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2c materiali

  1. 1. 1 I materiali
  2. 2. <ul><li>Introduzione </li></ul><ul><li>L’importanza dei materiali per l’architettura (ideazione delle morfologie, tipologie strutturali, tecniche esecutive, aspetto, livelli di sostenibilità, etc.) </li></ul><ul><li>L’uomo e i materiali </li></ul><ul><li>l’importanza dei materiali nella storia (età della pietra, del bronzo, del ferro…) </li></ul><ul><li>Oggi il progresso è condizionato dalla disponibilità di nuovi materiali dalle prestazioni sempre più avanzate - sviluppo della civiltà e uso dei materiali </li></ul><ul><li>I primi materiali usati dall’uomo sono: pietra, osso, legno (prime lavorazioni rudimentali) </li></ul><ul><li>La scienza dei materiali comincia nel Medio Evo con i primi studi sulla lavorazione dei metalli (alte temperature) </li></ul><ul><li>Le lavorazioni vere e proprie sui metalli risalgono alla fine del secolo XVIII (Inghilterra, Francia, Svezia) </li></ul>
  3. 3. <ul><li>La conoscenza dei materiali </li></ul><ul><li>La caratterizzazione di un materiale dipende dalla sua composizione chimica e dalla sua struttura fisica interna, allo stato solido </li></ul><ul><li>Gli studi sulla morfologia e sulla disposizione degli atomi costituenti i materiali sono stati consistenti a partire dalla fine del secolo XVII </li></ul><ul><li>Nel 1912, la tecnica di diffrazione dei raggi X ha consentito gli sviluppi degli studi sulla struttura intima delle materie, permettendo di capire la disposizione degli atomi e la natura delle forze che li legano nelle strutture cristalline </li></ul><ul><li>La struttura interna di un materiale (definita dagli atomi e dalle molecole) condiziona quindi direttamente le sue proprietà fisiche </li></ul><ul><li>Gli atomi sono particelle piccolissime pressoché indivisibili; pochi atomi fortemente legati tra loro formano una molecola </li></ul>
  4. 4. <ul><li>La classificazione dei materiali </li></ul><ul><li>La classificazione di un materiale si fa tenendo conto delle sue proprietà fondamentali che dipendono da: natura e disposizione degli atomi, difetti presenti (ossia il tipo di legame tra gli atomi), struttura e stato di ordine </li></ul><ul><li>I materiali si possono raggruppare in 3 classi fondamentali (i metalli, i ceramici e i polimeri) e 1 aggiunta (i compositi, costituiti da più materiali, appartenenti anche a classi diverse) </li></ul>
  5. 5. <ul><li>Lo studio dei materiali </li></ul><ul><li>A seconda dello stato di aggregazione delle molecole varia la struttura interna di un materiale: </li></ul><ul><ul><li>allo stato gassoso, le molecole si muovono nello spazio quasi indipendentemente; </li></ul></ul><ul><ul><li>allo stato liquido, le molecole sono impacchettate tra loro ma possono comunque muoversi permettendo lo scorrimento della sostanza; </li></ul></ul><ul><ul><li>allo stato solido, atomi e molecole sono impacchettati un po’ più saldamente per cui non possono muoversi ma solo oscillare in punti fissi di equilibrio </li></ul></ul><ul><li>La conoscenza dei materiali non consiste solo nella composizione degli atomi ma anche nei modi in cui questi sono “impacchettati” ossia nella struttura interna e nella eventuale presenza di difetti </li></ul><ul><li>Per i materiali solidi la maggiorparte delle strutture è di tipo cristallino (soprattutto le formazioni rocciose e i metalli) </li></ul><ul><li>Quasi tutte le sostanze solide hanno una struttura interna caratterizzata dalla ripetizione di motivi ordinati nei quali possono essere presenti difetti </li></ul>
