Vantaggi del rame in architettura

Il rame ha guadagnato un posto rispettato nei settori correlati dell’architettura, dell’edilizia e dell’interior design. Dalle cattedrali ai castelli e dalle case agli uffici, il rame viene utilizzato per una varietà di elementi architettonici, tra cui tetti, scossaline, grondaie, pluviali, cupole, guglie, volte, rivestimento di pareti e costruzione di giunti di dilatazione.

La storia del rame in architettura può essere legata alla sua durata, alla resistenza alla corrosione, all’aspetto prestigioso e alla capacità di formare forme complesse. Per secoli, artigiani e designer hanno utilizzato questi attributi per costruire sistemi di costruzione esteticamente gradevoli e duraturi.

Nell’ultimo quarto di secolo, il rame è stato progettato in una gamma molto più ampia di edifici, incorporando nuovi stili, varietà di colori e diverse forme e trame. Le pareti rivestite in rame sono un elemento di design moderno in ambienti sia interni che esterni.

Alcuni dei più illustri architetti moderni del mondo hanno fatto affidamento sul rame. Esempi includono Frank Lloyd Wright, che ha specificato materiali in rame in tutti i suoi progetti di costruzione; Michael Graves, un mediatore d’oro AIA che ha progettato oltre 350 edifici in tutto il mondo; Renzo Piano, che ha progettato il rame placcato pre-patinato per il Museo della scienza NEMO-Metropolis ad Amsterdam; Malcolm Holzman, le cui tegole in rame patinato al WCCO Television Communications Center hanno reso la struttura un clandestino di architettura in Minneaoplis; e Marianne Dahlbäck e Göran Månsson, che hanno progettato il Museo Vasa, una caratteristica importante dello skyline di Stoccolma, con un rivestimento in rame di 12.000 metri quadrati. L’enorme scultura di pesce in rame dell’architetto Frank O. Gehry in cima alla Vila Olimpica di Barcellona è un esempio dell’uso artistico del rame.

Il tratto più famoso del rame è la sua esposizione da un brillante colore metallico al marrone iridescente al quasi nero e infine a una patina verdigris verdastra. Gli architetti descrivono la gamma di marroni come russet, cioccolato, prugna, mogano ed ebano. La particolare patina verde del metallo è stata a lungo ambita da architetti e designer.

Questo articolo descrive i vantaggi pratici ed estetici del rame in architettura, nonché il suo utilizzo in applicazioni esterne, elementi di interior design e edifici verdi.

Benefici

Resistenza alla corrosione
Come un metallo architettonico, il rame offre un’eccellente resistenza alla corrosione. Le superfici di rame formano rivestimenti in patina di ossido solfato che proteggono le superfici di rame sottostanti e resistono alla corrosione per un tempo molto lungo.

Il rame si corrode a ritmi trascurabili in aria, acqua, acidi non ossidanti disaerati e quando esposto a soluzioni saline, soluzioni alcaline e prodotti chimici organici. Le coperture in rame in atmosfera rurale corrodono a tassi inferiori a 0,4 mm in 200 anni.

A differenza della maggior parte degli altri metalli, il rame non subisce la corrosione del lato inferiore che può causare guasti prematuri nelle coperture. Con un tetto in rame, i substrati e le strutture di supporto solitamente falliscono molto prima del rame sul tetto.

Il rame architettonico è, tuttavia, suscettibile agli attacchi corrosivi in ​​determinate condizioni. Gli acidi ossidanti, i sali ossidanti di metalli pesanti, gli alcali, gli ossidi di zolfo e di azoto, l’ammoniaca e alcuni composti di zolfo e ammonio possono accelerare la corrosione del rame. Le precipitazioni in aree con un pH inferiore a 5,5 possono corrodere il rame, probabilmente prima che si formi una patina o un film protettivo di ossido. Le precipitazioni acide, note come piogge acide, sono dovute alle emissioni derivanti dalla combustione di combustibili fossili, dalla produzione chimica o da altri processi che rilasciano zolfo e ossidi di azoto nell’atmosfera. La corrosione dell’erosione può verificarsi quando l’acqua acida proveniente da un tetto non in rame che non neutralizza l’acidità, come piastrelle, ardesia, legno o asfalto, cade su una piccola area di rame. La corrosione della linea può verificarsi se il bordo di gocciolamento di un materiale di copertura inerte poggia direttamente sul rame. Una soluzione a ciò può essere quella di sollevare il bordo inferiore delle scandole con una lastrina, o per fornire una striscia di rinforzo sostituibile tra le tegole e il rame. Un design e dettagli dettagliati per la rimozione dell’acqua, che riducono il tempo di permanenza dell’acqua acida sulle superfici metalliche, possono prevenire la maggior parte dei problemi di corrosione atmosferica.

