NUOVI MATERIALI. L'ACCIAIO VEGETALE: IL - GreenB
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Università degli Studi dell’Aquila Dipartimento di Ingegneria Civile, Edile Architettura, Ambientale. DICEAA NUOVI Corso di ‘’Costruzioni speciali civili MATERIALI. e Progetto di strutture’’. L’ACCIAIO VEGETALE: IL Prof. Amedeo Gregori BAMBOO AD USO STRUTTURALE. Studente Martina Torrelli 1 Matricola 247937
2 INDICE Cosa è il bamboo; La struttura e modello teorico del bamboo; Proprietà meccaniche del bamboo e prodotti ingegnerizzati; Resistenza al sisma del bamboo; Normative per il bamboo; Esempio di progetto realizzato in bamboo.
3 Cosa è il BAMBOO Il bamboo è un arbusto che cresce spontaneamente nella zona subtropicale del pianeta, mentre in altre zone compatibilmente con il clima può essere coltivato. Europa e Antartide sono privi di specie native di bamboo. Esistono in natura 60-90 generi che danno luogo a 1100- 1500 specie, ma SOLO UNA VENTINA SONO UTILIZZABILI NEL SETTORE DELLE COSTRUZIONI!!!
4 Cosa è il BAMBOO Il bamboo è noto per la velocità notevole di crescita che lo rende interessante dal punto di vista della sostenibilità ambientale. Basti pensare che alcune varietà tropicali, come la Guadua Angustifolia, impiegano circa 4 mesi per raggiungere altezze in media di 30-35m e diametri di circa 20-24cm. La crescita è estremamente veloce soprattutto nelle fasi iniziali e per brevi periodi, durante le quali essa può variare tra 20 e i 100cm/gg. Per il taglio, però, è necessario che sia raggiunta la maturazione (3-5 anni) e per questo alcune norme come la Norma Colombiana prescrivono i 4 anni di età.
5 Il BAMBOO in botanica Le molteplici varietà sono soggette alla seguente classificazione botanica: Dominio: Eukaryota; Regno: Plantae; Phylum: Euphyta, Magnoliophyta; Divisione: Angiospermae; Classe: Liliopsida; Sottoclasse: Commelinidae; Ordine: Grumiflorae; Famiglia: Graminaceae (Poaceae); Subfamiglia: Bambusoideae; Tribù: Bambuseae (o bamboo legnosi, nei boschi tropicali), Olyreae (o bamboo erbacei); Subtribù: Bambusine, Arthrostylidiinae, Arundinariinae, Bambusinae, Chusqueinae, Guaduinae, Melocanninae, Nastinae, Racemobambodinae, Shibataeinae.
6 Il BAMBOO in numeri Altezza: in media 20-25m dal suolo; Diametro: in media 10-20cm alla base e 5-10cm in cima; Spessore delle pareti: variabile tra 2cm alla base e 0,5cm in cima.
7 La struttura del BAMBOO Il culmo presenta solitamente una sezione trasversale cava. Lungo l’altezza è irrigidito da nodi diaframmati in parete legnosa. La spaziatura dei nodi va dai 10 cm di base fino a raggiungere i 40 cm in cima. La porzione di culmo tra due nodi è detta internodo. A livello strutturale i bamboo sono composti essenzialmente da tre parti: il sistema sotterraneo di rizomi (radici); il culmo (canna); i rami. tutte formate secondo uno stesso sistema di serie alternate di nodi ed internodi.
9 La microstruttura del BAMBOO Il culmo può essere assimilato ad un materiale composito costituito da una matrice (scarsa capacità prestazionale) che agglomera le fibre (elevata capacità prestazionale). Per quanto riguarda la distribuzione delle fibre secondo l’asse radiale del culmo, si nota che il 50-60% delle fibre è localizzato nella zona esterna.