  6. 6. <ul><li>Lo studio dei materiali </li></ul><ul><li>La presenza di difetti influisce sul comportamento di un solido </li></ul><ul><li>I difetti più comuni riscontrabili in una struttura cristallina sono: </li></ul><ul><ul><li>la vacanza ossia assenza di un atomo </li></ul></ul><ul><ul><li>l’impurezza sostituzionale ossia una vacanza viene occupata da un atomo di altra natura </li></ul></ul><ul><ul><li>l’impurezza interstiziale ossia la presenza di atomi di dimensioni più piccole negli spazi interstiziali tra gli atomi regolari </li></ul></ul><ul><ul><li>le dislocazioni ossia lo scorrimento di un piano di atomi sull’altro </li></ul></ul><ul><ul><li>I primi tre difetti sono puntuali e rappresentano la capacità dei metalli di costituire leghe, l’ultimo è lineare e rappresenta la duttilità di un materiale </li></ul></ul>
  7. 7. <ul><li>Lo studio dei materiali </li></ul><ul><li>Le possibilità che hanno gli atomi di formare molecole sono svariate (dalla biatomica alla gigante) ma i modi in cui si legano sono pochi: </li></ul><ul><ul><li>legame ionico ove si ha uno scambio di elettroni da un atomo all’altro per ottenere una molecola stabile </li></ul></ul><ul><ul><li>legame covalente , in cui gli elettroni dell’ultima orbita sono in compartecipazione </li></ul></ul><ul><ul><li>legame metallico, in cui alcuni elettroni dell’ultima orbita sono in compartecipazione ma senza completare la configurazione, formando così dei legami transitori </li></ul></ul><ul><li>La direzione con cui si stabiliscono i legami può essere ad azione direzionale (legame covalente) o isotropa (legame metallico) o intermedia </li></ul>
  8. 8. <ul><li>Lo studio dei materiali </li></ul><ul><li>Il legame direzionale stabilisce strutture molecolari di tipo poliedrico (tipo i composti del carbonio) </li></ul><ul><li>Il legame isotropo una struttura ad accumulazione compatta di sfere (tendono ad occupare il minimo ingombro possibile); la disposizione delle sfere dipende dalla dimensione relativa degli atomi: se gli atomi sono tutti uguali si compattano in moduli da 8 o 12 sfere (esagonali o cubici), se gli atomi non sono tutti uguali si compattano secondo geometrie più complesse ( come avviene nelle leghe). </li></ul>
  9. 9. <ul><li>Le prestazioni dei materiali </li></ul><ul><li>I materiali sono al centro di ogni tecnologia…qualsiasi cosa per essere realizzata deve essere fatta di un materiale…molto spesso la soluzione a un problema tecnologico dipende dalla scelta del giusto materiale </li></ul><ul><li>L’utilità di un materiale si rileva in funzione del suo impiego; le proprietà fisiche, chimiche e meccaniche quindi si apprezzano nel momento in cui un materiale diventa un oggetto </li></ul><ul><li>Nel progetto di un manufatto si deve puntare a sfruttare le proprietà di un materiale in risposta alle esigenze di utilizzo. Tale approccio è uno stimolo per la scoperta di nuovi materiali che potrebbero sostituire quelli che per tradizione costituiscono determinati oggetti </li></ul>
  10. 10. <ul><li>Le prestazioni dei materiali </li></ul><ul><li>Fino ad un secolo fa, le proprietà principali considerate per un dato materiale erano quelle meccaniche, termiche e chimiche. Il progresso (e quindi la nascita di nuove esigenze d’uso) ha portato a considerare nuove proprietà, quali quelle elettroniche, ottiche e magnetiche </li></ul><ul><li>La scienza dei materiali è impegnata nella ricerca di prestazioni sempre più avanzate ossia nel miglioramento o nella modifica delle proprietà dei materiali…per cui oggi si può anche progettare un materiale dalle prestazioni “ad hoc” </li></ul><ul><li>Il progetto di un nuovo materiale consiste nella composizione di materiali semplici in strutture composite (vedi il c.a., il legno ricostruito, i poliesteri o i pneumatici rinforzati con fibre di vetro, i pannelli strutturali…) </li></ul><ul><li>Tali strutture composite si rifanno alle forme naturali (a fibre, a rete, a membrana) </li></ul>
