La struttura portante2

L'aspetto di una casa tradizionale in legno strutturale

Il legno è leggero, perché il suo peso specifico è inferiore ai 500 kg/m³, contro, ad esempio, i 2.000-2.500 del cemento armato e i 7.800 dell'acciaio.

È resistente, perché l'efficienza prestazionale del legno ai fini strutturali ha qualità simili a quelle dell'acciaio. L'efficienza prestazionale può essere definita come il rapporto tra il modulo di elasticità E e un parametro di resistenza f (es. resistenza a compressione (meccanica) ).

È economico, perché il suo ciclo di produzione ottimizza l'uso di una risorsa naturale di per sé povera ma rinnovabile, offrendo elementi altrimenti non utilizzabili in natura e limitati solo dalle dimensioni di trasporto. Il legno strutturale è anche affidabile, innovativo e di aspetto gradevole. È affidabile, perché l’intero processo produttivo segue una prassi normata e continuamente monitorata. Il risultato finale è un prodotto dalle prestazioni definite e certificate. È innovativo, perché le tecniche di progettazione, lavorazione, assemblaggio e giunzione sono in continua evoluzione e offrono sempre nuove possibilità sia in termini di fattibilità che di contenimento dei costi. È di aspetto gradevole, perché il materiale viene selezionato anche sotto l’aspetto estetico per essere presentato, in tutta la sua naturalezza, compatto e privo di difetti. Tra i suoi tanti vantaggi possiamo annoverare anche il fatto che sia

• un buon isolante termico, elettrico ed acustico;
• un materiale igroscopico, in grado quindi di assorbire le variazioni di umidità dell’ambiente;
• un materiale organico, composto da circa il 50% di carbonio , dal 42% di ossigeno , dal 6% di idrogeno , 1% di azoto e 1% di elementi diversi.

Un’altra grande opportunità di impiego del legno nelle costruzioni è oggi offerta dai centri di lavoro a controllo numerico. Tale tecnologie, veramente sofisticate e raffinate, proiettano il progetto col legno verso scenari finora nemmeno immaginabili. Con tali macchine la lavorazione del legno supera il condizionamento del tempo – la lavorazione di taluni particolari costruttivi difficili e complicati viene eseguita in pochi secondi – e si potrà sempre più eliminare la presenza dell’acciaio, spesso fonte di patologie in molti componenti lignei.

Miyajima, Giappone. Uno dei ponti simbolici del tempio

Tra le peculiarità del legno vanno evidenziati alcuni aspetti legati all’ ambiente e alla sua tutela. Il legno, infatti, è un materiale naturale e una delle energie rinnovabili , richiede un basso contenuto di energia durante la fase di produzione ed è biodegradabile oltre che facilmente inseribile nel processo di rigenerazione. La coltivazione della materia prima aiuta il pianeta Terra . Infatti, per uso industriale, il legname viene sottoposto a segagione solo in fase di invecchiamento, mentre sono le piante giovani quelle che trasformano più anidride carbonica in ossigeno , attraverso la fotosintesi clorofilliana . A confronto con materiali metallici, plastici o cementizi, gli elementi strutturali in legno richiedono poca energia primaria per essere prodotti. Assumendo come unità di misura le MJ/ton: il valore per le strutture in legno è 1, per il cemento armato 4, per il laterizio 6, per il vetro 24, per l’ acciaio 60, per l’ alluminio 250, per il titanio 800 e per le fibre composite 4.000. Nel ciclo completo di vita di una costruzione, lo smaltimento e il relativo riciclaggio dei rifiuti di una struttura in legno costituisce un onere minore rispetto ad altre tecnologie costruttive, se non addirittura una risorsa, laddove è possibile riutilizzarlo in altre forme.

Progetto del telaio in legno strutturale

Mentre, per motivi commerciali, le travi di legno massiccio non vengono più trattate in essiccatoio , le tavole e gli sfogliati impiegati per realizzare il legno lamellare e i compensati devono obbligatoriamente essere soggette al controllo dell' umidità del legno .

Il fenomeno più difficile da gestire, da un punto di vista estetico, e il punto di saturazione delle fibre legnose .

