La costruzione metallica

La costruzione metallica Maria Antonietta Giardina

Palermo 2018

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ISBN 978-88-99751-54-8

M. A. Giardina, La costruzione metallica, Antipodes, Palermo 2018.

INDICE Premessa Cenni storici dei metalli I metalli Le caratteristiche meccaniche dei metalli I semilavorati in acciaio Elementi laminati a caldo Elementi laminati a freddo Elementi costruttivi Colonne e pilastri Travi Solai Unione nelle strutture in acciaio Bulloni e viti Saldature Strutture complesse Funzionalità Prefabricazione Sicurezza all'incendio Sismoresistenza e leggerezza Ricostruzione ed adeguamento Sostenibilità ed efficienza L’acciaio è anche energia pulita Acciai speciali L’architettura dinamica Nanotecnologia e architettura Conclusioni Bibliografia Sitografia

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Premessa

Di materiali si sono sempre interessati i trattatisti dell’architettura e la manualistica tecnica delle costruzioni, per Vitruvio i materiali da costruzione erano: la pietra, la terra e il laterizio, la calce, la sabbia, alcuni pigmenti e, unico metallo, il piombo; Leon Battista Alberti, propone lo stesso elenco, con l’aggiunta del rame e qualche sporadico riferimento al ferro; per Giovanni Rondelet, trattatista dell’Ottocento, la “conoscenza dei materiali”, nel Trattato teorico e pratico dell’arte di edificare (1832) , riguarda: le pietre, le pietre artificiali (terre crude e cotte), le malte di calce, il gesso, il legname, il ferro.

In piena “rivoluzione industriale”, possiamo affermare che la conoscenza dei materiali era quella dei tempi di Vitruvio.

Nel 1893 viene pubblicato un importante libro di settore: la “Pratica del fabbricare” di Carlo Formenti, in esso compare una casistica abbastanza ampia di prodotti in ghisa e ferro che completano e consolidano la vecchia tradizione della “costruzione a regola d’arte”; solo una sua riedizione del 1920 inserisce il “calcestruzzo armato” , il nuovo materiale composito che avvierà una nuova tradizione costruttiva. A questo punto, la manualistica decade: ultimi tassonomisti della pratica del costruire sono forse GRIFFINI (Costruzione razionale della casa , 1933) e RIDOLFI (Manuale dell’Architetto , 1946), che aggiungono ai vecchi elenchi molti materiali tratti dalla lettura delle tecniche regionali, ma tutti in posizione subordinata rispetto ai materiali della tradizione.

Si potrebbe erroneamente pensare che ancora oggi ci si trovi nella stessa situazione, ma non è così: non solo per i molti materiali nuovi creati negli ultimi decenni, ma soprattutto perché i vari materiali della tradizione non sono più gli stessi, per complessità e per prestazioni.

L’involucro edilizio non può più essere quello della tradizione costruttiva e, di fatto, non è più lo stesso, anche se il suo aspetto tende a mantenersi non dissimile da quello di un tempo. Tutte le innovazioni tecnologiche, infatti , sono rimaste inespresse, private di ogni elaborazione morfologica e simbolica; non sono, se non raramente e per particolari destinazioni dell’edificio, divenute linguaggio.

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CENNI STORICI DEI METALLI

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La produzione dei metalli risale a epoche antichissime (“Era del rame”,4.000-3.000 a.C.; “Era del bronzo”, 3.000-2.000 a.C.). Rame e bronzo erano particolarmente noti in campo artistico e sin dalla preistoria, molto diffusi presso i cretesi, i Micenei, gli Assirobabilonesi e gli Egiziani. Rame, bronzo, ferro e piombo furono utilizzati nelle costruzioni, per opere complementari o con funzioni statiche limitate. L’uso del rame e del bronzo, nel rivestimento delle coperture o di generici oggetti, risale alle epoche faraoniche. Il piombo (estratto da minerali come galma, cerusite, anglesite, ecc.) , fin dai tempi più remoti fu usato per saldature, legature, condutture e restauri; in edilizia, fu usato, per la sua plasticità e lavorabilità, per “piombare” ramponi e grappe di ferro a cui era affidato il compito di “legare” i rivestimenti in marmo e i rocchi delle colonne.

Il metallo comincia ad essere considerato come un materiale da costruzione di importanza fondamentale nella metà del XIX secolo. Il progressivo sviluppo dell’industria siderurgica mediante l’adozione di forni più efficaci, alimentati a carbone fossile, in sostituzione di quello vegetale, migliorò le qualità dei prodotti e ridusse notevolmente i costi di produzione. Si realizzarono prime opere notevoli, per dimensione, complessità e importanza, in cui le membrature metalliche assumono per la prima volta, sottraendolo alla muratura, il ruolo portante principale.

Si crearono le prime grandi strutture a scheletro portante indipendente; ma è soprattutto nella costruzione dei ponti che il metallo sostituisce rapidamente le arcate in muratura. Si ricorda in particolare il ponte inglese sul Severn, progettato da Darby e realizzato da Wilkinson in ghisa (1776-1779). È sicuramente con le grandi EsposiFig. 1. Inghilterra-Coalbrookdale Bridge sul fiume zioni Universali che assistiamo alla con- Severn, progettato da Derby e realizzato da Wilkinson, 1776-1779. sacrazione del ruolo del metallo quale elemento fondamentale per la costruzione dell’architettura moderna. Il Palazzo di Cristallo realizzato da Joseph Paxton a Londra in occasione della prima esposizione universale del 1851, un edificio in acciaio e vetro lungo oltre 550 metri, riassume tutte le precedenti esperienze sulle strutture metalliche e inaugura la serie, che proseguirà nella seconda metà dell’Ottocento. L’edificio infatti rappresenta il primo esempio “di costruzione interaFig. 2. Londra-Crystal Palace, eretto a Londra nel mente prefabbricata nella quale gli ele1851, per ospitare la prima Esposizione Universale. menti, realizzati in officina, furono

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semplicemente assemblati sul posto da squadre di operai prevedendo, in sede di progetto, la sequenza delle fasi operative e gli opportuni mezzi meccanici necessari a velocizzare le operazioni di montaggio. In effetti, «il Cristal Palace non esprimeva alcuna soluzione formale particolare; era piuttosto un processo costruttivo reso esplicito quale sistema totale, a partire dalla concezione, dalla fabbricazione e dal trasporto iniziali, fino alla costruzione e allo smantellamento finale.»1 Le grandi gallerie vetrate d’esposizione sanciscono, con la Galerie des Machines del 1889, un grande padiglione lungo 420 metri, largo 115 sostenuto da arcate in ferro a tre cerniere, e con la torre completamente di acciaio alta 300 metri realizzata da Gustav Eiffel sempre nel 1889, in maniera inequivocabile le capacità costruttive e tecnologiche di questo Fig. 3. Paris- Galerie des Machines, eretto a Parigi nuovo materiale. nel 1889 ,per l‘Esposozione Universale.

La realizzazione di profili e lamiere prodotte industrialmente ha modificato quindi i metodi di costruzione tradizionali, trasformando il processo edilizio in un sistema di assemblaggio di tipo meccanico, con enormi vantaggi rispetto ai tempi di realizzazione e rispetto alla verifica delle caratteristiche qualitative dei singoli componenti.

Per le sue alte qualità di resistenza in rapporto alla sezione impiegata, si impose come materiale sostitutivo del legno in numerose applicazioni costruttive.

L’acciaio offriva il vantaggio di permettere la costruzione di strutture portanti di modesta sezione occupando quindi molto meno spazio rispetto ai materiali impiegati fino ad allora, e dava all’insieme della co- Fig. 4. Paris- Tour Eiffel, eretta nel 1889, struzione un aspetto di leggerezza, pur consentendo per L’esposizione Universale, da Eiffel. di impiegare elementi portanti di luci insolite. I progressi della siderurgia nei primi anni del XX secolo hanno messo a disposizione acciai perfettamente rispondenti alle nuove necessità specialmente nel campo degli impianti industriali.

Il XIX e il XX secolo, sono giustamente definiti come i secoli dell’acciaio e del cemento armato, per la rapida e universale affermazione di questi due materiali in edilizia. La qualità formale dell’architettura è affidata alla linearità delle membrature ed alla ripetizione modulata delle maglie dell’ossatura portante; i rapporti tra vuoti e pieni si invertono e sono tutti a favore dei vuoti.