10 La microstruttura del BAMBOO Un dato utile alla definizione del modello teorico del bamboo è la funzione di distribuzione nello spessore radiale della sezione trasversale. Due distinti approcci hanno portato alle conclusioni di seguito riportate:
11 Il modello teorico del BAMBOO I risultati delle ricerche mostrano delle similarità tra i due approcci, infatti facendo una semplice integrazione in direzione radiale si ottiene un contenuto totale di fibre molto simile che si aggira attorno al 27% (con leggere variazioni da specie a specie). Questa informazione è fondamentale perché unita ad appropriati valori di resistenza a trazione della singola fibra e della matrice, garantisce l’impostazione modelli numerici analoghi a quelli dei materiali compositi.
12 BAMBOO ad uso strutturale Nel settore delle costruzioni sono utilizzate le seguenti varietà: Bambusa baleooa; B. tulda; B. nutans; B. pallida; B. polymorpha; Dendroealamus hamiltonii; Melocanna baecifera; D. giganteus; D. strietus; Gigantoehloa apus; Guadua angustifolia. Tutte le specie prevedono un apposito trattamento per l’immunizzazione (in una soluzione di sali di boro) e l’essiccamento tra i più comuni; entrambi necessari ad evitare l’attacco di agenti patogeni sia funginei che animali. Esistono svariati trattamenti per il bamboo sia con che senza prodotti chimici. Nel seguito ampio riferimento sarà fatto alla Guadua angustifolia (Guadua per brevità) che è stata soggetta ad un’ampia campagna di indagine presso varie università del Sud America.
13 Proprietà meccaniche del BAMBOO Le proprietà meccaniche del bamboo sono affette da un elevato grado di aleatorietà visto che risentono di numerosi fattori come: Stato naturale del culmo; Posizione geografica; Altitudine.
14 Proprietà meccaniche del BAMBOO Con riferimento alla variazione di specie è interessante la tabella di sintesi, da cui possono rilevarsi delle sensibili differenze. Pertanto è assolutamente indispensabile conoscere l’origine del culmo.
15 Proprietà meccaniche del BAMBOO La norma della Colombia, analogamente alla normativa europea, definisce la tensione caratteristica e quella di progetto come: Con fki: tensione caratteristica; Fi: valore di calcolo della tensione; FS, Fs e FDC: fattori di sicurezza applicati al valore caratteristico. Fi è inoltre modificato da altri fattori, non sempre inferiori all’unità , che tengono conto delle condizioni di esercizio dell’elemento.
16 Proprietà meccaniche del BAMBOO Confrontando tra loro alcune normative diverse, risulta una variabilità delle proprietà meccaniche; la normativa del Peru relativa alle strutture in legno, e in particolare per la Guadua, fornisce i valori di seguito riportati:
17 Proprietà meccaniche del BAMBOO Confrontando tra loro alcune normative diverse, risulta una variabilità delle proprietà meccaniche; la normativa della Colombia relativa alle strutture in legno, e in particolare per la Guadua, fornisce i valori di seguito riportati: Si ritiene comunque opportuno che i dati meccanici del singolo lotto utilizzato siano preliminarmente verificati in laboratorio ed in sito, prima della messa in opera.
18 Proprietà meccaniche del BAMBOO Il materiale usato in una struttura reale tenderà ad essere impegnato dagli sforzi interni secondo molte, se non tutte, le capacità resistenti riportate nelle tabelle. È di interesse sfruttarlo secondo la proprie “vocazioni statiche”: ad esempio in direzione della fibratura. Un altro aspetto interessante è il valore della resistenza a trazione della singola fibra di bamboo, sia come dato fine a sé stesso, sia per lo studio dei materiali compositi con fibre di bamboo disperse in matrice legante.
19 Proprietà meccaniche del BAMBOO È importante osservare che i valori sono riferiti alla fibra estratta dal culmo e non al culmo che, come detto, è un composito di fibre e matrice. A grandi linee si può dire che se la frazione delle fibre nella sezione del culmo è del 25% allora la resistenza a trazione dello stesso sarà circa il 25% di quella delle fibre e il 75% della matrice, quindi, con i dati di Amada si ha: R = 0.25*6000+ 0.75*500 = 1875 kg/cm² che è molto diversa dai valori precedentemente riportati, quindi la resistenza a trazione della fibra isolata non è in grado di rappresentare in modo accurato la resistenza del culmo stesso.
