Renato Cannarozzo Lanfranco Cucchiarini William Meschieri Vera Zavanella
Topografia e Costruzioni
Costruzioni per Geotecnico
Resistenza dei materiali, elementi strutturali, calcoli di dimensionamento, idraulica
Renato Cannarozzo Lanfranco Cucchiarini William Meschieri Vera Zavanella
Topograða e Costruzioni
Costruzioni per Geotecnico
Resistenza dei materiali, elementi strutturali, calcoli di dimensionamento, idraulica
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Indice MODULO
B2
A Materiali per l’edilizia
A1
Proprietà dei materiali
Materiali, prestazioni, proprietà 3 Misura delle proprietà 4 Classificazione delle proprietà 7 Proprietà di base 8 Reazione al fuoco Qualità e certificazione 10 AUTOVALUTAZIONE 12 1 2 3 4 5 6
A2
Sostenibilità dei materiali
Ciclo di vita 15 Ecosostenibilità e biocompatibilità 17 Proprietà ambientali 18 Qualità e certificazione ambientale 21 AUTOVALUTAZIONE 23 MODULO
B Materiali naturali
MODULO
C C1
Metalli e leghe
1 Introduzione 61 2 Leghe ferro carbonio: storia
del processo produttivo Leghe ferro carbonio: processo produttivo attuale Ghisa e acciaio 62 Prodotti di acciaio 63 Leghe di alluminio 68 Rame 69 AUTOVALUTAZIONE 70 3 4 5 6 7
C2
Legno
Introduzione 27 Materia prima 28 Proprietà caratteristiche 30 Prodotti di legno massiccio 33 Prodotti derivati 35 AUTOVALUTAZIONE 40 1 2 3 4 5
Rocce 43 Graniti, marmi, pietre 44 Proprietà caratteristiche 46 Processo produttivo 48 Prodotti lapidei 50 Muri di pietra 52 Muri di terra 54 AUTOVALUTAZIONE 57 1 2 3 4 5 6 7
Materiali artificiali
1 2 3 4
B1
Rocce naturali
Materiali ceramici
Introduzione 73 Argille 74 Ceramici tradizionali: ciclo produttivo 75 Prodotti tradizionali 77 Laterizi 79 Muri di laterizio 82 AUTOVALUTAZIONE 88 1 2 3 4 5 6
III Cannarozzo, Cucchiarini, Meschieri, Zavanella COSTRUZIONI © Zanichelli 2012 per Geotecnico
INDICE
3 Inerzia dei sistemi continui 149 4 Ellisse centrale d’inerzia 152 5 Esercizi di riepilogo 156
MODULO
D
AUTOVALUTAZIONE 159
Le forze
MODULO
D1
Modello delle forze
Concetto di forza. Forze concentrate e forze distribuite 93 Unità di misura delle forze 94 Vettori 97 Scomposizione di un vettore secondo due direzioni 98 Momento di un vettore rispetto a un punto 101 Parametri del vettore 105 AUTOVALUTAZIONE 106 1 2 3 4 5 6
D2
Sistemi di forze
Sistemi di forze concentrate 109 Sistemi equivalenti a un momento 111 Sistemi equilibrati 114 Sistemi equivalenti a una forza 116 Particolari sistemi di forze 119 Sistemi di forze distribuite 124 Effetti delle forze 125 AUTOVALUTAZIONE 127 1 2 3 4 5 6 7
MODULO
E La geometria delle sezioni
E1
Momento statico e baricentro
Geometria delle masse 131 Massa totale e baricentro del sistema 133 Baricentro di linee Baricentro di sezioni elementari 137 Baricentro di sezioni composte 139 AUTOVALUTAZIONE 142 1 2 3 4 5
E2
Inerzia
1 Inerzia dei sistemi discreti 145 2 Sistemi continui: somma di infiniti termini
infinitamente piccoli 147
F Vincoli ed elementi isostatici
F1
Equilibrio degli elementi rigidi
Elementi strutturali e gradi di libertà 163 Vincoli esterni 163 Gradi di libertà e gradi di vincolo 167 Reazioni dei vincoli 171 Equilibrio delle forze esterne 171 Reazioni vincolari degli elementi rigidi 172 Considerazioni sul calcolo delle reazioni 176 Reazioni degli elementi rigidi: ricerca grafica AUTOVALUTAZIONE 185 1 2 3 4 5 6 7 8
F2 1 2 3 4 5 6
Equilibrio degli elementi articolati
Elementi articolati, vincoli interni e gradi di libertà Elementi articolati isostatici: reazioni vincolari Archi a tre cerniere Travi Gerber Elementi reticolari Calcolo degli sforzi delle aste
AUTOVALUTAZIONE MODULO
G Le sollecitazioni e le tensioni
G1
Sollecitazioni e azioni interne
Sforzo normale, taglio e momento 189 Calcolo delle azioni interne 191 Andamento delle azioni interne 193 Diagrammi delle azioni interne 195 Casi notevoli 196 Esercizi di riepilogo AUTOVALUTAZIONE 202 1 2 3 4 5 6
IV Cannarozzo, Cucchiarini, Meschieri, Zavanella COSTRUZIONI © Zanichelli 2012 per Geotecnico
INDICE
G2
Tensioni normali
Effetti della sollecitazione: deformazioni e tensioni 205 Tensioni dovute a N: sforzo normale semplice 206 Tensioni dovute a M: flessione retta 208 Tensioni dovute a M: flessione deviata 214 Sezione ottimale per resistere a flessione 216 Esercizi di riepilogo AUTOVALUTAZIONE 218 1 2 3 4 5 6
G3
Tensioni tangenziali
Principio di reciprocità alle tensioni tangenziali 241 Torsione semplice: sezione circolare 242 Torsione semplice: altre sezioni Taglio semplice 244 Taglio in presenza di flessione 245 Applicazioni ed esempi 249 AUTOVALUTAZIONE 232 1 2 3 4 5 6
G4
Tensioni composte
1 Flessione e taglio 235 2 Sforzo normale e momento flettente 237 3 Sforzo normale e momento flettente: sezione generica
H2