L’ottone, una lega di rame e zinco, ha una buona resistenza alla corrosione atmosferica, alcali e acidi organici. In alcune acque potabili e in acqua di mare, tuttavia, le leghe di ottone con il 20% o più di zinco possono subire attacchi corrosivi.

Durabilità / lunga durata
I tetti in rame sono estremamente resistenti nella maggior parte degli ambienti. Hanno funzionato bene per oltre 700 anni, principalmente a causa della patina protettiva che si forma sulle superfici di rame. Test condotti su tetti in rame del XVIII secolo in Europa hanno dimostrato che, in teoria, potevano durare per mille anni.

Basso movimento termico
Tetti in rame appositamente progettati riducono al minimo i movimenti dovuti a cambiamenti termici.La bassa dilatazione termica del rame, il 40% in meno rispetto allo zinco e al piombo, aiuta a prevenire deterioramenti e guasti. Inoltre, l’alto punto di fusione del rame assicura che non si insinuerà o si allungherà come fanno alcuni altri metalli.

Sui tetti a due falde, il movimento termico è relativamente minore e di solito non è un problema. In edifici di ampie dimensioni superiori ai 60 metri e quando si utilizzano pannelli lunghi, potrebbe essere necessario un margine per l’espansione termica. Ciò consente al tetto di “galleggiare” sulle sottostrutture di supporto rimanendo al sicuro.

Bassa manutenzione
Il rame non richiede pulizia o manutenzione. È particolarmente adatto per aree che sono difficili o pericolose per l’accesso dopo l’installazione.

leggero
Quando viene utilizzato come copertura del tetto completamente supportato, il rame è la metà del peso (incluso il substrato) del piombo e solo un quarto dei tetti piastrellati. Ciò generalmente consente di risparmiare in termini di costi di struttura e materiali. Il rivestimento in rame offre ulteriori opportunità per ridurre il peso delle strutture in rame (per ulteriori dettagli, vedere: Rivestimento in rame e Rivestimento parete).

Ventilazione
Il rame non richiede misure di ventilazione complesse. È adatto sia per le costruzioni di tetti “ventilati” ventilati che per quelli “a freddo” non ventilati.

Schermatura a radiofrequenza
Le apparecchiature elettroniche sensibili sono vulnerabili alle interferenze e alla sorveglianza non autorizzata. Questi prodotti richiedono anche protezione da alte tensioni. La schermatura a radiofrequenza (RF) può risolvere questi problemi riducendo la trasmissione di campi elettrici o magnetici da uno spazio all’altro.

Il rame è un materiale eccellente per la schermatura RF poiché assorbe onde radio e magnetiche.Altre proprietà utili per la schermatura RF è che il rame ha un’elevata conduttività elettrica, è duttile, malleabile e facilmente saldabile.

Le custodie schermate RF filtrano una gamma di frequenze per condizioni specifiche. Custodie in rame progettate e costruite in modo adeguato soddisfano la maggior parte delle esigenze di schermatura RF, dalle sale di commutazione per computer e elettriche alle apparecchiature CAT-scan e MRI ospedaliere. È necessario prestare particolare attenzione per quanto riguarda le potenziali penetrazioni dello schermo, come porte, prese d’aria e cavi.

Uno scudo può essere efficace contro un tipo di campo elettromagnetico ma non contro un altro. Ad esempio, una lamina di rame o una schermatura RF a schermo saranno minimamente efficaci contro i campi magnetici di frequenza di potenza. Uno schermo magnetico a frequenza di potenza potrebbe offrire una piccola riduzione dei campi di radiofrequenza. Lo stesso vale per le diverse frequenze RF.Un semplice schermo con schermo a maglie larghe può funzionare bene per le frequenze più basse, ma può essere inefficace per le microonde.

