I materiali metallici in edilizia

Normalmente le costruzioni architettoniche sono costituite da strutture in calcestruzzo armato, poichè questo materiale è molto diffuso in quanto l’industria cementizia in Italia è particolarmente florida, anche per tradizione, e vi è una grande disponibilità per quanto riguarda le materie prime come gli inerti; inoltre il calcestruzzo armato permette una certa flessibilità nelle realizzazioni di forme particolari.

In alcuni casi però le strutture sono realizzate con altri materiali, come ad esempio i materiali metallici, che consentono una maggiore rapidità nella messa in opera.Può capitare dunque di dovere affrontare la progettazione architettonica e strutturale e utilizzare componenti di tipo metallico.

Ma quali sono le caratteristiche dei materiali e le loro applicazioni? La trattazione sarebbe davvero immensa, ma cerchiamo di comprendere alcune caratteristiche dei materiali e i loro impieghi.
Innanzitutto per quanto riguarda la composizione chimico-fisica i metalli si caratterizzano per una disposizione atomica attraverso una struttura prettamente cristallina (allo stato solido).
Ricordiamo quindi che i materiali solidi si dividono in tre grandi classi: materiali cristallini, amorfi e semicristallini. La produzione di materiali metallici avviene attraverso processi specifici di lavorazione di materie prime e produzione di semilavorati che consentono di ottenere le forme e le caratteristiche desiderate.

L’ACCIAIO

Un tipico materiale metallico da costruzione è l’acciaio (che è una lega ferro carbonio) che dopo essere stato prodotto viene posto in opera allo stato grezzo o con opportuni trattamenti termici e meccanici.

L’acciaio è molto utilizzato per la realizzazione dei componenti strutturali. Esistono diversi tipi di acciaio come l’acciaio di base, l’acciaio di qualità, gli acciai patinabili (che garantiscono una maggiore resistenza alla corrosione atmosferica grazie ad una patina di ruggine) e gli acciai inossidabili che sono leghe ferro-carbonio-cromo che però sono scarsamente utilizzati nell’ambito delle costruzioni.

Di più largo utilizzo sono le ghise che sono composti da una quantità di carbonio fino al 4%(quindi superiore rispetto agli acciai) e che consentono una notevole resistenza alla corrosione atmosferica con costi molto contenuti (ma hanno una resistenza meccanica inferiore agli acciai).

Questi tipi di materiali normalmente sono utilizzati per la produzione di strutture ma esistono numerosi materiali metallici non di derivazione ferrosa che vengono utilizzati per altri scopi.

IL RAME

Il rame presenta notevoli proprietà di conducibilità elettrica e termica, consente una lavorazione agevole e ha buone proprietà meccaniche.

Il rame ha una buona resistenza alla corrosione atmosferica (dopo qualche anno si ricoprono di una patina protettiva cromaticamente riconoscibile) e viene utilizzato principalmente, nelle costruzioni, per le realizzazioni degli impianti elettrici, tubazioni, nelle coperture e talvolta nei rivestimenti in facciata.

Le leghe di rame (come bronzi e ottoni) presentano maggiori capacità di resistenza meccanica e una maggiore lavorabilità.

L’ALLUMINIO

L’alluminio e le sue leghe sono caratterizzati da densità decisamente ridotte rispetto all’acciaio e al rame e posseggono elevate resistenze meccaniche, raggiungendo quindi elevate prestazioni nonostante siano materiali essenzialmente leggeri.

Come il rame ha una buona conducibilità elettrica (anche se leggermente inferiore), una buona duttilità e resistenza alla corrosione. Nel corso degli ultimi decenni la produzione di alluminio è lievitata enormemente; basti pensare che gli aerei soprattutto nelle porzioni strutturali sono realizzati con leghe di alluminio ad alta resistenza, così come le automobili, i treni e le navi proprio per le caratteristiche di resistenza e leggerezza.

