Università degli Studi di Palermo – Scuola politecnica Corso di Laurea interclasse in Ingegneria Civile-Edile a.a. 2014-15 CORSO di ARCHITETTURA TECNICA Docente: prof. ing. Tiziana Campisi Tutors: ingg. Liucija Berezanskyte, Manfredi Saeli I MATERIALI DA COSTRUZIONE Lezione del 06 ottobre 2014 A T A T Il vocabolo MATERIALE , adattandosi ad innumerevoli ambiti scientifici e applicativi, è uno dei termini più utilizzati da chi opera nei settori della ricerca e della progettazione . Diverse discipline trattano nello specifico dei materiali: la Scienza dei materiali, la Tecnologia dei materiali, l’Ingegneria dei materiali , per fare un esempio.
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CORSO di ARCHITETTURA TECNICA
Docente: prof. ing. Tiziana CampisiTutors: ingg. Liucija Berezanskyte, Manfredi Saeli
I MATERIALI DA COSTRUZIONE
Lezione del 06 ottobre 2014
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Il vocabolo MATERIALE, adattandosi ad innumerevoli ambiti scientifici e applicativi, è uno dei termini più utilizzati da chi opera nei settori della ricerca e della progettazione.
Diverse discipline trattano nello specifico dei materiali: la Scienza dei materiali, la Tecnologia dei materiali, l’Ingegneria dei materiali, per fare un esempio.
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La MIGLIORE SOLUZIONE PROGETTUALE è spesso legata all’uso congruente di materiali, ovvero alla concezione di un materiale nuovo, che è in grado di soddisfare specifici requisiti richiesti.
Nel campo dell’ingegneria, dalla scelta dei materiali dipendono la COERENZA STRUTTURALE, la CORRETTA ESECUZIONE DEI DETTAGLI COSTRUTTIVI, l’ottimizzazione delle PROPRIETA’ DEGLI INVOLUCRI, la DURABILITA’ DELLA COSTRUZIONE, l’EFFICACIA DELL’ESPRESSIONE FORMALE.
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PROPRIETA’ DEI MATERIALI DA COSTRUZIONENell’ambito dei materiali da costruzione, è essenziale la conoscenza di alcune nozioni di base che permettano di analizzare e capire la STRUTTURA e PROPRIETA’ dei materiali in relazione alle loro opportunità di impiego.
Si tratta di comprendere come la struttura del materiale venga modificata durante le diverse fasi del suo processo produttivo (dalla materia prima al prodotto finale), come i trattamenti per modificarne le proprietà possano anche cambiarne la struttura e, infine, come si possa progettare e realizzare un materiale nuovo dotato di particolari caratteristiche, tenendo conto anche delle specifiche dettate da leggi e normative.
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ELEMENTI, COMPOSTI e MISCELETutti i materiali, indipendentemente dallo stato fisico in cui si trovano, possono essere classificati in base alla loro composizione chimica e alla struttura interna, come ELEMENTI, COMPOSTI E MISCELE
Gli ELEMENTI sono sostanze semplici che non possono essere suddivisi in sostanze chimiche più semplici
I COMPOSTI sono formati dalla combinazione chimica (in un rapporto costante) di due o più elementi
Le MISCELE derivano dalla combinazione meccanica (in qualsiasi proporzione variabile) di due o più elementi o composti.
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Gli elementi a loro volta possono dividersi in METALLI e NON-METALLI.
COMPOSTI ORGANICI e INORGANICI: una classificazione assai utile per comprendere alcune caratteristiche di base dei materiali èincentrata sulla differenza fra “organico” ed “inorganico”.
Il composto organico è un qualsiasi composto del carbonio combinato con altri elementi non metallici. Esso può essere di origine biologica (es:cellulosa o gomma) o sintetica (es: polimeri).
Tutti gli altri composti sono considerati inorganici.
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LA STRUTTURA DEI MATERIALI
La struttura di un materiale è distinta tra CRISTALLINA (la maggior parte dei materiali da costruzione, come i metalli, molte ceramiche e polimeri) e AMORFA (materiali allo stato gassoso e liquido e di alcuni polimeri allo stato solido).
