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NUOVI MATERIALI.
L’ACCIAIO VEGETALE: IL BAMBOO AD USO
STRUTTURALE.
Università degli Studi dell’Aquila
Dipartimento di Ingegneria Civile, Edile Architettura, Ambientale.
DICEAA
Corso di ‘’Costruzioni speciali civili e Progetto di strutture’’.Prof. Amedeo Gregori
1Studente Martina TorrelliMatricola 247937
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.
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Cosa è il BAMBOOIl bamboo è un arbusto che cresce spontaneamente nellazona subtropicale del pianeta, mentre in altre zonecompatibilmente 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!!!
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Cosa è il BAMBOOIl bamboo è noto per la velocità notevole di crescita che lo rendeinteressante dal punto di vista della sostenibilità ambientale. Bastipensare che alcune varietà tropicali, come la Guadua Angustifolia,impiegano circa 4 mesi per raggiungere altezze in media di 30-35m ediametri di circa 20-24cm.La crescita è estremamente veloce soprattutto nelle fasi iniziali e perbrevi periodi, durante le quali essa può variare tra 20 e i 100cm/gg.Per il taglio, però, è necessario che sia raggiunta la maturazione (3-5anni) e per questo alcune norme come la Norma Colombianaprescrivono i 4 anni di età.
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Il BAMBOO in botanicaLe molteplici varietà sono soggette alla seguente classificazionebotanica:
� 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.
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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.
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La struttura del BAMBOOIl culmo presenta solitamente unasezione trasversale cava. Lungol’altezza è irrigidito da nodidiaframmati in parete legnosa. Laspaziatura dei nodi va dai 10 cm dibase fino a raggiungere i 40 cm incima. La porzione di culmo tra duenodi è detta internodo.A livello strutturale i bamboo sonocomposti essenzialmente da treparti:� il sistema sotterraneo di rizomi
(radici);� il culmo (canna);� i rami.tutte formate secondo uno stessosistema di serie alternate di nodied internodi.
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La microstruttura del BAMBOOIl culmo può essere assimilato ad un materiale compositocostituito da una matrice (scarsa capacità prestazionale)che agglomera le fibre (elevata capacità prestazionale).Per quanto riguarda la distribuzione delle fibre secondol’asse radiale del culmo, si nota che il 50-60% delle fibre èlocalizzato nella zona esterna.
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La microstruttura del BAMBOOUn dato utile alla definizione del modello teorico delbamboo è la funzione di distribuzione nello spessore radialedella sezione trasversale. Due distinti approcci hannoportato alle conclusioni di seguito riportate:
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Il modello teorico del BAMBOOI risultati delle ricerchemostrano delle similarità tra idue approcci, infattifacendo una sempliceintegrazione in direzioneradiale si ottiene uncontenuto totale di fibremolto simile che si aggiraattorno al 27% (con leggerevariazioni da specie aspecie).Questa informazione èfondamentale perché unitaad appropriati valori diresistenza a trazione dellasingola fibra e della matrice,garantisce l’impostazionemodelli numerici analoghi aquelli dei materialicompositi.
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BAMBOO ad uso strutturaleNel 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 (inuna soluzione di sali di boro) e l’essiccamento tra i più comuni; entrambinecessari ad evitare l’attacco di agenti patogeni sia funginei che animali.Esistono svariati trattamenti per il bamboo sia con che senza prodottichimici.
Nel seguito ampio riferimento sarà fatto alla Guadua angustifolia (Guaduaper brevità) che è stata soggetta ad un’ampia campagna di indaginepresso varie università del Sud America.
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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.
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Proprietà meccaniche del BAMBOOCon 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.
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Proprietà meccaniche del BAMBOOLa norma della Colombia, analogamente alla normativa europea, definisce la tensione caratteristica e quella di progetto come:
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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.
Proprietà meccaniche del BAMBOOConfrontando 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:
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Proprietà meccaniche del BAMBOOConfrontando 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:
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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.
Proprietà meccaniche del BAMBOOIl 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.
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Proprietà meccaniche del BAMBOOÈ 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.
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Prodotti ingegnerizzati del BAMBOOLa 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).
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Il BAMBOO: confronto con altri materiali
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Resistenza al sisma del BAMBOO� Resistenza meccanica (elevato modulo
elastico)� Leggerezza (bassa inerzia)� Flessibilità (capacità di non spezzarsi)
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Capacità di resistenza al sisma.
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.
Le normative per il BAMBOO
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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.
Il BAMBOO: vantaggi, svantaggi, applicazioni
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Vantaggi• Materiale
ecologicamente sostenibile;
• Buone proprietà meccaniche;
• Economicamente e socialmente vantaggioso;
• Basso consumo di energia;
• Impatto ambientale pari a zero.
Svantaggi• Problemi di
conservazione;• Infiammabile;• Mancanza di
standard prestazionali certificabili;
• Ridotto sviluppo del prodotto.
Applicazioni• Materiale da
costruzione;• Artigianato;• Nuovi prodotti a
sostituzione del legno;
• Carta;• Arredamento;• Produzione farmaci;• Industria dei trasporti.
Realizzazioni in BAMBOO25
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 VergiateProgettista e Direttore dei lavori: Architetto Neri BraulinProgetto strutture: Architetto Giuliano CurtiCostruzione: Emissioni Zero (Dott.ssa Valeria Chioetto)Collaudatore: Ingegner Mario De Miranda
Il padiglione di Vergiate: i materiali26
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.
Il padiglione di Vergiate: le strutture27
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 15portali 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.
Il padiglione di Vergiate: il modello 28
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.
Il padiglione di Vergiate: le azioni29
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).
Il padiglione di Vergiate: Calcolo 130
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.
Il padiglione di Vergiate: Calcolo 131
Calcolo 1: riepilogo delle sollecitazioni e delle tensioni nelle aste
Il padiglione di Vergiate: Calcolo 232
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
Il padiglione di Vergiate: Calcolo 333
L’azione del vento riferita alla proiezione verticale (h<10 m), vale: 0,45 KN/m², che corrisponde a un’azione in sviluppo di falda pari a 0,25 KN/m.
Calcolo 3: riepilogo delle sollecitazioni e delle tensioni nelle aste
Il padiglione di Vergiate: Calcolo 434
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
Il padiglione di Vergiate: risultati
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I risultati possono riguardare due aspetti: caratteristiche geometriche e valori tensionali.
Caratteristiche geometricheAlcune 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.
Il padiglione di Vergiate: la resistenza al fuoco
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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.
Il padiglione di Vergiate: fasi costruttive
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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);
Il padiglione di Vergiate: fasi costruttive
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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.
Il padiglione di Vergiate: fasi costruttive39
Il padiglione di Vergiate: le unioni
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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.
Il padiglione di Vergiate: nodo di colmo
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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.
Il padiglione di Vergiate: nodo di gronda
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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.
Il padiglione di Vergiate: nodo travi-pilastro
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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.
Il padiglione di Vergiate: nodo attacco a terra
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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.
Bibliografia e Sitografia
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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.