20 Prodotti ingegnerizzati del BAMBOO La sua resistenza e leggerezza lo rendono paragonabile alle prestazioni dell'acciaio tanto che è stato definito appunto come ’’acciaio naturale’’ o ‘’oro verde’’. In edilizia il bamboo viene utilizzato come : lamellare in bamboo per elemento colonna/trave; pannelli BMB(bamboo-matboards) per la costruzione di porte, pareti divisorie, scatole, ecc.; pannelli laminati LBL (laminated bamboo lumber) con elevata resistenza alla flessione; pannelli prefabbricati di bamboo e cemento; pannelli per pavimentazioni. Recenti studi, condotti presso l’Università de Los Andes, hanno messo in luce che travi in lamellare con lamelle di bamboo durante i test segnavano resistenze meccaniche paragonabili a quelle di un legno lamellare di alta fascia (esempio GL36h).
21 Il BAMBOO: confronto con altri materiali
22 Resistenza al sisma del BAMBOO Resistenza meccanica (elevato modulo elastico) Capacità di resistenza al sisma. Leggerezza (bassa inerzia) Flessibilità (capacità di non spezzarsi) Adeguata progettazione sismica o Le giunzioni tra i nodi devono tener conto delle spinte orizzontali. o Gli elementi strutturali in bamboo devono essere dimensionati in numero e spessore adeguati. o Le fondazioni non devono essere fragili. o I tetti non devono essere troppo pesanti.
23 Le normative per il BAMBOO Da un punto di vista normativo, non vi sono norme tecniche di riferimento né a livello nazionale UNI né a livello europeo CEN e le stesse Norme Tecniche per le Costruzioni non comprendono riferimenti al bamboo. In ambito ISO invece sono disponibili due norme sul materiale e una norma di tipo comportamentale per i laboratori. Le norme in questione sono: o ISO 22156 “Bambù-Progettazione strutturale”; o ISO 22157-1“Bambù-Determinazione delle proprietà fi siche e meccaniche- Parte 1: Requisiti”; o ISO/TR 22157-2:2004 “Bambù-Determinazione delle proprietà fi siche e meccaniche-Parte 2: Linee guida per i laboratori” La norma ISO 22156, pubblicata nel 2004 e riconfermata nel 2012,si applica alla progettazione delle strutture di bamboo, per esempio bamboo tondo o tagliato, bamboo laminato incollato, o pannelli a base di bamboo incollati o collegati con connettori meccanici. La norma si basa sul calcolo agli stati limite e sulla prestazione della struttura, e considera solo i requisiti di resistenza meccanica, funzionalità e durabilità.
24 Il BAMBOO: vantaggi, svantaggi, applicazioni Vantaggi Svantaggi Applicazioni • Materiale • Problemi di • Materiale da ecologicamente conservazione; costruzione; sostenibile; • Infiammabile; • Artigianato; • Buone proprietà • Mancanza di • Nuovi prodotti a meccaniche; standard sostituzione del • Economicamente e prestazionali legno; socialmente certificabili; • Carta; vantaggioso; • Ridotto sviluppo del • Arredamento; • Basso consumo di prodotto. • Produzione farmaci; energia; • Industria dei trasporti. • Impatto ambientale pari a zero.
25 Realizzazioni in BAMBOO Il primo edificio ad uso pubblico in Europa ed in Italia, costruito interamente in bamboo è stato il PADIGLIONE DI VERGIATE, in provincia di Varese, ultimato nel 2003. La struttura è ispirata a uno schizzo del famoso architetto colombiano Simon Velez, progettista del padiglione in bamboo dell’Expo di Hannover. Committente: Comune di Vergiate Progettista e Direttore dei lavori: Architetto Neri Braulin Progetto strutture: Architetto Giuliano Curti Costruzione: Emissioni Zero (Dott.ssa Valeria Chioetto) Collaudatore: Ingegner Mario De Miranda
26 Il padiglione di Vergiate: i materiali Culmi in bamboo di essenza GUADUA ANGUSTIFOLIA, importato dalla Colombia e trasportato in Italia via mare utilizzando dei container preservati dai batteri prima del trasporto dai coltivatori colombiani con il metodo della fumigazione (tecnica ereditata dalla tradizione giapponese che consiste nell’utilizzo dei gas all’interno di ambienti chiusi, per l’uccisione dei batteri). Numero di culmi: 400 di lunghezza 9 m; Diametro: variabile tra 8 e 16 cm; Peso specifico: ~800 kg/m³; Tensione minima di trazione: 64,8 N/mm²; Tensione minima di compressione: 52,6 N/mm²; Tensione minima di taglio: 9,1 N/mm². I dati rilevati dall’Istituto Masini di Rho e precedentemente riportati, differiscono da quelli tabellati riferiti ad uno studio di Janssen (1981) e utilizzati ai fini progettuali.
