Non vorrebbe essere questo un trattato di tecnologia sull’acciaio, e non se ne avrebbe nemmeno la presunzione che lo fosse, ma alcuni cenni sono fondamentali per comprendere le radici antiche di questo materiale che ha accompagnato l’uomo nella sua evoluzione, e che solo recentemente sta trovando applicazioni massicce anche per la realizzazioni di unità e complessi residenziali (fantascienza fino pochi anni fa).
Cenni storici delle costruzioni in acciaio
L’acciaio è un derivato del ferro, prende quindi il nome di materiale ferroso o siderurgico ottenuto dalla fusione in altoforno a cui seguono successive lavorazioni. Il ferro ha accompagnato gradualmente e costantemente l’evoluzione dell’uomo.
Basti pensare che persino le età che scandiscono temporaneamente la preistoria prendono il nome dei metalli di cui l’uomo aveva imparato a servirsi. Dall’età della pietra (3 milioni di anni fa fino al 5000 a.C) , all’età del rame ( fino al 3000 a.C), all’età del bronzo ( fino al 750 a.c) fino all’età del ferro…che accompagnano l’avvento delle grandi civiltà del passato, con profondi mutamenti sociali dipesi in buona parte dalle divergenti pratiche agricole, rese possibile dalla disponibilità di utensili ed attrezzi ancora una volta di ferro.
I materiali ferrosi sono di fatto delle leghe composte quasi esclusivamente di ferro e carbonio (in basse percentuali). Gli acciai speciali sono composti da leghe che contengono altri elementi tali da conferire all’acciaio caratteristiche diverse;
In funzione della lega e della percentuale di carbonio si distinguono:
1 – Le ghise (% di carbonio compresa tra i 2,06 e i 4)
2 – Gli acciai (% di carbonio < 2.06)
2.1 – Acciai al carbonio (acciai comuni)
2.1.1 – Acciai da carpenteria (Fe 360Fe 430Fe 510)
2.1.2 – Acciai bassolegati (contenenti elementi di lega in percentuale inferiore al 5%) (Acciaio corten, Acciaio Ex-ten)
2.1.3 – Acciai legati o acciai speciali (contenenti elementi di lega in percentuale superiore al 5%) (Accioio Inox)
3 – Ferro dolce (% di carbonio < 0.1)
Le ghise
Il ferro fuso è ricavato da minerali di ferro presente in natura sotto forma di Magnetite (Fe3O4) ed l’L’Ematite (Fe3O4). Il minerale macinato deve essere portato ad alte temperature ed in origine si impiegarono carbo coKe (carbone e calcare). In questo tipo di processo avviene una reazione chimica in cui si forma monossido di carbonio (CO) mentre il calcare si lega alle impurità formando delle scorie che galleggiano sul metallo fuso e possono pertanto essere eliminate.
Pur tuttavia, la proprietà alla base della produzione del ferro comporta che il materiale in fusione tende ad assorbire carbonio . Il materiale che se ne ricava prende il nome di ghisa (quando la percentuale di carbonio è superiore al 2,06%) un materiale estremamente duro e resistente se impiegato in compressione ma fragile se fatto lavorare in trazione a causa di fessure tra i grani della struttura cristallina, e quindi con dei limiti di applicazione nel settore delle costruzioni, i primi esempi di applicazioni delle ghisa come materiale da costruzione si hanno in Inghilterra.
Cristal Palace. Realizzato in ghisa per l’esposizione universale delle opere dell’industria e delle Nazioni a Londra nel 1851. Si noti l’impiego della struttura ad arco la posizione ravvicinata dei montanti verticali che tende ad eliminare tutti gli sforzi di trazione (flessione).
L’acciaio comune
Si inizia a parlare di acciaio quando la percentuale di carbonio scende sotto la soglia del 2,06%
La sua applicazione al mondo delle costruzioni è tutto sommato recente.
È a cavallo delle 2 rivoluzioni industriali che l’acciaio viene applicato massicciamente al settore delle costruzioni, grazie alla scoperta di metodi di produzione di massa che riuscivano ad eliminare le scorie dal ferro, e all’intensificazione delle attività estrattive delle miniere di carbone.