Finale galeone di rame.
Il rame per lamiera per schermatura RF può essere formato essenzialmente in qualsiasi forma e dimensione. La connessione elettrica a un sistema di messa a terra fornisce un involucro RF efficace.

Protezione contro i fulmini
La protezione da fulmini riduce al minimo i danni agli edifici durante le interruzioni dei fulmini. Ciò viene solitamente realizzato fornendo molteplici percorsi interconnessi di bassa impedenza elettrica a terra.

Il rame e le sue leghe sono i materiali più comuni utilizzati nelle protezioni dei fulmini residenziali, tuttavia in ambienti industriali, chimicamente corrosivi, il rame potrebbe dover essere rivestito in stagno. Il rame facilita efficacemente la trasmissione dell’energia del fulmine al suolo grazie alla sua eccellente conduttività elettrica. Inoltre, si piega facilmente rispetto ad altri materiali conduttori.

Quando le coperture in rame, le grondaie e le guide di pioggia sono collegate elettricamente a un impianto di terminazione, viene fornito un percorso di bassa impedenza elettrica verso terra, tuttavia senza percorsi di conduzione dedicati per concentrare il canale di scarico, una superficie dispersa energizzata potrebbe non essere la più desiderabile .

Poiché il rame ha una conduttività elettrica superiore a quella dell’alluminio e la sua impedenza durante la terminazione di un fulmine è minore, il rame consente l’uso di una minore superficie della sezione trasversale per lunghezza lineare, nella sua via di fili intrecciati rispetto all’alluminio. Inoltre, l’alluminio non può essere utilizzato nel calcestruzzo colato o per qualsiasi componente sotterraneo a causa delle sue proprietà galvaniche.

Per essere efficaci, i sistemi di protezione contro i fulmini generalmente ottimizzano il contatto tra i conduttori e la terra attraverso una griglia di terra di disegni diversi. Per integrare le griglie di messa a terra in terra a bassa conduttività, come sabbia o roccia, sono disponibili lunghi tubi cavi di rame riempiti con sali metallici. Questi sali filtrano attraverso i fori nel tubo, rendendo il terreno circostante più conduttivo e aumentando l’area complessiva che diminuisce la resistenza effettiva.

I tetti in rame possono essere utilizzati come parte di uno schema di protezione contro i fulmini in cui la pelle, le grondaie e le condutture di acqua piovana possono essere collegate e collegate a un impianto di terminazione di terra. Lo spessore del rame specificato per i materiali del tetto è solitamente adeguato per la protezione dai fulmini. Un sistema di protezione antifulmine dedicato può essere raccomandato per un’adeguata protezione contro i fulmini con un sistema di tetto in rame installato. Il sistema includerebbe terminali d’aria e conduttori di intercettazione sul tetto, un sistema di elettrodi di terra e un sistema di conduttori di terra che collegano il tetto e i componenti di terra. Si raccomanda di collegare il tetto in rame al sistema di conduttori. L’incollaggio assicura che i conduttori e il tetto rimangano in posizione equipotenziale e riducano il lampeggio laterale e l’eventuale danneggiamento del tetto.

Ampia gamma di finiture
A volte è desiderabile alterare chimicamente la superficie di rame o leghe di rame per creare un colore diverso. I colori più comuni prodotti sono le finiture marroni o statuarie per le finiture in ottone o bronzo e verde o patinato per il rame. Trattamenti superficiali meccanici, coloranti chimici e rivestimenti sono descritti altrove in questo articolo in: Finiture.

Continuità progettuale
Gli architetti guardano spesso al rame architettonico per la continuità negli elementi di design. Ad esempio, un sistema di copertura in rame può essere progettato con lampi di rame, agenti atmosferici, prese d’aria, grondaie e pluviali. I dettagli di copertina possono includere cornici, modanature, finials e sculture.