Risale a circa cento anni fa, La scienza delle costruzioni, che cambia il linguaggio e il pensiero costruttivo, rendendo possibili nuovi schemi statici e strutturali; fino ad allora 1

K: Wachsmann, “Una svolta nelle costruzioni” il Saggiatore, Milano 1960.

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ogni opera, anche complessa, era progettata e realizzata in base all’intuizione e a poche regole empiriche.

L’introduzione dell’uso della matematica e di molti procedimenti sperimentali suggeriscono e rendono possibili nuove forme; dalle soluzioni strutturali “isostatiche” si passa a quelle “iperstatiche”.

Si propongono scheletri che sopportano l’intera costruzione, i muri perimetrali e i divisori, non più portanti, gravano su questo scheletro. Si affermarono strutture e membrature di tipo nuovo, costituite da una trama spaziale o piana di aste disposte secondo maglie rettangolari o triangolari; sono le strutture a gabbia e le strutture reticolari, che utilizzano le caratteristiche peculiari dei due nuovi materiali: il cemento armato e l’acciaio: alta resistenza alla compressione, quindi possibilità di ridurre le sezioni resistenti; resistenza alla trazione e al taglio.

I METALLI

Elementi fondamentali per lo sviluppo delle civiltà. Nella vita di tutti i giorni quasi ogni nostro gesto ci mette in contatto con oggetti in cui i metalli hanno funzioni diverse ed essenziali. Un’automobile o una bicicletta sono mezzi di trasporto costruiti in gran parte con metalli, per mangiare usiamo posate di metallo e grazie a fili metallici possiamo sfruttare la corrente elettrica. I metalli sono numerosi e differenti fra loro per le proprietà fisiche e chimiche.

Partendo dal presupposto che l’acciaio nelle costruzioni è da sempre strumento ideale nella ricerca di espressioni architettoniche innovative e all’avanguardia, l’oggetto della presente relazione riguarda tematiche relative a ricerche di tipo sia teorico sia pratico-applicativo, nonchè all’impiego dell’acciaio nella realizzazione di grandi strutture, opere infrastrutturali, interventi di edilizia ecosostenibile, interventi di conservazione e restauro.

L’acciaio interpreta la sintesi più attuale tra ingegneria e architettura realizzando costruzioni che si traducono in investimenti vantaggiosi nel tempo. Grazie alla forza della sua espressività e alle sue note caratteristiche di elasticità e malleabilità, l’opera architettonica e quella strutturale diventano l’una interprete dell’altra, esaltando il progetto e le sue peculiarità. La variabilità di soluzioni costruttive è sensibilmente accresciuta dalla facilità con cui l’acciaio si sposa con gli altri materiali. L’acciaio è in grado di sfruttare intelligentemente le prestazioni di altri materiali costruttivi come nel caso del vetro, dove l’illuminazione naturale consente affascinanti trasparenze e giochi di luce.

La leggerezza delle costruzioni metalliche nasconde una ponderosa intelligenza che media estetica, sicurezza e convenienza. Un dettaglio costruttivo può racchiudere sofisticate tecnologie o esprimere la più semplice delle funzionalità al servizio dell’abitare.

La realizzazione di facciate attive, che si lasciano attraversare dalla luce, e i flussi d’aria che passano nell’intercapedine, migliorano il comfort microclimatico, riducendo il fabbisogno di elettricità e riscaldamento.

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LE CARATTERISTICHE MECCANICHE DEI METALLI

La lunghezza di rottura, un criterio molto utilizzato per la valutazione delle prestazioni di materiali costruttivi, indica la lunghezza alla quale un materiale si rompe quando è sottoposto al carico di trazione pari al proprio peso. Il raffronto del valore dell’acciaio con quello di altri materiali mostra da una parte le maggiori prestazioni dell’acciaio rispetto a quelle di altri materiali costruttivi tradizionali, come il cemento e il legno, dall’altra il fatto che per la valutazione della prestazione e dell’utilizzabilità di un materiale esistono anche altri parametri meccanici. Ad esempio, si rende necessario verificare se portare la struttura nelle condizioni di carico limite corrisponde a deformazioni compatibili con la costruzione nel suo insieme e con l’utilizzo previsto.

L’acciaio per opere strutturali si distingue in primo luogo per l’elevata rigidezza che, insieme al comportamento elastico, lineare fino al raggiungimento del limite di snervamento, è garantita sia a compressione che a trazione. Questa caratteristica, oltre al calcolo semplice delle deformazioni della struttura portante, consente un ampio impiego dell’acciaio.

Nel dimensionamento dei componenti in acciaio nell’edilizia è possibile sfruttare anche il comportamento plastico di questo materiale.

L’acciaio garantisce un elevato livello di sicurezza perché il collasso del singolo elemento, vale a dire le condizioni di rottura, non si presenta improvvisamente come per i materiali fragili ma viene annunciata da evidenti deformazioni con allungamenti fino al 26%. Oltre a ciò, il comportamento plastico permette un ridistribuzione delle azioni interne, dai punti più sollecitati a quelli meno sollecitati.

Oltre alla grande capacità di adattamento dell’acciaio, alla funzione e alla forma, nonché alle possibilità di ottimizzazione della sezione, sono molto importanti le caratteristiche meccaniche ai fini del dimensionamento di una struttura portante.

Il principale riferimento normativo per eseguire il dimensionamento, l’esecuzione e il controllo di una struttura in acciaio è DIN 18800 dalla parte 1 alla 7 [il principale riferimento normativo europeo è costituito dagli Eurocodici].

Per spiegare le caratteristiche meccaniche di questo materiale, si suole analizzare il diagramma sforzi-deformazione e altri parametri; prendiamo ad esempio le caratteristiche di un acciaio comune (S235).

Dal diagramma sforzi-deformazioni si riconosce chiaramente che l’acciaio presenta un comportamento elastico lineare nel settore da A a P: qui l’allungamento segue un andamento perfettamente proFig. 5. Diagramma sforzi-deformazioni per un porzionale al carico. Il punto P, dove il Per un acciaio S235 comportamento del materiale cessa di esσ=tensione F=forza sere elastico lineare, è difficilmente deterA₀=superficie di partenza minabile a causa del passaggio graduale ε=allungamento

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dalla retta alla curva, per cui, normalmente, si fa riferimento al punto F, convenzionalmente individuato dal raggiungimento di una deformazione pari allo 0,01%. La fase plastica del materiale inizia nel punto S (il punto di snervamento si individua sia nella prova di trazione, sia in quella di compressione, per schiacciamento); da quel punto, la deformazione aumenta senza nessun significativo incremento dello stato tensionale. Le deformazioni che si verificano da qui in avanti permangono anche rimuovendo il carico, per cui si parla di fase plastica del materiale. Da un certo punto in avanti, la resistenza del materiale aumenta ancora e si raggiunge, nel punto D, il valore massimo della resistenza a trazione. La reale rotture del materiale avviene solo al punto Z: a raggiungimento dell’allungamento massimo a rottura. La riduzione di tensione che si riscontra fino a questo punto è legata dalla riduzione della sezione del provino, che inizia dal punto B. Modulo elastico E Il modulo elastico è uguale per tutti gli acciai comuni usati nell’edilizia e corrisponde a 21.000 kN cm² . Tale valore corrisponde alla pendenza del diagramma sforzi-deformazioni nel campo elastico-lineare tra i punti A e P.

Allungamento ε La deformazione è il rapporto tra la variazione di lunghezza e la lunghezza iniziale. Raggiungendo il limite di snervamento, un acciaio S235 raggiunge una deformazione dell’1,1%, un acciaio S355 una deformazione dell’1,7%. La deformazione a rottura è invece del 26% nell’acciaio S235 e del 22% nell’acciaio S355.

Resilienza La resilienza (J), strettamente dipendente dalla temperatura di prova, descrive la capacità del materiale di assorbire energia in un impatto e serve per determinare la duttilità dell’acciaio e il rischio di collasso per rottura.

Fig. 6. Ponte Centrale – Reggio Emilia Progetto: Santiago Calatrava Costruttore Metallico: Costruzioni Cimolai.

