Architettura Tecnica 2

Lezione 1 (05/03/19) Introduzione

Evoluzione dei materiali

La diffusione dei metalli ha inizio tra la fine del '700 e l'inizio dell'800, quando l'industria cominciò a renderli disponibili in grandi quantità. Per prima si diffuse la ghisa (fine '700 e inizio '800), a seguire il ferro pudellato ('800) ed infine l'acciaio (fine '800). Lo sviluppo dei materiali ha accompagnato lo sviluppo dell'ingegneria. L'utilizzo di quest'ultimo ha permesso la costruzione di strutture sempre più importanti.

Evoluzione della scienza delle costruzioni

La scienza delle costruzioni inizia ad evolversi intorno al 1638 con Galileo, proseguendo con la teoria dell'elasticità di Hooke, punto chiave di interpretazione delle strutture, e la teoria della flessione. Si iniziarono anche ad effettuare molte prove per testare la resistenza dei nuovi materiali. Solo a metà '800 si inizia a lavorare sulle strutture iperstatiche (reticolari) come il ponte Britannia, che diverranno sempre più complesse come le opere di Gustave Eiffel.

Evoluzione delle strutture metalliche

La costruzione dei grandi ponti si rese necessaria con l'arrivo della ferrovia, poiché i treni dovevano seguire percorsi il più possibile pianeggianti. La diffusione della ferrovia ebbe luogo in seguito alla rivoluzione industriale perché le grandi fabbriche avevano bisogno di carbone per funzionare, carbone trasportato dai luoghi di estrazione alle città mediante le ferrovie. In Italia lo sviluppo ferroviario era finalizzato più che altro al trasporto di persone, perché non c'era il carbone da trasportare. Si tendeva ad osservare l'ingegneria estera e ad importarla.

Il cemento armato

Con l'arrivo del cemento armato in Italia si iniziano a fare ponti lì dove fino a quel momento non era stato possibile farli. La prima opera importante fu il ponte alla stretta di Pinzano, sul Tagliamento, ad opera di Vacchelli nel 1906. La particolarità di questo nuovo materiale è la sua plasmabilità, poiché non ha una sua forma ma prende quella imposta dalle casseforme. Il cemento armato ha permesso la costruzione di cupole e volte, ma anche superfici a doppia curvatura inversa (come i paraboloidi iperbolici). L'ingegnere più importante in Italia, che utilizzò con maestria questo materiale, fu Pier Luigi Nervi. Con spessori sottili, 2.5 cm di ferrocemento, ha realizzato opere grandissime.

La storia dell'ingegneria italiana

La storia dell'ingegneria italiana ha avuto due sviluppi:

• Approccio naturalistico: il materiale resiste per forma, ossia si cerca in natura una forma che consente alla struttura di resistere. Scuola di pensiero guidata in Italia da Arturo Danusso, che dà vita al "laboratorio modelli".
• Approccio positivistico: si inventano forme nuove che consentono di avere dai materiali prestazioni maggiori, si possono mettere in coazione i materiali (es: cemento armato, uno resiste a compressione e uno a trazione). Nasce il cemento armato precompresso (Francia, 1928), questa precompressione fa sì che all'arrivo della flessione, la trazione nel calcestruzzo non è altro che una diminuzione della precompressione iniziale, portandola al massimo a zero. Trave precompressa che funziona come se fosse tutta sempre e solo compressa. Questa linea viene seguita per primo da Gustavo Colonnetti e poi anche da Morandi.

Nel 1943 l'Italia, da Taranto in su, viene invasa dai nazisti con una guerra di territorio devastante. Vengono distrutti centinaia di ponti stradali e ferroviari. La ricostruzione è stata silenziosa, con tutte le metodologie possibili. Dopo la ricostruzione iniziò la costruzione dei ponti per le autostrade, prima tra tutte l'autostrada del Sole.