Jena, Germania. Esecuzione del telaio in legno strutturale di una casa

Essendo da sempre elemento di commercio , il legname va accuratamente selezionato in funzione della provenienza, per evitare la distruzione delle foreste dell' Amazzonia o dell' Asia . Pertanto è sempre bene controllare che sia soggetto a certificazioni di qualità PEFC o FSC (Forest Stewardship Council).

Assemblaggio di pareti prefabbricate in legno strutturale

Per edilizia sostenibile si intende un’edilizia che soddisfi possibilmente ogni bisogno dell’attuale generazione senza limitare la capacità delle generazioni future di soddisfare le proprie. Si tratta di un processo che promuove lo sviluppo economico salvaguardando la salute dei singoli, della società e dell’ ecosistema , senza sprecare risorse . Identifica il progressivo adeguamento al principio di sostenibilità del modo di costruire e di trasformare il territorio. Utilizzare il legno come materiale strutturale diviene una scelta naturale per una edilizia sostenibile. Infatti i principi generali su cui essa si basa sono:

• l'utilizzo di materiali rinnovabili, traspiranti e gradevoli al tatto e viceversa la riduzione del consumo di risorse non rinnovabili;
• la riduzione del consumo di energia in tutte le fasi del ciclo di vita dell’edificio: produzione , trasporto, costruzione, esercizio, demolizione e smaltimento;
• la minimizzazione dell’impatto su suolo , acqua ed aria in tutte le fasi del ciclo di vita dell'edificio;
• rendere facili le rimozioni, sostituzioni o integrazioni.
• minimizzare l' inquinamento dell’ ambiente abitato e i possibili danni alla salute degli occupanti.

Il legno strutturale in edilizia è dunque un prodotto valido sia per tecnica di produzione che per rispetto ambientale ed ecocompatibilità.

Balloon frame (letteralmente "struttura a pallone") è una tecnica di costruzione inventata nei primi anni del 1900 , utilizzata per la realizzazione di edifici in legno prevalentemente in Scandinavia , Canada e negli USA . È costituita da una serie di listelli in legno di dimensioni unificate, unite mediante chiodatura e ritmate da sequenze modulari. Tavole disposte diagonalmente ne assicurano il controventamento , mentre altre tavole disposte in orizzontale proteggono l'edificio dall'esterno formandone anche la facciata .

Si differenzia delle tradizionali strutture in legno , per l'assenza di elementi di principali e secondari. Tale tecnica costruttiva permette di velocizzare la fase di costruzione in cantiere permettendo di svolgere la maggior parte delle lavorazioni in officina .

Le aperture, porte e finestre, sono necessariamente multipli del modulo fondamentale.

Da tale sistema costruttivo deriva l'attuale sistema di prefabbricazione di edifici in legno ampiamente diffuso nel mercato residenziale extra urbano degli USA .

Progetto delle pareti in legno strutturale (balloon frame)

È possibile consultare un glossario in lingua italiana dei termini riferibili al legno strutturale. [1]

Esiste un glossario più completo, corredato da disegni esplicativi, in lingua inglese. [2]

Poiché l'attuale cultura sul legno strutturale è prevalentemente straniera, può essere utile un traduttore dei termini tecnici. [3]

Progetto delle pareti in legno strutturale (sistema Balloon frame)

Prodotti: trave in legno massiccio monolitica; trave in legno massiccio giuntata; trave realizzata con tavole incollate; trave in legno lamellare ; trave di piallacci stratificati; compensato di tavole; compensato di piallacci.

Elementi costruttivi: capriata , centina .

Opere da costruzione: solaio in legno strutturale, tetto in legno strutturale, copertura in legno strutturale, casa in legno strutturale, casa passiva , ponte in legno strutturale.

Hagia Sophia, Istanbul. Tipico edificio in legno strutturale	Anche le più vecchie strutture in legno possono essere facilmente rinnovate	Bergfelde, Germania. Una moderna casa in legno strutturale	Lillehammer, Norvegia. Edificio per lo sport
Le pareti in legno strutturale possono essere interamente prefabbricate	Lillehammer, Norvegia. Edificio per lo sport	Kielcach, Polonia. Edificio per lo sport	Miskolc, Ungheria. Edificio per lo sport

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Particolare della Tour Eiffel , uno dei primi esempi di grandi costruzioni in acciaio.