27 Il padiglione di Vergiate: le strutture Formato dalla successione di 3 corpi di fabbrica rettangolari e indipendenti, di differente altezza infatti quello centrale supera di 1 m quelli laterali. Il Padiglione di Vergiate presenta un ingombro planimetrico di circa 500 m² di 29 m per 17,60 m. La struttura iperstatica è costituita dalla successione ripetuta a interasse 2 m di 15 portali a 3 cerniere a spinta eliminata (luce 10 m e sporti laterali di circa 3 m). Ogni portale è composto da 2 travi reticolari di forma triangolare simmetriche, connesse al colmo ed al bordo, che scaricano su 3 pilastri: uno verticale e due inclinati nella logica di contrafforti. I portali sono collegati in falda da elementi trasversali su cui poggia un tavolato in legno e tegole canadesi. Le aste dei portali sono collegate mediante barre filettate rinforzate da anello di blocco e assicurate da un dado per la monoliticità del nodo.
28 Il padiglione di Vergiate: il modello Vista la ripetizione seriale dei portali, si è optato per assumere come modello di riferimento quello costituito da una porzione trasversale di larghezza 2 m contenente tutti gli elementi di interesse. Il modello geometrico-matematico, nonostante il comportamento piano, è di tipo tridimensionale, in modo da rappresentare correttamente la presenza dei contrafforti ed una porzione di trave principale. La trave di copertura e quella longitudinale sottoposte ad azioni flessionali sono assimilate ad elementi trave mentre tutte le altre aste sono simulate con elementi biella. Modello utilizzato per le azioni verticali e l’azione orizzontale complanare. Le aste in bamboo hanno stesso modulo elastico ma sezioni anulari diverse. La catena è in acciaio.
29 Il padiglione di Vergiate: le azioni Le azioni considerate sono: o Pesi propri e permanenti; o Azioni verticali: neve su tutta la copertura per il Calcolo 1; o Azioni verticali: neve su metà copertura per il Calcolo 2; o Azione orizzontale: vento nel piano del portale (trasversale al corpo di fabbrica) per il Calcolo 3; o Azione orizzontale: vento ortogonale al piano del portale (longitudinale al corpo di fabbrica) per il Calcolo 4. Modello utilizzato per il Calcolo 4. Con azione ortogonale al piano del portale, la resistenza è offerta dalle travi di copertura dotate di elevata rigidezza trasversale e dai contrafforti (trascurando la rigidezza flessionale dei pilastri).
30 Il padiglione di Vergiate: Calcolo 1 L’azione della neve, valutata in accordo con il DM1996 vale: La condizione più gravosa prevede un carico distribuito di 1,30KN/m² L’entità delle azioni verticali è: Il carico totale dovuto alle azioni permanenti e alla neve vale: 54,10 KN/telaio mentre quello dovuto alla sola neve vale: 44,30 KN/telaio. I risultati di calcolo vanno quindi moltiplicati per un coefficiente pari a 54,10 KN/44,30 KN=1,22.
