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Breve storia delle costruzioni in acciaio La storia del ferro e le sue leghe coincide con lo sviluppo della nostra civiltà a partire dall’età del ferro ed è legata all’innovazione nel settore dell’estrazione e lavorazione dei metalli. Produzione inizialmente legata ai “bassi fuochi” (minerale ridotto in pezzi e fuso in piccoli forni alimentati con legna. Sotto la spinta del calore l’ossigeno contenuto nell’ossido si liberava legandosi al carbonio e liberando ferro. Il ferro si presentava come massa spugnosa piena di scorie che venivano eliminate con importante azione di fucinatura) l’impiego del ferro era limitato alla realizzazione di piccoli utensili, attrezzi agricoli e armi. Il ferro entra nelle costruzioni solo quando, col progresso della siderurgia, può essere prodotto in notevoli quantità e qualità costante.

- Inizialmente viene introdotto come rinforzo di murature, di archi e volte (catene, bolzoni, chiavi metalliche)

- Nel medio-evo e rinascimento viene lavorato dai mastri ferrai per ottenere ferri battuti decorativi

- Si introducono poi per la realizzazione di ponti in America le strutture reticolari in ferro (ferri tondi) e legno.

- Prime applicazioni dell’acciaio si hanno in Inghilterra…

1776 - 1779 - Ponte sul Severn a Coolbrokdale (Luce 32m). Opera di Wilkinson (progettista ideatore), Prichards (che ne disegnò la struttura) e Abram Darby (industriale produttore). Primo ponte in elementi in ghisa1 fusa fissati con chiavarde.

1 lega ferro-carbonio a tenore di carbonio relativamente alto (2,11% < C < 6,67% che è il limite di saturazione) ottenuta per riduzione o

comunque trattamento a caldo dei minerali di ferro.

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1780 - Prime forme di impiego in edilizia come elementi strutturali autonomi Colonne di ghisa a sostituzione dei ritti in legno (diventa possibile realizzare campate di luce imponente). 1800 - Prime travi con “sezione sagomata” impiegate negli impalcati All’inizio dell’Ottocento inizia un processo di rapido progresso nella siderurgia. L’era dell’acciaio tuttavia ha inizio nella seconda metà dell’ottocento: l’impiego di altiforni e l’uso del carbon coke2 (carbone ottenuto mediante un processo di "distillazione distruttiva" del carbon fossile3 - ad opera di Abram Darby), in sostituzione del carbone vegetale (ottenuto per combustione dalla legna e con maggiore potere calorico), consente produzione importante di materiale. Parallelamente fiorisce l’attività teorica e si perfezionano gli strumenti di calcolo: nasce la scienza delle costruzioni. La richiesta di grandi quantitativi di ferro per la realizzazione di profili per le rotaie, per la realizzazione di grandi coperture delle stazioni ferroviarie, per i ponti, e di strutture stagne a guscio degli scafi, comportò un notevole impulso e sviluppo dell’industria siderurgica che in quegli anni introdusse importanti innovazioni: 1835 - Produzione industriale delle travi sostituzione degli impalcati lignei con strutture in laterizio e acciaio. 1840 - Ferro Puddellato processo di affinamento della ghisa per l’eliminazione delle impurità e la riduzione della % di carbonio. 1850 - efficienti metodi di affinamento della ghisa per la produzione di acciaio primi laminatoi produzione di profili laminati 1856 - introduzione del convertitore Bessemer (sistema rapido ed economico che consentiva di affinare la ghisa liquida, liberando il carbonio in eccesso, trasformandola in acciaio)

2 La fusione dei minerali di ferro con il carbone fossile, a causa delle sue impurità, rendeva il ferro fragile e quindi inutilizzabile. La

soluzione del problema fu opera dell'ingegnere Coke che, mediante un processo di "distillazione distruttiva", trovò il modo di eliminare le

impurità del carbone fossile. Abraham Darby 1°, nel 1709 nella valle del Severis, operò la prima fusione del ferro con il carbon Coke in

sostituzione del tradizionale carbone di legna.