Nel primo caso, la struttura CRISTALLINA è caratterizzata da un reticolo tridimensionale, che presenta una organizzazione complessa, in cui si possono definire geometricamente i vertici a cui sono associati un atomo, una molecola o una cella della struttura principale.
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Al contrario, una struttura è definita AMORFA quando non esiste un ordine nella disposizione atomica o molecolare. Alcuni materiali, per esempio alcune ceramiche, contengono parti (fasi) cristalline e parti amorfe.
Tenendo conto della struttura, del legame chimico e dello stato di ordine degli atomi, i materiali da costruzione possono essere classificati in: MATERIALI METALLICI, CERAMICI, POLIMERICI, COMPOSITI.
Di ogni classe evidenzieremo alcune caratteristiche peculiari.
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MATERIALI METALLICI
Si distinguono tra PURI e LEGHE.
I secondi sono i più interessanti dal punto di vista edilizio; sono formati dalla combinazione di due o più metalli ed hanno caratteristiche differenti dai metalli puri di cui sono formati.
I materiali metallici possiedono STRUTTURA CRISTALLINA, hanno prevalentemente LEGAMI METALLICI, sono buoni CONDUTTORI, hanno elevate resistenze metalliche, sono malleabili e duttili, fondono a temperature piuttosto elevate, e si presentano opachi o lucenti.
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MATERIALI CERAMICI
Vengono ottenuti da materie inorganiche mediante formatura e successiva cottura.
La particolare struttura atomica conferisce loro ottime caratteristiche di resistenza al calore, stabilità chimica, isolamento elettrico, elevata durezza, buona resistenza a compressione, resistenza a trazione variabile a seconda del materiale di base.
Aspetto negativo è la loro elevata fragilità, causata da legami covalenti che impediscono i movimenti degli atomi: raggiunto il limite di resistenza il materiale ceramico non si deforma, ma si frattura (sono esempi di materiali ceramici i laterizi, le porcellane, i refrattari).
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MATERIALI POLIMERICI
Un POLIMERO è definito come una sostanza formata da molecole di grandi dimensioni, dette MACROMOLECOLE, la cui struttura deriva da molte molecole di piccole dimensioni, i MONOMERI, unite tra di loro mediante legami chimici non facilmente dissociabili.
Hanno comunque STRUTTURE COMPLESSE, non CRISTALLINE, con gruppi di atomi strettamente legati fra loro. Le loro proprietà chimiche e fisiche dipendono anche dalla natura dei monomeri e dalle dimensioni delle molecole. Sono caratterizzati da legami covalenti e secondari, sono buoni isolanti, con basse resistenze meccaniche e, se deformabili, presentano deformazioni permanenti tipo plastico.
A tale proposito una proprietà caratteristica differenzia i TERMOINDURENTI (es. le resine) e i TERMOPLASTICI (cellulosa e plastiche).
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MATERIALI COMPOSITI:
Rappresentano la combinazione di più sostanze di natura e struttura differenti ma tra loro compatibili, in grado cioè di realizzare un materiale stabile, dalle prestazioni superiori a quelle dei suoicostituenti.
La messa a punto di nuovi compositi, da utilizzarsi come materiali da costruzione, è in continuo sviluppo in quanto si prestano all’ottimizzazione di particolari proprietà utili all’edilizia.Sono composti da un materiale di base, la MATRICE (metallica, ceramica o polimerica), in cui sono incluse sostanze di completamento di varia natura, in forma particellare o fibrosa, che vengono disposte casualmente o orientate secondo direzioni volute.
La natura, la geometria e la logica con cui sono disposti i materiali rinforzanti determinano le proprietà meccaniche e fisiche e i campi di impiego dei compositi (es. legno, calcestruzzo, malta, compositi polimerici, compositi fibrorinforzati).
CARATTERISTICHE DEI MATERIALI
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RIFERIMENTI NORMATIVI
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L’ISOTROPIA è la proprietà per la quale un materiale, o un oggetto, ha caratteristiche indipendenti dalla direzione secondo la quale detta caratteristica viene considerata.
In un materiale isotropo le proprietà fisiche, chimiche e meccaniche non dipendono dalla direzione in cui si analizza la sostanza stessa.