Normativa 269 Comportamento del materiale 269 Classificazione 272 Resistenze di calcolo 273 Geometria delle sezioni e criterio di resistenza 275 Sezioni tese e compresse 276 Sezioni inflesse 278 AUTOVALUTAZIONE 280 1 2 3 4 5 6 7
H3
Normativa 283 Comportamento meccanico e resistenza di calcolo 283 Geometria delle sezioni 285 Verifiche alle tensioni ammissibili 287 Oltre la tensione ammissibile (MSL) 291 Capacità plastica delle sezioni 292 SLU di resistenza al momento flettente 294 SLU di resistenza al taglio 296 SLU di resistenza allo sforzo normale 297 AUTOVALUTAZIONE 299 MODULO
I Deformazioni ed elementi iperstatici
AUTOVALUTAZIONE 248
I1
MODULO
H Materiali e resistenza
H1
Sezioni resistenti
Normativa strutturale 253 Proprietà meccaniche dei materiali 254 Comportamento dei materiali strutturali 255 Resistenza dei materiali 258 Resistenza delle sezioni 260 Dimensionamento delle sezioni omogenee 262 AUTOVALUTAZIONE 266 1 2 3 4 5 6
Sezioni di acciaio
1 2 3 4 5 6 7 8 9
e sezione rettangolare 240 4 Piccola e grande eccentricità 243 5 Sezioni non reagenti a trazione 246 6 Esercizi di riepilogo
Sezioni di legno
Deformazioni elastiche
Elasticità e piccole deformazioni 305 Deformazioni dovute a N 306 Deformazioni dovute a M 308 Deformazioni delle travi inflesse 311 Deformazioni massime: casi notevoli 313 Metodo cinematico Travi appoggiate: metodo generale Il controllo della deformazione 316 AUTOVALUTAZIONE 318 1 2 3 4 5 6 7 8
I2
Elementi iperstatici
1 Indeterminazione statica 321 2 Equilibrio elastico 322 3 Travi a una campata 326
V Cannarozzo, Cucchiarini, Meschieri, Zavanella COSTRUZIONI © Zanichelli 2012 per Geotecnico
INDICE
Travi continue 330 Osservazioni sulle travi continue 336 Portali e telai 339 Metodo delle deformazioni Comportamento plastico delle travi continue 343 Analisi elastica con ridistribuzioni 345 AUTOVALUTAZIONE 349 4 5 6 7 8 9
I3
Instabilità dell’equilibrio
Instabilità e grandi deformazioni 353 Instabilità delle aste compresse 354 Resistenza e stabilità alla compressione 357 Verifica di resistenza e verifica di stabilità 358 Instabilità delle aste inflesse 361 AUTOVALUTAZIONE 365 1 2 3 4 5
L3
Elementi strutturali omogenei
1 Elementi lineari:
travi, archi e pilastri 411 2 Elementi piani:
piastre, lastre e gusci 412 3 Elementi di piano 416 4 Elementi di copertura 423 5 Coperture in acciaio:
applicazione 6 Archi 7 Architravi 429 8 Scale 432 AUTOVALUTAZIONE 436
MODULO
M
MODULO
L
Idraulica
Analisi dei carichi e metodi di calcolo
L1
Dalla realtà allo schema strutturale
Dalla realtà allo schema strutturale 371 Azioni elementari sulle costruzioni 375 Carichi permanenti 377 Quali strati nel pacchetto? 380 Carichi variabili di origine antropica (carichi di esercizio) 383 Carichi variabili di origine ambientale (neve e vento) 384 Analisi dei carichi 389 AUTOVALUTAZIONE 392 1 2 3 4 5 6 7
L2
Combinazione dei carichi e metodi di calcolo
Che cos’è uno stato limite 395 Lo schema di calcolo più gravoso 396 Valori di progetto dei carichi 398 Combinazioni di carico 402 Metodi di calcolo: MSL o MTA? 405 AUTOVALUTAZIONE 408 1 2 3 4 5
M1
Idrostatica
Proprietà dei liquidi 441 Pressione nei liquidi in quiete 443 Spinta idrostatica sulle pareti 448 Opere di contenimento e di sbarramento 452 AUTOVALUTAZIONE 455 1 2 3 4
M2
Idrodinamica
Moto dei liquidi perfetti 459 Moto dei liquidi reali 466 Condotte in pressione 471 Calcolo delle condotte brevi 473 Calcolo delle condotte lunghe 474 Resistenza delle condotte 486 Calcolo dei canali 487 Canali: esempi di calcolo 493 AUTOVALUTAZIONE 496 1 2 3 4 5 6 7 8
Normativa 498
VI Cannarozzo, Cucchiarini, Meschieri, Zavanella COSTRUZIONI © Zanichelli 2012 per Geotecnico
MODULO
A
Materiali per l’edilizia A1 Proprietà dei materiali UNITÀ A2 Sostenibilità dei materiali UNITÀ
La maggior parte dei materiali da costruzione, descritti nei trattati di architettura è rimasta invariata per secoli. Vitruvio (I secolo a.C.) parla di legno, pietra, terra, laterizio, calce, sabbia, piombo, vetro; Leon Battista Alberti (1400) aggiunge ferro e rame ai materiali sopra elencati; Rondelet (1800) ricorda legno, pietra, terra cruda e terra cotta, malte di calce, gesso; nei trattati di fine ’800 compaiono la ghisa e l’acciaio e, circa nel 1920, il cemento armato. Fino ad allora il progettista sceglieva i materiali in base a pochi criteri, di tipo funzionale e strettamente economico. In pochi decenni la situazione è del tutto cambiata. L’immissione sul mercato di prodotti innovativi (ceramici, sintetici, compositi) è sempre più vasta, mentre i materiali della tradizione non sono più gli stessi per raffinatezza produttiva, miglioramento delle proprietà e complessità di applicazione. La consapevolezza dei problemi ambientali, inoltre, costringe oggi il progettista a valutazioni più attente e articolate nella scelta dei materiali, legate anche a criteri di sostenibilità.