31 Il padiglione di Vergiate: Calcolo 1 Calcolo 1: riepilogo delle sollecitazioni e delle tensioni nelle aste
32 Il padiglione di Vergiate: Calcolo 2 L’azione definita vale: 0,64 KN/m², oltre al peso proprio ed è applicata su una sola falda. Calcolo 2: riepilogo delle sollecitazioni e delle tensioni nelle aste
33 Il padiglione di Vergiate: Calcolo 3 L’azione del vento riferita alla proiezione verticale (h
34 Il padiglione di Vergiate: Calcolo 4 Si assume un’azione di progetto pari a 1/10·azione verticale e quindi 4,26 KN/telaio. Sulla sommità di ogni colonna si ha un’azione di 2,15 KN. Calcolo 4: riepilogo delle sollecitazioni e delle tensioni nelle aste
35 Il padiglione di Vergiate: risultati I risultati possono riguardare due aspetti: caratteristiche geometriche e valori tensionali. Caratteristiche geometriche Alcune aste come i puntoni e i diagonali 1 presentano snellezze elevate pari a 154 e 100 rispettivamente. La snellezza limite del bamboo è di circa 50 (ad essa corrisponde una tensione critica euleriana pari alla tensione di flessione ultima), per cui i valori riscontrati risultano eccessivi per le membrature principali. Valori tensionali Le tensioni delle travi di copertura risultano elevate, tra 25 e 40 MPa, superiori a quelli consigliati a valle degli studi di Janssen. I metodi pratici di dimensionamento di Janssen consigliano valori ammissibili di 25 MPa, ma nella progettazione come si vede si riportano valori ben più alti.
36 Il padiglione di Vergiate: la resistenza al fuoco Non esistono riferimenti riguardo il tema della resistenza al fuoco della struttura, manca infatti l’indicazione della reazione al fuoco del bamboo e la sua velocità di combustione. Possono essere indicati 2 ordini di osservazioni: o La presenza di fessure sulle aste esterne e lo spessore ridotto delle sezioni anulari cave, non consente di immaginare una resistenza dell’asta all’azione del fuoco; o La struttura è aperta sui lati lunghi e su un lato corto consentendo la rapida evacuazione in caso di incendio. Quindi la struttura anche se può essere considerata non pericolosa per gli occupanti, potrebbe subire gravi mutilazioni strutturali in caso di incendio.
37 Il padiglione di Vergiate: fasi costruttive La sequenza costruttiva invertita dalla costruzione del tetto verso le fondazioni, è giustificata dal fatto che il bamboo è un materiale imperfetto per cui i diversi elementi della costruzione sono necessariamente diseguali. La sequenza costruttiva è articolata nelle fasi di seguito elencate e risponde alla logica della semiprefabbricazione: I. Immagazzinamento del bamboo in un capannone; II. Predisposizione dell’area di cantiere: opere provvisionali, postazioni di montaggio, recinzioni ecc; III. Selezione dei culmi con cui realizzare le travi delle capriate e trasporto in cantiere; IV. Realizzazione a pié d’opera delle travi reticolari: tracciamento a terra della dima, taglio, realizzazione supporti, formatura delle teste a bocca di pesce, foratura e inserimento delle barre filettate con anello di blocco, fissaggio bulloni e squadrette; V. Predisposizione dei ponteggi di appoggio delle capriate, di colmo e di bordo; VI. Sollevamento e posizionamento delle semicapriate sui ponteggi; VII. Posizionamento e fissaggio travi di colmo e di bordo; VIII. Posa e fissaggio controventature longitudinali tra le capriate; IX. Posa e fissaggio terzere e orditura secondaria delle falde; X. Foratura e riempimento con malta di cemento degli internodi dei giunti (vedi dettagli);
38 Il padiglione di Vergiate: fasi costruttive XI. Posa e fissaggio assito di legno maschiato (vedi dettagli); XII. Posa manto di copertura costituito da tegole canadesi (vedi dettagli); XIII. Posa e fissaggio mediante bloccaggi, formati da barre filettate, dei pilastri alle travi di bordo (vedi dettagli); XIV. Posa e fissaggio mediante bicchieri in ferro di appoggio a terra e barre filettate saldate all’armatura delle fondazioni continue (vedi dettaglio); XV. Posa e tenditura delle catene in cavo d’acciaio (vedi dettagli); XVI. Realizzazione di plinti fuori pavimento, alla base dei pilastri, in calcestruzzo leggermente armato gettato in casseforme di vetroresina (vedi dettaglio); XVII. Disarmo dei ponteggi, dei plinti e pulizia generale del cantiere. Mezzi d’opera utilizzati I mezzi d’opera utilizzati sono stati elementari e hanno richiesto l’utilizzo di : o Normali attrezzi di carpenteria in legno e ferro; o Trapano dotato di punte tazza (con lunghezza appropriata alla foratura di tre elementi giustapposti) e levigatrici fisse e mobili per la realizzazione delle bocche di pesce; o Piccola gru su autocarro per il sollevamento delle travi sui ponteggi e posa in opera dell’orditura secondaria; o Movimentazioni manuali possibili grazie alla leggerezza del bamboo.