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ANISOTROPImateriali “naturali”
L’ANISOTROPIA è la proprietà per la quale un determinato materiale ha caratteristiche che dipendono dalla direzione lungo la quale dette caratteristiche sono considerate.
Un materiale è anisotropo se le sue caratteristiche fisiche(conducibilità elettrica e termica, proprietà ottiche...) o il suo comportamento meccanico (rigidezza, resistenza, tenacità...) sono differenti in direzione longitudinale e trasversale.
Spesso l’ANISOTROPIA riflette la struttura del materiale.!
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Il comportamento isotropo o anisotropo di un materiale dipendono dalla struttura del materiale stesso.
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Caratteristiche meccaniche del legno in dimensione strutturale in relazione al tipo ed alla direzione della sollecitazione
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Piani di sedimentazione
Il comportamento isotropo o anisotropo di un materiale dipendono dalla struttura del materiale stesso.
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Il comportamento isotropo o anisotropo di un materiale dipendonodalla struttura del materiale stesso.
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Il comportamento isotropo o anisotropo di un materiale dipendonodalla struttura del materiale stesso.
! PRESTAZIONI STATICHE
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Il comportamento isotropo o anisotropo di un materiale dipendonodalla struttura del materiale stesso.
! PRESTAZIONI STATICHE
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Il comportamento isotropo o anisotropo di un materiale dipendonodalla struttura del materiale stesso.
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Il comportamento isotropo o anisotropo di un materiale dipendonodalla struttura del materiale stesso.
! DEGRADO
La sistematizzazione concettuale e la definizione normativa delle caratteristiche dei materiali sono indispensabili,
soprattutto per i materiali “industriali”, per una corretta progettazione.
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DEFINIZIONE DELLE PRESTAZIONI DI MATERIALI E PRODOTTI
OTTIMIZZAZIONE (COSTI – BENEFICI)
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La ricerca scientifico-tecnologica introduce nel mercato nuovi materiali che presentano prestazioni migliori rispetto a quelli giàpresenti :
- materiali più leggeri (massa volumica)
- materiali che offrono maggiore sicurezza (statica, antincendio)
- materiali che offrono maggiore economicità (anche ambientale)
- materiali riciclabili o riutilizzabili o biodegradabili
- materiali che resistono più a lungo nel tempo (manutenzione)
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PRESTAZIONI DEI MATERIALI
SCELTE PROGETTUALI
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PRESTAZIONI DEI MATERIALI
SCELTE PROGETTUALI
Differenziazione nell’uso del ferro e della ghisa: “Il materiale giusto al posto giusto”
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SI RICONOSCONO COME CARATTERISTICHE FISICHE:
Caratteristiche geometriche (unità di misura: m e sue potenze, mq e mc)
Porosità (unità di misura: numero puro)
Densità (unità di misura: kg/mc)
Peso specifico γ (unità di misura:N/mc, per i materiali da costruzione spesso viene usato kN/mc)
Coefficiente di permeabilità δ (unità di misura:kg/msPa)
Gelività (unità di misura: % di diminuzione di una proprietà del materiale utilizzato)
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• aspetto• peso specifico• temperatura di fusione• conduttività elettrica• conduttività termica• conduttività acustica• colore• porosità
MATERIALI LAPIDEI
Tutti i materiali lapidei hanno in comune la presenza di una struttura
porosa al loro interno.
STRUTTURA POROSA
Qualifica il materiale
Influenza la durabilità.
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La porosità è un parametro molto importante per lo studio della durabilità di un materiale.
Permette all’acqua di interagire con il materiale con i seguenti processi:
reazioni chimiche
meccanismo di tipo fisico
mezzo di trasporto di sali in soluzione
permette la formazione di un substrato per la crescita biologica
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Schema di sistema poroso (tipo arenaria)
a - pori aperti
b - pori chiusi
c - pori interconnessiCar
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BiocalcarenitiLitocalcarenitiArenaria quarzosa
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acqua
CAPILLARITÀ
La forma del menisco indica l’ “affinità” del liquido per la superficie del capillare.