Con l’uso crescente del rivestimento verticale, le superfici verticali e di copertura possono incontrarsi reciprocamente in modo da mantenere una continuità completa del materiale e delle prestazioni.Anche gli schermi paraventi e le facciate continue (spesso collegate a traversi e montanti) stanno guadagnando popolarità nel design architettonico moderno.

antimicrobica
Numerosi test a livello mondiale hanno dimostrato che le leghe di rame e rame non rivestite (ad es. Ottone, bronzo, rame nichel, rame-nichel-zinco) hanno forti proprietà antimicrobiche intrinseche con efficacia contro un’ampia gamma di batteri, muffe, funghi e virus resistenti alle malattie. Dopo anni di test, gli Stati Uniti hanno approvato la registrazione di oltre 300 diverse leghe di rame (rame, ottone, bronzi, rame-nickel e nickel-argent) come materiali antimicrobici. Questi sviluppi stanno creando mercati per il rame antimicrobico e le leghe di rame nell’architettura d’interni. Per soddisfare le esigenze di progettazione di superfici, strutture, infissi e componenti di edifici, i prodotti antimicrobici a base di rame sono disponibili in una vasta gamma di colori, finiture e proprietà meccaniche.Corrimani in rame, ripiani, corridoi, porte, piastre di spinta, cucine e bagni sono solo alcuni dei prodotti antimicrobici approvati per ospedali, aeroporti, uffici, scuole e caserme militari per uccidere i batteri nocivi. Vedi: un elenco di prodotti approvati negli Stati Uniti

Sostenibilità
Mentre una definizione universalmente accettata di sostenibilità rimane inafferrabile, la Commissione Brundtland delle Nazioni Unite definisce lo sviluppo sostenibile come uno sviluppo che soddisfa i bisogni del presente senza compromettere la capacità delle generazioni future di soddisfare i propri bisogni. La sostenibilità, il mantenimento a lungo termine della responsabilità, richiede la riconciliazione delle esigenze ambientali, di equità sociale e economiche. Questi “tre pilastri” della sostenibilità comprendono la gestione responsabile dell’uso delle risorse. Inoltre, può significare che possiamo usare una risorsa che non cesserà di essere abbondante nonostante l’assunzione crescente.

Il rame è un materiale sostenibile. La sua durata offre un servizio lungo con poca manutenzione. Le sue elevate efficienze di energia elettrica e termica riducono lo spreco di energia elettrica. Le sue proprietà antimicrobiche distruggono i microrganismi patogeni che causano la malattia. Il suo elevato valore di scarto e la capacità di essere continuamente riciclati senza alcuna perdita di prestazioni assicurano alla sua gestione responsabile una risorsa preziosa.

Sono disponibili informazioni sull’inventario del ciclo di vita (LCI) su tubi di rame, lamiere e prodotti in filo metallico, utilizzando gli standard ISO e coprendo i settori di estrazione e di produzione primaria di rame (cioè fusione e raffinazione). Utilizzati nelle valutazioni del ciclo di vita (LCA), in particolare nel settore dell’edilizia e delle costruzioni, i set di dati LCI assistono i produttori di prodotti contenenti rame con iniziative di conformità e di miglioramento volontario. Supportano inoltre i responsabili politici nello sviluppo di linee guida e regolamenti ambientali allo scopo di promuovere lo sviluppo sostenibile.

La lunga durata della copertura e del rivestimento in rame ha un significativo effetto positivo sulle valutazioni dell’intero ciclo di vita del rame rispetto ad altri materiali in termini di consumo energetico incorporato (cioè l’energia totale consumata durante ogni fase del ciclo di vita in MJ / m2), generazione di CO2, e costo.

Confronto tra durata della vita, energia incorporata e emissioni di CO2 incorporate di rame, acciaio inossidabile e alluminio nei materiali di copertura e di rivestimento. (Fonte: Ministero tedesco per gli affari ambientali, 2004)

