Principi Fondamentali di Ingegneria Strutturale e Proprietà dei Materiali

Principi Fondamentali delle Strutture e dei Materiali

Una struttura è un elemento o un gruppo di elementi collegati tra loro al fine di supportare diversi tipi di sforzi (carichi). Le strutture, oltre a supportare diversi tipi di forze, devono anche sopportare il peso proprio e devono essere resistenti a cedere o rovesciarsi. Le strutture devono essere resistenti, leggere e stabili.

Elementi Strutturali e Resistenza

Gli elementi presenti nella maggior parte delle strutture sono le barre. In generale, le barre sono solidi; il materiale viene rimosso da zone in cui questo non resiste allo sforzo, riducendo il suo peso. Le barre sostengono gli sforzi di compressione quando sono poste in posizione orizzontale e sostenute alle sue estremità.

La resistenza dei componenti di una struttura dipende dalle proprietà meccaniche dei materiali utilizzati e dal tipo di sforzo a cui sarà soggetta.

Proprietà Meccaniche dei Materiali

Le principali proprietà meccaniche dei materiali sono:

• Resistenza alla trazione
• Durezza
• Elasticità
• Plasticità
• Tenacia

Sforzi e Sollecitazioni

Le principali forze che possono agire su un materiale sono:

• Trazione
• Compressione
• Flessione
• Torsione
• Taglio

Prove e Test sui Materiali

La resistenza dei materiali alle diverse sollecitazioni viene misurata tramite test (o prove). I test sono procedure standard che consentono di analizzare, verificare e quantificare le caratteristiche e le proprietà dei materiali.

Le principali prove meccaniche sono quelle di durezza, trazione, compressione, resistenza all'urto, flessione e torsione. Per la realizzazione dei test vengono utilizzati campioni di materiale le cui forme e dimensioni sono standardizzate e sono chiamati provini. L'applicazione di diverse sollecitazioni sui provini è fatta da macchine e dispositivi per regolarle e misurarle. Un esempio di questi dispositivi è quello per la misurazione della durezza.

Stabilità Strutturale e Centro di Gravità

Una struttura è stabile se non cede o si rovescia per l'azione delle forze che agiscono su di essa. La stabilità di una struttura aumenta:

• Quanto più alto è il rapporto tra la superficie della base e la sua altezza.
• Quanto più basso è il centro di gravità.

Il centro di gravità di un corpo è il punto di applicazione della somma di tutte le forze che costituiscono il peso del corpo.

Classificazione delle Strutture

Esiste una varietà di tipologie strutturali, che ne ostacola la classificazione. A seconda del tipo di elementi che le compongono, si distinguono in:

1. Strutture massicce: muri, argini, dighe, ecc.
2. Strutture a barre: possono essere triangolate, a telaio (cornici), orizzontali o verticali.
3. Strutture laminari: sono composte da fogli o lastre, come ad esempio la carrozzeria di un'auto o di un aereo.
4. Strutture sospese: i suoi elementi principali sono i cavi e i tenditori.

Per il loro studio, le strutture sono raggruppate in funzione della mobilità dei suoi elementi (e quindi possono essere rigide o articolate) e della posizione degli elementi che supportano gli sforzi (e quindi possono essere orizzontali o verticali). Molte strutture presentano elementi sia rigidi che articolati, verticali e orizzontali.

Strutture Rigide e Articolate

Una struttura rigida è quella che, se sottoposta a sforzi, non si deforma senza causare la rottura dei suoi elementi. Una struttura articolata è quella che si deforma per lo spostamento dei suoi elementi quando viene applicata una forza. Per rendere rigida la struttura di un telaio (ring), è necessario aggiungere un elemento diagonale tra i vertici alle estremità.

Strutture Verticali e Orizzontali

• Le strutture verticali sono quelle con elementi verticali che supportano maggiori sforzi. Gli elementi che supportano un maggiore sforzo lavorano a compressione.
• Le strutture orizzontali sono quelle con elementi di sostegno orizzontale che supportano maggiori sforzi. Gli elementi che concorrono a sostenere più sforzi lavorano a flessione.

Le strutture curve orizzontali, come l'arco e la volta, sono in grado di sostenere ulteriori sforzi. In costruzione, travi e pilastri sono realizzati in cemento armato.

Basi di Elettricità e Struttura Atomica

L'atomo è la parte più fondamentale di una sostanza che mantiene tutte le sue caratteristiche e proprietà. È composto dal nucleo, che contiene protoni e neutroni, e dalla nuvola elettronica, dove si trovano gli elettroni in movimento.

Componenti Atomici e Carica Elettrica

• I protoni sono carichi positivamente.
• Gli elettroni sono a carica negativa.
• I neutroni non hanno carica.

Le particelle con cariche uguali si respingono, mentre quelle con cariche diverse si attraggono. La carica elettrica di un elemento è la differenza tra il numero di protoni ed elettroni che possiede.

Corrente Elettrica e Fenomeni Statici

La corrente elettrica è il passaggio degli elettroni attraverso un corpo (o conduttore). I fenomeni elettrici statici si verificano quando gli atomi di un corpo perdono o guadagnano elettroni, e di conseguenza il corpo risulta carico positivamente o negativamente.

Resistenza Elettrica (Definizione)

La resistenza elettrica di un materiale è la sua capacità di ostacolare il passaggio di corrente elettrica.