  11. 11. <ul><li>I materiali lapidei </li></ul><ul><li>I materiali lapidei sono costituiti da minerali aggregati in masse non omogenee e, in base alla loro genesi, si suddividono in: </li></ul><ul><ul><li>rocce eruttive (graniti, porfidi, basalti), derivanti dal raffreddamento di magmi fluidi (utilizzate prevalentemente nelle pavimentazioni) </li></ul></ul><ul><ul><li>rocce sedimentarie (calcari, travertini, silici, quarziti, arenarie, rocce solfatate, tufi calcarei), derivanti dall’accumulo di altre rocce disfatte e depositi di natura organica (utilizzate prevalentemente in blocchi o in lastre per strutture di elevazione o per rivestimenti) </li></ul></ul><ul><ul><li>rocce metamorfiche (gneiss, filladi, scisti cristallini), derivanti dall’accumulo di rocce eruttive e sedimentarie (utilizzate prevalentemente in lastre, anche molto sottili) </li></ul></ul>
  12. 12. <ul><li>I materiali lapidei </li></ul><ul><li>i requisiti principali dei materiali lapidei dipendono da: </li></ul><ul><ul><li>il peso specifico </li></ul></ul><ul><ul><li>la porosità </li></ul></ul><ul><ul><li>la compattezza </li></ul></ul><ul><ul><li>la durezza </li></ul></ul><ul><li>i materiali lapidei hanno una resistenza ottima a compressione e scarsa a trazione </li></ul><ul><li>i materiali lapidei sono generalmente estratti da cave a cielo aperto o sotterranee oppure, più raramente, ricavati dalla bonifica dei campi </li></ul><ul><li>i materiali lapidei possono essere diversamente lavorati, dalla semplice sbozzatura a lavorazioni più consistenti (lucidatura, scalpellinatura) </li></ul><ul><li>i materiali lapidei si impiegano sottoforma di: </li></ul><ul><ul><li>materiale minuto </li></ul></ul><ul><ul><li>pietrame più o meno informe </li></ul></ul><ul><ul><li>blocchi </li></ul></ul><ul><ul><li>conci </li></ul></ul><ul><ul><li>lastre segate </li></ul></ul><ul><ul><li>lastre naturali </li></ul></ul>
  13. 13. <ul><li>Il legno </li></ul><ul><li>Il legno è un materiale naturale composito (70% olocellulose + lignina + coloranti, tannini, resine e oli) </li></ul><ul><li>Il legno ha una struttura interna formata da fibre (“cementate” dalla lignina) quindi è un materiale fortemente anisotropo, non omogeneo </li></ul><ul><li>Se sollecitato parallelamente alle fibre, il legno resiste bene sia a trazione che a compressione </li></ul><ul><li>Il legno </li></ul><ul><ul><li>è molto sensibile all’umidità, </li></ul></ul><ul><ul><li>offre una buona coibenza termica </li></ul></ul><ul><ul><li>offre una buona resistenza al fuoco </li></ul></ul><ul><li>I legnami da costruzione più diffusi in Italia sono </li></ul><ul><ul><li>I legni dolci (conifere quali il larice, l’abete, il pino…) </li></ul></ul><ul><ul><li>I legni duri (latifoglie quali l’acero, la betulla, il castagno, il rovere, l’ulivo…) </li></ul></ul>
  14. 14. <ul><li>Il legno </li></ul><ul><li>Il legname da costruzione ha diversi formati: </li></ul><ul><ul><li>tondo (fusti interi o in parti) </li></ul></ul><ul><ul><li>segato (travi e tavole) </li></ul></ul><ul><ul><li>squadrato (lavorato all’ascia) </li></ul></ul><ul><li>Il legno si impiega al naturale o in forma ricostruita (compensato, paneforte, pannelli di fibre, pannelli agglomerati, lana di legno, legnami lamellari) </li></ul>
