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Facoltà di Ingegneria di Messina
Corso di Scienza delle Costruzioni 1
Lezione 1
Introduzione
Prof. Ing. Giuseppe Ricciardi
A.A. 2010-2011
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La Scienza delle Costruzioni
La Scienza delle Costruzioni (SdC) rappresenta la disciplina fondamentale di molti corsi di
universitari di Ingegneria (Civile, Industriale, Meccanica, Navale, Aeronautica, ecc.)
Gli scopi dello studio della SdC e le sue applicazioni sono molteplici e costituiscono la base
per lo sviluppo di altre discipline che approfondiscono i contenuti sviluppati in essa; nasce
circa quattro secoli fa e si sviluppa con il contributo di illustri scienziati
La SdC fornisce gli strumenti fondamentali per il dimensionamento di una qualunque
costruzione dell’uomo, sia essa un’opera dell’edilizia civile, sia essa rappresentata da un
componente meccanico di un impianto industriale, o un aereo, o una nave
Essa si interessa essenzialmente della meccanica e della resistenza dei materiali, della
meccanica delle strutture e fornisce gli strumenti di analisi per modellare una qualunque
costruzione, sia dal punto di vista del materiale, degli elementi resistenti, delle forze agenti
su di essa, per garantirne la stabilità e la funzionalità, per verificarne il comportamento alle
azioni esterne e per stimarne l’affidabilità e la sicurezza
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La Scienza delle Costruzioni
La Scienza delle Costruzioni è la disciplina di base dell'ingegneria strutturale.
Essa si colloca a valle di quasi tutti gli insegnamenti fondamentali comuni a tutti i corsi di
laurea dell'ingegneria e può esser vista come lo sviluppo, in senso ingegneristico, della
meccanica razionale.
Infatti la Scienza delle Costruzioni prende le mosse dalla meccanica del continuo con i
capitoli riguardanti lo studio della deformazione, dello stato di tensione, dell'equilibrio
elastico, ecc.
Inoltre riprende, per evidenziarne gli aspetti maggiormente applicativi, alcuni classici
argomenti della meccanica razionale quali la statica e la geometria delle masse.
Requisito importante, per seguire con profitto queste lezioni, è una buona conoscenza dei
contenuti dei corsi di Analisi Matematica I e II, di Geometria, di Fisica I, nonché del
corso di Meccanica Razionale.
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La Scienza delle Costruzioni
Lo scopo principale del corso è quello di fornire, con riferimento agli organi resistenti delle
costruzioni e delle macchine, gli strumenti per valutare:
1. La sicurezza
2. La funzionalità
1. Verificare la sicurezza significa controllare che gli organi resistenti di una costruzione
siano in grado di sopportare, per tutta la durata della loro vita, i carichi che su di essi
graveranno, senza che si verifichino eventi traumatici quali possono essere il crollo totale o
parziale. Per far ciò occorre conoscere lo stato di cimento del materiale con cui è realizzato
l'organo resistente e confrontarlo con la resistenza dello stesso materiale
2. Verificare la funzionalità significa controllare che la risposta degli organi resistenti ai
carichi sia compatibile con un corretto esercizio. Questa verifica si esaurisce controllando
che la deformazione dell'organo resistente sia compatibile con le funzioni che esso è
chiamato a svolgere durante l'esercizio.
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Gli argomenti della Scienza del Costruire
1. Il comportamento dei materiali
2. Il comportamento strutturale
MODELLAZIONE
3. Le tecniche costruttive
1.
La modellazione della struttura (per forma, per comportamento, ecc.)
2.
3.
La modellazione dei vincoli (collegamento al suolo, tipologia)
La modellazione delle azioni (meccaniche, termiche, distorcenti, statiche, dinamiche)
4.
La modellazione del materiale (comportamenti caratteristici semplificati)
VOLTA IN MURATURA
STRUTTURA INTELAIATA IN
Cupola di S. Pietro (Michelangelo) - Roma
ACCIAIO-CALCESTRUZZO
Petronas Twin Towers – Kuala Lumpur
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La modellazione strutturale
La Scienza delle Costruzioni assume in generale modelli teorici nei quali non si tiene conto del
fatto che la materia è, a scala microscopica, discontinua, ma si ipotizza invece che essa sia
continua. Questa impostazione costituisce la meccanica dei continui (o del continuo).
La meccanica dei continui, anche se non rispecchia la realtà fisica, è però molto vantaggiosa
matematicamente e fornisce risultati perfettamente accettabili per le costruzioni.
Poiché i corpi reali sono tridimensionali la meccanica dei continui dovrebbe studiare modelli
teorici geometricamente tridimensionali. Lo sviluppo di tale via costituisce la meccanica dei