Quasi tutti i materiali lapidei hanno superfici idrofile, cioèparticolarmente ricettive nei confronti delle molecole polari dell’acqua.Questa ricettività si traduce in un avanzamento del fronte di risalitaC
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• composizione chimica (mineralogica)• odore• resistenza alla corrosione (degrado)
La composizione mineralogica e la porosità condizionano le seguenti proprietà dei materiali:
Proprietà termicheCoefficiente di dilatazione
Conduttività termica
Proprietà meccaniche
Compressione
Trazione
Flessione
Durezza
Usura
Altre propietà: Colore, lavorabilità, gelività
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PROPRIETA’ TERMICHE
Si introducono come proprietà termiche:
Il flusso termico
la conduttività (o conducibilità) termica
la resistività termica
la conduttanza termica
la trasmittanza
il calore specifico
la capacità termica
il punto di fusione
la dilatazione termica
l’inerzia termica
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Le proprietà termiche dei materiali influiscono sulle specifiche caratteristiche di trasmissione del calore e sulla risposta meccanica degli elementi costruttivi prima, e dell’intera costruzione poi.La propagazione del calore può avvenire per conduzione (scambio di calore all’interno dei corpi solidi, liquidi o gassosi senza movimento apparente di materia. Essa è dovuta alla cessione di energia cinetica da parte di molecole verso altre molecole in zona adiacente a causa di una differenza di temperatura), convezione (consiste nel trasporto di calore tra un corpo solido e un fluido (liquido o gas) o viceversa), per irraggiamento(scambio di calore da un corpo a temperatura maggiore verso un corpo a temperatura inferiore non a contatto, mediante propagazione di onde elettromagnetiche, in presenza di aria o nel vuoto. Queste tre modalità risultano spesso concomitanti.
Possibili azioni sulla costruzione sono dovute alle alte, o basse temperature e alle variazioni termiche che possono indurre spostamenti e deformazioni: questo tipo di azione è denominata SOLLECITAZIONE INTERNA.
Le caratteristiche termiche dei materiali, quindi, devono esserevalutate in funzione del loro specifico utilizzo e dell’ambiente in cui sarà collocata la costruzione.
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PROPRIETA’ MECCANICO STRUTTURALI
Si introducono i parametri meccanico/strutturali di base:
le resistenze meccanico-strutturali
i moduli elastici (E)
il coefficiente di Poisson
la durezza
Una costruzione, tra i suoi numerosi e importanti compiti, ha quello di supportare azioni di diversa natura.
Per garantire la sicurezza strutturale di una costruzione occorre valutare, in un quadro analitico integrato, la specifica idoneità dei materiali e dei corrispondenti elementi costruttivi strutturali, in funzione soprattutto delle loro dimensioni geometriche generali e particolari.
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Un’opera edilizia , per assolvere al suo compito, deve convivere in sicurezza con queste azioni, in parte legate alle funzioni progettate (CARICHI UTILI), in parte dovute alla sua stessa consistenza (PESO PROPRIO) e in parte, ancora, trasmesse dall’ambiente esterno (neve, vento, sisma,…).
Ogni costruzione possiede un sistema di elementi portanti, LA STRUTTURA, che ha il compito esplicito di resistere alle diverse azioni.
I materiali da costruzione, nella loro risposta strutturale, esprimono diversità che possono essere anche notevoli.
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RESISTENZA DI UN MATERIALE (unità di misura N/mm2, MPa):
essa indica lo sforzo massimo che può essere sopportato da un materiale.
Questo concetto può essere particolareggiato in relazione:
- alle diverse fasi nella risposta meccanica di un materiale: resistenza elastica, di snervamento, a rottura;
- alla diversa natura delle azioni imposte: resistenza a compressione, a trazione, a flessione, a taglio, a torsione, all’urto, all’abrasione, alla fatica, ecc.
- allo specifico significato introdotto dalle normative; per es. la resistenza caratteristica.
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Possiamo concludere che la RESISTENZA, in realtà, è una categoria di grandezze che vengono utilizzate per caratterizzare meccanicamente un qualsiasi materiale da costruzione.
Questa categoria, insieme ai moduli elastici ed al coefficiente di Poisson, è il riferimento base per la caratterizzazione meccanica di un materiale.
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DUREZZA: indica la resistenza dei materiali all’azione di forze meccaniche. Si distinguono una RESISTENZA ALLA PENETRAZIONE, ALLA SCALFITURA, ALLA LEVIGAZIONE.