  15. 15. <ul><li>I metalli </li></ul><ul><li>I metalli occupano un posto privilegiato tra i materiali perché uniscono 2 notevoli proprietà: la lavorabilità e la resistenza meccanica </li></ul><ul><li>I metalli si deformano plasticamente senza perdere resistenza e durezza </li></ul><ul><li>La deformazione plastica avviene per scorrimento dei piani atomici </li></ul><ul><li>La resistenza meccanica è data dall’impedimento al moto delle dislocazioni </li></ul><ul><li>La lavorabilità e la resistenza variano in funzione della struttura atomica e possono essere modificate artificialmente (leghe) </li></ul><ul><li>I metalli più lavorabili sono meno resistenti …quelli più duri sono più fragili… </li></ul>
  16. 16. <ul><li>I metalli </li></ul><ul><li>I metalli hanno, allo stato solido, una struttura cristallina costituita da reticoli cubici </li></ul><ul><li>La prima lega utilizzata in edilizia è stata la ghisa (ferro + carbonio in percentuale maggiore del 1,7%) </li></ul><ul><li>L’acciaio deriva da un processo di affinazione (per eliminare le impurità) della ghisa liquida ed è una lega costituita prevalentemente da ferro, nella quale la componente di carbonio è inferiore al 1,9% (tra 0,10 e 0,25 per gli acciai da costruzione) </li></ul><ul><li>Le caratteristiche di un acciaio dipendono dalla sua composizione chimica e dai trattamenti termici (tempra) </li></ul>
  17. 17. <ul><li>I metalli </li></ul><ul><li>Gli acciai si classificano rispetto al contenuto di carbonio: </li></ul><ul><ul><li>extra dolce (0,15% max) </li></ul></ul><ul><ul><li>dolce (0,15-0,30%) </li></ul></ul><ul><ul><li>semiduro (0,30-0,45%) </li></ul></ul><ul><ul><li>duro (0,45-0,65%) </li></ul></ul><ul><ul><li>extra duro (oltre 0,65%) </li></ul></ul><ul><li>L’impiego degli acciai comuni richiede una verniciatura protettiva contro la corrosione </li></ul><ul><li>Gli acciai patinabili auto-protettivi non si corrodono più dopo i primi due anni di esercizio </li></ul>
  18. 18. <ul><li>I laterizi </li></ul><ul><li>I laterizi fanno parte dei materiali ceramici e sono manufatti realizzati con un impasto costituito prevalentemente da argilla e acqua </li></ul><ul><li>I laterizi più diffusi in edilizia sono: </li></ul><ul><ul><li>i mattoni cotti (pieni o forati) </li></ul></ul><ul><ul><li>i blocchi alveolati </li></ul></ul><ul><ul><li>gli elementi per gli strati di finitura delle coperture (coppi) </li></ul></ul><ul><li>I laterizi si realizzano a macchina con procedimenti a stampo o a filiera </li></ul><ul><li>Gli elementi così ottenuti sono sottoposti a essiccamento e cottura; a seconda delle componenti dell’argilla e delle correnti di ossigeno nei forni si possono avere varie colorazioni dei mattoni (dai più diffusi marroni rossastri al giallo, al bianco, al blu, al grigio, etc.) </li></ul><ul><li>Con la cottura il laterizio perde plasticità ed acquista resistenza </li></ul>
  19. 19. <ul><li>Il calcestruzzo </li></ul><ul><li>Il calcestruzzo è un conglomerato ottenuto impastando l’acqua con un agglomerante (cemento, calce idraulica) e materiali inerti (sabbia, ghiaia) </li></ul><ul><li>L’agglomerante si ottiene dalla cottura di marne, generalmente composte da: carbonato di calcio, silice, allumina e sesquiossido di ferro, tracce di magnesia </li></ul><ul><li>La marna cotta si chiama clinker, che stagionato e macinato diviene cemento </li></ul><ul><li>Il cemento usato per il calcestruzzo (Portaland) ha la proprietà di indurire con l’acqua (presa) </li></ul><ul><li>L’acqua non deve contenere impurità </li></ul><ul><li>Gli inerti formano lo scheletro resistente della massa e sono di 4 tipi (a seconda della grandezza dei granuli): sabbia, graniglia, pietrischetto, pietrisco </li></ul><ul><li>Il calcestruzzo ha una resistenza buona a compressione e scarsa a trazione </li></ul>