Acciaio è il nome dato ad una lega composta principalmente da ferro e carbonio , quest'ultimo in percentuale non superiore al 2, 11%: oltre tale limite, le proprietà del materiale cambiano e la lega assume la denominazione di ghisa .

Oltre al carbonio possono essere presenti degli ulteriori elementi alliganti . In base alla composizione chimica gli acciai si possono distinguere in tre gruppi:

• acciai non legati
• acciai leggermente legati (basso legati)
• " acciai legati ".

Il carbonio si presenta esclusivamente sotto forma di cementite o carburo di ferro . Le particelle di cementite presenti nella microstruttura dell'acciaio, in determinate condizioni, bloccano gli scorrimenti delle dislocazioni , conferendo all'acciaio caratteristiche meccaniche migliori di quelle del ferro puro.
Gli acciai sono leghe sempre plastiche a caldo, cioè fucinabili , a differenza delle ghise .

Vengono detti acciai dolci quegli acciai al carbonio con una percentuale di carbonio inferiore all'1%; essi sono i più comuni e meno pregiati. [1] [2]

Per approfondire, vedi la voce Storia della siderurgia .

L'importanza dell'acciaio è enorme, i suoi usi sono innumerevoli, come anche le varietà in cui esso viene prodotto: senza la disponibilità di acciaio in quantità e a basso costo, la rivoluzione industriale non sarebbe stata possibile. Col passare del tempo le tecniche di produzione dell'acciaio si sono andate perfezionando e settorializzando , per cui ai nostri giorni esistono molteplici tipologie di acciai, ciascuna relativa a diverse esigenze progettuali e di mercato.

Per approfondire, vedi le voci Centro siderurgico e Lavorazione mineraria .

Produzione dell'acciaio.

Attualmente nel mondo si producono ogni anno oltre 1 miliardo di tonnellate di acciaio [3] , successivamente lavorato tramite diversi processi di produzione industriale , quali ad esempio la fusione , la forgiatura , il trattamento termico e lo stampaggio .

Per approfondire, vedi la voce ferro .

Il processo industriale siderurgico comincia con l'estrazione dei minerali metalliferi contenenti il ferro (che non si trova allo stato puro in natura) dalle cave o dalle miniere. Come per molti metalli, si effettua la frantumazione dei minerali estratti ed una successiva macinazione. Questi vengono lavati da polveri ed impurità e categorizzati a seconda della concentrazione dei metalli contenuti mediante separazione magnetica o gravitazionale. Seguono poi le operazioni di flottazione , vagliatura , calibratura , essiccazione , calcinazione e arrostimento dei minerali. A questo punto i minerali di ferro sono stati ripuliti dalla maggior parte delle impurità e sono pronti per essere fusi negli altiforni [4] .

Per approfondire, vedi la voce Altoforno .

L'altoforno dismesso ed ora abbattuto presso il centro siderurgico di Genova-Cornigliano.

La ghisa è una lega ferro - carbonio a tenore di carbonio relativamente alto (> 2, 06% fino al 6%); è il prodotto finito risultante dai processi chimici e termici che avvengono all'interno dell' altoforno . La lavorazione inizia con la preparazione della cosiddetta "carica", ossia un composto di minerale ferroso, coke e calcare, dopodiché questa è introdotta nella bocca dell'altoforno, posta alla sua cima, da montacarichi a piano inclinato. All'interno, l'aria calda proveniente dal Cowper [5] surriscalda il coke , che diventa subito incandescente grazie all'ossigeno in esso contenuto. Grazie alla formazione di monossido di carbonio (CO) avviene la seguente reazione: FeO + CO -> Fe + CO2, ossia si separa l'ossigeno dal ferro presente nei minerali caricati.
Intanto l'ossido di carbonio, salendo verso la bocca dell'altoforno, si scinde parzialmente in anidride carbonica e in carbonio libero (C), producendo molto calore; la corrente calda dei gas nell'ultima parte del tino dell'altoforno riscalda i materiali solidi freddi provocandone la disidratazione. Il processo è continuo, lo si interrompe solo quando la struttura del forno, dopo anni d'utilizzo, va rivestita nuovamente con materiale inerte o riparata. L'estrazione della ghisa fusa (spillatura) e delle scorie avviene col forno acceso. La spillatura avviene solitamente ogni 3-4 ore, ma tra il caricamento e l'estrazione del prodotto finito si calcola che intercorrano 6 ore. Durante la colata all'esterno il vento caldo proveniente dal Cowper viene arrestato (il crogiolo rimane caldo per circa un'ora senza aria calda) .
La ghisa prodotta viene messa in lingottiere e lasciata raffreddare, dopodiché può essere inviata all'acciaieria o alla fonderia o ancora lavorata ulteriormente e venduta così com'è [4] .