Il coefficiente di dilatazione termica α Indica l’allungamento di un materiale sottoposto a sollecitazioni termiche. Il coefficiente di deformazione termica dell’acciaio è di 12x10¯⁵ (1k). Ciò significa che una colonna di acciaio di 10 metri, se riscaldata di 10°, si allunga dello 0,012% vale a dire 1,2mm. Occorre sempre verificare la compatibilità delle dilatazioni termiche della struttura con l’intera costruzione ed eventualmente inserire giunti di dilatazione.

Per la realizzazione di strutture metalliche e di strutture composte si utilizzano acciai S235, S275, S355, S420, S450 e S460, che fanno riferimento alle Norme UNI EN 10025, per i prodotti piani e lunghi, ed alle UNI EN 10210 e 10219 per quanto riguarda i profilati cavi. I carichi unitari di snervamento variano con lo spessore del prodotto.

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I SEMILAVORATI IN ACCIAIO

L’acciaio viene trasformato in semilavorati con denominazione commerciale regolata da norme, mediante laminazione, estrusione o trafilatura. I processi di formatura a caldo sono: • laminazione a caldo, • fucinatura, • colatura, • estrusione. la lavorazione a caldo viene fatta al di sopra della temperatura di ricristallizzazione, mentre la lavorazione a freddo viene effettuata a una temperatura inferiore.

I processi di lavorazione a freddo comprendono: • trafilatura (fili e cavi di precompressione; • piegatura e stampa (lamiere grecate); • stampaggio e torsione a freddo (acciaio per cemento armato); • piegatura a freddo (aste di compressione e per armature); • formazione a freddo (teste di ancoraggio per cavi); • piegatura a freddo (profilati).

Elementi laminati a caldo I profilati a I (o a doppio T) sono quelli maggiormente utilizzati. Vengono realizzati con processi di laminazione mediante cilindri disposti verticalmente uno sopra l’altro.

I tipi di sezione e le dimensioni geometriche dei profilati sono unificate in ambito europeo; le loro caratteristiche sono riportate in un sagomario. I profili a doppio T sono utilizzati soprattutto come travi e colonne di strutture a telaio. Ne esistono due distinte tipologie: IPE ed HE. I profili IPE hanno una larghezza b dell’ala pari alla metà dell’altezza h. I profili HE hanno invece b=h; per essere più preciso, Fig. 7. Profilo HEA, dove b=h. esiste una serie 300 mm (per altezze maggiori b rimane costantemente pari a 300 mm), una serie leggera, HEA, ed una serie pesante, HEM, che hanno spessori maggiori e piccole differenze nell’altezza rispetto alla serie normale.

Fig. 8. Semilavorati in metallo.

A parità di area della sezione (e quindi di peso e costo) i profili IPE hanno momento d’inerzia e modulo di resistenza nettamente maggiore rispetto agli HE e sono quindi

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più convenienti in caso di aste soggette a flessione semplice; il momento d’inerzia è però molto basso e ciò li rende inadatti a sopportare momento flettente in due piani diversi ed anche molto sensibile all’instabilità in un piano. I momenti d’inerzia dei profili HE nelle due direzioni hanno una minore differenza e ciò rende questi profili più adatti ad essere usati come colonne (perché le colonne sono soggette a sforzo normale oltre che a momento flettente e questo inoltre agisce spesso in due direzioni). I profili a C e gli angolari sono usati soprattutto come aste di travature reticolari o aste di controventatura; vengono spesso accoppiati a due a due sia perché ciò conferisce simmetria alla sezione composta sia per comodità di realizzazione dei collegamenti.

Elementi laminati a freddo Gli elementi Le lamiere grecate sono semilavorati ottenuti mediante piegatura a freddo di lamierini o lamiere sottili. Trovano vastissimo impiego come elementi orizzontali e verticali di chiusura.

I profili sottili sono elementi strutturali con sezioni, in genere a contorno aperto, ottenute mediante piegatura a freddo di nastri di acciaio di spessore di circa 3-4 mm. La formatura a freddo, a temperatura a freddo provoca una modifica nella struttura fisica dell’acciaio. Nell’ambito dei profili sottili si possono ottenere le sezioni più varie che realizzano il massimo sfrut- Fig. 9. Particolari di profilati, lamiere sottili e lamiere grecate. tamento del materiale, anche “per forma” con conseguente ottimizzazione del peso strutturale. L’esiguo spessore di questi profili richiede una particolare attenzione del progettista ai pericoli connessi con fenomeni di corrosione e/o di instabilità locale.

ELEMENTI COSTRUTTIVI

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Colonne e pilastri Gli elementi portanti verticali sono di solito formati da profili chiusi tubolari quadrati, rettangolari o circolari o da profilati tipo HE che come i profilati chiusi a base quadrata presentano uguali valori di inerzia nelle due direzioni principali, e

Fig. 10. Colonne e pilastri semplici.

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quindi minore sensibilità a fenomeni di instabilità per snellezza.

Le colonne trasferiscono alle fondazioni che impegnano solai e copertura.

L’elevata resistenza dell’acciaio consente di realizzare sezioni particolarmente ridotte nelle quali occorre tenere conto del fenomeno dell’instabilità.

I pilastri possono essere anche realizzati attraverso l’unione di semilavorati connessi tra loro a formare elementi composti; questa scelta può derivare da esigenze strutturali o architettoniche. Il collegamento dei pilastri alle fondazioni avviene tramite piastre bullonate a tirafondi preventivamente annegati nel getto di calcestruzzo della fondazione. Per le colonne molto alte può essere utile adeguare la sezione alla sollecitazione. Ciò Fig. 11. Colonne composte. viene realizzato costruendo una struttura reticolare o a telaio. Possono essere realizzate colonne complesse rinforzando gli elementi compressi con funi. È possibile aumentare notevolmente la portata e la resistenza al fuoco di una colonna in acciaio integrandola con parti in calcestruzzo armato.

Con rivestimento in calcestruzzo del profilo in acciaio, eventualmente dotato di una sua armatura longitudinale, vengono realizzate delle colonne composte, caratterizzate da una elevatissima classe di resistenza al fuoco.

I profili cavi riempiti sono molto utilizzati, da una parte perché non presentano problemi di realizzazione(casseratura), dall’altra perché le superfici in acciaio rimangono a vista e su esse è possibile saldare altre strutture.

Travi Progettando un elemento sollecitato a flessione, la forma e la sezione devono essere strutturate in modo da sfruttare il più possibile il materiale. Nelle costruzioni in acciaio, per gli elementi sollecitati a flessione, vengono utilizzati prevalentemente profili a doppio T o travi formate da un profilo scatolare. Le aperture nelle pareti dell’anima, ad esempio per il passaggio

Fig. 12. Travi alveolate e travi ad anima piena.

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delle canalizzazioni, dovrebbero essere praticate solo nelle aree poco sollecitate a taglio, vale a dire non vicino all’appoggio. Dato che la foratura sull’intera lunghezza causa un indebolimento della parete verticale, le travi devono essere progettate con attenzione quando sono soggette ad importanti azioni di taglio ed eventualmente devono essere rinforzate.

Se si aumenta l’altezza di una trave e delle aperture nell’anima fino a ottenere una struttura simile a una struttura piana composta da aste, si passa da una sezione piena a una particolare sezione reticolare, la cosiddetta trave Vierendeel2. Con queste travi inflesse alte e sottili occorre tenere Fig. 13. Trave di Vierendeel. sotto controllo il rischio di instabilità flesso-torsionale. A causa delle diagonali mancanti, nelle travi di Vierendeel, gli elementi verticali devono realizzare un proprio e vero nodo rigido, quindi tali travi sono nettamente più pesanti, tuttavia presentano una linea armonica di piacevole aspetto estetico.

Nella progettazione di travi reticolari, le aste diagonali dovrebbero avere un inclinazione compresa tra i 30° e 60° per evitare la necessità di utilizzare fazzoletti di ampie dimensioni o saldature lunghe e Fig. 14. Trave a sbalzo Vierendeel. risolvere così con problemi geometrici.