  20. 20. <ul><li>Le materie plastiche </li></ul><ul><li>Le plastiche sono sostanze organiche sintetiche e contengono fondamentalmente carbonio aggiunto a idrogeno, ossigeno e azoto (alcune plastiche contengono anche cloro e fluoro) </li></ul><ul><li>le molecole delle sostanze componenti, a determinate temperature, si uniscono in macromolecole secondo una struttura conformata con fili o catene </li></ul><ul><li>Le materie plastiche si classificano rispetto alla loro origine: </li></ul><ul><ul><ul><li>materie plastiche naturali (ambra, gomma, lacca, ecc.) </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>materie plastiche sintetiche </li></ul></ul></ul>
  21. 21. <ul><li>Le materie plastiche </li></ul><ul><li>I materiali plastici si ottengono con 2 processi di sintesi: </li></ul><ul><ul><li>la policondensazione (tra sostanze chimicamente differenti) che fornisce i termoindurenti e le termoplastiche </li></ul></ul><ul><ul><li>la polimerizzazione (tra sostanze chimicamente affini) che fornisce i polimeri e i copolimeri </li></ul></ul><ul><li>I termoindurenti rammoliscono con il riscaldamento e con il raffreddamento induriscono in modo irreversibile </li></ul><ul><li>Le termoplastiche rammoliscono con il riscaldamento e con il raffreddamento induriscono per ripetuti cicli </li></ul><ul><li>I polimeri e i copolimeri si comportano come le termoplastiche </li></ul><ul><li>In edilizia si utilizzano i termoindurenti e le termoplastiche </li></ul>
  22. 22. <ul><li>Le materie plastiche </li></ul><ul><li>La materie plastiche hanno notevoli proprietà chimiche e fisiche (seppur molto variabili in funzione delle caratteristiche dei processi di lavorazione) </li></ul><ul><li>I processi di lavorazione consistono in: </li></ul><ul><ul><li>iniezione </li></ul></ul><ul><ul><li>estrusione </li></ul></ul><ul><ul><li>compressione </li></ul></ul>
  23. 23. <ul><li>Le caratteristiche meccaniche dei materiali </li></ul><ul><li>Le proprietà meccaniche di un materiale dipendono direttamente dal suo modulo elastico o meglio dal suo modulo specifico definito dal rapporto tra modulo elastico e densità </li></ul><ul><li>Modulo e densità sono proprietà che discendono direttamente dalla natura degli atomi, dai legami e dalla struttura molecolare </li></ul><ul><li>Nella realizzazione di materiali compositi si può agire direttamente sulle caratteristiche interne delle sostanze ottenendo materiali ad alta resistenza </li></ul>
  24. 24. <ul><li>Le caratteristiche termiche dei materiali </li></ul><ul><li>Dal punto di vista termico, i materiali sono caratterizzati dalle seguenti proprietà: </li></ul><ul><ul><li>conduttività e capacità termica, </li></ul></ul><ul><ul><li>resistenza meccanica alle alte temperature, </li></ul></ul><ul><ul><li>resistenza termica alle alte temperature, </li></ul></ul><ul><ul><li>resistenza agli shock termici, </li></ul></ul><ul><li>Queste caratteristiche fanno si che vi siano materiali isolanti e materiali buoni conduttori di temperatura…proprietà fondamentali negli impieghi in edilizia </li></ul>
  25. 25. BIBLIOGRAFIA DI RIFERIMENTO <ul><ul><ul><li>M.C. Forlani , </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Materiali strutture forme – note per la progettazione strutturale , Alinea Editrice, Firenze 1983 </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Hegger M., Auch-Swelk V., Fuchs M., Rosenkranz T., </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Atlante dei Materiali , Utet, Torino 2005. </li></ul></ul></ul>

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