Tecnologie costruttive

MATERIALI:

Concetti preliminari:

• E’ necessario che la scelta dei materiali non avvenga in fase finale, ma

accompagni il progetto sin dalle prime fasi di ideazione

• I materiali non assolvono soltanto a funzioni costruttive/strutturali, ma si

configurano anche come manifesto di stile

• Oggi grandissima vastità di materiali rispetto all’era preindustriale, nella quale

essi venivano scelti per lo più in base alla loro reperibilità nelle prossimità del

cantiere (altissimo costo trasporto materiali); oggi questa tendenza può dirsi

in molti casi ripresa sia per evitare lo spreco di energie implicato nel trasporto

che per ragioni di carattere culturale (genius loci)

• E’ di fondamentale importanza oggi l’ eco-sostenibilità di un edificio e quindi

dei materiali che lo compongono, non bisogna però cadere nell’errore di

tenere in considerazione soltanto la naturalità o la riciclabilità futura dei

materiali utilizzati , ma piuttosto pensare al rimpiego di materiali già riciclati,

alla reperibilità/manutenzione/ smaltimento degli stessi senza dispendi di

energia.

Proprietà dei materiali:

La conoscenza dei materiali e delle loro proprietà è indispensabile per poter

progettare un edificio ad alte prestazioni: capacità di scegliere un materiale o una

combinazione di materiali che soddisfino una grande molteplicità di requisiti.

8 principi di Ashby e Jones:

• Proprietà economiche (anche in termini di reperibilità, riciclabilità,

durevolezza, necessità di manutenzione)

• Proprietà fisiche:

la densità: rapporto tra la massa di un corpo e il suo volume, espresso in

kg/m^3)

• Proprietà meccaniche

Modulo elastico: misura la deformabilità di un corpo, nel settore delle

costruzioni sono preferiti materiali con un modulo elastico elevato, che

sono cioè più rigidi e sopportano sollecitazioni di maggiore entità; si misura

in Pa.

Tenacità: misura la resitenza di un materiale alle sollecitazioni meccaniche

– compressione o trazione- si misura in Pa, distingue i materiali: duttili, se 1

si deformano notevolmente prima di raggiungere il punto di rottura, e

fragili in caso contrario.

• Proprietà termiche:

Conducibilità: proprietà assoluta dei materiali

Trasmittanza termica: tale grandezza dipende sia dallo spessore dello

strato di materiale che dalla sua conducibilità , consente di misurare il

flusso di calore trasmesso attraverso un m^2 di superficie in presenza di

una differenza di temperatura di 1 K tra interno ed esterno; tanto più è

bassa tanto più il materiale è isolante; l’unità di misura è W/m^2 K.

Calore specifico: esprime l’attitudine di un materiale ad incamerare calore;

se ha alti valori in materiali utilizzati per chiusure esterne verticali

garantisce comfort interno

Coefficiente di dilatazione termica: entità della deformazione che un

materiale subisce in conseguenza ad una variazione termica; è importante

che sia simile in materiali diversi utilizzati insieme o a contatto l’uno con

l’altro (es. calcestruzzo armato)

• Proprietà elettriche e magnetiche

Conducibilità elettrica

• Proprietà di interazione con l’ambiente

Ossidazione, corrosione

• Proprietà connesse alla produzione

Lavorabilità, possibilità di fornitura

• Proprietà estetiche

NB: da considerarsi anche la durabilità, ovvero la capacità di un materiale

di mantenere le proprie proprietà nel tempo 2

Categoria Composizione Proprietà Esempi

• •

Uno o più metalli

Materiali Alta resistenza Acciaio (lega di

miscelati (leghe) meccanica e ferro e carbonio)

metallici •

tenacità Alluminio e le sue

• deformabilità a leghe

•

freddo e a caldo, Rame e le sue

• elevata leghe

conducibilità

termica ed

elettrica •

•

Lunghe catene di

Materiali Bassa resistenza Polietilene

molecole a base di •

meccanica

polimerici Poliopropilene

•

atomi di carbonio •

Elevata flessibilità Poliestirene

e deformabilità • Policarbonato

• Bassa • Polivinilcloruro

conducibilità

termica ed

elettrica

• Ridotto peso

specifico •

•

Materiali inorganici

Materiali Durezza e fragilità Vetro

•

composti da •

Elevata resistenza

ceramici Laterizio

materiali metallici e meccanica a

non metallici legati compressione

•

chimicamente Bassa

conducibilità

termica/elettrica

• Elevata resistenza

chimica •

Costituiti da due o

Materiali (legno)

più materiali

composti e appartenenti alle

fibrosi precedenti categorie

Materiale di rinforzo

(in fibre o particelle)

+ 3

Materiali lapidei naturali:

materiali ottenuti dell’estrazione di rocce di varia origine e resi adatti all’utilizzo in

ambito edile (sia strutturale che ornamentale).