Le costruzioni in acciaio non pongono limiti alla fantasia dei costruttori nello sviluppo di strutture portanti. Attraverso la combinazione di diversi sistemi portanti, il progetto può prevedere campate più ampie combinando travia doppio T, strutture reticolari o travi Vierendeel all’interno di sistemi strutturali complessi, realizzando una rete di tiranti all’intradosso o di puntoni all’estradosso, senza incidere sulla leggerezza o sull’orditura della struttura portante. Mediante travature semplici o sistemi strutturali complessi è possibile ottenere campate non realizzabili con altri materiali.

Solai Il materiale comunemente usato nella realizzazione dei cosiddetti solai di ferro è l’acciaio; l’alluminio e le sue leghe sono in genere preferiti per la realizzazione di coperture non praticabili, questo a causa delle non eccezionali qualità meccaniche di questo materiale, oltre ai costi di produzione troppo elevati.

Il calcolo della sezione adeguata è dato dalla relazione s = M/W dove s è il carico di sicurezza a trazione dell’acciaio, M il massimo momento flettente, e W il momento resistente.

Noto W, attraverso le tabelle relative ai profili metallici che forniscono le principali caratteristiche statiche e le dimensioni dei diversi tipi di trave, si sceglierà il profilo più adeguato al caso.

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La trave Vierendeel, così denominata dal nome dell’ingegnere belga, è una trave con due correnti paralleli e aste di compressione.

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Il principio costruttivo di riferimento è quello del telaio o dell’architrave elastico.

In caso di luci notevoli si ricorre ad orditi composti di travi principali e secondarie, cercando il più possibile di limitare lo spessore complessivo del solaio. La giunzione fra travi primarie e secondarie avviene per saldatura, chiodatura o bullonatura.

Gli elementi principali dell’ordito devono Fig. 15. Solaio metallico con travi principali alveolari e travi secondarie. essere solidali con l’apparecchiatura portante verticale; nel caso in cui questa sia costituita da una scatola muraria, secondo le prescrizioni del D.M. (Lavori Pubblici) del 20 novembre 1987, deve essere interposto un cordolo di cls. cementizio armato di ripartizione dei carichi concentrati, dimensionato e armato in base ai carichi e alle sollecitazioni trasmesse.

Ai fini della sicurezza e resistenza al fuoco tutte le parti d’acciaio devono essere adeguatamente protette con rivestimenti isolanti o vernici specifiche.

UNIONE NELLE STRUTTURE IN ACCIAIO

Fino al 1930, la chiodatura e la bullonatura erano i procedimenti più comuni per collegare tra loro gli elementi componenti una struttura metallica. Negli anni successivi, grazie all’evoluzione delle qualità chimiche dell’acciaio, che ha migliorato la saldabilità dello stesso, la salFig. 16. Nodo trave colonna con bullonatura. datura elettrica ha preso piede apportando notevoli modifiche nell’arte del costruire in metallo.

Gli elementi portanti di una costruzione devono essere uniti tra di loro. In questo modo, gli elementi di una struttura portante, interagendo, costituiscono un tutt’uno. Il concetto di giunzione è relativo e riferibile ai diversi livelli di scomposizione di una struttura portante, quindi si ha: Fig. 17. Schema di aggancio di una trave a un • assemblaggio di elementi semplici pilastro in calcestruzzo per creare un elemento strutturale complesso, come una trave reticolare, una trave o una colonna composta; • assemblaggio di elementi strutturali per formare strutture complesse, come l’unione elemento di fondazione+ colonna+trave+piastra; • assemblaggio di sub sistemi strutturali diversi, come nel caso telaio in acciaio+ nucleo di controvento in CA, o sistema strutturale principale+ sistema di facciata.

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I criteri più importanti per la realizzazione di una giunzione strutturale riguardano i seguenti aspetti: • il materiale e le sue caratteristiche e prestazioni; • il flusso delle forze, le forze interne ed esterne devono cioè essere trasferite in modo diretto e minimizzando l’impegno necessario; • la geometria, geometria e flusso ottimale delle forze infatti si influenzano a Fig. 18. Rendering di un nodo trave-pilastro vicenda; occorre prestare particolare atcon bullonatura. tenzione nella realizzazione degli incroci e delle penetrazioni degli elementi (scegliendo sezioni a geometria adeguate delle parti costituenti la struttura portante); • organizzazione della produzione in officina e del montaggio in cantiere al variare dei sistemi a disposizione e del livello di prefabbricazione stabilito; • le tecnologie di assemblaggio, a loro volta dipendenti dal materiale, dal livello di sollecitazione e dal flusso delle forze (sistema statico), e dagli stessi sistemi di produzione in officine e montaggio in cantiere; • la forma che si vuole realizzare, poiché la tipologia strutturale scelta, il tipo di acciaio e l’assemblaggio degli elementi della struttura portante determinano l’espressione architettonica della struttura portante stessa nel progetto complessivo di un sistema strutturale e nella definizione dei suoi dettagli costruttivi, il giunto esercita un influenza determinante sulla costruzione. Collegamenti ben proporzionati che rendono visibile il flusso delle forze, profili coordinati tra loro, di colonne, travi e altri sottosistemi unitamente a una caratteristica geometrica ben definita, possono conferire alla costruzione un elevato impatto estetico. La concezione di una struttura portante efficiente e l’accurato studio dei dettagli non richiedono solo raffinatezza tecnica, ma forniscono agli architetti ampia libertà di espressione.

I collegamenti hanno lo scopo di unire tra loro i vari elementi che vanno a comporre la struttura portante in acciaio.

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Bulloni e viti I bulloni e le viti sono tra i più importanti mezzi di collegamento rimovibili utilizzabili nelle costruzioni in acciaio. I vantaggi di questo tipo di collegamento sono: • Semplicità del collegamento nel cantiere officina; • Elevata disponibilità di varietà di bulloni di diversa qualità e resistenza; • Facile smontaggio, presupposto fondamentale per facilitare le operazioni di demolizione e permettere il riutilizzo degli elementi della costruzione.

Fig. 19. Chiodo a testa tonda stretta, chiodo a testa svasata piana, chiodo a testa svasata con calotta.

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Le unioni si dividono in: • unioni chiodate • unioni bullonate, che lavorano a taglio o ad attrito (bulloni ad alta resistenza) • unioni saldate

La possibilità di utilizzo di viti e bulloni nelle costruzioni sono molteplici.

Possono essere realizzate giunzioni per atFig. 20. Bullone sottoposto a taglio-Bullone trito tra lamiere e profili con i più diversi Sottoposto ad attrito. tipi di viti, eventualmente combinate a dadi. Per normali applicazioni in edilizia, il collegamento di elementi strutturali è realizzato esclusivamente con bulloni a testa esagonale o a brugola, calibrati o non calibrati. In funzione del materiale utilizzato(dalla sua classe di resistenza) si distingue tra viti a resistenza normale e viti ad alta resistenza meccanica. Le viti possono essere sollecitate a trazione asFig. 21. Connessione articolata siale o a taglio, oppure esposte a entrambe realizzata con bullonatura. le sollecitazioni. La bullonatura è un sistema di connessione reversibile e particolarmente affidabile; i bulloni sono costituiti da vite e dado e come i chiodi sono soggetti a sforzi di taglio. La distanza tra i bulloni deve rispettare precise regole per evitare che i fori siano troppo ravvicinati, di solito gli interassi tra i fori sono non minori di 2,5 volte il loro diametro.

Fig. 22. Connessioni tra pilastro e trave La posizione degli elementi di giun(sx. con pilastro continuo e trave interrotta, dx con trave continua e ripristino di sezione zione può avere un importante valenza arin corrispondenza del pilastro) chitettonica e viene definita con la stretta collaborazione tra il progettista e lo strutturista. Per motivi formali e costruttivi, può rendersi necessario saldare le viti in un foro filettato rendendo superfluo l’utilizzo del dado.

Generalmente le connessioni effettuate in cantiere sono bullonate mentre le saldature si effettuano in officina.

Saldature Oggi saldatura e fissaggio meccanico possono essere definiti come i due sistemi standard di collegamento per le costruzioni in acciaio. Con la saldatura, gli acciai uguali o per lo meno simili possono essere collegati l’uno con l’altro mediante fusione nella zona della saldatura, dopo una liquefazione o una deformazione plastica. Tutto ciò può avvenire con

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o senza apporto di materiale. Nelle costruzioni in acciaio vengono usati i seguenti processi di saldatura: • saldatura ossiacetilenica.