Non esiste uno strumento unico per valutare la durezza, la cui misura viene sostanzialmente a dipendere dalla metodologia operativa usata per determinarla: per esempio, per i minerali si misura per confronto con i rappresentanti delle dieci classi della scala di Mohs.
In essa un materiale di una certa classe viene scalfito da quelli delle classi successive e a sua volta scalfisce tutti quelli delle classi precedenti. Nella scala assoluta della durezza di Rosiwal, questa è espressa come resistenza all’abrasione misurata in prove di laboratorio.
Per i metalli la durezza si misura (per mezzo di apparecchi detti durometri 9 come rapporto tra la pressione esercitata con una particolare punta (sferica, conica o piramidale) e la lunghezza o l’area dell’impronta lasciata da essa sul materiale.
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Resistenza alla corrosione (degrado)
Dissoluzione (lapidei) Corrosione (metalli)
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Capacità dei materiali di resistere all’azione di forze esterne• resistenza a compressione• resistenza a trazione• resistenza a flessione• resistenza a torsione• resistenza a taglio• durezza• resistenza a fatica• resistenza all’urto (resilienza o tenacità)
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Sottoposti a sollecitazioni esterne come la trazione, la compressione, la torsione, la piegatura e il taglio, i materiali solidi rispondono
con deformazioni elastiche, deformazioni permanenti o rotture.
Se sono prolungate nel tempo, queste sollecitazioni hanno come effetto lo scorrimento plastico.
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Attitudine dei materiali rispetto a come possono essere lavorati• duttilità: capacità di un corpo o di un materiale di deformarsi
sotto carico prima di giungere a rottura, ovvero la capacità di sopportare deformazioni plastiche. Un corpo è tanto piùduttile quanto maggiore è la deformazione raggiunta prima della rottura.
• malleabilità :è l’attitudine di un materiale di essere ridotto in sottili lamine
• Segabilità: è l’ attitudine di un materiale di essere tagliato
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• Curvabilità: invece è l’attitudine di un materiale di essere piegato in una curva
• Saldabilità: è l’ attitudine di un materiale che consente l’unione di due parti omogenee
• Temperabilità: è l’attitudine di un materiale che consiste nella capacità di aumentare la propria durezza attraverso un brusco cambiamento termico (acciaio +, rame -)
• resistenza a fatica• resistenza all’urto (resilienza)
Sono dette proprietà tecnologiche le caratteristiche dei materiali più connesse con la lavorazione meccanica.
Sono particolarmente importanti per i materiali metallici, ma riguardano in parte anche le materie plastiche e i materiali da costruzione.Le principali sono la duttilità, la malleabilità, la fusibilità, la temprabilità e la lavorabilità.
La duttilità è l'attitudine di un metallo, di una lega o in generale di qualsiasi altro materiale a essere ridotto in fili sottili senza rompersi, ed è quindi essenziale nella trafilatura.
La malleabilità, invece, è l'attitudine di un materiale a essere deformato in maniera permanente senza subire rotture, e si traduce nella possibilità di ridurlo in fogli sottili mediante laminazione o martellatura; caratterizza metalli, leghe e diversi altri materiali solidi, in particolare l'oro, che può essere ridotto in fogli di spessore inferiore al micrometro, l'argento, il rame e l'alluminio.
La fusibilità è l'attitudine a passare dallo stato solido allo stato liquido a temperature facilmente raggiungibili.
La temprabilità è l'attitudine di un materiale, particolarmente dell'acciaio, a indurirsi se sottoposto al processo di tempra.
La lavorabilità è l'attitudine di un materiale a essere lavorato con macchine utensili o con utensili manuali; è di grande importanza per i materiali metallici, il legno e le materie plastiche.
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PROPRIETA’ ACUSTICHE
Si introducono come proprietà termiche:
Coefficiente di assorbimento
Coefficiente di riflessione
Coefficiente di trasmissione
Coefficiente di assorbimento acustico apparente
Potere fonoisolante
Il suono è la sensazione provocata dalla vibrazione di un mezzo e percepita dall’orecchio umano. Il suono, per estensione e significato, definisce anche la vibrazione stessa che causa la sensazione.
L’acustica è la scienza del suono, delle vibrazioni meccaniche ad ampiezza limitata.