Classificazione per genesi: (tipo di processo che ne ha determinato la formazione)

• Rocce sedimentarie: si formano in seguito a processi di erosione di rocce più

antiche (creazione di sabbia, detriti, ghiaia) causati per lo più dall’azione

dell’acqua; tali detriti a causa della pressione degli strati superiori e di leganti

naturali solidificano creando la roccia sedimentaria. Caratteristiche molto

diverse a seconda delle caratteristiche della roccia originaria e del legante.

• Rocce magmatiche: derivano dal raffreddamento e successiva solidificazione

del magma; possono essere intrusive (solidificano lentamente al di sotto della

crosta terrestre; sono cristallizzate ) oppure effusive (solidificano velocemente

al di sopra della crosta terreste, ad esempio in seguito ad un eruzione;

presentano una struttura vetrosa)

• Rocce metamorfiche: derivano da rocce di differente natura che hanno subito

importanti modificazioni a causa di variazioni di pressione/temperatura senza

però mai raggiungere lo stato liquido.

Classificazione per composizione: (struttura aggregativa/minerali che le

compongono)

• Rocce solfatiche: costituite prevalentemente da gesso

• Rocce carbonatiche: costituite prevalentemente da carbonato di calcio,

sono molto comuni e perciò molto sfruttati in ambito edile (es. calcari,

marmi, travertino)

• Rocce silicatiche: costituite in prevalenza da silice e silicati; le più

importanti hanno origine magmatica (es. granito) o sedimentaria (es. tufi,

arenarie, conglomerati e argille)

Classificazione commerciale:

• Marmo: rocce con struttura cristallina. Compatte e lucidabili, svolgono

si funzioni strutturali che ornamentali.

• Granito: rocce con struttura fanero-cristallina, presentano cristalli

visibili ad occhio nudo. Compatte e lucidabili, svolgono si funzioni

strutturali che ornamentali.

• Travertino: rocce calcaree sedimentarie di deposito chimico. Solo

alcune sono lucidabili, svolgono funzioni sia strutturali che ornamentali.

4

• Pietra: materiali lapidei con varia composizione minerologia; non

classificabili.

Processo produttivo:

Coltivazione: si intende l’insieme delle operazione volte al reperimento della

materia prima dalla cava e al suo trasporto nei luoghi di lavorazione. L’estrazione

dalla cava avviene attraverso differenti metodi (utilizzo di esplosivi – per i materiali

poco pregiati-; cunei metallici o idraulici; filo diamantato o elicoidale; taglio a

fiamma o water jet.) Ultima fase: trasporto.

Lavorazioni: operazioni volte a rendere i blocchi estratti dalle cave atti ad essere

sfruttarti nell’ambito delle costruzioni: segagione (operazioni atte ad ottenere lastre

tra i 1.5 e i 6 cm; differenti piani di sezione generano differenti aspetti); lavorazione

di finitura perimetrale degli elementi; operazioni di finitura superficiale (sabbiatura,

levigatura, fiammatura etc. per ottenere differenti effetti superficiali).

Profilo ambientale:

Contro: le rocce sono un materiale non rinnovabile; le cave hanno forte impatto

negativo sul paesaggio loro circostante; grande dispendio di energia per il trasporto

Pro: in fase di lavorazione non provocano grande dispendio di energia; non

necessitano di grande manutenzione e solitamente la loro durata supera quella della

vita utile dell’edificio, quindi è possibile pensare a sistemi di assemblaggio a secco

che permettano la reversibilità della costruzione a fine vita e quindi il riuso/riciclo

degli elementi.

Malte, calcestruzzo semplice e armato:

Malte e calcestruzzo: sono conglomerati artificiali ottenuti attraverso la

miscelazione di acqua, sabbia, ghiaia ed elementi inerti di piccole dimensioni con

leganti ottenuti dalla frantumazione e cottura di materiali di origine minerale.

Origine molto antica, messa a punto del sistema con opus caementitium romano.

