Il ferro: il materiale della rivoluzione industriale
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Il ferro: il materiale della rivoluzione industriale
MATERIALI 1 Il ferro: il materiale della rivoluzione industriale (Dal volume “Atlante dell’acciaio” di H. Schulitz, W. Sobek, K. Habermann. UTET Scienze Tecniche, 1999) Nella rivoluzione industriale il ferro occupa un posto fondamentale. In campo artistico, i processi di produzione diventano un tema iconografico e rispecchiano in maniera impressionante le condizioni di lavoro dell’epoca. Nel suo quadro “La ferriera di Cyfarthfa” (Figura 1), il pittore inglese Julius Caesar Ibbetson (1759-1817) ha riprodotto una scena da una fucina. I masselli di ferro incandescenti vengono posti sotto un pesante maglio, in genere azionato da acqua, per essere fucinati. “Nulla è più maestoso del modo in cui la mano dell’uomo domina il metallo ribelle. Dovunque si volge lo sguardo si Figura 1. “La ferriera di Cyfarthfa”, Julius Caesar Ibbetson (1759-1817) incontrano mani attente. Un vigoroso artigiano lamina con la pesante leva il pane di ferro nel forno di puddellatura, che egli osserva attraverso un foro praticato nella parete del forno. Si perderebbe infatti la vista fissando troppo a lungo il metallo incandescente. Un altro lavoratore apre le porte del forno di affinazione, prende con la tenaglia una enorme barra e la trascina velocemente sulle piastre di ghisa del pavimento sotto il possente maglio... È in queste officine che si vede realmente il trionfo dello spirito umano sulla massa informe, qui si può seguire al meglio il suo progresso. Qui si trovano gli archetipi del corpo umano, in quanto un lavoro così pesante raddoppia la forza muscolare, e i modelli adatti agli scultori.” Questa rappresentazione dell’attività lavorativa, come si svolgeva nelle ferriere di Fourchambault, apparsa nella “Illustrierte Zeitung” del 1849, idealizza con il suo tono eroico le dure condizioni lavorative dell’epoca. Il passaggio dal carbone di legna al carbon fossile e al coke nel caricamento degli altiforni rende possibile la produzione di massa del ferro, oltre a una serie di altri sviluppi. Le conseguenze che tutto ciò avrebbe avuto per il paesaggio, l’urbanistica e 45 ANNO II | n. 12 | NOVEMBRE - DICEMBRE 2010 Figura 2. Altoforno degli stabilimenti Laura Figura 3. Sezione di altoforno Figura 4. Sezione di forno di puddellaggio 2 3 4 46 l’ambiente, vengono mostrate dal complesso di altiforni degli allora avanzati stabilimenti Laura (Figura 2). Le fasi essenziali della lavorazione vengono descritte con l’ausilio di una sezione verticale di un altoforno (Figura 3). L’inclinazione rende inutile l’impiego di un ascensore di caricamento. Carbone, minerale e fondente vengono continuamente versati dall’alto. I gas prodotti possono fuoriuscire senza ostacoli. Il livello scende in relazione al processo di fusione. Dal basso viene soffiata aria preriscaldata e la carica viene fatta colare a intervalli regolari. La ghisa ora prodotta in grandi quantità è caratterizzata da fragilità e bassa resistenza alla trazione. La qualità del materiale di partenza influenza il risultato finale. Ma, grazie a una resistenza alla compressione 100 volte superiore alla pietra, non bisogna attendere molto per vedere i primi impieghi in edilizia, motivati soprattutto dalla possibilità di risparmiare materiale e peso. Mancano i relativi procedimenti di calcolo e le proprietà metalliche della ghisa non sono pienamente conosciute, pertanto si fanno esperimenti su scala 1:1. I primi tentativi si registrano nella costruzione di ponti e di strutture industriali. Con la seconda lavorazione del ferro grezzo nel cosiddetto forno di puddellaggio, inventato nel 1784 da Henry Cort (figura 4), si riduce il contenuto di carbonio del ferro. Il ferro viene portato a fusione, mescolato e formato in lingotti. Questi lingotti vengono invece fucinati con il maglio a formare cilindri di lunghezza di circa 50 cm e diametro di 7-10 cm. Dopo la laminatura in barre, attraverso le ulteriori fasi di pacchettatura e saldatura (le barre, squadrate a 50 cm, vengono affiancate quattro a quattro, riscaldate al punto di saldatura e sottoposte alla laminazione finale), si ha il confezionamento finale del ferro puddellato. Parallelamente al costante progresso della tecnica dei forni e della metallurgica, la macchina a vapore e la ferrovia rappresentano importanti pietre miliari dell’industrializzazione, da un lato traendo vantaggio dallo sviluppo della tecnica del ferro e dall’altro contribuendo direttamente al suo ulteriore sviluppo. Mentre la macchina a vapore espleta importanti compiti nell’azionamento di altiforni, fucine e laminatori, la ferrovia diventa indispensabile per il trasporto delle materie prime e dei semilavorati. Anche lo sviluppo delle macchine utensili (invenzione del tornio di Maudslay nel 1810) è