Un convertitore Bessemer

Sezione di un convertitore Bessemer

All'uscita dall'altoforno la ghisa presenta un tasso di carbonio ancora elevato, rendendola particolarmente dura e fragile, ovvero di scarso interesse industriale. Essa è quindi trattata in apposite strutture (convertitori), qui è investita da un getto d'aria continuo, grazie al quale il carbonio presente nella ghisa si combina con l'ossigeno dell'aria, formando anidride carbonica, smaltita attraverso i fumi, insieme ad altre impurezze presenti nella ghisa. Durante tutto il processo d'affinazione della ghisa in acciaio, si toccano temperature prossime ai 1000 °C e non è necessario fornire ingenti quantità di calore; poiché la reazione di formazione dell'anidride carbonica, essendo fortemente esotermica, consente al processo di autoalimentarsi. Per la fabbricazione dell'acciaio sono state usate diverse tecniche per l'affinazione della ghisa, che vedono l'utilizzo di rottami. Alcuni di questi procedimenti ancora oggi sono usati. I più diffusi sono o sono stati:

• La Tecnica del " puddellaggio " : era quella adottata prima del 1860 , quando si diffuse l'uso del forno Martin-Siemens . La ghisa veniva versata in un crogiolo riscaldato dal carbone posto sotto di esso in una camera di combustione separata. La fiamma e i fumi caldi prima di essere dispersi in atmosfera surriscaldavano la superficie del crogiolo; il bagno metallico ivi contenuto veniva così riscaldato e si poteva procedere all'affinazione della ghisa. Purtroppo però la temperatura raggiunta non era mai sufficiente affinché la massa metallica rimanesse fluida e fusa. Per questo gli operai dovevano continuamente rimestare e agitare il bagno affinché non si raffreddasse e non si solidificasse (il nome di questa tecnica deriva dal verbo inglese to puddle , ossia rimestare, mescolare una massa).

• Il Processo al forno Martin-Siemens : l'affinazione avviene in due tempi distinti. Il primo consiste nell'ossidazione del bagno di metallo fuso all'interno del forno, il secondo consiste nella desolforazione del bagno e la liberazione degli ossidi di ferro. Quest'ultima operazione avviene all'interno di una siviera dove è colato il metallo fuso. Dopo la colata e la creazione della scoria (scorificazione), il metallo è lasciato riposare in modo che si liberino i rimanenti gas in esso contenuti, dopodiché si procede al colaggio nelle lingottiere.

• I Processi al convertitore : contemporaneamente al processo al forno Martin-Siemens venne sviluppato quello al convertitore. Esso nacque nel 1856 dall'idea di Henry Bessemer di far attraversare la ghisa liquida da un getto d'aria compressa insufflata da fori posti sul fondo del crogiolo. L'inventore inglese notò l'estrema facilità con cui il carbonio, il silicio e il manganese si combinavano con l'ossigeno. Dato che queste sostanze erano presenti nella ghisa fusa, volle applicare la sua intuizione alla siderurgia per affinare la ghisa dalle sostanze dannose per la lega metallica risultante. Inoltre, l'ingegnere inglese volle trovare il modo di produrre molto calore così che la temperatura del bagno si mantenesse costante. Il convertitore da lui inventato fu fornito di un rivestimento refrattario acido, per questo il processo era acido e poteva convertire solo ghisa ad alto tenore di silicio, quindi inadatto alle ghise ad alto tenore di fosforo. Dato questo limite strutturale nel 1879 fu ideato da Thomas e Gilcrist un convertitore con rivestimento basico.
  Più recentemente si è diffuso l'uso di un convertitore dove viene soffiato solo ossigeno al disopra del bagno: il cosiddetto convertitore a ossigeno . Il più diffuso è il convertitore L.D. , che permette di lavorare la ghisa fusa con un'aggiunta di rottame fino al 30%.