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UNITÀ
A1
Proprietà dei materiali
TEORIA
1 Materiali, prestazioni, proprietà
2 Misura delle proprietà 3 Classificazione delle proprietà
4 Proprietà di base 5 Reazione al fuoco 6 Qualità e certificazione AUTOVALUTAZIONE
Il mercato attuale offre una scelta vastissima di prodotti edili, che comprende materiali tradizionali, versioni innovative degli stessi, materiali cosiddetti avanzati e un’ampia varietà di manufatti derivati e composti. Contemporaneamente, le prestazioni di sicurezza e di benessere attese dagli edifici diventano sempre più precise e evolute, richiedendo ai materiali da costruzione una qualità sempre più elevata. Vetro, acciaio, pietra e ceramica si fondono armoniosamente in una costruzione del parco Guell (Antoni Gaudí, Barcellona).
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UNITÀ A1 • PROPRIETÀ DEI MATERIALI
1. Materiali, prestazioni, proprietà La direttiva europea 89/106/CEE definisce materiale da costruzione qualsiasi prodotto destinato a essere permanentemente incorporato nelle costruzioni, intese come opere dell’ingegneria civile (edifici, ponti, strade, ferrovie) (1).
J Materiali da costruzione Fino a cento anni fa si impiegavano nell’edilizia gli stessi materiali utilizzati da secoli: legno, metalli, gesso, calce, calcestruzzo, laterizi, vetro, terra. A questi materiali tradizionali si affianca oggi la vastissima gamma dei materiali sintetici (derivati dal petrolio) e dei materiali compositi (dal cemento armato alla vetroresina), ai quali l’unione di due o più materiali diversi conferisce caratteristiche nuove e particolari. Anche i materiali della tradizione, inoltre, non sono gli stessi di un tempo. Particolari lavorazioni e tecnologie di fabbricazione portano a ricavare, dalla stessa materia prima, prodotti molto diversi; si pensi, per esempio, al vetro comune e al vetro cellulare. L’uso di additivi sempre più sofisticati può conferire allo stesso prodotto caratteristiche aggiuntive molto varie; si pensi per esempio a una stessa malta che, addizionata con diverse sostanze, può diventare una malta antiritiro, una malta termica o una malta alleggerita. Se un tempo la scelta di un materiale invece di un altro si basava quasi esclusivamente su criteri funzionali ed economici (valutazione delle proprietà fisiche, meccaniche e tecnologiche, disponibilità sul mercato, investimento finanziario necessario all’acquisto), in pochi decenni la situazione è profondamente cambiata. È indispensabile avere a disposizione informazioni esaurienti e obiettive sulle caratteristiche del singolo prodotto e la garanzia che le stesse caratteristiche siano costanti per ogni lotto di produzione. La consapevolezza dei problemi ambientali, inoltre, ha portato gli operatori e gli utenti dell’edilizia a valutazioni più attente e articolate. Agli aspetti di funzionalità e di economicità, che rimangono comunque importantissimi, è attribuito un significato più ampio, legato al peso sempre maggiore assunto dai problemi della sostenibilità ambientale (v. unità A2).
J Prestazioni della costruzione e proprietà dei materiali Nei riguardi di un edificio (per esempio, la propria abitazione), l’utente manifesta esigenze di comfort e di sicurezza, espresse in forma semplice e generica: la casa non deve lesionarsi e tantomeno crollare, deve essere piacevole alla vista, fresca d’estate e calda d’inverno, deve richiedere interventi di manutenzione semplici, poco costosi e poco frequenti. Le stesse esigenze, tradotte in termini tecnici, prendono il nome di requisiti (2). In pratica, i requisiti sono le richieste che il progettista pone a determinati elementi costruttivi. I requisiti di resistenza meccanica e di stabilità sono prevalentemente richiesti agli elementi della struttura (travi, pilastri, muri, fondazioni), che costituiscono lo scheletro portante della costruzione. I requisiti di protezione termoacustica sono prevalentemente richiesti agli elementi dell’involucro (pareti, solai, coperture), che costituiscono la pelle della costruzione. I requisiti estetici sono prevalentemente richiesti alla forma della costruzione, che comprende l’organizzazione degli spazi interni (con il gioco dei volumi, della luce e dei colori) e il loro rapporto con l’ambiente circostante. Altri requisiti, infine, come la sicurezza al fuoco, l’igiene e la salubrità, sono richiesti a tutti gli elementi costruttivi.
