Acciaio vs legno vs cemento

Materiali comunemente usati nell'ingegneria strutturale

L'ingegneria strutturale dipende dalla conoscenza dei materiali da costruzione e delle loro proprietà corrispondenti per consentirci di prevedere meglio il comportamento dei diversi materiali quando applicati alla struttura. Generalmente, i tre (3) Acciaio vs legno vs cemento, cemento e legno / legno. Conoscere i vantaggi e gli svantaggi di ogni materiale è importante per garantire un approccio sicuro ed economico alla progettazione delle strutture. Quindi diamo un'occhiata ai pro e ai contro di acciaio vs legno vs cemento!

Acciaio strutturale

L'acciaio è una lega costituita principalmente da ferro e carbonio. Altri elementi vengono anche miscelati nella lega per ottenere altre proprietà. Un esempio è l'aggiunta di cromo e nichel per creare acciaio inossidabile. L'aumento del carbonio nell'acciaio ha l'effetto previsto di aumentare la resistenza alla trazione del materiale. L'aumento del contenuto di carbonio rende l'acciaio più fragile, che è indesiderabile per l'acciaio strutturale.

Vantaggi dell'acciaio strutturale

1. L'acciaio ha un elevato rapporto resistenza / peso. così, il peso morto di strutture in acciaio è relativamente piccolo. Questa proprietà rende l'acciaio un materiale strutturale molto attraente per i grattacieli, ponti a lunga portata, strutture situate su un terreno a basso assorbimento del suolo e in aree ad alta attività sismica.
2. Duttilità. L'acciaio può subire una grande deformazione plastica prima del fallimento, fornendo così una grande riserva.
3. Proprietà del materiale prevedibili. Le proprietà dell'acciaio possono essere previste con un alto grado di certezza. L'acciaio infatti mostra un comportamento elastico fino a un livello di sollecitazione relativamente elevato e generalmente ben definito. Contrariamente al cemento armato, le proprietà dell'acciaio non cambiano considerevolmente nel tempo.
4. Velocità di erezione. I membri in acciaio vengono semplicemente installati sulla struttura, per un tempo di costruzione molto breve. Ciò si traduce normalmente in un rapido guadagno economico in settori quali il costo del lavoro.
5. Facilità di riparazione. Le strutture in acciaio in generale possono essere riparate rapidamente e facilmente.
6. Adattamento della prefabbricazione. L'acciaio è altamente adatto alla prefabbricazione e alla produzione in serie.
7. Uso ripetitivo. L'acciaio può essere riutilizzato dopo lo smontaggio di una struttura.
8. Espansione delle strutture esistenti. Gli edifici in acciaio possono essere facilmente ampliati aggiungendo nuove baie o ali. I ponti in acciaio possono essere allargati.
9. Resistenza alla fatica. Le strutture in acciaio hanno una resistenza alla fatica relativamente buona.

Svantaggi dell'acciaio strutturale

1. Costo generale. L'acciaio è ad alta intensità energetica e naturalmente più costoso da produrre. Le strutture in acciaio possono essere più costose da costruire rispetto ad altri tipi di strutture.
2. fireproofing. La resistenza dell'acciaio si riduce sostanzialmente quando viene riscaldata a temperature comunemente osservate negli incendi degli edifici. L'acciaio inoltre conduce e trasmette il calore da una porzione in fiamme dell'edificio abbastanza velocemente. conseguentemente, le strutture in acciaio negli edifici devono essere adeguatamente ignifughe.
3. Manutenzione. L'acciaio esposto all'ambiente può danneggiare il materiale e persino contaminare la struttura a causa della corrosione. Strutture in acciaio esposte all'aria e all'acqua, come ponti e torri, sono dipinti regolarmente. L'applicazione di acciai resistenti agli agenti atmosferici e alla corrosione può eliminare questo problema.
4. Suscettibilità all'instabilità. Grazie all'elevato rapporto resistenza / peso, membri di compressione in acciaio sono, in generale, più snello e di conseguenza più suscettibile alla deformazione di, dire, elementi di compressione in cemento armato. Di conseguenza, sono necessarie ulteriori considerazioni di progettazione per migliorare la resistenza all'instabilità dei sottili elementi di compressione in acciaio.