• saldatura ad ARCO; • saldatura ad arco con elettrodi rivestiti, • saldatura di testa per elettrofusione; Il dettaglio degli elementi da assemFig. 23. Connessione rigida realizzata con blare e la loro funzione strutturale detersaldatura e ripristino della sezione resistente. minano il tipo di giunto e la forma della saldatura. Nella progettazione del giunto, occorre fare in modo che, considerando il tipo di saldatura, sia possibile realizzarla per completa penetrazione e ottenendo una fusione completa dei fianchi del cordolo. Quando si definisce il tipo di saldatura da realizzare, si raccomanda di concordare col ditta incaricata un modello qualitativo come riferimento, così da garantire il raggiungimento del risultato estetico desiderato.

Le saldature in edilizia possono essere effettuate solo da personale debitamente formato.

Su richiesta del progettista della struttura, possono essere effettuati controlli delle saldature da parte di tecnici specializzati, così da poter valutare resilienza, resistenza, deformabilità e difetti delle saldature in specifiche posizioni, utilizzando strumenti quali raggi X e ultrasuoni. Soprattutto nelle saldature eseguite in cantiere, occorre tenere conto della successiva applicazione della protezione contro la corrosione.

STRUTTURE COMPLESSE

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Le strutture in acciaio sono realizzate mediante l’assemblaggio di elementi monodimensionali (profilati) o bidimensionali (lamiere) prodotti in stabilimenti siderurgici e preparati (taglio, foratura, saldatura) in officina. Le strutture in acciaio hanno quindi un grado di vincolo mutuo tra i vari elementi che tende ad essere il minimo possibile pertanto, lo studio dei collegamenti diventa una parte predominante del progetto delle strutture in acciaio, a cui si dedica più tempo e più cura che al progetto delle aste stesse e che spesso condiziona la scelta delle sezioni degli elementi strutturali.

La versatilità dell’acciaio ha ormai raggiunto livelli tali da risultare strumento essenziale per le opere di architettura contemporanea e lo sviluppo tecnologico raggiunto, ormai, dalle macchine per la lavorazione dell’acciaio ha permesso di realizzare forme complesse in modo automatizzato. Il

Fig. 24. La Hearst Tower di N. Foster, New York, 2006, ha un’ossatura in profili d’acciaio alto resistenziale.

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passaggio dall’ ideazione del progettista alla realizzazione in stabilimento e poi in cantiere avviene attraverso l’uso di strumenti digitali così sofisticati al punto di rendere inutile la rappresentazione grafica piana degli elementi componenti la costruzione.

In uno scenario di complesse intersecazioni di competenze specializzate lungo tutto il processo di progettazione e costruzione, l’industria diventa dunque un attore importante e necessario per il raggiungiFig. 25. Passerella Olimpica di Dutton, Camerana. mento di risultati innovativi o all’avanguardia.

Come noto, il nostro paese è maggiormente orientato all’uso di materiali e tecnologie costruttive tradizionali, tuttavia, come emerge da alcuni progetti recentemente realizzati o in programma per il prossimo futuro, l’acciaio dimostra oggi anche da noi i suoi punti di forza nella realizzazione di architetture a grande altezza, grande luce o di forma complessa.

La costruzione metallica è infatti all’avan- Fig. 26. Museo Zentrum Paul Klee, di Renzo Piano, Berna (Svizzera) 2005. guardia e sa avvalersi già da alcuni anni di una potente spinta all’innovazione, data dall’introduzione di nuovi strumenti di progettazione (sofisticati software di modellazione geometrica, calcolo e gestione del progetto), di nuove tecnologie di produzione dei componenti edilizi (le macchine d’officina a controllo numerico, che dialogano con i modelli generati dai software), e di materiali evoluti.

Il materiale “acciaio” è infatti in continua evoluzione tecnologica: questo è tangibile, in particolare, nel campo dell’automotive, dove i nuovi acciai ad alta resistenza trovano sempre più largo impiego per ridurre il peso del veicolo –e quindi i consumi- garantendo al contempo migliorate prestazioni meccaniche e maggiore sicurezza per i passeggeri. Solamente 10 anni fa, il 15% degli acciai utilizzati oggi nella creazione di automobili non esisteva. Un esempio da ricordare, perché di casa a Torino, è la nuova Fiat 500, fatta per il 65% da Ultra ed Advanced High Strenght Steel, gli acciai di ultimissima generazione. Ma anche nel campo dell’edilizia sono oggi disponibili, per le strutture ed i rivestimenti, nuove qualità di acciaio in grado di offrire prestazioni elevate, sia in termini di resistenza meccanica che di resistenza alla corrosione. L’uso ad esempio di profili in acciaio alto resistenziale S460 negli edifici multipiano consente di raggiungere altezze inusitate, con ossature leggere e di sezione ridotta.

In questo momento particolare di ricerca formale in tema di architettura, l’acciaio ha acquistato, ed acquisisce sempre più, un proprio ruolo insostituibile, sia nella costruzione dell’impalcato strutturale di forme “necessarie” o “arbitrarie”, sia nella realizzazione dell’involucro superficiale che si adagia, o determina, la conformazione esterna, “la pelle” di inedite forme spaziali.

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In questa accezione, riferendoci all’opera di Frank O. Gehry – Walt Disney Concert Hall, è difficile collegarla alle forme canoniche e consuete della architettura del passato; in questo caso la sintesi raggiunta tra sistemi e materiali costruttivi, concezione strutturale, configurazione spaziale, sistema funzionale, rappresenta una grande evoluzione nella progettazione architettonica.

FUNZIONALITÀ

Fig. 27. Il Walt Disney Concert Hall di Frank O. Gehry, inagurato nel 2003 - Los Angeles.

La possibilità di concepire spazi interni molto ampi senza strutture intermedie di sostegno è senza dubbio la grande potenzialità dell’acciaio. L’ingombro ridotto delle strutture metalliche (assenza di pilastri e profili più sottili) consente il massimo sfruttamento dell’area coperta, vantaggio difficilmente ottenibile con maFig. 28. Centro ricerche Ferrero, Alba teriali tradizionali; il che si traduce in una maggiore redditività per i complessi industriali, espositivi, logistici, commerciali e per le unità produttive. Grazie alla flessibilità, l’acciaio, regala ampliamenti e sopraelevazioni, risponde ai principali bisogni umani e migliora le condizioni di vita.

La costruzione in acciaio consente la trasformazione architettonica degli edifici in modo semplice e rapido. Funzionalità significa poter prevedere ampliamenti, ristrutturazioni e cambi di destinazione d’uso di un fabbricato o integrazione all’interno dello stesso di diverse funzioni rimodellando gli spazi. Questa eccezionale flessibilità permette di affrontare qualsiasi tipo di intervento, grazie anche alla precisione meccanica delle strutture in acciaio.

La sua funzionalità e versatilità nell’impiego ne fa un materiale competitivo per qualsiasi tipo di realizzazione: uffici, strutture sportive, capannoni industriali, padiglioni fieristici, ponti, aeroporti, stazioni, scuole, ospedali, abitazioni. La competitività delle soluzioni in acciaio è testimonianza non solo della bellezza architettonica, che caratterizza la costruzione personalizzando l’immagine di un’azienda, ma anche di elementi che incidono notevolmente e positivamente sui costi finali della realizzazione: rapidità costruttiva e risparmio nelle fondazioni.

PREFABBRICAZIONE

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L’alto livello di prefabbricabilità delle costruzioni in acciaio, cioè la realizzazione di edifici nei quali le strutture portanti sono realizzate in officina e poi assemblate in cantiere,

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ha già una notevole incidenza nell’edilizia, in termini di risparmio nella fase cantieristica. L’assemblaggio in officina (dove sono garantiti controlli, collaudi e standard qualitativi di assoluta affidabilità) riduce inoltre i rischi dovuti a fattori e condizioni ambientali tipici delle costruzioni in opera in cantiere.

Fig. 29. Stazione AV Porta Susa, Torino.

La standardizzazione delle soluzioni in acciaio è un importante elemento da tenere in considerazione nella valutazione del costo finale (anche in relazione alla minore manodopera richiesta): è possibile ottenere un rapido ritorno degli investimenti, abbattendo gli oneri finanziari ed anticipando il momento in cui l’opera finita inizia a rendere.