1 I prodotti possono giungere in cantiere come:
v sostanze, prive di forma specifica (cemento, sabbia, ghiaia, colle, vernici); v componenti, con forma definita (mattoni, piastrelle, infissi, pannelli, elementi prefabbricati).
2 La Direttiva europea 89/106/ CEE considera essenziali per la sicurezza degli edifici per abitazione i seguenti requisiti:
v v v v
resistenza meccanica e stabilità; sicurezza in caso di incendio; igiene e salubrità; isolamento termoacustico.
3 Cannarozzo, Cucchiarini, Meschieri, Zavanella COSTRUZIONI © Zanichelli 2012 per Geotecnico
MODULO A • MATERIALI PER L’EDILIZIA
Alla richiesta posta dal progettista l’elemento costruttivo risponde con una prestazione. Qualitativamente, requisito e prestazione devono essere omogenei: a una richiesta di resistenza corrisponderà una prestazione di resistenza, a una richiesta di isolamento termico corrisponderà una prestazione di isolamento termico; quantitativamente, la prestazione dovrà essere non inferiore al requisito da soddisfare. Una stessa prestazione può essere ottenuta con materiali e tecniche diversi. Per esempio, la stessa prestazione di resistenza meccanica può essere fornita da una trave rettilinea di acciaio oppure da una trave reticolare di legno lamellare; la stessa prestazione di resistenza termica può essere fornita da una parete monostrato in laterizio porizzato o da una parete pluristrato formata da pannelli di legno e da pannelli isolanti. Un materiale da costruzione non fornisce direttamente prestazioni, ma possiede proprietà che rendono possibile una certa prestazione.
2. Misura delle proprietà Per scegliere consapevolmente un materiale invece di un altro il progettista, il costruttore e l’acquirente devono essere in grado di reperire valori certi e confrontabili delle proprietà del prodotto. È quindi essenziale disporre di prodotti unificati (3), con proprietà armonizzate nelle unità di misura e nelle modalità di prova.
J Unità di misura unificate Si definisce misura di una grandezza il rapporto tra il valore di quest’ultima e il suo valore unitario, detto unità di misura.
3 Unificare: adeguare le proprietà del prodotto a modelli codificati., rendendo confrontabili prodotti simili di ditte diverse. Normalizzare o standardizzare: rendere compatibili e intercambiabili prodotti simili di ditte diverse (mattoni, bulloni, prese elettriche, lampadine).
4 Fanno eccezione pochi paesi, tra cui gli Stati Uniti e l’Inghilterra.
5 Per esempio la velocità, definita come lo spazio (m) percorso nell’unità di tempo (s) è misurata con l’unità derivata m/s.
Il Sistema Internazionale di unità di misura (SI), adottato in quasi tutto il mondo (4), è obbligatorio in Italia dal 1982. Si tratta di un sistema a base decimale, basato su 7 unità fondamentali (TABELLA 1). Quasi tutte le grandezze utilizzate nel campo tecnico-scientifico sono derivate dalle grandezze di base; di conseguenza, le loro unità di misura sono combinazioni delle unità fondamentali (5); ad alcune unità derivate, per semplicità, sono però assegnati nomi specifici (TABELLA 2). TABELLA
1 Unità di base del sistema SI
Grandezza
Unità di misura
Lunghezza
metro
Simbolo m
Massa
chilogrammo
kg
Tempo
secondo
s
Intensità di corrente
ampere
A
Temperatura
kelvin
K
Quantità di sostanza
mole
mol
Intensità luminosa
candela
cd
4 Cannarozzo, Cucchiarini, Meschieri, Zavanella COSTRUZIONI © Zanichelli 2012 per Geotecnico
UNITÀ A1 • PROPRIETÀ DEI MATERIALI TABELLA
2 Alcune unità derivate del sistema SI di uso frequente in edilizia
Grandezza
Unità di misura
Simbolo
Forza
newton
N
1 N 1 kg m s 2
Pressione
pascal
Pa
1 Pa 1 N m 2 1 W A 1
Energia, lavoro, quantità di calore
joule
L
1 J 1 N m 1 W A 1
Potenza
watt
W
1 W 1 J s 1 1 W A 1
Tensione elettrica
volt
V
1 V 1 W A 1
Resistenza elettrica
ohm
7
17 1 V A 1 1 W A 1
Angolo piano
radiante
rad
1 rad m m 1
TABELLA
Equivalenza in termini di unità di base SI
3 Multipli e sottomultipli delle unità SI
Moltiplicare
Prefisso
Simbolo
10
9
(un miliardo)
giga
G
10
6
(un milione)
mega
M
10
3
(mille)
kilo o chilo
k
10
2
(cento)
etto
h
(dieci)
deca
da
1
(un decimo)
deci
d
2
(un centesimo)
centi
c
3
(un millesimo)
10 10 10 10
milli
m
10 6 (un milionesimo)
micro
M
10 9 (un miliardesimo)
nano
n
Per rendere più maneggevoli grandi e piccole misure si possono utilizzare i prefissi riportati nella TABELLA 3. Si avrà, per esempio:
v un milionesimo di metro 10 6 m 1 micrometro (1 Mm); v un milione di joule 106 J 1 megajoule (1 MJ); v mille newton 103 N 1 kilonewton (1 kN). Sono tuttora accettate alcune unità proprie di altri sistemi di misura, perché più facilmente comprensibili anche a soggetti esterni all’ambiente scientifico. Si ricordano, tra le altre:
v v v v v
il grado sessagesimale (1° P /180 rad) e centesimale (1c P / 200 rad); la tonnellata (1 t 103 kg); l’ettaro (1 ha 104 m2); la candela (1 cd 4,1855 J); il grado centigrado o grado Celsius (°C) (6).