Software SkyCiv Steel Design

figura 1. Panoramica delle strutture in acciaio

Cemento armato

Il calcestruzzo è una miscela di acqua, cemento e aggregati. La proporzione dei tre componenti principali è importante per creare una miscela concreta della resistenza a compressione desiderata. Quando si rinforzano barre di acciaio vengono aggiunte nel calcestruzzo, i due materiali lavorano insieme al calcestruzzo fornendo la resistenza alla compressione e l'acciaio fornendo la resistenza alla trazione.

Vantaggi del cemento armato

1. Resistenza alla compressione. Il cemento armato ha un'alta resistenza a compressione rispetto ad altri materiali da costruzione.
2. Resistenza alla trazione. A causa del rinforzo fornito, il cemento armato può anche sopportare una buona resistenza alla trazione.
3. Resistenza al fuoco. Il calcestruzzo ha una buona capacità di proteggere le barre di acciaio di rinforzo dal fuoco per lunghi periodi. Questo fa guadagnare tempo alle barre di rinforzo fino allo spegnimento dell'incendio.
4. Materiali di provenienza locale. La maggior parte dei materiali necessari per la produzione di calcestruzzo sono facilmente reperibili localmente, che rende concreto una scelta popolare ed economica.
5. durabilità. Il sistema di costruzione in cemento armato è più resistente di qualsiasi altro sistema di costruzione.
6. stampabilità. Cemento armato, come materiale fluido all'inizio, può essere modellato economicamente in una gamma quasi illimitata di forme.
7. Bassa manutenzione. Il cemento armato è progettato per essere robusto, utilizzando materiali di basso valore come sabbia e acqua che non richiedono una manutenzione estesa. Il calcestruzzo è destinato a racchiudere il tondo per cemento armato in modo tale che il tondo per cemento armato sia indisturbato. Ciò rende molto bassi i costi di manutenzione delle strutture in cemento armato.
8. In struttura come basamenti, dighe, pontili ecc. il cemento armato è il materiale da costruzione più economico.
9. Rigidità. Agisce come un elemento rigido con una minima flessione. Una deflessione minima fa bene alla manutenzione degli edifici.
10. Facilità d 'uso. Rispetto all'uso dell'acciaio nella struttura, manodopera meno qualificata può essere utilizzata nella costruzione di strutture in cemento armato.

Svantaggi del cemento armato

1. Conservazione a lungo termine. Il calcestruzzo non può essere immagazzinato una volta miscelato poiché il cemento reagisce con l'acqua e la miscela si indurisce. I suoi ingredienti principali devono essere conservati separatamente.
2. Tempo di indurimento. Il calcestruzzo ha un periodo di stagionatura di trenta giorni. Questo fattore influisce notevolmente sul programma di costruzione dell'edificio. Ciò rende la velocità di costruzione del calcestruzzo fuso sul posto più lenta dell'acciaio, però, questo può essere notevolmente migliorato con l'uso di calcestruzzo prefabbricato.
3. Costo delle forme. Il costo delle forme utilizzate per la fusione di RC è relativamente più alto.
4. Sezione maggiore. Per un edificio a più piani la sezione della colonna in cemento armato (RCC) è maggiore della sezione in acciaio poiché la resistenza a compressione è inferiore nel caso di RCC.
5. restringimento. Il restringimento provoca lo sviluppo di crepe e la perdita di forza.

Software di progettazione SkyCiv RC

figura 2. Un tipico esempio di cemento armato

Legname

Il legno è un organico, materiale igroscopico e anisotropico. È termico, acustico, elettrico, meccanico, estetico, Lavorando, eccetera. le proprietà sono molto adatte da usare è possibile costruire una casa confortevole usando solo prodotti in legno. Con altri materiali, è quasi impossibile. Il legno è ovviamente sia una scelta comune che storica come materiale di ingegneria strutturale. Tuttavia, negli ultimi decenni, c'è stato un allontanamento dal legno a favore di prodotti ingegnerizzati o metalli come l'alluminio.