Nel 1856, Enry Bessemer inventò il convertitore Bessemer che riusciva a ridurre la percentuale di carbonio nel ferro fuso attraverso un processo in cui viene soffiata aria (ossigeno) all’interno del convertitore, legandosi con il carbonio presente nella ghisa fusa colata al suo interno, così da ridurne la percentuale di carbonio attraverso la generazione di anidride carbonica (CO2) come sottoprodotto (disperso in atmosfera).
La riduzione del carbonio fa in modo che la ghisa si trasformi in acciaio.
Dalla semplice produzione di chiodi, tiranti e staffe, il campo di applicazione si è esteso e fino a consentire la realizzazione di ponti, strutture industriali, ferrovie, utensili e attrezzi per l’edilizia, costruzioni navali, veicoli terrestri e aerei.
La maggior parte dei prodotti ferrosi impiegati in edilizia è realizzata con acciai con diversa percentuale (o tenore) di carbonio. A seconda delle lavorazioni subite gli acciai posso essere suddivisi in 2 categorie principali:
- Acciai da costruzione o da carpenteria, prodotti in forma di profili, barre o lamiere
- Acciai per calcestruzzo armato
Con questo materiale si sono superati i limiti costruttivi del passato (ed anche concetti di proporzioni classiche, giacché l’unico limite era il limite tecnico) potendo attingere a nuove forme e dimensioni per avere edifici e manufatti di grande scala, fino all’avvento dei grattacieli.
La torre Eiffel (Gustave Eiffel)completata nel 1889 in occasione dell’esposizione Internazionale di Parigi. Progettata per essere un’opera temporanea, è diventata il simbolo di Parigi e della Francia.
Fu la scuola di Chicago che per prima iniziò ad impiegare sistematicamente l’acciaio nelle costruzioni.
Il primo grattacielo, di 10 piani fuori terra risale al 1885 e fu realizzato proprio a Chicago dall’architetto William Le Baron Jenney che introduce l’uso del telaio metallico.
Con l’innovazione dei forni elettrici (inizio 900) si ha una sensibile riduzione dell’impatto ambientale dell’industria siderurgica, a sua volta responsabile dell’emissione di buona parte dei gas serra.
Il progressivo impiego di rottame come approvvigionamento di materia prima ha contribuito a rendere l’impiego di tale materiale completamente sostenibile.
Caratteristiche dell’acciaio
La composizione chimica e la struttura cristallina influenzano le proprietà meccaniche struttura dell’acciaio è compatta ed omogenea in tutte le direzioni così da renderli simili ad un corpo isotropo, questo comporta che il materiale avrà le stesse caratteristiche prestazionali in tutte le direzioni (anche a trazione).
Inoltro l’acciaio è dotato di:
- Durezza, ovvero resistenza agli urti superficiali
- Duttilità e quindi lavorabile, ancorché capace di deformarsi prima della rottura
- Resistenza alla corrosione
- Buona conducibilità termica
I processi di lavorazione dell’acciaio
Tutti i prodotti in acciaio vendono ricavati da prodotti intermedi o semilavorati che prendono il nome di bramme (se di sezione rettangolare) o billette (se di sezione quadrata).
Le lavorazioni più comuni sono:
- La laminazione (a caldo, a freddo)
- La trafilatura (si ottengono barre per calcestruzzo armato)
- L’estrusione
- Lo stampaggio
- La piegatura
- La fucinatura
- La profilatura
- La zincatura
Ci soffermeremo solo su alcune di queste lavorazioni per restare in tema di acciaio applicato (escludendo i cementi armati) al campo delle costruzioni.
Il processo di laminazione dell’acciaio
È uno dei procedimenti maggiormente impiegati per produrre elementi destinati all’edilizia. Consiste nel far passare il materiale grezzo attraverso una serie di coppie di cilindri, posti a distanze sempre più ravvicinate e rotanti in senso opposto (laminatoi), che ne determinano la riduzione di spessore e il conseguente aumento della lunghezza e della larghezza.