In altri casi, infine, si preferisce l’uso di unità di misura non decimali, che snelliscono i calcoli sulle grandezze misurate. Per esempio l’intensità sonora, misurata in W/m2 nel sistema SI, è in genere espressa in decibel (dB), secondo una scala logaritmica dell’unità di misura.
J Prove armonizzate L’armonizzazione delle prove sui materiali da costruzione è promossa e regolata: a livello mondiale, dall’ISO; a livello europeo, dal CEN; a livello nazionale, dal-
6 Lo zero della scala Celsius è la temperatura di congelamento dell’acqua (0 °C), mentre lo zero della scala Kelvin è il cosiddetto zero assoluto ( 273 °C). Alla temperatura T 298 K corrisponde quindi la temperatura T 298 273 25 °C. La dimensione dell’unità di misura resta però la stessa (1 K 1 °C). Alla differenza di temperatura di 10 K corrisponde perciò la stessa differenza di temperatura di 10 °C.
5 Cannarozzo, Cucchiarini, Meschieri, Zavanella COSTRUZIONI © Zanichelli 2012 per Geotecnico
MODULO A • MATERIALI PER L’EDILIZIA TABELLA
4 Esempio di scheda tecnica di un pavimento vinilico Proprietà [1]
Metodi di prova [2]
Unità di misura [3]
Valore standard [4]
Valori medi [5]
Massa areica
UNI EN 430
kg /m2
2,30
Classificazione al fuoco
UNI EN 13501-1
classe
Classe cfl-s1 con o senza adesivo
Solidità del colore alla luce artificiale
EN 20105-B02 metodo 3
grado
Resistenza all’azione di una sedia a rotelle
UNI EN 425
Impronta residua (dopo carico statico)
UNI EN 433
Resistenza alle macchie
UNI EN 423
Movimento simulato della gamba di un mobile
UNI EN 424
Resistenza termica
UNI EN 12667
m2 K / W
0,006
Miglioramento del rumore al calpestio
ISO 140 / 8 ISO 717 /2
dB
10
Propensione all’accumulo di cariche elettrostatiche
UNI EN 1815
kV
2 (antistatico)
Conforme
Incurvamento dopo esposizione al calore
UNI EN 434
mm
a8
1
Resistenza al distacco
UNI EN 431
N / 50 mm
q 50
75
mm
Scala del blu q 6 scala del grigio q 3
q6
Nessuna modificazione della superficie tranne opacizzazione
Adatta con rotelle tipo W
a 0,2
0,1 Nessuna alterazione se trattato con detergenti specifici
Nessun danno con gamba tipo 2
Adatta
Fonte: pavimento Fluo, di produzione Mondo.
l’UNI (m Prontuario, NORM 1). A ogni proprietà del prodotto è associata una norma, che stabilisce le modalità di prelievo dei campioni, il numero, la forma e le dimensioni dei provini da analizzare, il tipo di macchina con cui eseguire la prova, i tempi di analisi e, infine, i valori limite o valori standard di accettabilità dei risultati. Dato che queste norme sono ritirate e riemesse con grande frequenza, la versione aggiornata di una certa norma richiede informazioni in tempo reale (7). Le ditte produttrici riportano comunque, nella scheda tecnica del prodotto, la norma cui fa riferimento ogni proprietà certificata (TABELLA 4).
v La colonna 1 riporta le proprietà certificate. Alcune proprietà sono fonda7 Il sito UNI fornisce l’elenco sempre aggiornato delle norme UNI, UNI EN, UNI EN ISO e, a pagamento, il testo completo.
8 Si noti come, accanto a proprietà espresse nelle unità fondamentali o derivate del sistema SI, si trovino proprietà espresse in gradi o classi. Altre proprietà non hanno una specifica unità di misura.
mentali per tutti i materiali da costruzione, come la densità (massa areica) e la classe di reazione al fuoco. La resistenza termica assume particolare importanza se il prodotto sarà destinato a uno strato dell’involucro edilizio. Le proprietà di durevolezza (stabilità del colore, resistenza alle macchie e alle impronte) sono tipicamente richieste a un prodotto per pavimentazione. Coerenti con la destinazione del prodotto sono anche le proprietà che ne rendono confortevole l’uso, minimizzando il rumore al calpestio e l’accumulo di elettricità statica. Specifiche proprietà di resistenza fanno riferimento alle particolari tecniche di montaggio del pavimento, da incollare al sottofondo e da giuntare a caldo. v La colonna 2 elenca la norma secondo la quale sono state condotte le prove. v La colonna 3 riporta le unità di misura delle stesse proprietà (8). v La colonna 4 riporta il valore standard stabilito dalla norma per l’accettabilità
6 Cannarozzo, Cucchiarini, Meschieri, Zavanella COSTRUZIONI © Zanichelli 2012 per Geotecnico
UNITÀ A1 • PROPRIETÀ DEI MATERIALI
del prodotto; si può vedere che, per alcune proprietà, non è previsto alcun valore standard. v La colonna 5, infine, riporta l’esito delle prove. Perché l’esito sia positivo i valori forniti dalle prove devono essere migliori dei corrispondenti valori standard, o almeno uguali. In assenza di valori standard, si può dare all’esito una valutazione descrittiva (adatto, conforme).
