Tecnologie costruttive

Materiali

Concetti preliminari

• È 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).

• È 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/m³)

• 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 resistenza di un materiale alle sollecitazioni meccaniche – compressione o trazione – si misura in Pa, distingue i materiali: duttili, se 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 m² 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/m²K). 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

Nota bene: da considerarsi anche la durabilità, ovvero la capacità di un materiale di mantenere le proprie proprietà nel tempo.

Categorie e composizione

• Materiali metallici: Uno o più metalli miscelati (leghe)

  • Alta resistenza meccanica e tenacità
  • Deformabilità a freddo e a caldo, elevata conducibilità termica ed elettrica
  • Esempi: Acciaio (lega di ferro e carbonio), Alluminio e le sue leghe, Rame e le sue leghe

• Materiali polimerici: Lunghe catene di molecole a base di atomi di carbonio

  • Bassa resistenza meccanica
  • Elevata flessibilità e deformabilità
  • Bassa conducibilità termica ed elettrica
  • Ridotto peso specifico
  • Esempi: Polietilene, Poliopropilene, Poliestirene, Policarbonato, Polivinilcloruro

• Materiali ceramici: Materiali inorganici composti da materiali metallici e non metallici legati chimicamente

  • Durezza e fragilità
  • Elevata resistenza meccanica a compressione
  • Bassa conducibilità termica/elettrica
  • Elevata resistenza chimica
  • Esempi: Vetro, Laterizio

• Materiali composti e fibrosi: Costituiti da due o più materiali appartenenti alle precedenti categorie

• Materiali lapidei naturali: Materiali ottenuti dall’estrazione di rocce di varia origine e resi adatti all’utilizzo in ambito edile (sia strutturale che ornamentale).

Classificazione delle rocce

Per genesi

• 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 terrestre, 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.

Per composizione

• 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 sia funzioni strutturali che ornamentali.

• Granito: Rocce con struttura fanero-cristallina, presentano cristalli visibili ad occhio nudo. Compatte e lucidabili, svolgono sia funzioni strutturali che ornamentali.

• Travertino: Rocce calcaree sedimentarie di deposito chimico. Solo alcune sono lucidabili, svolgono funzioni sia strutturali che ornamentali.

• Pietra: Materiali lapidei con varia composizione mineralogica; non classificabili.

Processo produttivo

Coltivazione

Si intende l'insieme delle operazioni 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 sfruttati 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 diffuse velocemente, fino a diventare "il" materiale da costruzione del XX secolo (introduzione anche in 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.

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 130° e 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; acceleranti 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

• 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 legante 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.

• 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 al 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 eliminate (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 determinano 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.

• 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 a 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 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

Legno: Materiale naturale tra i più antichi utilizzati dall’uomo (insieme alla pietra e all’argilla) per le costruzioni.