Rame Acciaio inossidabile Alluminio
Spessori tipici (mm) 0.6 0.4 0.7
Durata della vita (anni) 200 100 100
Energia incorporata (MJ / m 2 ) 103.3 157,2 115,4
Emissioni equivalenti di CO 2 (kg / m 2 ) 6.6 10.9 7.5

riciclabilità
La riciclabilità è un fattore chiave di un materiale sostenibile. Riduce la necessità di estrarre nuove risorse e richiede meno energia di quella mineraria. Il rame e le sue leghe sono praticamente riciclabili al 100% e possono essere riciclati all’infinito senza alcuna perdita di qualità (ad esempio, il rame non si degrada (ad esempio, downcycle) dopo ogni ciclo di riciclaggio come la maggior parte dei materiali non metallici, se sono completamente riciclabili) . Il rame conserva gran parte del suo valore di metallo primario: i rottami di qualità superiore normalmente contengono almeno il 95% del valore del metallo primario da minerale estratto recentemente. I valori di scarto per materiali concorrenti variano da circa il 60% fino allo 0%. E il riciclaggio del rame richiede solo il 20% circa dell’energia necessaria per estrarre e lavorare il metallo primario.

Attualmente, circa il 40% della domanda annuale di rame in Europa e circa il 55% del rame utilizzato nell’architettura proviene da fonti riciclate. La nuova bobina di rame e il foglio spesso contengono il 75% -100% di contenuto riciclato.

Nel 1985, più rame veniva riciclato rispetto alla quantità totale di rame che era stata consumata nel 1950. Ciò è dovuto alla relativa facilità di riutilizzo degli scarti di lavorazione e al recupero di rame dai prodotti dopo la loro vita utile.

Efficacia dei costi
Le prestazioni, la manutenzione, la durata e i costi di recupero dal riciclaggio sono fattori che determinano l’economicità dei componenti dell’edificio. Mentre il costo iniziale del rame è superiore rispetto ad altri metalli architettonici, di solito non ha bisogno di essere sostituito durante la vita di un edificio. A causa della sua durata, bassa manutenzione e il massimo valore di salvataggio, il costo aggiuntivo per il rame può essere insignificante per tutta la durata di un sistema di copertura.

Le coperture in rame sono notevolmente meno costose di piombo, ardesia o piastrelle in argilla fatte a mano. I suoi costi sono paragonabili con lo zinco, l’acciaio inossidabile, l’alluminio e persino alcune piastrelle di argilla e cemento quando si considerano i costi generali del tetto (inclusa la struttura).

Alcuni studi indicano che il rame è un materiale più economico in termini di ciclo di vita rispetto ad altri materiali del tetto con una durata di 30 anni o più. Uno studio europeo che confronta i costi di copertura del rame con altri metalli, cemento e piastrelle di argilla, ardesia e bitume ha rilevato che nel medio-lungo termine (per vite da 60 a 80 anni e oltre 100 anni), il rame e l’acciaio inossidabile erano i materiali di copertura più economici di tutti i materiali esaminati.

Tecniche di installazione come la prefabbricazione, la formatura di macchine in situ, l’aggraffatura meccanizzata e il sistema a strisce lunghe aiutano a ridurre i costi di installazione delle coperture in rame. Riducendo i costi di installazione, queste tecniche consentono ai progettisti di specificare il rame in una gamma più ampia di tipi di edifici, non solo grandi progetti prestigiosi come era stato comune in passato.

Poiché il rame di scarto conserva gran parte del suo valore primario, i costi del ciclo di vita del rame si riducono quando si tiene conto del suo valore di recupero. Per ulteriori informazioni, vedere la sezione Riciclabilità in questo articolo.

Rame puro o legato
Rame puro A differenza di altri metalli, il rame viene frequentemente utilizzato nella sua forma pura (99,9% Cu) per applicazioni su lamiere e nastri in coperture, rivestimenti esterni e scossaline.

La tempera è una tecnica di trattamento termico utilizzata per aumentare la resistenza dei metalli. I temperamenti determinano la duttilità del metallo, e quindi quanto bene si forma e manterrà la sua forma senza ulteriore supporto. Negli Stati Uniti, il rame è disponibile in sei tipi di tempera: 060 molli, 1/8 rigidi a freddo, 1/4 a freddo ad alta resa, metà dura, tre quarti dura e dura. Nel Regno Unito esistono solo tre denominazioni: morbida, semidura e dura. Il rame e le sue leghe sono definiti negli Stati Uniti nelle denominazioni standard per rame e leghe di rame di ASTM; in Europa dalla BS EN 1172: 1997 – “Copper and Copper Alloys in Europe”; e nel Regno Unito dal British Standard Code of Practice CP143: Part12: 1970.