Strutture reticolari

In questo tipo di strutture le sollecitazioni sono solo assiali, più facilmente sopportabili dai materiali, in particolare la trazione. Con le strutture reticolari i carichi agenti sono trasformati in carichi assiali lungo le aste. Esistono principalmente due tipi di strutture reticolari:

• Tensostrutture: l'unica sollecitazione impressa alle parti della struttura è la trazione.
• Strutture tensintegre: la gran parte delle aste è soggetta a trazione, le altre a compressione.

Storia della ghisa, del ferro pudellato e dell'acciaio

Sono materiali a base metallica provenienti da leghe, poiché il ferro non esiste puro in natura. Normalmente si lega all'ossigeno, creando l'ossido di ferro, o al carbonio, creando il carbonato di ferro. Una volta estratte e lavorate le leghe, si possono produrre tre tipi di materiale:

• Ghisa: ferro ad alto tenore di carbonio, >2%.
• Ferro pudellato: concentrazioni di ferro molto basse, ≈0.05%.
• Acciaio: presenza di carbonio intermedia. L'acciaio dolce è simile al ferro pudellato, l'acciaio puro ha una concentrazione di carbonio più alta.

Il minerale di ferro si presenta in giacimenti diffusi principalmente nel suolo europeo, molti sono in Germania. In Italia ce ne sono in Calabria e all'Isola d'Elba. Si hanno tre tipologie di minerali: sideriti, sferosideriti ed ematiti.

Lavorazione dei minerali

Il minerale veniva estratto, lavato, frantumato e purificato con processi di calcinazione e riduzione. La purificazione avveniva con l'uso del calore, il materiale doveva quindi essere scaldato per permettere l'evaporazione dell'ossigeno dal composto. Per il riscaldamento si utilizzavano dapprima i bassi forni, chiamati così perché interrati per metà. Le temperature non erano sufficientemente elevate da fondere il ferro, il materiale perdeva l'ossigeno ma manteneva una consistenza solida. Si rendeva necessaria una lavorazione manuale da parte di artigiani che con incudine e martello rimuovevano le parti rimaste di ossigeno e altre scorie.

Nel medioevo si iniziarono ad utilizzare gli alti forni, che permettevano il raggiungimento di temperature più elevate e quindi, il punto di fusione del materiale. La fusione, combinata con il combustibile ad alta percentuale di carbonio, ha dato vita alla ghisa.

La ghisa

La ghisa è una pietra fusa, che può essere modellata mediante stampi argillosi di qualunque tipo, ma una volta indurita non può più essere lavorata. Il vantaggio della fusione del materiale sta nella possibilità di creare forme molto particolari e difficili ma comunque resistenti. La ghisa resiste benissimo a compressione e quasi per niente a trazione.

All'arrivo della prima rivoluzione industriale in Inghilterra, venne messo un freno al disboscamento per la produzione di legna che alimentava le fabbriche. Darby, intorno al '700, scoprì che insieme ai giacimenti di minerale, c'erano delle fasce nere sottostanti fatte di carbone (carbon coke), un materiale ottimo per la combustione. Questa rivoluzione porta, nel 1779, alla costruzione da parte del nipote di Darby, di un ponte in ghisa davanti alla fabbrica, il ponte di Coalbrookdale, simbolo della produzione del materiale nel territorio. Il ponte viene realizzato dividendolo in mezzi archi a terra e poi montato e serrato con giunti simili a quelli per il legno.

Iniziando la produzione industriale, si rende necessaria la presenza di stabilimenti, spesso fatti in legno e facilmente infiammabili. Si decide così di provare a costruirli in ghisa, realizzando travi e colonne che non erano mai state dimensionate. I primi risultati furono travi con più materia nella parte bassa, per l'attacco di archetti di mattoni. La soluzione era funzionante non solo dal punto di vista geometrico ma anche dal punto di vista statico, poiché l'estradosso inferiore era quello sollecitato a trazione e maggior materia voleva dire maggior resistenza.