Calcestruzzo armato: calcestruzzo la cui resistenza meccanica a trazione è migliorata

attraverso l’annegamento di barre tonde d’acciaio. Le prime sperimentazioni a

riguardo risalgono alla prima metà dell’ottocento, il suo utilizzo si diffonde

velocemente, fino a diventare “il” materiale da costruzione del XX secolo

(introduzione anche il relazione al calcestruzzo armato in epoca di ricostruzione post

bellica del tema della prefabbricazione). Al giorno d’oggi sono ancora centrali le

ricerche per migliorare le prestazioni del calcestruzzo armato. 5

Composizione:

Leganti: si ottengono dalla cottura di materiali minerali e hanno la capacità,

mescolati con l’acqua, di indurire aderendo irreversibilmente alla superficie con cui

entrano in contatto.

Gesso: cottura della pietra da gesso tra i 130° e i 170° C, mescolato con acqua

indurisce velocemente, è però poco resistente, quindi più adatto a rivestimenti

intonaco interni.

Calce aerea: indurisce solo in presenza di aria; il carbonato di calcio (calcare) cotto a

900° C, genera la calce viva, che dopo l’aggiunta di acqua diviene calce spenta,

adatta ad essere utilizzata come malta per intonaco e murature.

Calce idraulica: fa presa e indurisce anche in presenza di acqua; ricavata dalla

cottura di marne o miscele di carbonato di calcio e argilla; adatta per la realizzazione

di intonaci e murature.

Cemento: è anche esso idraulico e deriva dalla miscela con acqua di materiali

differenti macinati e omogeneizzati; varissimi ambiti di applicazione nel settore

edile.

Aggregati: sono materiali minerali in forma granulare di origine naturale o artificiale,

costituiscono lo scheletro delle malte e dei calcestruzzi. Granulometrie molto varie;

la scelta delle quali è determinata dall’uso che si intende fare del conglomerato e dal

tipo di condizioni ambientali alle quali esso sarà sottoposto una volta posto in opera.

Additivi: sono prodotti chimici che se aggiunti al conglomerato possono variarne le

caratteristiche / migliorarne le prestazioni. La loro aggiunta avviene con intento:

fluidificante, per aumentarne la lavorabilità; accelleranti o ritardanti per il processo

di solidificazione; areante, con l’intento di introdurre nel conglomerato microbolle

d’aria che lo rendano più resistente ai cicli di gelo/disgelo.

Prodotti: ampia gamma di prodotti che si differenziano in base alla composizione

della miscela; differenziazione più diffusa: in base al legante.

Malte: si ottengono attraverso l’impasto di calci aeree o idrauliche, aggregati, acqua

ed eventuali additivi. Possono essere aeree o idrauliche. Utilizzate prevalentemente

per la realizzazione di intonaci o con funzione di legate per le murature.

Calcestruzzo: si ottiene attraverso la miscela di legante idraulico (prevalentemente

cemento) aggregati di diverse dimensioni, acqua ed eventualmente additivi.

Utilizzati per realizzare sottofondi, riempimenti e strutture portanti. 6

Calcestruzzo armato: il c.a. si ottiene inserendo nel calcestruzzo barre di acciaio a

sezione circolare che contribuiscono a migliorarne le prestazioni a trazione.

L’accoppiamento calcestruzzo e acciaio è possibile grazie al simile coefficiente di

dilatazione termica dei due materiali; le barre di acciaio sono superficialmente

lavorate per migliorare la presa del calcestruzzo. Il c.a. può essere ad armatura lasca

(barre di acciaio annegate nel calcestruzzo) o precompresso (armatura

preventivamente tesa e rilasciata soltanto dopo il getto; questa seconda opzione ne

migliora le prestazioni).

Processo produttivo:

1. Produzione di leganti: cottura dei minerali e prima lavorazione (solitamente

con aggiunta di acqua) adeguata la legante che si intende ottenere.

2. Reperimento di aggregati: gli aggregati provengono solitamente o da blocchi

di materiale minerale naturale estratti dalle cave e poi ridotti in pezzi della

granulometria scelta o, come nel caso della sabbia, dal mare o da fiumi

oppure da un processo di riciclaggio dei rifiuti di demolizione di altre

costruzioni.

3. Miscelazione: può avvenire a mano oppure attraverso l’utilizzo di apposite

macchine - betoniere ( direttamente in cantiere) oppure in appositi impianti

di miscelazione (il trasporto fino al luogo del cantiere avviene attraverso

speciali automezzi detti autobetoniere che ne consentono la movimentazione

impedendone l’indurimento.