solidi, esauriente ma spesso complessa.
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La modellazione strutturale
Esistono però corpi in cui una dimensione prevale sulle altre, oppure due dimensioni
prevalgono sulla terza. E allora utile una schematizzazione in cui il corpo è rappresentato con
una linea (l’asse geometrico) od una superficie (la superficie media).
Questa trattazione viene denominata meccanica delle strutture, monodimensionali ( funi, travi,
travature, ) o bidimensionali ( lastre, membrane, ).
La meccanica delle strutture fornisce come risultato le caratteristiche di sollecitazione
(momento, taglio, sforzo normale ) e le caratteristiche di deformazione (dilatazione, curvatura,
scorrimento), che sono quantità risultanti , o medie, rispetto alla sezione (nelle strutture
monodimensionali) o rispetto allo spessore (nelle strutture bi-dimensionali).
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La modellazione strutturale
Strutture mono-dimensionali
una dimensione prevalente sulle altre; schematizzate con la linea media
- travi (sistemi intelaiati, ponti a travata, ponti a graticcio)
- aste (travature reticolari, strutture tensintegrate)
- funi (ponti ad arco, ponti sospesi e strallati, strutture tensintegrate, tensostrutture )
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La modellazione strutturale
Strutture mono-dimensionali
una dimensione prevalente sulle altre; schematizzate con la linea media
- travi (sistemi intelaiati, ponti a travata, ponti a graticcio)
- aste (travature reticolari, strutture tensintegrate)
- funi (ponti ad arco, ponti sospesi e strallati, strutture tensintegrate, tensostrutture )
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La modellazione strutturale
Strutture mono-dimensionali
una dimensione prevalente sulle altre; schematizzate con la linea media
- travi (sistemi intelaiati, ponti a travata, ponti a graticcio)
- aste (travature reticolari, strutture tensintegrate)
- funi (ponti ad arco, ponti sospesi e strallati, strutture tensintegrate, tensostrutture )
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La modellazione strutturale
Strutture bi-dimensionali
due dimensioni prevalenti sulla terza (spessore); schematizzate con la superficie media
- piastre, lastre
- gusci
- membrane
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La modellazione strutturale
Strutture bi-dimensionali
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La modellazione strutturale
Strutture bi-dimensionali
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La modellazione strutturale
Strutture tri-dimensionali
tutte e tre le dimensioni significative; schematizzate con modelli agli elementi finiti
- elementi tozzi (travi, piastre e lastre spesse,
- ammassi di terreno, rocciosi
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La modellazione strutturale
Strutture tri-dimensionali
tutte e tre le dimensioni significative; schematizzate con modelli agli elementi finiti
- elementi tozzi (travi, piastre e lastre spesse)
- ammassi di terreno, rocciosi
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La modellazione strutturale
Strutture tri-dimensionali
tutte e tre le dimensioni significative; schematizzate con modelli agli elementi finiti
- elementi tozzi (travi, piastre e lastre spesse)
- ammassi di terreno, rocciosi
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La modellazione strutturale
Strutture tri-dimensionali
tutte e tre le dimensioni significative; schematizzate con modelli agli elementi finiti
- elementi tozzi (travi, piastre e lastre spesse,
- ammassi di terreno, rocciosi
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La modellazione dei vincoli
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La modellazione dei vincoli
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La modellazione dei vincoli
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La modellazione dei vincoli
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La modellazione dei vincoli
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La modellazione delle azioni
Azioni statiche
- meccaniche (forze di volume, forze superficiali)
- distorcenti (variazioni termiche, cedimenti)
Azioni dinamiche
S
- sisma
- vento
V
- mare
- carichi mobili
Sv
pdS
dV
u
dS
fdV
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La modellazione del materiale
Esperimento ideale di una barra in trazione
F
Forza
applicata
l0
lunghezza iniziale
l
lunghezza corrente
d0
diametro iniziale
d
diametro corrente
A0
area iniziale
A
area corrente
 l  l  l0
Variazione di
lunghezza
d  d  d 0
Variazione di
diametro
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Prova uniassiale
Tensione normale