Dalla ghisa al ferro

Si inizia a pensare che dalla ghisa, togliendo il carbonio, si poteva produrre il ferro. Viene inventato il forno a riverbero o forno a pudellaggio, per non far entrare in contatto ghisa e carbonio e per far uscire quest'ultimo sotto forma di anidride carbonica. Il forno era costituito da due camere, una che conteneva la ghisa ed una sottostante per la combustione. L'ossigeno veniva fatto passare sopra alla ghisa fusa con una corrente d'aria. Il processo era veloce ma la ghisa necessitava di essere rimescolata (pudellata) per far arrivare in prossimità dell'aria più materiale possibile, altrimenti tutto il carbonio si sarebbe accumulato nella parte sottostante.

Ferro pudellato

Il ferro pudellato poteva essere ridotto in filo di ferro, facendo passare il materiale attraverso canali che lo portano ad assumere una forma filamentosa. Il passaggio attraverso i canali purifica ancora di più il materiale stesso, conferendogli resistenza maggiore. Da questo momento iniziano ad essere realizzati i primi ponti sospesi a fili di ferro. Prima venivano realizzati ponti sospesi a catene, fatti con ferro pudellato ridotto a piatti combinati tra loro mediante chiodatura, e molto pesanti. La realizzazione con i fili è più leggera.

La nascita del ferro pudellato consente anche l'evoluzione della trave, infatti viene introdotto un modello di trave in ghisa con fasce di ferro pudellato in modo da affidare alla trave di ghisa la resistenza a compressione e al ferro pudellato la resistenza a trazione. Il concetto è analogo a quello del cemento armato odierno. Dopo le diverse sperimentazioni viene introdotta, circa a metà dell'800 quando la produzione del ferro pudellato era diventata industriale, la trave a doppio T che rappresenta la trave perfetta per rispondere alle sollecitazioni, che oramai si conoscono piuttosto bene.

Le prime costruzioni in ferro

L'esigenza principe che porta alla costruzione di strutture è la ferrovia, che nasce nel 1828, nel pieno dello sviluppo dei nuovi materiali. Per il trasporto dei materiali la soluzione è la strada guidata con una locomotiva veloce alimentata a vapore. Viene indotto un concorso per realizzare questo sistema di traino, vinta da Robert Stevenson, con una locomotiva chiamata Rocket con l'innovazione del serbatoio in orizzontale invece che in verticale.

La ferrovia è una strada difficile, perché può incontrare i fiumi, deve essere il più possibile in piano e rettilinea. La soluzione è la realizzazione di ponti arditi, di anche 100 m di luce. Il ponte che ha cambiato la storia dell'ingegneria strutturale è il Ponte Britannia (1850) necessario al trasporto della posta da Londra al punto più vicino possibile a Dublino. C'era già un ponte sospeso per questo collegamento ma non era utilizzabile per la ferrovia perché troppo oscillante. Si decide di realizzare questo ponte con quattro luci, di 100 m le due centrali e di 64 m quelle laterali. Si può costruire un ponte iperstatico con cinque appoggi perché il progettista si inventa una sezione speciale a tubo rettangolare (grande inerzia) fatta di lamiera di ferro pudellato.

Lezione 2 (06/03/19)

Acciaio

Il ferro pudellato resisteva bene a trazione ma non a compressione, il suo problema principale era l'elevata duttilità ma anche la necessità di manutenzione costante. La risposta a questi problemi poteva essere l'acciaio, già in uso ma solo per piccole manifatture. L'acciaio veniva generato partendo dal ferro pudellato ed aumentandone il contenuto del carbonio per aumentarne la durezza. Per fare ciò venne inventato il forno a crogiolo, circa a metà dell'800, per riuscire a dare omogeneità a tutta la materia, cioè forni piccoli e chiusi in cui viene inserito il ferro pudellato tenuto a temperature altissime a cui viene aggiunto il carbonio.