3. Classificazione delle proprietà Le proprietà dei materiali si possono classificare secondo lo schema riportato nella TABELLA 5. TABELLA
5 Classificazione delle proprietà dei materiali
Proprietà
Descrizione delle proprietà
Proprietà specifiche più importanti
Chimico-fisiche (in senso stretto)
Caratteristiche intrinseche del materiale
J J J J
Meccaniche
Comportamento del materiale sottoposto a forze esterne
Resistenza alle sollecitazioni Resistenza all’urto Resistenza alla fatica Resilienza unità H1
Termiche
Comportamento del materiale sottoposto a flussi di calore
Punto di fusione Calore specifico Conduttività termica Coefficiente di dilatazione termica Diffusività termica
Igrometriche
Comportamento del materiale sottoposto a flussi di acqua o di vapore
Permeabilità Traspirabilità Igroscopia
Acustiche
Comportamento del materiale sottoposto a onde sonore
Assorbimento acustico Riflessione acustica
Ottiche
Comportamento del materiale sottoposto a onde luminose
Colore Assorbimento luminoso Riflessione e rifrazione luminosa
Elettromagnetiche
Comportamento del materiale sottoposto a correnti elettriche o a campi magnetici
Resistività elettrica Propensione all’accumulo di cariche elettrostatiche
Tecnologiche
Attitudine del materiale a essere ridotto alle dimensioni e alle forme volute e a essere sottoposto a particolari processi di lavorazione
Malleabilità (attitudine a lasciarsi ridurre in lamine sottili) Duttilità (attitudine a lasciarsi ridurre in fili) Piegabilità Lavorabilità alle macchine utensili (segabilità, levigabilità, forabilità, attitudine a essere tagliato ecc.)
Di durabilità
Attitudine del materiale a resistere nel tempo ad aggressioni di tipo fisico o chimico e all’incendio
Resistenza all’abrasione Resistenza all’ossidazione Resistenza alla corrosione J Reazione al fuoco
Ambientali
Attitudine del materiale a consumare poca energia e a non emettere sostanze nocive
Indice PEI Indice GWP Indice AP v. unità A2
Omogeneità Isotropia Porosità Massa volumica
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Le proprietà dei materiali sono così varie e numerose che è impossibile citarle tutte. Occorre comunque ricordare che:
v alcune proprietà, come quelle tecnologiche, interessano solo la fase di produzione e di lavorazione, mentre sono irrilevanti in fase di esercizio;
v alcune proprietà, di grande interesse per alcuni materiali, per altri sono poco significative; le proprietà ottiche, per esempio, sono sostanziali per i vetri (trasparenza) o per le ceramiche da rivestimento (colore, lucentezza), ma non per i materiali strutturali; v alcune proprietà vanno considerate in funzione della diverse destinazioni di uno stesso prodotto; la resistenza all’abrasione di una ceramica, per esempio, è più importante per un pavimento che non per un rivestimento. Alcune proprietà, evidenziate da un quadratino rosso, sono invece fondamentali per tutti i materiali e possono essere chiamate proprietà di base.
4. Proprietà di base v
Omogeneità Si dice omogeneo un materiale le cui proprietà sono indipendenti dal punto in cui sono misurate.
Sono tipicamente omogenei i materiali di natura microcristallina (acciaio) o vetrosa (vetro).
v
Isotropia Si dice isotropo un materiale le cui proprietà sono indipendenti dalla direzione in cui sono misurate.
Tipicamente isotropo è l’acciaio; tipicamente anisotropo è il legno, nel quale la stessa proprietà assume valori sensibilmente diversi se misurata nella direzione delle fibre o nella direzione perpendicolare.
v
Porosità
Tutti i materiali contengono, all’interno della propria massa, parti vuote (pori), che possono essere isolate l’una dall’altra (porosità chiusa), o comunicanti tra loro e con l’esterno (porosità aperta). Si definisce porosità n di un materiale il rapporto percentuale tra il volume dei vuoti (pori) Vp e il volume totale Vt di un campione del materiale. Si ha quindi: n
Vp Vt
(%)
Il volume totale Vt è misurato vuoto per pieno e comprende quindi il volume dei pori. I materiali metallici e il vetro hanno porosità praticamente nulla (0%); il vetro cellulare, ottenuto sottoponendo il vetro a particolari lavorazioni, ha una porosità molto alta, che può superare l’80%. La porosità influenza la capacità di coibentazione di un materiale, perché l’aria contenuta nei pori è un ottimo isolante, e tutte le proprietà igrometriche.
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v
Massa volumica e peso volumico La massa volumica (9) o densità di un materiale, in genere indicata con la lettera greca R (rho), è il rapporto tra la massa m e il volume V di un campione del materiale stesso. Si ha quindi: R
m V
(kg/m 3 )
9 La massa volumica e il peso volumico sono anche chiamati massa specifica e peso specifico. Si preferisce però riferire il termine specifico a grandezze rapportate non al volume, ma alla massa; per esempio, calore specifico.