ATI fenomeni acustici devono essere considerati in fase di progettazione e risultano dipendenti dalle condizioni ambientalidi contorno e dalla destinazione d’uso della costruzione in progetto.
Anche le proprietà acustiche variano notevolmente tra i diversi materiali; in edilizia si utilizzano materiali in grado di migliorare contemporaneamente il comportamento termico e acustico, salvo che le esigenze dell’isolamento acustico non richiedano prestazioni particolari.
I suoni sono caratterizzati dalla lunghezza d’onda (λ, in m), dallafrequenza (f, in Hz), dal periodo (T, in s), e dalla velocità di propagazione (ν, in m/s)
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PROPRIETA’ OTTICHE
La luce è necessaria per la visione; le forme e i colori sono visibili solo quando la luce dagli oggetti raggiunge gli occhi che trasmettono la sensazione della vista al cervello.
La percezione di un oggetto dipende da moltissimi fattori, alcuni oggettivi ed altri soggettivi. Tra i primi sono di fondamentale importanza la fonte di luce che stimola l’oggetto, le caratteristiche materiche e superficiali dell’oggetto colpito dalla luce e le caratteristiche dell’osservatore, ossia più in generale del sistema di ricezione.
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Diversi settori della fisica si occupano dei numerosi aspetti relativi alla luce, alla sua percezione e misurazione.
Oltre alle grandezze radiometriche introdotte (lunghezza d’onda e frequenza), ne esistono altre utili per valutare, in termini quantitativi, le caratteristiche fisiche delle radiazioni luminose visibili.
Tra queste vi sono la grandezze fotometriche, appartenenti alla fotometria e le grandezze colorimetriche, appartenenti alla colorimetria.
Le grandezze fotometriche si maggiore importanza sono: flusso luminoso, intensità luminosa, luminanza, illuminamento.
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COMPORTAMENTO AL FUOCO
Il fuoco ha effetti distruttivi sul materiale, in quanto ne deteriora le caratteristiche. I materiali utilizzati nelle costruzioni devono garantire sicurezza anche in caso di incendio. In particolare, le normative vigenti richiedono che la struttura principale di una costruzione possa continuare ad assolvere il suo compito, per un tempo prestabilito, evitando anche lo sviluppo di fumi e gas nocivi.RESISTENZA AL FUOCO
Il DM 48/1984 (classificazione di reazione al fuoco e omologazione dei materiali ai fini della prevenzione incendi) individua sei diverse classi di materiali:
0 materiali incombustibili
1 materiali non infiammabili
2 materiali difficilmente infiammabili
3 materiali mediamente infiammabili
4 materiali facilmente infiammabili
5 materiali altamente infiammabili
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Lo stesso D.M. definisce l’attitudine di un elemento da costruzione a conservare, per un tempo determinato, la resistenza meccanica (R), la tenuta alla fiamma e ai gas (E), l’isolamento termico (I). Dall’insieme di queste attitudini viene individuata la corrispondente classe REIespressa in minuti: REI 15,30,45,60,90,120,180.
Il Testo Unico delle Norme tecniche per le costruzioni di cui al D.M. 14/1/08 definisce esplicitamente la resistenza al fuoco come: capacitàdi una costruzione, o di una parte di essa di un elemento costruttivo di mantenere, per un tempo prefissato, la capacità portante, l’isolamento termico e la tenuta alle fiamme, ai fumi e ai gas caldi della combustione nonché tutte le altre prestazioni se richieste.
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Importanti ai fini del progetto il criterio di “compartimento antincendio”, per cui si intende una parte della costruzione delimitata da elementi costruttivi resistenti al fuoco.
Da ciò deriva la scelta di materiali idonei allo scopo.
INFIAMMABILITA’: è la tendenza di una sostanza ad avviare la combustione a contatto con la fiamma e a propagare la fiamma stessa. La velocità con cui questo avviene è molto importante per la valutazione del comportamento a fuoco di un materiale.
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BIBLIOGRAFIA DI RIFERIMENTO:
Dassori E., Morbiducci R., Costruire l’architettura. Tecniche e tecnologie per il progetto. Ed. Tecniche nuove, Milano, pagg.107-124