Fig. 30. Herma Parking, Corea del Sud. La facilità di assemblaggio dei componenti strutturali nella carpenteria metallica con elementi di tamponamento e copertura in acciaio consente di realizzare rapidamente soluzioni finite “chiavi in mano” in tempi decisamente ridotti rispetto ai sistemi tradizionali, ottimizzando le risorse.

SICUREZZA ALL’INCENDIO

L’inconveniente è rappresentato dal fatto che l’integrità delle strutture edilizie in acciaio è minacciata dalle alte temperature generate dagli incendi e a causa del fatto che esse provocano una consistente perdita di resistenza meccanica al materiale. I criteri generali della sicurezza stabiliti nel 1988 dalla Commissione Fig. 31. Parcheggio Fiera di Stoccarda.

Europea sono stati sviluppati attraverso procedure messe a punto nell’ambito degli Eurocodici, ora disponibili nella versione definitiva approvata da tutti i paesi europei. Come negli altri paesi membri, anche in Italia il nuovo approccio normativo europeo è stato un riferimento per le norme nazionali che hanno subito un sensibile rinnovamento. Le strutture in acciaio possono essere progettate per soddisfare qualunque livello di sicurezza grazie all’applicazione dell’approccio ingegneristico “Fire Safety Engineering” (Decreto del Ministero dell’Interno del 9 maggio 2007) che consente l’analisi della sicurezza di qualsiasi soluzione strutturale.

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SISMORESISTENZA E LEGGEREZZA

Le strutture metalliche assorbono energia sismica utilizzando le elevate riserve plastiche proprie del materiale: dal punto di vista tecnico ciò si traduce nella realizzazione di dettagli costruttivi meno onerosi e pesi strutturali decisamente inferiori a quelli di analoghe soluzioni in materiali tradizionali. Il comportamento duttile, che offre una maggiore capacità di deformazione, è in genere il modo migliore per resistere all’azione dei terremoti. Se si garantisce un comportamento duttile, le energie in eccesso possono essere facilmente assorbite tramite una maggiore dissipazione, grazie alla deformazione plastica dei componenti strutturali.

RICOSTRUZIONE ED ADEGUAMENTO

L’acciaio arriva sempre a soddisfare i principali requisiti per questi tipi di intervento, offrendo a progettisti e committenti diversi vantaggi: qualità architettonica, economicità e rapidità dei lavori, sicurezza e precisione meccanica, recupero di spazi e volumi inutilizzati.

Per la riqualificazione funzionale dell’edificio ottocentesco del Palazzo dell’Ex Unione Militare a Roma, ad esempio, si è impiegata la tecnica del top down, demolendo gli elementi strutturali interni esistenti e procedendo dall’alto verso il basso per la realizzazione dei nuovi. L’elemento maggiormente caratterizzante del progetto è costituito dalla carpenteria metallica denominata «lanterna», ricoperta da speciali specchiature che, con circa 3.200 mq di superficie, attraversa tutti gli orizzontamenti del fabbricato per giungere in copertura dando luogo a una volta trasparente alta fino a 7,5 m.

Fig. 32. Ex palazzo Unione Militare, Roma, progetto, Studio M.Fuksas e D. Fuksas.

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SOSTENIBILITÀ ED EFFICIENZA

Sostenibilità ambientale significa riciclabilità e durabilità. L’acciaio è il materiale più riciclato nel mondo, sono riciclate 14 tonnellate al secondo. L’Italia è il 1° paese europeo per riciclo di rottame ferroso con una media di circa 20 milioni di tonnellate annue di materiale che viene rifuso nelle acciaierie nazionali. Dopo Fig. 33. Great Glasshouse, Galles. aver esaurito le proprie funzioni strutturali il 100% dell’acciaio rottamato viene riciclato (senza perdere alcuna proprietà) e il 99% dei profili (sia piani che lunghi) viene recuperato in quanto facilmente separabile dagli altri materiali. L’acciaio dunque contribuisce, direttamente ed indirettamente, alla conservazione delle risorse naturali.

Il ciclo di vita di un fabbricato in acciaio è notevolmente più lungo di quello di un fabbricato tradizionale, considerando anche la possibilità di modificarne la destinazione d’uso senza gravosi impatti ambientali (nessun materiale da mandare a discarica e nessun consumo di energia per lo smaltimento). Grazie alle moderne tecnologie di zincatura e verniciatura, l’acciaio mantiene intatte le sue proprietà per tutta la vita dell’opera realizzata, contribuendo ad allungare la vita della costruzione. L’acciaio consente inoltre di realizzare edifici ad alta efficienza energetica grazie a sistemi di rivestimento dalle alte prestazioni isolanti.

L’ACCIAIO È ANCHE ENERGIA PULITA

Fotovoltaico ed eolico sono due tipologie di impianti totalmente diverse anche dal punto di vista strutturale; tuttavia l’acciaio in entrambi i casi svolge un ruolo da protagonista. Per il fotovoltaico, prediligendo il posizionamento sui tetti sia per l’esistente che per le nuove costruzioni, i pannelli necessitano di strutture leggere Fig. 34. SIEBB Sino Italian Ecological di sostegno onde evitare ulteriori carichi Energy Building, Pechino. in copertura. La prassi attuale è di collocare i pannelli con sostegni realizzati in profili sottili in acciaio piegati a freddo, in grado di assolvere completamente a questa funzione. I prodotti in acciaio per il mercato del fotovoltaico sono in continua evoluzione: il settore si è arricchito negli ultimi tempi con pannelli di copertura che offrono una facile installazione e fissaggio a qualsiasi modulo fotovoltaico. Per l’eolico è l’aspetto strutturale a far sì che l’acciaio svolga un ruolo decisivo. La necessità di realizzare strutture molto alte e snelle, sia on-shore che off-shore, considerando carichi ciclici, dinamici ecc. (vento, sisma, carichi indotti dall’aerogeneratore…), fa si che

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l’acciaio sia il materiale più idoneo a resistere alle sollecitazioni per le quali la parte portante è progettata. E’ inoltre opportuno sottolineare che le torri eoliche necessitano di essere movimentate e assemblate in situ con facilità: la prefabbricabilità delle strutture in acciaio consente di montare in opera parti già assemblate, facilitando il compito dell’impresa installatrice.

ACCIAI SPECIALI

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La diffusione nel mercato edilizio di materiali e prodotti con caratteristiche innovative, supportata da un’adeguata analisi delle prestazioni raggiungibili, dei campi di applicazione appropriati, dei costi-benefici legati all’utilizzo di tecnologie di punta, può costituire uno dei terreni fertili per far confluire in maniera proficua i differenti know-how provenienti dai settori della ricerca, dell’industria e delle aziende. È una tendenza positiva confermata, ad esempio, dal successo dei materiali compositi nel campo del presidio e rinforzo strutturale, la cui diffusione si sta realizzando in Fig. 35. Strutture spaziali di Wachsmann, anni 30. tempi relativamente brevi proprio grazie alla rispondenza delle caratteristiche prestazionali del materiale a quel determinato tipo di impiego, e che di fatto ha aperto la strada ad ulteriori studi finalizzati alla sperimentazione di lavorazioni e applicazioni innovative.

Sperimentazioni e studi su particolari problemi di giunzione e di peso strutturale hanno portato a procedimenti di saldatura che, accoppiando calore ed elettricità, consentono forme di struttura Fig. 36. Olympiahalle, Frei Otto, 1972. continua e l’unione diretta anche con altri materiali (ad esempio il vetro). Dai settori navali e dall’idraulica sono poi scaturiti i cosiddetti “acciai speciali”, che apparentemente non diversi da quelli tradizionali, offrono prestazioni di più alto livello dal punto di vista statico o da quello costruttivo e della durata: si tratta di acciai ad elevato punto di snervamento (acciai Cx-Ten) che, aumentando il rapporto resistenza/peso, riducono notevolmente gli ingombri delle strutture e il loro peso specifico e complessivo; e di acciai ad elevata resistenza alla corrosione (acciai Cor- Ten), che non richiedono rivestimenti protettivi. L’utilizzazione di questi acciai è risultata di grande importanza nella realizzazione di serbatoi per il trasporto e lo stoccaggio di fluidi e gas.