La laminazione può avvenire a caldo e a freddo
Laminazione a caldo dell’acciaio
I profili in acciaio laminati a caldo si ottengono portando le billette a temperature superiori al punto di ricristallizzazione del materiale, (tra i 1000 e i 1300°C) dove il metallo è ancora allo stato solido, ma con la possibilità di essere plasmato nelle forme, attraverso passaggi ripetuti in laminatoi che progressivamente ne riducono lo spessore fino ad ottenere le forme richieste. I profili in commerci sono:
- i profili ad H (HEA, HEB, HEM),
- i profili a T
- a doppio T (IPE)
- i profili angolari
- i profili a U (UPN)
Laminazione a freddo dell’acciaio
Nel caso della laminazione a freddo il materiale (bramme) subisce un notevole incrudimento dovuto alla deformazione e alla frantumazione dei grani cristallini per effetto dell’azione meccanica dei rulli. Con la laminazione a freddo si ottengono prodotti di migliore caratteristiche meccaniche e precisione dimensionale.
Il principale prodotto è la lamiera
- la lamiera (con spessore maggiore di 3 mm)>
- il lamierino ( con spessore minore di 3 mm)
Il lamierino si presta alla produzione di coils (lamiera raccolta in rotoli)
Zincatura dell’acciaio
Lo zinco ha l’importantissima proprietà di offrire elevata resistenza agli agenti atmosferici. E’ usato per rivestire le lamiere di acciaio.
Questo processo prende il nome di zincatura e può essere effettuata con varie tecniche tra le quali si cita:
- zincatura a caldo, immersione (sistema Sendzimir) in un bagno di zinco a 450°C, dove la superficie metallica si amalgama intimamente con lo zinco, dando luogo a carbonato basico di zinco. Può essere applicata su nastri e lamiere da coil in continuo, garantendo una produzione su larga scala.
- Zincatura a freddo con vernici ad elevato tenore di zinco.
- Zincatura elettrolitica, caratterizzata da spessori molto piccoli e grande uniformità superficiale .
- Zincatura a spruzzo, che sostituisce la zincatura a caldo nei manufatti non suscettibili al trattamento di immersione
Piegatura dell’acciaio
Si basa sull’impiego di di punzoni e matrici di varia foggia, che consentono di piegare a spigolo i profili di acciai, è una lavorazione particolarmente usata per le lamiere e per la creazione di profili formati a freddo, da utilizzarsi per la realizzazione di cold steel frame o light steel frame (CFS – LFS)
La lamiera sottile è lavorata a freddo attraverso processi di piegatura lineare; opportunamente conformata assume insospettabili doti di resistenza meccanica a sollecitazioni flettenti o torcenti che rendono possibile il loro impiego anche un semilavorato che prende il nome di coil.
Il metallo subirà in questa lavorazione una deformazione plastica permanete senza che sia tagliato. Le presse possono essere manuali (controllo diretto della piegatura da parte dell’operatore) ma generalmente sono del tipo a controllo numerico computerizzato (CNC)
al fine di produrre con un unico elemento la componente strutturale, ovvero i profili leggeri (il cui spessore è lo spessore della lamiera. I profili finali delle C che possono essere combinate a formare un profilo H. Lo spessore della lamiera va dai 10/10 di millimetro fino a 30/10. Il materiale è estremamente leggere e viene impiegato per la realizzazione di telai che si distinguono per l’estrema leggerezza, facilità di montaggio e modularità.
Applicazione del light steel frame alla casa in acciaio
In definitiva, per quanto descritto, una casa in acciaio può essere strutturalmente composta da:
- Profili laminati a caldo
- Profili laminati a freddo
- Sistemi costruttivi misti
Ricordando che nei profili laminati a caldo avrò:
- alcune componenti prodotte a doc. in funzione del progetto dalla carpenteria
- Alcune componenti che includono saldature (lavorazione aggiuntiva)
- Un passaggio in zincatura
- Trasporto in cantiere
- Montaggio
Nei profili laminato a freddo:
- Si parte da un semilavorato già zincato (la lamiera)
- Produzione dei profili in funzione del progetto con pressopiegatrice CNC
- Giunzioni e preassemblaggio delle pareti direttamente in stabilimento (per setti o settori) che diventano componenti della casa trsportabili su gomma.
- Montaggio diretto in cantiere per bullonaura o con viti autoforanti (molto più veloce)
E’ abbastanza intuitivo che quando imposto le vavorazioni con light steel frame ho un notevole abbattimento dei costi. In termini di costi il light steel frame vince sul laminato a caldo.
