Proprietà meccaniche dei materiali e loro applicazioni strutturali

Che cos'è la resistenza alla compressione?

• Compressione (avvicinamento delle particelle costituenti il materiale), alcuni materiali con scarsa resistenza alla trazione presentano un’elevata resistenza a compressione, come pietra, muratura, malta, calcestruzzo. I moderni materiali a elevata resistenza a compressione come l’acciaio, possono essere impiegati per realizzare colonne molto più sottili di quelle in pietra o calcestruzzo ma bisogna fare attenzione al carico critico di punta dell’elemento, cioè che sottoposto a carichi si inflette e in genere si spezza.

Modulo di elasticità a trazione

• Trazione (allontanamento), ogni materiale ha una costante o modulo di elasticità a trazione, o modulo di Young, misurato in kg/cm3. Alcuni materiali come il calcestruzzo hanno poca resistenza a trazione, altri come l’acciaio invece hanno un’ottima resistenza.
• Taglio (scorrimento), la deformazione di compressione e trazione si misura dalla variazione di lunghezza dell’elemento, mentre quella di taglio si misura dalla deformazione dell’angolo retto. Una delle caratteristiche essenziali del taglio è quella di provocare lo scorrimento secondo non uno ma due piani ortogonali. Il taglio può essere considerato come una combinazione di trazione e compressione ad angolo retto tra di loro e agenti in direzione a 45° con le direzioni del taglio, dunque un materiale che ha bassa resistenza a trazione o a compressione ha scarsa resistenza anche a taglio.

Flessione nei materiali

• Se in uno stesso materiale c’è presenza di compressione e trazione nelle sue diverse fibre si parla di Flessione. Ad esempio se prendiamo una tavola poggiante su due pietre e se due ragazzi vi si poggiano sopra alle due estremità le fibre superiori si allungano e quindi subiscono trazione, le fibre inferiori si accorciano subendo compressione, mentre quelle centrali rimangono neutre. Un materiale che lavori bene a flessione deve avere resistenze praticamente eguali alla trazione e alla compressione. Ciò spiega la parte predominante del legno fra i materiali da costruzione naturali e la posizione incontrastata che l’acciaio ha avuto per molto tempo nelle moderne strutture.

Torsione e materiali strutturali

• Torsione. Convenzionalmente in ogni materiale sottoposto a sollecitazione c’è un asse lungo la quale la sollecitazione non arriva. Le travi devono essere d’acciaio perché è un materiale duttile, ma non tutte d’acciaio altrimenti il peso sarebbe elevato, la trave a doppia T è costituita da parti d’acciaio in punti diversi con spessori maggiori.

Da migliaia di anni si usa come materiale per strutture il ferro, che resiste bene a trazione, principalmente associato con altri materiali come il legno che resiste bene a compressione. Infatti ad esempio nelle capriate di copertura delle navate di molte chiese medioevali venivano impiegate strutture composte da puntoni in legno e catene in ferro. Con la tecnologia è stato possibile migliorare le proprietà dei materiali strutturali. Alcune nuove leghe leggere hanno la stessa resistenza dell’acciaio, con peso inferiore. Fra questi materiali strutturali artificiali il più interessante è forse il calcestruzzo armato, che riunisce in sé la resistenza alla compressione del calcestruzzo e a trazione dell’acciaio. *Vedi il ferro cemento, un materiale inventato e impiegato da Nervi consiste in una combinazione di rete metallica e malta cementizia. Un certo numero di strati di rete metallica a maglia quadrata di circa 1 cm di lato vengono disposti paralleli e a breve distanza fra loro nello spessore di elementi strutturali sottili, e annegati in una gettata di malta di cemento e sabbia. Il risultato è un materiale avente la resistenza alla compressione di un ottimo calcestruzzo e la elasticità a trazione dell’acciaio.