In altre parole, la massa volumica è la massa dell’unità di volume. Nel caso di prodotti con spessore sottile rispetto alle altre due dimensioni (reti elettrosaldate, pannelli, pavimentazioni e rivestimenti) è più spesso indicata la massa areica (kg /m2); nel caso di prodotti con una dimensione nettamente prevalente rispetto alle alte due (parapetti, barre di armatura, travi, tubazioni), si considera la massa lineare (kg /m). Il peso volumico (9), indicato in genere con la lettera G (gamma), è il rapporto tra il peso m g e il volume V di un campione del materiale. Si ha quindi: G
mg V
( N/m 3 )
In altre parole, il peso volumico è il peso dell’unità di volume. Massa volumica e peso volumico differiscono del fattore g 9,81 m / s2, pari al valore standard dell’accelerazione di gravità terrestre. Nei calcoli tecnici i risultati non variano significativamente se, per comodità, si usa il fattore di conversione 10 invece del fattore 9,81; di conseguenza, alla massa di 1 kg può essere assegnato il peso di 10 N. La TABELLA 6 riporta massa volumica e peso volumico di alcuni materiali edili. Il volume totale V può essere il volume totale Vt del provino, oppure il volume della sola parte solida piena Vs = Vt – Vp. Nel primo caso si determina la densità apparente Ra del materiale; nel secondo caso, la densità reale (o densità assoluta) Rr. TABELLA
6 Massa volumica e peso volumico di alcuni materiali edili (NTC 2008) Massa volumica (kg / m3)
Peso volumico (kN/ m3)
Acciaio
7850
78,5
Alluminio
2700
27,0
Calcestruzzo (CLS)
2400
24,0
Calcestruzzo armato (CA)
2500
25,0
Vetro
2500
25,0
Laterizio (pieno)
1800
18,0
Materiale
Acqua chiara dolce
981
9,81
Acqua chiara di mare
101
10,1
Legname di conifere e pioppo
4,0 ÷ 6,0
0,4 ÷ 0,6
Legname di latifoglie (escluso pioppo)
6,0 ÷ 8,0
0,6 ÷ 0,8
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La differenza tra densità apparente e densità reale è poco significativa nei materiali a bassa porosità, mentre è rilevante nei materiali molto porosi; si pensi, per esempio, al vetro (Rr Ra = 2500 kg /m3) e al vetro cellulare (Rr = 2500 kg /m3; Ra = 100 ÷ 900 kg /m3).
5. Reazione al fuoco 6. Qualità e certificazione Si può parlare di qualità nei riguardi di una figura professionale, di un sistema produttivo, di un prodotto, di un progetto, di un servizio, di un’azienda, di un sistema di lavorazione. Si definisce qualità l’insieme di caratteristiche che riesce a soddisfare le richieste del consumatore, del cliente o dell’utente. Si definisce grado di qualità la differenza tra il valore di tali caratteristiche e il valore atteso. Nel settore edile si può fare riferimento alla qualità dell’intero edificio (nei riguardi delle tecnologie impiegate e delle prestazioni nel complesso ottenute), degli elementi costruttivi (nei riguardi delle prestazioni), dei materiali da costruzione (nei riguardi delle proprietà) (10). La qualità è un concetto articolato e complesso, che fa riferimento non solo allo standard delle caratteristiche del prodotto, ma anche alla garanzia che queste caratteristiche siano costanti per ogni partita o lotto di produzione. 10 Data la complessità della progettazione edilizia, la qualità dei materiali non garantisce automaticamente la qualità dell’elemento costruttivo, e la qualità degli elementi costruttivi non garantisce automaticamente la qualità dell’edificio.
J Qualità della ditta produttrice Il gruppo di norme ISO 9000 definisce lo standard per i sistemi di gestione della qualità dell’azienda. La certificazione ISO 9001, rilasciata secondo i criteri della norma UNI EN ISO 9001, attesta che l’azienda opera con un sistema di qualità in tutte le fasi di realizzazione del prodotto, risponde in modo efficace
FIGURA 2 Il logo della marchiatura CE, come i simboli della bandiera europea e dell’euro, è stato creato dal disegnatore tedesco Arthur Eisenmenger.
FIGURA 1 Certificazione ISO 9001 di una ditta giapponese.
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alle esigenze dei committenti e opera in modo da incrementare nel tempo tale soddisfazione. Il certificato ISO 9001, a carattere volontario, è valido in tutto il mondo (FIGURA 1).
J Qualità del prodotto
11 Il prodotto certificato viene contrassegnato con un simbolo detto marchiatura, se corrisponde a una certificazione obbligatoria, oppure marchio, se corrisponde a una certificazione volontaria.
