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

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