In architettura si ricordano le strutture spaziali di Wachsmann e di Fuller, negli Stati Uniti; di Makowski, in Gran Bretagna; di Frei Otto e Gunschell, in Germania; di Du Cha-

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teau, Emmerich, Sarger e Sarf; in Francia. Si ricordano inoltre le grandi coperture in “cavi tesi” di Frei Otto.

L’ARCHITETTURA DINAMICA

I grattacieli girevoli, denominati “” rappresentano una sfida all’architettura tradizionale e segnano l’inizio di una Nuova Era in architettura: gli Edifici Dinamici sono “in movimento”, in contraddizione con la stessa idea di Immobile, che è alla base di ogni costruzione.

Al di là della questione semantica, questa nuovo concept di architettura cambierà non solo l’aspetto delle città, ma anche l’idea stessa di modernità, oltre che il rapporto tra edifici e chi vi abita, e tra edifici e l’ambiente che li ospita. Mantenendo una struttura architettonica unica e sempre in evoluzione, il grattacielo offre infinite soluzioni: ogni piano infatti ruota in modo indipendente dagli altri, creando un edificio dalle forme infinite e sempre Fig. 37. Dubai Dynamic Buildings, progettista D.Fisher, verrà progettato a Dubai. diverse. La Torre Girevole è il primo edificio realizzato in fabbrica, tramite moduli pre-assemblati ed offre tutti i vantaggi della produzione industriale, permette di risparmiare energia e di ridurre tempi e costi di costruzione. Dalla costruzione delle piramidi d’Egitto non è cambiato molto nel campo dell’edilizia, si continua metter una pietra sopra l’altra e, anche se si sono aggiunti materiali quali acciaio e cemento armato, oggi la maggior parte degli edifici sono costruiti in loco come quattromila anni fa.

Qualsiasi prodotto è il risultato di un processo industriale e può essere trasportato ovunque nel mondo; produciamo automobili e treni, computer e vestiti in luoghi scelti per la disponibilità di materiali, per la capacità tecnologica, per il costo del lavoro, per l’efficienza e per altri fattori che fanno dei prodotti una combinazione di costo e qualità; sorprende il fatto che il settore dominante dell’econoFig. 38. Processo di assemblaggio dei moduli.

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mia mondiale, il mercato immobiliare e l’edilizia, sia quello rimasto più indietro, il più primitivo.

La “torre rotante” di Dubai come punto di partenza per questa nuova filosofia vanta un contenuto di innovazioni tecnologiche che fino ad oggi non erano nemmeno state considerate, partendo dalla componente rotante che permette il movimento dei piani, alle turbine eoliche per la produzione di energia. Ma nonostante l’altissima qualità dell’edificio, il contenuto di innovazioni e di tecnologie la “torre rotante”, simbolo dell’Architettura Dinamica costerà solo il 10% in più rispetto ad un grattacielo tradizionale “non rotante”, questo grazie ai processi di realizzazione industrializzati; l’Architettura Dinamica, infatti, consente la produzione in fabbrica di qualsiasi soluzione progettuale, anche di edifici composti da elementi pre-assemblati e pronti per essere installati in loco. Le “unità” saranno finite completamente in fabbrica, attrezzate di tutte le condutture idrauliche ed elettriche, rifinite dal pavimento al soffitto, già dotate di bagni, cucine, illuminazione e altri elementi d’arredo.

Sul posto vengono solo agganciate l’una all’altra meccanicamente, consentendo di realizzare un intero edificio in tempi molto brevi.

NANOTECNOLOGIA E ARCHITETTURA

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Negli ultimi anni le innovazioni prodotte nel campo dei materiali hanno radicalmente modificato il modo di concepire e realizzare gli organismi edilizi. Nuovi prodotti e sistemi si affacciano ogni giorno sul mercato, ampliando le alternative a disposizione del progettista, ma anche il bagaglio di conoscenze necessarie per un corretto impiego di tecnologie sempre più innovative basate spesso sull’utilizzo di materiali avanzati.

Fig. 39. Struttura di un Nano tubo di carbonio.

Generalmente è possibile definire come “avanzati” quei materiali che possiedono proprietà meccaniche, termiche, chimiche, elettriche decisamente superiori rispetto ai materiali tradizionali o che presentano elevati livelli prestazionali derivanti da particolari e inedite conformazioni chimico-fisiche. Si tratta di materiali “progettati su misura” per una specifica esigenza, ottimizzando le prestazioni espresse in relazione al “contenuto” materico.

I materiali avanzati impiegati in ambito edilizio derivano spesso da processi di trasferimento tecnologico da altri settori industriali caratterizzati da forti spinte all’innovazione (quali il settore aeronautico, automobilistico o biomedico), in cui la ricerca nel campo di materiali con prestazioni sempre più elevate costituisce una condizione imprescindibile per la realizzazione di prodotti e sistemi più efficienti. Poiché generalmente in edilizia le innovazioni vengono assorbite in tempi più lunghi che in altri settori (sia dal punto di vista della produzione industriale che del progetto di architettura), affinché tali materiali siano acquisiti nella comune prassi costruttiva sono necessari processi di adattamento e di verifica delle

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prestazioni in condizioni d’uso che, uniti alle difficoltà tecnico operative legate all’impiego dei materiali avanzati e all’assenza di normative specifiche, tendono a ritardarne la diffusione.

In un’ottica del costruire sempre più orientata verso l’ottimizzazione e l’affidabilità delle prestazioni di prodotti e sistemi, nonché verso la sostenibilità economica e ambientale degli interventi architettonici, i materiali avanzati sembrano poter contribuire alla realizzazione di soluzioni più efficienti in termini di risparmio di risorse energetiche e materiali nell’intero ciclo di vita, attraverso l’utilizzo di minori quantità di materie prime, la capacità di facilitare e ridurre le operazioni di manutenzione necessarie, di produrre energia pulita o assorbire agenti inquinanti, di garantire durabilità e affidabilità prestazionale nel tempo.

La sperimentazione sui nuovi materiali per l’architettura e l’ingegneria civile è senza dubbio un settore di ricerca sul quale convergono da tempo le attività di ricercatori, progettisti, produttori e imprese di costruzione. La proliferazione di materiali “avanzati”, “innovativi”, o semplicemente “nuovi”, non è solo il frutto di tendenze generali del mercato che spingono verso una continua evoluzione dei prodotti offerti, ma riflette anche una mutata condizione nel rapporto tra l’uomo e le possibilità di trasformaFig. 40. Schematizzazione della zione della materia che ha aperto la strada a una struttura molecolare di un fullerene. diversa modalità nello sviluppo, e perfino nella “creazione”, di nuovi materiali.

Non è facile prevedere gli impatti sull’architettura derivanti dalla crescente diffusione delle nanotecnologie nel campo dei materiali da costruzione. La tradizionale “paletta” di materiali a disposizione dei progettisti sarà ampliata enormemente e sovvertita nelle regole progettuali, poiché sarà possibile associare ai diversi materiali ogni proprietà desiderata, in funzione dell’applicazione prevista.

Attualmente è possibile ottenere, ad esempio, calcestruzzi con caratteristiche simili all’acciaio in termini di peso in rapporto alla capacità portante, materiali ceramici di maggiore resistenza meccanica e tenacità; metalli di maggiore durezza, con elevato carico allo snervamento, particolari proprietà elettriche; polimeri con maggiore resistenza meccanica, al calore Fig. 41. Cupola geodetica di Buckminster Fuller, 1954. e agli attacchi chimici, oppure con migliori proprietà di barriera allo scambio gassoso, migliore conduttività elettrica, resistenza ad agenti atmosferici e all’invecchiamento. Non sarà più possibile, in altre parole, associare ad un materiale una determinata funzione, ma esisteranno piuttosto diverse modalità per raggiungere le prestazioni ricercate, a seconda del materiale che si è deciso di impiegare.