Vantaggi del legno

1. Resistenza alla trazione. Per essere un materiale da costruzione relativamente leggero, il legno supera anche l'acciaio quando si tratta di lunghezza di rottura (o lunghezza autoportante). In poche parole, può sostenere meglio il proprio peso, che consente spazi più ampi e meno supporti necessari in alcuni progetti di edifici.
2. Resistenza elettrica e termica. Ha una resistenza naturale alla conduzione elettrica quando essiccato al contenuto di umidità standard (MC) livelli, di solito tra 7%-12% per la maggior parte delle specie legnose. Anche la sua forza e le sue dimensioni non sono influenzate in modo significativo dal calore, fornire stabilità all'edificio finito e persino implicazioni di sicurezza per determinate situazioni di incendio.
3. Assorbimento acustico. Le sue proprietà acustiche lo rendono ideale per ridurre al minimo l'eco negli spazi abitativi o degli uffici. Il legno assorbe il suono, piuttosto che rifletterlo o amplificarlo, e può aiutare a ridurre significativamente i livelli di rumore per un maggiore comfort.
4. Proveniente localmente. Il legno è un materiale da costruzione che può essere coltivato e ricresciuto attraverso processi naturali e anche attraverso programmi di reimpianto e gestione forestale. La raccolta selezionata e altre pratiche consentono alla crescita di continuare mentre si raccolgono alberi più grandi.
5. Ecologico. Una delle maggiori sfide di molti materiali da costruzione, compreso il calcestruzzo, metallo, e materie plastiche, è che quando vengono scartati, impiegano molto tempo a decomporsi. Se esposto a condizioni climatiche naturali, il legno si romperà molto più rapidamente e riempirà effettivamente il terreno nel processo.

Svantaggi del legname

Il restringimento e il rigonfiamento del legno sono uno dei suoi principali svantaggi.

Il legno è un materiale igroscopico. Ciò significa che assorbirà i vapori condensabili circostanti e perde umidità nell'aria al di sotto del punto di saturazione della fibra. Un altro svantaggio è il suo deterioramento. Gli agenti che causano il deterioramento e la distruzione del legno rientrano in due categorie: biotico (biologico) e abiotico (non biologica). Gli agenti biotici includono decadimento e muffe, batteri e insetti. Gli agenti abiotici includono il sole, vento, acqua, alcuni prodotti chimici e fuoco.

Software SkyCiv Wood Design

figura 3. Una struttura strutturale in legno / legno

Sommario

Per descrivere meglio l'acciaio, il cemento e il legno. Riassumiamo le loro principali caratteristiche che metterebbero in evidenza ogni materiale.

Acciaio è molto forte sia in tensione che in compressione e quindi ha elevate resistenze a compressione e trazione. L'acciaio ha una forza ultima di circa 400 per 500 MPa (58 - 72.5 KSI). È anche un materiale duttile che cede o flette prima del fallimento. L'acciaio si distingue per la sua velocità ed efficienza nella costruzione. Il suo peso leggero relativo e la facilità di costruzione consentono una forza lavoro in giro 10 per 20% più piccolo rispetto ad una simile struttura a base di cemento in costruzione. Le strutture in acciaio hanno anche un'eccellente durata.

Calcestruzzo è estremamente forte nella compressione e quindi ha un'elevata resistenza a compressione da circa 17 MPa a 28 MPa. Con punti di forza più elevati fino o superiori 70 MPa. Il calcestruzzo consente di progettare edifici molto robusti e durevoli, e sfruttare la sua massa termica mantenendola all'interno dell'involucro dell'edificio può aiutare a regolare le temperature interne. Vi è anche un crescente ricorso al calcestruzzo prefabbricato nell'edilizia, che offre vantaggi in termini di impatto ambientale, costo e velocità di costruzione.

Legna è resistente alle correnti elettriche, rendendolo un materiale ottimale per l'isolamento elettrico. La resistenza alla trazione è anche uno dei motivi principali per la scelta del legname come materiale da costruzione; le sue qualità straordinariamente forti lo rendono la scelta perfetta per materiali edili pesanti come travi strutturali. Il legno è molto più leggero in volume sia del cemento che dell'acciaio, è facile da lavorare e molto adattabile in loco. È durevole, si traduce in un minore ponte termico rispetto alle sue controparti e incorpora facilmente elementi prefabbricati. Le sue prestazioni strutturali sono molto elevate e la sua resistenza a compressione è simile a quella del calcestruzzo. Nonostante tutto ciò, il legname viene utilizzato più ampiamente per le strutture residenziali e basse. Viene usato raramente come materiale principale per le strutture highrise.

Questi sono i materiali da costruzione più comuni utilizzati per l'edilizia. Ogni materiale ha il suo insieme unico di vantaggi e svantaggi. Alla fine questi possono essere sostituiti da materiali che hanno pochissimi o nessun limite con i progressi tecnologici in futuro. Indipendentemente, i nostri attuali materiali da costruzione rimarranno rilevanti per molti decenni a venire.