F
A0
( N / mm 2 )
Forza per unità di area (iniziale)
Deformazioni dirette
l l  l0


l0
l0
d d  d 0
t 

d0
d0
Deformazione longitudinale
Deformazione trasversale
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Diagrammi sforzo-deformazione
Diagrammi sforzo-deformazione per materiali duttili
Oltre il limite elastico si ha snervamento e solo dopo un notevole incremento di deformazione
(a tensione pressoché costante) si ha la rottura
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Diagrammi sforzo-deformazione
Diagrammi sforzo-deformazione per materiali fragili
Al limite elastico si ha pressoché immediatamente la rottura (senza che si esibisca una fase
plastica)
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Diagrammi sforzo-deformazione
Contrazione trasversale
Coefficiente di Poisson
t
 

Fenomeno della strizione
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Legame elastico lineare
Legge di Hooke
La maggior parte delle strutture sono progettate in modo che, almeno in condizioni di
esercizio, subiscano piccole deformazioni e che tali deformazioni si annullino quando
vengono rimossi i carichi
Risulta utile descrivere solo il ramo iniziale del diagramma, ove il comportamento del
materiale è reversibile (elastico) e lo sforzo è direttamente proporzionale alla deformazione
  E
E
modulo di elasticità longitudinale o modulo di Young
( N / mm 2 )
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Reazioni vincolari e sollecitazioni
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Sforzi interni e verifiche
x
x
M
N
y
y
z
z
T
Mt
x
y
z
Mt
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Calcolo degli spostamenti
q
M
B
urB
u
B
B
A
z
r
A
Sistema effettivo
B
Sistema effettivo
F 1
qz 
A
B
x
z
Sistema ausiliario
wB

C
r
A
B
x
C
Sistema ausiliario
M
EI
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L’ottimizzazione strutturale
I solidi di ugual resistenza: LA MENSOLA
Momento flettente
M(A) > M(C) > M(B)
Fibre
compresse
Fibre tese
La trave prismatica non realizza il miglior utilizzo del materiale: la forza concentrata
all’estremità le sezioni prossime all’incastro sono più sollecitate di quelle più lontane
dall’incastro stesso; quindi alla rottura quando la sezione all’incastro è al massimo della sua
capacità di resistenza le sezioni intermedie conserverebbero ancora qualche risorsa
Ottimizzazione di forma
Lo scopo è quello di togliere materiale superfluo al prisma fino ad ottenere un solido di forma
tale che tutte le sue sezioni siano ugualmente resistenti
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L’ottimizzazione strutturale
I solidi di ugual resistenza: LA MENSOLA
La condizione di eguale resistenza si verifica
con la curva parabolica FNB imponendo la
condizione di equilibrio limite in ogni
sezione di ascissa z e di altezza h(z)
La condizione che deve essere soddisfatta per sfruttare al massimo il materiale è :
“momento esterno per ogni valore di z uguale al momento limite, e costante al variare di z”
M lim  Pz  cost
6 Pz
H ( z) 
 lim B
 lim
BH 2
 Pz
6
Equazione di una parabola
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L’ottimizzazione strutturale
I solidi di ugual resistenza: IL PILASTRO
La condizione che deve essere soddisfatta affinché
ogni sezione raggiunga la tensione limite è:
P
  
 cost
A0
N ( z )   A( z )  P  Q( z )
A( z ) 
 A0
A( z )  C
P
A = sezione trasversale
γ = peso specifico
P = carico applicato
z
z
P
A( z )  P    A( )d 
0
A0
Q( z )    A( )d 
0
 A
A( z )  A(0) exp  0
 P

z

Legge esponenziale
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Rischi di una cattiva progettazione
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Rischi di una cattiva progettazione
Sultan Mizan Stadium (Malesia)
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Rischi di una cattiva progettazione
The Millennium Bridge
(Londra)
Sir Norman Foster
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Rischi di una cattiva progettazione
40
Rischi di una cattiva progettazione
TUNED MASS DAMPERS
VISCOUS DAMPERS
41
Rischi di una cattiva progettazione
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Il futuro della SdC
L’analisi strutturale, con i modelli teorici e sperimentali attualmente disponibili, unitamente
alle grandi potenzialità offerte dal calcolo automatico, consente la ideazione e realizzazione
di costruzioni secondo sempre nuove concezioni architettoniche e funzionali.
“Le possibilità di cui oggi disponiamo, di indagare qualitativamente e quantitativamente
il giuoco statico di una qualsiasi disposizione strutturale (quando sia insufficiente l’indagine
teorico-matematica, resta sempre aperta quella sperimentale su modelli), e l’efficienza dei
nuovi materiali costruttivi, ci hanno dato una quasi completa libertà d’invenzione di nuovi
schemi costruttivi che hanno praticamente annullato tutti i precedenti”
Pier Luigi Nervi