• Il Processo al forno elettrico : è usato per la produzione d'acciai speciali . La nascita dei primi forni elettrici risale all'inizio del 1900 . Il funzionamento consisteva nella fusione dei rottami ferrosi nel forno fusorio, grazie al calore sprigionato da un arco voltaico generato tra tre elettrodi di graffite ed il rottame sottostante [4] .

Per approfondire, vedi la voce Colata in lingottiera .

La siviera dove è stato colato l'acciaio presenta un foro sul fondo aperto da un dispositivo a spina; sulla parete del contenitore sono posti due perni per il suo sollevamento e un maniglione per il suo rovesciamento. Una volta sollevata, la siviera è posta sopra a delle lingottiere in ghisa e si procede al colaggio del metallo. Esistono tre sistemi per versare l'acciaio nelle lingottiere:

Dopo il colaggio le lingottiere vengono portate nel reparto per lo strippaggio , ossia si estraggono i lingotti appena solidificati dalle lingottiere. Queste sono capovolte e, tramite due becchi posti ai lati, con due speciali tenaglie si provvede a sfilare il lingotto dal contenitore [6] .

Per approfondire, vedi la voce Colata continua .

Colata continua in una acciaieria.

La colata continua è un procedimento più recente della colata in lingotti, che abbina il processo di solidificazione alla laminazione primaria [7] .

Dopo la fabbricazione dell'acciaio liquido, esso viene portato con recipienti, detti siviere , alla macchina di colaggio; le siviere sono in acciaio rivestite di adeguato materiale refrattario . A seconda della capacità del forno, le siviere hanno una capacità di 60÷300 t . L'acciaio viene passato dalla siviera in un recipiente detto paniera , e da questo colato tramite un tubo, detto tuffante (o scaricatore ), ad una lingottiera in rame raffreddata, che può avere varie forme (rettangolare, quadrata o tonda). A seconda della forma del prodotto grezzo colato il processo di colaggio si differenzia in forma di prodotti piani o lunghi . I prodotti piani hanno solitamente dimensioni comprese fra 1 e 2 metri e spessore di 150÷250 mm . I prodotti lunghi possono essere tondi con diametri fra 180 e 700 mm, oppure a sezione quadrata o rettangolare, di dimensioni 140÷160 mm o infine con dimensioni fra 200 e 400 mm.

Nella lingottiera l'acciaio inizia a solidificare e forma un guscio solido che costituisce la parte esterna del prodotto finale. La solidificazione si completa nella fase immediatamente successiva, attraverso il raffreddamento secondario . Questo viene svolto da una serie di ugelli che spruzzano acqua sulla superficie del prodotto in fase di solidificazione. A solidificazione ultimata, il prodotto grezzo viene sezionato nella macchina di taglio in parti di lunghezza definita ed è quindi pronto per la fase successiva di laminazione, eventualmente preceduta da trattamenti termici.

La colata continua ha portato a fine anni settanta all'introduzione di un nuovo tipo di impianto siderurgico, chiamato mini-mill . L'acciaio è prodotto dalla fusione tramite fornace ad arco elettrico (vedi sezione precedente) di rottami ferrosi e successivamente colato in modo continuo in billette di piccola sezione per essere lavorato in coils , funi o altri semilavorati . Rispetto alla produzione tradizionale ( cokeria - altoforno) questo approccio ha il vantaggio di essere estremamente più flessibile, dal momento che la produzione può essere rallentata o fermata spegnendo la fornace ad arco elettrico, in accordo alle fluttuazioni correnti del mercato dell'acciaio.

Esistono moltissimi tipi di acciaio, le cui composizioni e denominazioni sono stabilite da apposite norme tecniche: in Europa le Euronorme (EN) emesse dal Comitato Europeo di Normazione (CEN) e in America l' ASTM ( America Society Testing Materials ), in collaborazione con l' AISI ( American Iron and Steel Institute ) ed internazionalmente le ISO (International Standard Institute).

Gli acciai possono essere classificati in:

• Gruppo I (UNI EN 10027-2): acciai di base e di qualità .
• Gruppo II: acciai speciali (differiscono dagli altri acciai per la loro composizione chimica ).