determinante per la seconda lavorazione del nuovo materiale. Le più importanti figure nella fase successiva della storia della produzione del ferro sono Kelly negli Stati Uniti ed Henry Bessemer in Europa. Con l’invenzione del “convertitore Bessemer” (la prima idea risale al 1855) (Figure 5 e 6) diventa possibile produrre direttamente l’acciaio dalla ghisa di prima fusione. Con l’iniezione di aria compressa il carbonio presente nella ghisa si combina con l’ossigeno e viene eliminato. Purtroppo non è ancora possibile garantire la qualità, e si possono lavorare solo i minerali che non contengono fosforo. A partire dal 1879 viene utilizzato il procedimento sviluppato da Sidney Gilchrist Thomas. Il procedimento Martin-Siemens (principio del forno a rigenerazione) viene all’inizio impiegato per la fusione di rottami e scorie dei laminatoi. Dopo il superamento di molti ostacoli tecnici, il nuovo “forno Martin-Siemens” diventa idoneo anche per la produzione di massa di acciaio dal minerale. Un’ulteriore tappa nello sviluppo storico che stiamo delineando è data dalla produzione di acciaio attraverso l’elettricità, le cui radici risalgono al XIX secolo ma che diventa economica solo in tempi più recenti, ovvero da quando esiste una disponibilità di quantità sufficienti di energia elettrica. Figura 5. Convertitore Bessemer Figura 6. Immagine dell’acciaieria Bessemer Il miglioramento qualitativo della tecnologia del materiale nel corso degli ultimi cento anni può essere illustrato prendendo come esempio la Torre Eiffel. Se l’edificio, per la sua epoca all’avanguardia in termini di struttura e impiego di materiale, era composto da circa 7000 tonnellate di acciaio, oggi si riuscirebbe a costruirlo con 2000 tonnellate. Anche l’effetto ottico sarebbe sicuramente molto diverso... In riferimento al periodo dal quale è noto il ferro (3000 anni), l’impiego di ferro e acciaio in edilizia occupa un lasso di tempo (250 anni) relativamente breve. Per quanto riguarda le strutture portanti, l’uso di ferro e acciaio può essere diviso in tre periodi: il periodo della ghisa (17801850), il periodo del ferro battuto (1850-1900) e il periodo dell’acciaio, dal 1880 fino ad oggi. I momenti di passaggio tra un periodo e l’altro non sono tuttavia netti. A seconda delle necessità, ghisa e ferro battuto vengono impiegati anche insieme. Se nei primi anni dell’impiego di strutture portanti in ferro in edilizia sono necessari molti tentativi, tra il 1850 e il 1870 si nota una modifica nelle modalità di dimensionamento, essendo ora possibile elaborare con calcoli strutture portanti semplici. Grazie alla teoria dell’elasticità elaborata da William Rankine nel 1859 in base a considerazioni pratiche (“Manual of Civil Engineering”), a un maturo procedimento grafico per la determinazione delle forze (che si basa sulle precedenti esperienze dell’edilizia in legno) e ai valori di resistenza dei chiodi, l’ingegnere è in grado di determinare al tavolo da disegno le dimensioni delle strutture portanti. Il passaggio dal ferro fucinato all’acciaio (circa 1880-1900) consente di incrementare le tensioni ammesse e di impiegare sezioni laminate maggiori, ma solo negli anni Trenta del nostro secolo si ha il salto successivo. L’introduzione della saldatura modifica in maniera radicale le tecniche di produzione e pure progetto e dimensioni devono adeguarsi. Raggiungere la stabilità con spigoli resistenti a flessione invece che con controventi diagonali porta al principio strutturale 6 5 47 ANNO II | n. 12 | NOVEMBRE - DICEMBRE 2010 Figura 7. Produzione di travi forate con una tagliatrice a controllo numerico del portale, una struttura portante che ha caratterizzato in maniera fondamentale l’architettura del successivo periodo. Nei procedimenti di dimensionamento accanto alla teoria dell’elasticità appare quella della plasticità. Oggi, grazie ai computer, è possibile ottimizzare le strutture portanti attraverso calcoli estremamente sofisticati, che riescono a operare una valutazione della struttura generale, per esempio inserendo gli effetti di tutti gli elementi secondari come facciate, rivestimenti e pareti divisorie. Lo sviluppo di semilavorati sempre più accurati (fusione di precisione) con proprietà definite con esattezza e la loro 48 7 lavorazione con procedimenti di taglio, punzonatura e saldatura a controllo numerico rendono le costruzioni in acciaio una opportunità degna della massima considerazione, anche in prospettiva futura. L’aspetto della riutilizzazione e della riciclabilità del materiale occupa un ruolo non marginale anche in edilizia, in un’epoca di aumentata consapevolezza ecologica. Non è infatti necessario partire sempre dall’impiego della materia prima e nessun altro materiale mostra una analoga capacità di adattamento alle situazioni più diverse e una uguale possibilità di cambiamento, demolizione e ricostruzione.