazione del CLS fresco. La segregazione del calcestruzzo è la separazione dei diversi componenti del conglomerato cementizio (acqua, cemento e aggregati, ecc.) costituenti la miscela, causata dalle differenze dimensionali e di peso specifico delle varie particelle. La segregazione avviene più facilmente negli impasti fluidi. L’essudazione è un aspetto particolare della segregazione del calcestruzzo, consiste nella risalita in superficie, durante il costipamento del conglomerato cementizio, di una parte dell'acqua di impasto con la formazione di uno strato d'acqua e cemento (boiacca) sulla superficie del conglomerato. L'essudazione comporta l'insorgere negli strati più superficiali di un rapporto acqua/cemento eccessivo, che è causa di un abbattimento della resistenza meccanica.

Classe di resistenza

Rck, serve per valutare il comportamento e la resistenza delle strutture in CLS. Viene identificata mediante le classi di resistenza, sono prove che vengono svolte su un cubetto cilindrico e uno cubico.

Classi di esposizione ambientale

Vengono considerate 6 classi di esposizione ambientale, le relative sottoclassi differenziano l’intensità delle azioni di degrado. Es. Classe: ambiente/agenti di degrado. Sottoclassi: assenza di rischio di corrosione o corrosione armature o degrado CLS.

Classe di consistenza

La consistenza è un parametro che viene indicato nel progetto, è uno dei parametri necessari per individuare il giusto progetto di miscela. Si eseguono delle prove di abbassamento su coni, sul cono di Abrams, e si hanno così 5 classi di consistenza in base all’abbassamento, o slump test: S1- consistenza umida–S2 consistenza plastica–S3 consistenza semifluida–S4 consistenza fluida–S5 consistenza superfluida.

Calcestruzzo armato

Storia

La nascita del calcestruzzo armato (c.a.) viene attribuita a Joseph Monier, un giardiniere francese che nel 1850 pensò di inserire all’interno dei vasi in malta cementizia una rete metallica per evitare la rottura. Fu impiegato poi da Lambot per realizzare alcune barche presentate a Parigi per l’esposizione del 1855.

Brevetti

• 1867 - Monier depositò il brevetto per la realizzazione di vasi da fiori con la tecnica dell'«armatura».
• 1892 - Hennebique, sperimentò per la prima volta una gettata di calcestruzzo armato per una soletta, se non fu l’unico inventore del calcestruzzo armato fu comunque il primo costruttore ad utilizzarlo su larga scala. La ditta Hennebique agli inizi del 1900 si sviluppò una vasta azienda che pubblicava regolarmente la rivista “Le Beton Armé” per diffondere l’uso e la tecnica del suo sistema.

Composizione

Il calcestruzzo armato è costituito da calcestruzzo (cemento + acqua + sabbia + aggregati) e barre di acciaio (armatura) annegate al suo interno e opportunamente sagomate. Il CLS ha scarsa resistenza a trazione, ciò è sopperito dall’acciaio che ha un’adeguata resistenza a trazione. Il CLS ha una buona resistenza a compressione. L’aderenza tra acciaio e CLS è molto buona, hanno lo stesso coefficiente di dilatazione termica.

Durabilità

Bisogna distinguere tra durabilità potenziale (come materiale da utilizzare in una specifica condizione ambientale) e durabilità effettiva (con le proprietà che ha nel contesto della struttura).

Fattori responsabili

• Fattori responsabili di variazioni negative che possono avere origine dalla complessità delle scelte.
• Procedure di lavorazione non adatte.
• Inefficacia del controllo di qualità.
• Impiego di materiali non idonei.

Rischi per la durabilità

• Presenza di vuoti dovuti ad un’inadeguata compattazione del CLS o non omogenea distribuzione dell’impasto nella cassaforma.
• Formazione di fessure da ritiro plastico.
• Interruzione anticipata della stagionatura.
• Riduzione del copriferro.

Nidi di ghiaia

Discontinuità sulla superficie del getto, così la ghiaia facente parte del CLS resta nuda e priva del cemento che la lega.

Difetti e patologie

Il CLS attaccato dai cloruri si corrode esponendo le barre di armatura all’azione di ossigeno e acqua. Le barre si corrodono e aumentano di volume provocando l’espulsione del calcestruzzo.

Additivi per CLS

Prodotti aggiunti durante il procedimento di miscelazione del CLS, in quantità non superiore al 5% rispetto alla massa del legante. Nel CLS fresco gli additivi possono agire:

• Sulla richiesta d’acqua.
• Sul contenuto d’aria.
• Sulla lavorabilità.
• Sui tempi di presa.

Nel CLS indurito possono agire:

• Sulla resistenza meccanica.
• Sul modulo elastico.
• Sulla durabilità.
• Sull’impermeabilità.

Additivi

• Fluidificanti (riduttori d’acqua).
• Superfluidificanti (riduttore d’acqua ad alta efficacia).
• Acceleranti di presa e indurimento.
• Ritardanti di presa (il CLS rimane lavorabile a lungo).

Azioni

• Dirette: concentrate o distribuite.
• Indotte: variazioni di temperatura o deformazioni, ritiro.

Carichi

• Permanenti (pressione terreno).
• Accidentali (mobili, persone, veicoli).
• Eccezionali (terremoti, frane).

Peso specifico materiali strutturali

• Calcestruzzo: 2400 Kg/m³
• Calcestruzzo armato: 2500 Kg/m³
• Acciaio: 7850 Kg/m³
• Ghisa: 7250 Kg/m³
• Alluminio: 2700 Kg/m³

Prove di carico