4. Messa in opera: messa in opera manuale per le malte utilizzate come legante

all’interno di murature; manuale o mediante spruzzatura meccanica per

quanto riguarda gli intonaci; getto direttamente dalle autobetoniere o

attraverso l’utilizzo di benne o apposite pompe del calcestruzzo nelle

casseforme precedentemente costruite, queste possono essere eliminata

(disarmo) 3-10 giorni dopo (a seconda delle condizioni climatiche, additivi

presenti nel calcestruzzo etc), ma esso sviluppa la sua resistenza

convenzionale non prima di 28 giorni, prima di tale termine non possono

essere applicati carichi di esercizio.

Profilo ambientale:

Contro: utilizzo di rocce dalle quali vengono creati i leganti sono materie prime non

rinnovabili, le cui cave impattano negativamente sul paesaggio e determina

dispersione di polveri; la cottura ad altissime temperature di tali rocce determina

l’utilizzo di ingenti quantità di energia; grande dispendio di energia per il trasporto

dei conglomerati o delle loro parti; difficoltà di riciclo 7

Pro: possibilità di utilizzare i calcestruzzi e le malte demoliti come riempimenti (es.

sottofondi stradali) /aggregati per nuovi calcestruzzi in alcuni paesi

Materiali ceramici: i laterizi

I materiali ceramici sono ottenuti dall’impasto e la successiva cottura di argilla,

acqua ed eventuali additivi. I più comuni sono i laterizi, composti da argille comuni e

cotti tra i 900° e i 1000°C.

Prodotti:

Elementi per murature: parallelepipedi in laterizio, si suddividono in base alle loro

dimensioni (mattoni e blocchi), alla loro funzione e alla percentuale di foratura

presente in essi (pieni < 15%, semiforati tra il 15% e il 55%, forati >55%)

Tavelle e tavelloni: elementi in laterizio forati, hanno una dimensione (la

lunghezza)decisamente maggiore delle altre due, utilizzati per realizzare solai,

partizioni interne, controsoffitti o casseri per il calcestruzzo a perdere.

Elementi per solai: detti pignatte, tali elementi in laterizio, sono accostati ad

elementi (travetti) in c.a. prefabbricati (la pignatta presenta sporgenze laterali che

ne permettono l’appoggio ai travetti) o gettati in opera (la pignatta presenta alette

inferiori) per la realizzazione di solai.

Elementi per coperture: definiti tegole, hanno diverse forme e possono essere

sovrapposte o ad innesto (dotate di particolari scanalature che ne favoriscono

l’incastro). Adatte alle coperture a falde inclinate.

Processo produttivo:

1. Preparazione dell’impasto: creazione di un impasto altamente plastico

attraverso la miscelatura di argille (sulla cui composizione è sempre attiva la

ricerca per migliorarne le prestazioni) e acqua.

2. Fase di forgiatura: avviene per estrusione (l’impasto viene fatto passare

attraverso una matrice del profilo desiderato e poi tagliato in elementi della

giusta misura; per applicare tale tecnica l’impasto deve avere un tasso

d’umidità compresa tra il 15% e il 20%) oppure per pressatura (pressatura

dell’impasto, già poco umido, tra due stampi, è volto alla completa

eliminazione dell’aria dall’impasto.

3. Fase di essicazione: eliminazione dell’acqua in eccesso, quest’operazione deve

però avvenire in modo graduale onde evitare la distorsione, incrinatura o

rottura del pezzo, avviene oggi infatti attraverso macchinari che controllano la

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quantità d’acqua rimossa in un dato tempo. L’operazione può dirsi conclusa

quando la percentuale d’acqua contenuta nel pezzo è >1%.

4. Fase di cottura: serve per annullare la plasticità del materiale, avviene a 900°-

1000° C in appositi bruciatori continui (che garantiscono una cottura graduale

e omogenea).

Profilo ambientale:

Contro: materie prime (argille) non rinnovabili ed estratte da cave con negativo

impatto sul paesaggio e sull’ambiente per la dispersione di polveri; grande

dispendio di energia in fase di forgiatura, essicazione e cottura; dispendio di

energie per il trasporto (anche se limitato grazie alla grande diffusione degli

stabilimenti); difficoltà di riciclo (se non per riutilizzo rifiuti di demolizione come

riempimenti) e onerosa manutenzione se montati con utilizzo di malte.

Pro: se montati a secco (es. tegole) facile manutenzione e possibilità di riuso a

fine vita dell’edificio.

Legno:

materiale naturale tra i più antichi utilizzati dall’uomo (insieme alla pietra e

all’argilla) per le costruzioni.