La qualità di un materiale è garantita dall’informazione e dalla certificazione. L’informazione è contenuta nella scheda tecnica che accompagna il prodotto e ne riassume le proprietà; può anche contenere istruzioni e suggerimenti per la messa in opera, l’uso e la manutenzione del prodotto stesso. La certificazione è una procedura secondo cui il produttore stesso o un certificatore indipendente attesta che il prodotto è conforme alle esigenze dei clienti e alle esigenze normative (11).
v
Marchiatura obbligatoria CE
La Direttiva 89/106/CEE dispone che tutti i materiali e i prodotti per l’edilizia commercializzati nello spazio economico europeo siano provvisti della marchiatura di conformità europea CE (FIGURA 2), che certifica la rispondenza del prodotto ai requisiti essenziali per la sua commercializzazione e il suo utilizzo. Il rilascio della marchiatura coincide con il rilascio dell’attestazione di conformità.
v
Marchi volontari
Al prodotto possono essere associati marchi di qualità rilasciati da associazioni e consorzi di produttori che, pur non avendo valore obbligatorio, aggiungono al prodotto valutazioni di prestigio. Si possono ricordare, tra gli altri, Federacciai, Assomarmi, Assovetro, Assocompositi, ANDIL (Associazione Nazionale Industriali Laterizio), AITEC (Associazione Italiana Tecnica Economica del cemento), Poroton® e Alveolater® (FIGURA 3). Altri marchi (FIGURA 4), che non costituiscono certificazione di prodotto, possono essere associati a ditte che operano secondo determinati protocolli di sostenibilità (v. unità A2). Sono volontari anche i cosiddetti marchi ecologici, che certificano aspetti di sostenibilità ambientale del prodotto (v. unità A2).
J Sistemi di attestazione di conformità
FIGURA 3 I marchi dei consorzi Alveolater e Poroton che associano, entrambi, produttori di laterizi porizzati (v. unità C2).
FIGURA 4 Logo dell’agenzia CasaClima
di Bolzano.
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Autovalutazione A. Verifica delle conoscenze
QUESITI A RISPOSTA MULTIPLA Più di una risposta può essere giusta)
QUESITI VERO/FALSO V
1
Il cemento è una sostanza
2
I mattoni sono componenti edilizi
3
Cemento e mattoni sono prodotti edili
4
Cemento e mattoni sono materiali edili
5
La resistenza all’urto è una proprietà del materiale
6
La resistenza al fuoco è una proprietà del materiale
F
14 L’acciaio è un materiale a b c d
15 Il legno è un materiale a b c d
L’energia si misura in joule
a c d
8
1 megajoule equivale a 1000 joule
9
Il grado centigrado (°C) fa parte del sistema SI
10 L’attestazione CE è un marchio volontario
naturale di origine naturale isotropo di elevata massa volumica
16 Il megajoule b
7
naturale di origine naturale isotropo di elevata massa volumica
misura l’energia è un’unità derivata del sistema SI è un’unità multipla ha come simbolo Mj
QUESITI A RISPOSTA APERTA
17 Cos’è una scheda tecnica ( par. 1)? 18 Cosa si intende per prova armonizzata ( par. 2)?
QUESITI A RISPOSTA SINGOLA (Una sola risposta è giusta)
19 Descrivi i principali requisiti richiesti agli edifici di abitazione dalla Direttiva europea 89/106/CEE ( par. 2).
11 La porosità di un materiale a b c d
si indica in genere con la lettera G è priva di dimensioni si misura in kg / m3 è una proprietà meccanica
12 Un materiale di euroclasse A1 a b c d
è di ottima qualità è incombustibile è combustibile, ma non emette fumo è combustibile, ma non emette gocce ardenti
B. Verifica delle competenze QUESITI A RISPOSTA SINGOLA (Una sola risposta è giusta)
20 Un materiale ha classe di reazione al fuoco Cfl-s1. Può essere impiegato lungo le vie di esodo a b c d
13 Il certificato ISO 9001 a b b d
è obbligatorio è valido solo in Europa certifica la qualità di un prodotto certifica la qualità di un’azienda
in ogni caso mai solo a soffitto solo a pavimento
21 Un materiale ha massa volumica reale Rr 2500 kg /m3 e masse volumica apparente Ra 500 kg /m3. Si tratta di un materiale a b c d
inesistente leggero poco poroso molto poroso
12 Cannarozzo, Cucchiarini, Meschieri, Zavanella COSTRUZIONI © Zanichelli 2012 per Geotecnico
22 Un materiale ha una massa volumica R 500 kg / m3. Può trattarsi di a b c d
QUESITI A RISPOSTA APERTA
26 Descrivi la differenza tra omogeneità e isotropia ( par. 4).
acciaio vetro legno calcestruzzo
27 Spiega perché un materiale possiede proprietà e non prestazioni ( par. 1).
QUESITI A RISPOSTA MULTIPLA
28 Spiega la differenza tra norme ISO, ISO EN e ISO EN UNI ( par. 2 e Prontuario, Normativa).
(Più di una risposta può essere giusta)
23 È importante che un materiale da pavimentazione sia a b c d
resistente all’usura resistente alle macchie antisdrucciolevole poco poroso
24 Un prodotto di qualità a b c d
è pregiato e costoso deve avere almeno un marchio di qualità deve avere la marchiatura CE deve essere accompagnato da una scheda tecnica completa ed esauriente
25 La reazione al fuoco a b c d
Risultati dei quesiti vero/falso 1V, 2V, 3V, 4V, 5V, 6F, 7V, 8F, 9F, 10F.
Risultati dei quesiti a risposta singola
equivale alla resistenza al fuoco è una proprietà è una prestazione è un requisito
11b, 12b, 13d, 20b, 21d, 22c.
Risultati dei quesiti a risposta multipla 14bcd, 15ab, 16abc, 23abcd, 24cd, 25b.
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AUTOVALUTAZIONE
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