Tuttavia, al di là delle promettenti ed innovative applicazioni relative a prodotti destinati

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al settore edilizio, il rapporto che lega nanotecnologie3 e architettura va ben oltre l’impiego di materiali nanostrutturati negli edifici, investendo aspetti centrali relativi alla progettazione, anche se ad una scala ridotta, tanto da poter dichiarare “nanotechnology is a matter of design”, o più precisamente, secondo una definizione diffusa e condivisa, la nanotecnologia riguarda “il progetto, la caratterizzazione, la produzione e l’applicazione di strutture, dispositivi e sistemi attraverso il controllo della forma e delle dimensioni alla scala nanometrica”. Pur essendo nel complesso una tipologia di progettazione molto diversa da quella cui normalmente gli architetti sono abituati, si comprende la possibile analogia tra progetto del materiale e progetto dell’architettura. Inoltre, le caratteristiche delle strutture alla scala del miliardesimo di metro hanno molto in comune con quelle architettoniche. le direzioni delle forze e le modalità di trasmissione delle tensioni, la serialità e l’aggregabilità su base modulare, la capacità di assorbire liquidi, di trasmettere il calore e l’elettricità, seguono leggi fondamentalmente analoghe tra nanoscala e macroscala. Non a caso, una delle prime nanoparticelle scoperte, i fullereni4, o “buckyballs”, devono il loro nome alla contrazione di “BuckminsterFullerene”, originariamente coniato dagli scopritori in omaggio all’architetto delle cupole geodetiche.

Tra i progetti più ambiziosi che potrebbero vedere la luce grazie all’applicazione di materiali nanostrutturati c’è la Shimizu TRY 2004 Mega-City Pyramid, un’enorme struttura piramidale nella baia di Tokyo, alta 2.004 metri e capace di ospitare 750.000 persone.123 Considerate le enormi dimensione delle aste (circa 550 m, con sistemi di trasporto all’interno), si prevede di realizFig. 42. Shimizu TRY 2004 Mega-City Pyramid, zare il telaio con nano tubi5 di carbonio progettata da Dante Bini, (non ancora costruita), Tokyo. inseriti in matrici cementizie o metalliche, in modo da ottenere elementi strutturali con una elevatissima resistenza meccanica e Il termine “nanotecnologia” viene coniato nel 1974 da Norio Taniguchi della Tokyo Science University, che la definisce come «un processo di riorganizzazione della materia atomo per atomo o molecola per molecola».

4 I fullereni sono una delle diverse forme del carbonio presenti in natura, scoperte per la prima volta nel 1980. Si tratta di molecole di carbonio di forma sferica o tubolare cava, in grado di creare strutture tridimensionali composte da pentagoni ed esagoni (la tipologia di fullerene più conosciuta, il c-60 o buckminsterfullerene (cfr. par. 5.1.1.) ha la forma simile ad un pallone da calcio), dotate di particolari proprietà elettriche.

Possono essere ottenuti a partire dalla grafite, attraverso processi termici, elettrici o meccanici, oppure attraverso processi pirolitici e di trattamento dei rifiuti contenenti carbone.

5 I nanotubi di carbonio sono strutture di forma cilindrica del diametro di circa 1 nm e lunghe anche parecchi millimetri che presentano proprietà meccaniche, termiche ed elettriche non comuni. Possiedono un modulo elastico fino a 5 volte quello dell’acciaio e una resistenza meccanica anche 10 volte superiore (fino a 100 volte sul piano teorico), con una densità 6 volte inferiore. La principale difficoltà risiede nella funzionalizzazione delle particelle e nella possibilità di disporre ordinatamente i nanotubi nella matrice impiegata. Inoltre, il loro costo è inoltre attualmente proibitivo per applicazioni nel settore edilizio (da 20 € a 1000 € al grammo a seconda della qualità), anche se destinato a calare. L’impiego di nanotubi di carbonio in prodotti per l’edilizia (a base cementizia, polimerica, o in sorgenti luminose) rappresenta una delle sfide delle nanotecnologie nel futuro, finalizzate principalmente ad ottenere materiali di eccezionale resistenza meccanica o in grado di automonitorarsi sfruttando le particolari proprietà elettriche.

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duttilità, in grado di rendere la piramide resistente a terremoti e tsunami. Anche l’ambito del recupero sembra destinato ad essere un banco di prova di primo piano per l’impiego di nanotecnologie nel settore delle costruzioni. La possibilità di migliorare le risposte prestazionali dei materiali impiegati attraverso tecnologie dematerializzate fino a diventare praticamente invisibili all’occhio dell’uomo, può risultare determinante quando la principale esigenza, unita alla necessità del recupero “funzionale” di parti ed elementi, è la salvaguardia dei caratteri architettonici e costruttivi . È possibile prevedere, dunque, il ruolo crescente che le nanotecnologie avranno nello sviluppo di prodotti ad altissime prestazioni ottenuti ottimizzando la struttura cristallina del materiale alla scala nanometrica6oppure additivando materiali tradizionali, quali legno, cemento, acciaio, Fig. 43. Particolari della Shimizu TRY 2004 pietra, polimeri tramite nanoparticelle, creMega-City Pyramid. ando nano compositi ultraperformanti.

Simili innovazioni sono state prodotte anche nel campo dell’acciaio, attraverso lo studio dell’influenza delle caratteristiche delle nanostrutture del materiale sulle proprietà meccaniche e sulla durabilità. Possono essere realizzati profili, giunti strutturali, cavi e armature in acciaio, con migliorate caratteristiche di resistenza a fatica e ai carichi dinamici, utilizzando nanoparticelle (ad esempio di rame, molibdeno e vanadio) in grado di modificare il comportamento chimico-fisico dell’acciaio a seconda del variare degli stati tensionali (limitando il rischio di fratture da fatica) oppure migliorando la resistenza agli agenti aggressivi (limitando i processi corrosivi). Oltre all’acciaio, numerose tipologie di leghe metalliche nanostrutturate, inizialmente impiegate nel settore aerospaziale, cominciano ad essere trasferite nel settore edilizio per applicazioni che richiedono di coniugare leggerezza ed elevata resistenza meccanica.

Un nanometro equivale a un milionesimo di millimetro, ossia 10⁹ m. Per avere dei termini di confronto, è possibile pensare che un capello è spesso circa 100.000 nm (circa 0,1 mm), mentre un atomo misura circa 0,15 nm, una molecola di DNA 2,5 nm e un virus 50 nm. Generalmente vengono definiti nanomateriali le strutture cristalline con almeno una delle dimensioni inferiore ai 100 nm (le nanoparticelle comunemente utilizzate hanno tutte e tre le dimensioni inferiori ai 100 nm o poco più).

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CONCLUSIONI

Al termine del percorso di abilitazione, mi accingo a scrivere le conclusione di uno studio che ha arricchito di nozioni significative, l’esperienza già vissuta dell’insegnamento.

La scuola secondo la Costituzione italiana deve “accogliere e promuovere”. Gli “insegnanti significativi” sanno operare secondo questo criterio e stile per costruire l’autostima degli alunni, conquistare la loro fiducia e motivarli ad apprendere. In un’ottica della “comunicazione efficace” ci si dovrebbe impegnare a comprendere, tramite l’analisi dei fatti e dei vissuti delle persone, i profondi mutamenti del nostro tempo, per rispondere tangibilmente e attivamente ai bisogni e alle aspettative della società contemporanea.

Non si deve considerare più questa figura come dispensatore di nozioni, bensì inquadrarla in un’ottica diversa, che vede coinvolti il docente e il discente in un rapporto cooperativo e collaborativo in cui il sapere non è assoluto ma si trasforma in un “saper fare”. Da ciò emergono varie considerazioni e riflessioni sul futuro della scuola come guida per i giovani e come mezzo e ausilio che li conduce, attraverso percorsi mirati, alla vita. Non si apprendono più solo ed esclusivamente nozioni, ma, insieme, si costruiscono valori e ideali che conducono alla realizzazione del soggetto come “Io-persona”.

Per questo motivo ogni insegnante, ogni educatore deve, con profondo senso di responsabilità, porre un forte accento sulla valorizzazione e la formazione di ciascun alunno, che deve essere considerato innanzitutto un uomo ed un cittadino, portatore di un sostanziale diritto e dovere educativo che gli consente una partecipazione cosciente e responsabile alla vita democratica e civile del proprio Paese.

L’insegnamento è un’attività di straordinario spessore morale, una delle più alte e creative dell’uomo: l’insegnante non scrive su materia inerte, ma nell’anima dei propri alunni.

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SITOGRAFIA

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Finito di stampare nel mese di marzo 2018