3 Carbon fossile – piccole pietre che bruciavano facilmente e di cui il sottosuolo inglese era ricchissimo.

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Si realizzano i cosiddetti “santuari della tecnica moderna” le stazioni ferroviarie e le grandi esposizioni universali che celebrano i fasti della rivoduzione industriale.

1851 - Crystal Palace – Paxton (ghisa per colonne e tralicci, ferro tondo per i tiranti). Interamente prefabbricato. Segna la nascita di un nuovo modo di concepire e progettare la struttura per fasi operative: dall’ideazione alla realizzazione.

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1850 – Britannia Bridge, Dundee, Wormit, UK (4 campate, quelle centrali con luce di 141m). Opera di Robert Stephenson. Ferri laminati e profilati a costituire una grande trave tubolare. Prove su modelli in scala reale e ridotta: si osserva il fenomeno dell’instabilità locale e dell’imbozzamento. In America si ha una fioritura di ponti tutti in ferro (prevalentemente ghisa), in sostituzione di quelli a struttura mista legno-ferro. Progressi nella metallurgia sostituzione pesanti catene con funi metalliche (1843 Roebling) ponti sospesi americani 1865 - Impiego forni Martin-Siemens per la produzione dell’acciaio che consentiva l’impiego di rottami ferrosi nella produzione dell’acciaio.

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Il XIX secolo segna la nascita della teoria dell'elasticità e la derivazione di molte delle principali soluzioni elastiche associate ad importanti fenomeni fisici: Nel 1850 il matematico e ingegnere francese De Saint-Venant sviluppò il tema della flessione di travi soggette a carichi trasversali. Non si aveva conoscenza di fenomeni di instabilità. I progetti si basavano prevalentemente sulle intuizioni di tecnici i quali avevano affinato le conoscenze con l’esperienza di precedenti realizzazioni. Studi sull’instabilità avviati in seguito a numerosi crolli apparentemente inspiegabili.

1879 - Crollo del Tay Bridge in Scozia a causa del carico del vento, non considerato in sede di progetto, e delle colate di ghisa inadeguate Impulso agli studi sull’ingegneria del vento.

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1889 - Firth of forth bridge. Edinburgh. Interamente in acciaio. Luci di 541 m.

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In Europa si realizzano opere pubbliche, negli Stati uniti si diffonde il nuovo tipo edilizio dell’edificio alto multipiano il grattacielo (Scuola di Chicago).

Le strutture vengono inizialmente realizzate con strutture “a scheletro” con pilastri centrali in ghisa e murature perimetrali con funzione di controventamento, oppure con pilastri di muratura esterni. 1879 - LeBaron Jenney

Successivamente si passa a strutture interamente in acciaio dette “a gabbia” (con controventi in acciaio) e facciate vetrate. Si ottiene un sostanziale alleggeriemento della struttura. 1895 - Reliance Building, D.H. Burnham

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La Produzione industriale dei materiali ferrosi fu forse la più importante vicenda che condusse alla rivoluzione industriale del XIX secolo.

1889 – Tour Eiffel. Concepita come la porta d’accesso all’esposizione universale di Parigi, segnò il trionfo delle costruzioni metalliche.

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1931 – Empire State Building, New York. Opera degli architetti Lamb e Harmon. Completato in 14 mesi.

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1937 - Golden Gate. San Francisco (opera di Joseph Baermann Strauss)

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1940 - Tacoma Narrow Bridge. Crolla per flattering. L'ingegnere italiano Giulio Krall attribuì il crollo alle "vibrazioni autoeccitate" indotte dal distacco periodico di vortici di von Kármán (fenomeno di instabilità aeroelastica detto anche flutter). Sotto l'azione di un vento costante di circa 42 nodi, la scia dei vortici di von Kármán trasmetteva alla struttura delle coppie torcenti pulsanti alla stessa frequenza torsionale del ponte, innescando così un fenomeno di risonanza con ampiezze via via crescenti e non compensate da un adeguato smorzamento.

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1997 - Guggenheim museum, Bilbao. Opera di Frank O’Gehry