IL TITANIO

Il titanio è un elemento molto diffuso nella crosta terrestre con concentrazioni maggiori del rame, zinco e cromo.

Ha un punto di fusione decisamente elevato (1650 gradi contro i i circa 1000 del rame e 1400 dell’acciaio mediamente) e viene impiegato in svariate produzioni come aeronautica, navale, motoristica, di accessori proprio per le sue caratteristiche di leggerezza, resistenza meccanica e resistenza alla corrosione.

Il titanio è uno degli elementi più duttili e caratteristici nella produzione architettonica, nonostante abbia un costo elevato, e viene utilizzato in numerosissime applicazioni.

titanio in edilizia

Il museo Guggenheim a Bilbao di Frank Gehry è rivestito in lamine di titanio.

IL DEGRADO DEI COMPONENTI METALLICI

In questa breve trattazione ho affrontato prosaicamente i principali materiali da costruzione metallici e i loro utilizzi. Ovviamente anche questi tipi di materiale, in forme e maniere differenti, presentano problemi di degrado se sottoposti ad azioni specifiche in ambienti definiti aggressivi.

Normalmente nei materiali metallici si assiste a fenomeni di degradazione come le corrosioni, che possono essere di due tipi: corrosione a secco e a umido.

Nel primo caso avvengono quando i materiali lavorano ad alte temperature mentre nel secondo caso quando vengono a contatto con soluzioni acquose, acide o quando vengono a contatto con elementi che contengono a loro volta acqua. La corrosione non è altro che un meccanismo chimico caratterizzato da un processo anodico (di ossidazione) e catodico (riduzione degli elettroni prodotti dal processo anodico) che avvengono simultaneamente.

I processi di corrosione, come già accennato, avvengono in maniera differente tra i vari materiali che si caratterizzano per potenziali di equilibrio differenti e quindi per reazioni svariate. ( i metalli con potenziali di equilibrio maggiori sono denominati metalli nobili). Essendo un processo chimico legato al potenziale d’equilibrio (che fa riferimento alle proprietà chimico-fisiche dell’elemento), la corrosione avviene solamente se il potenziale del processo catodico è maggiore di quello del processo anodico e quindi è possibile intervenire sulle composizioni chimiche del metallo, sulle proprietà caratteristiche dell’ambiente oppure mediante tecniche di protezione elettriche per ridurre in maniera consistente i fenomeni corrosivi.

metalli in edilizia

Processo di corrosione su lamiera.

Lavorando sul metallo è possibile attivare processi di protezione mediante intervento sulle condizioni intrinseche dell’elemento attraverso affinamento, alligazione, trattamenti termici e finiture. E’ possibile invece intervenire sul rivestimento metallico o non metallico attraverso moltissime applicazioni tra cui la pittura che agisce sulla superficie del metallo consentendo la formazione di una pellicola solida e aderente.

Per quanto riguarda l’ambiente è possibile invece modificare le caratteristiche chimiche, come concentrazione di ossigeno, livelli di pH e caratteristiche fisiche come la temperatura. E’ importante eventualmente evitare il contatto tra elementi metallici che potrebbero innescare processi di corrosione reciproca.

Solitamente i processi di corrosione atmosferica avvengono in zone con microclimi problematici, come ad esempio in ambienti inquinati in quanto gli acciai al carbonio presentano scarse reazioni difensive rispetto alla azione corrosiva in ambienti particolarmente critici. In queste occasioni è quindi indispensabile l’utilizzo di rivestimenti come pitture e zincature o mediante l’inserimento di materiali come nichel e cromo.

Gli acciai inossidabili invece hanno una buona resistenza alla corrosione atmosferica (poichè spontaneamente si dotano di pellicola protettiva) così come le leghe di alluminio, lo zinco, e il rame (particolarmente efficace in zone marine). E’ da ricordare però che in alcune situazioni non vi è la possibilità di una corretta e completa produzione di patine protettive, anche per questi materiali appena citati, ed è quindi probabile la formazione di attacchi corrosivi concentrati.

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