39 Il padiglione di Vergiate: fasi costruttive
40 Il padiglione di Vergiate: le unioni La luce tra gli appoggi delle capriate è 10 m. Ogni semicapriata prevede l’impiego di 15 giunti a bocca di pesce con barre filettate di fissaggio con anello di blocco, bulloni e squadrette; per un totale di 900 solo per le travi, trascurando quelli per i colmi, le strutture secondarie di copertura, i collegamenti trave-pilastro ecc. Dettaglio 1: attacco dei pilastri a terra; Dettaglio 2: nodo travi- pilastro; Dettaglio 3: nodo di gronda.
41 Il padiglione di Vergiate: nodo di colmo La sequenza operativa utilizzata per il padiglione di Vergiate è stata la stessa scelta dall’architetto Simon Velez per il padiglione di Hannover e prevede l’inversione delle fasi di costruzione rispetto alle tecnologie tradizionali: la costruzione comincia dal tetto e termina con le fondazioni. L’inversione delle operazioni ha l’obiettivo di trasferire le tolleranze dimensionali (precisione dell’ordine del centimetro), alle fondazioni e cioè l’unica parte della costruzione non visibile.
42 Il padiglione di Vergiate: nodo di gronda Lo sbalzo della copertura leggera protegge lo spazio interno e la struttura dalla pioggia. La sequenza esecutiva prevede la modellazione delle aste a bocca di pesce e il successivo fissaggio mediante l’uso di barre filettate.
43 Il padiglione di Vergiate: nodo travi-pilastro Il nodo sulla trave principale evidenzia la complessità del sistema costruttivo. La sagomatura della testa delle aste ‘’a bocca di pesce’’ è stata fondamentale per garantire la solidità dei nodi nell’accoppiamento delle aste strutturali. La bocca di pesce garantisce un’adesione solidale tra le aste, ampliando la superficie di contatto tra gli elementi e facilitando l’inserimento delle barre filettate. Le travi reticolari sono state realizzate a pié d’opera, giuntando le aste, precedentemente modellate ‘’a bocca di pesce’’, a secco mediante barre filettate. Prima della posa in opera, negli appositi fori si è colata la boiacca di cemento negli internodi, in modo da renderli rigidi e atti a trasmettere i carichi senza deformarsi.
44 Il padiglione di Vergiate: nodo attacco a terra I culmi di bamboo non devono mai poggiare direttamente a terra, perché vanno protetti dall’umidità e dagli insetti. L’attacco alle fondazioni è stato realizzato con barre filettate saldate alla gabbia di armatura del getto e con bicchieri in ferro di appoggio dei pilastri. Da ultimo sono stati gettati in opera i plinti cilindrici in calcestruzzo leggermente armato attorno alla parte delle barre filettate sporgenti dal pavimento.
45 Bibliografia e Sitografia o GreenB - Bamboo & More (www.greenb.it). o Normative sul bamboo. o ‘’Una scelta di ecologia strutturale: il bamboo’’, N. Mordà, P. Macías, M. Stroscia, P. Bajzelj DoMo Studio - Turin (IT). o J.J.A. Jansen: Bamboo in building structures, Tesi di laurea presso Technische Hogenschool Eindhoven, 1981. o Si ringrazia Valeria Chioetto, già Presidente dell’Associazione Emissionizero e oggi AD di GreenB – Bamboo & More, per la preziosa collaborazione.
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