Il temperamento di rame laminato a freddo è di gran lunga il più popolare nella costruzione di edifici negli Stati Uniti. È meno malleabile del rame morbido, ma è molto più forte. Il rame laminato a freddo in rapporto 1/8-hard è spesso consigliato per coperture e installazioni lampeggianti. Per alcune applicazioni possono essere specificati fogli del tetto con temperature maggiori.

Il rame temperato morbido è estremamente malleabile e offre una resistenza molto inferiore rispetto al rame laminato a freddo rispetto alle sollecitazioni indotte dall’espansione e dalla contrazione.Viene utilizzato per intricati lavori ornamentali e dove è richiesta una formatura estrema, come nelle complicate condizioni di lampeggio a parete passante.

L’uso principale per il rame ad alto rendimento è nei prodotti lampeggianti, dove la malleabilità e la resistenza sono entrambe importanti.

Lo spessore del foglio e del nastro di rame è misurato dal suo peso in once per piede quadrato. Gli spessori comunemente usati negli edifici negli Stati Uniti sono compresi tra 12 once e 48 once.Poiché l’industria utilizza spesso numeri di riferimento o spessori effettivi per lamiere o altri materiali da costruzione, è necessario effettuare la conversione tra i diversi sistemi di misurazione.

In Europa, il rame non-arsenico disossidato al fosforo è usato con la denominazione C106. Il rame viene laminato a spessori compresi tra 0,5 e 1,0 millimetri (1,5 – 3,0 millimetri per le facciate continue) ma uno spesso da 0,6 a 0,7 millimetri viene utilizzato per coperture.

Rame legato. Le leghe di rame, come l’ottone e il bronzo, sono utilizzate anche in strutture residenziali e commerciali. Le variazioni di colore derivano principalmente dalle differenze nella composizione chimica della lega.

Alcune delle più popolari leghe di rame e i relativi numeri UNS (Unified Numbering System) sviluppati da ASTM e SAE sono le seguenti:

Lega di rame Termine comune Composizione Colore naturale Colore esposto alle intemperie
C11000 / C12500 Rame 99,90% di rame Rosso salmone Patina di colore da rosso-marrone a grigio-verde
C12200 Rame 99,90% di rame; 0,02% di fosforo Rosso salmone Patina di colore da rosso-marrone a grigio-verde
C22000 Bronzo commerciale 90% di rame; 10% di zinco Oro rosso Patina da marrone a grigio-verde in sei anni
C23000 Ottone rosso 85% di rame; 15% di zinco Giallo rossastro Patina da marrone cioccolato a grigio-verde
C26000 Cartuccia d’ottone 70% di rame; 30% di zinco Giallo Giallastro, grigio-verde
C28000 Muntz metal 60% di rame; 40% di zinco Giallo rossastro Da rosso-marrone a grigio-marrone
C38500 Bronzo architettonico 57% di rame; 3% di piombo; 40% di zinco Giallo rossastro Marrone scuro al marrone scuro
C65500 Bronzo al silicio 97% di rame; 3% di silicio Oro vecchio rossastro Marrone ruggine a marrone grigio finemente screziato
C74500 Argento nichelato 65% di rame; 25% di zinco; 10% di nichel Argento caldo Grigio-marrone a finemente screziato grigio-verde
C79600 Argento al nichel piombo 45% di rame; 42% di zinco; 10% di nichel; 2% manganese; 1% di piombo Argento caldo Grigio-marrone a finemente screziato grigio-verde

Ulteriori informazioni sulle leghe di rame architettoniche sono disponibili.

Criteri di selezione
I criteri con cui rame e leghe di rame sono selezionati per progetti architettonici includono colore, resistenza, durezza, resistenza alla fatica e alla corrosione, conduttività elettrica e termica e facilità di fabbricazione. Spessori e tempra appropriati per applicazioni specifiche sono essenziali; le sostituzioni possono portare a prestazioni inadeguate.

Il rame architettonico è generalmente utilizzato in fogli e nastri. La striscia è larga 24 pollici o meno, mentre il foglio ha una larghezza superiore a 24 pollici, fino a 48 pollici di larghezza per 96 o 120 pollici di lunghezza, più in forma di bobina.