Successivamente Kelly e Bessemer si resero conto che sarebbe stato meglio produrre l'acciaio partendo dalla ghisa, per questo nel 1847 venne inventato il convertitore Bessemer. Si portava la ghisa silicea a temperatura di fusione, intorno ai 1200 gradi, si faceva passare ossigeno attraverso il fondo del contenitore per alimentare la combustione che prima bruciava il silicio (vapore di colorazione biancastra) poi il carbonio insieme all'ossigeno (spuma rossastra). Al termine del fenomeno, in circa 12 minuti, il convertitore veniva ribaltato e fuoriusciva l'acciaio fuso.

Questa soluzione era funzionante ma si diffuse poco perché Bessemer lavorò con ghise silicee. Con ghise che contenevano altri minerali si presentavano numerosi problemi tanto che Bessemer dovette prendersi indietro tutti i convertitori che aveva venduto. Decise così di produrre lui stesso l'acciaio modificando lo stesso convertitore inserendo all'interno dei materiali che permettevano le lavorazioni con tutti i tipi di ghisa. L'acciaio prodotto in questo modo veniva però guardato malissimo (a parte dall'industria) perché non se ne conoscevano realmente le proprietà e le prestazioni di resistenza. Per le ferrovie, infatti, non veniva utilizzato.

Più tardi arrivò una soluzione a questo problema, ossia il forno a recupero di fumi, introdotto da Siemens intorno al 1870, che sfruttava i fumi della combustione per mantenere più elevata la temperatura. Siemens, in società con Martin, realizza il forno Martin-Siemens che per ridurre la percentuale di carbonio nella ghisa, veniva aggiunto ferro derivante dal gran numero di rottami presenti in quel periodo. Questo metodo era efficace perché più controllabile essendo un processo lento. L'acciaio Martin-Siemens era un acciaio omogeneo, sicuro e utilizzabile, tanto da cambiare l'approccio dell'industria nei confronti dell'acciaio stesso. Questo tipo di acciaio era anche modificabile, infatti aggiungendo altri componenti al bagno di ghisa e ferro, si potevano ottenere degli acciai speciali con caratteristiche diverse.

Strutture in acciaio

L'acciaio venne utilizzato per tutta una serie di opere. La più famosa è il ponte di Brooklyn, risalente al 1866-1883, progettato in ferro pudellato e poi realizzato in acciaio, ottenendo così delle prestazioni migliori di quelle inizialmente previste tanto da resistere fino ad ora. L'altra grande opera è il ponte sullo stretto di Forth, realizzato tra il 1882 e il 1889 con l'acciaio Martin-Siemens con una luce maggiore di 500m.

Italia

Piccoli giacimenti di minerali di ferro erano presenti a nord Milano, all'isola d'Elba e in Calabria, mentre non c'erano giacimenti di carbone. La combustione veniva quindi alimentata dal legno. Genova, Napoli (Bagnoli, 1907) e Taranto (anni '60) erano località in cui erano presenti centri di produzione siderurgica, località portuali dove si poteva facilmente far arrivare la ghisa. Si tratta quindi non di produzione siderurgica vera e propria ma produzione partente dalla ghisa di seconda lavorazione che veniva importata.

Storia della teoria delle strutture

L'evoluzione dei materiali non era sufficiente per la realizzazione di grandi strutture.

Prima del 1638

Il dimensionamento avveniva principalmente per regole geometriche di equilibrio che non tenevano conto delle proprietà dei materiali ma che venivano utilizzate solo perché in altri casi avevano funzionato. L'obiettivo che si voleva raggiungere era l'equilibrio, ossia l'assenza di cinematismi. Già in alcuni disegni di Leonardo da Vinci si poteva capire che aveva studiato le spinte negli archi e che aveva cercato dei meccanismi per quantificarle. Inoltre aveva intuito il problema dell'instabilità a compressione delle colonne.

Galileo (1638)

Nel 1633 Galileo viene costretto ad abiurare per via delle sue idee sull'universo e, dopo l'abiura, viene anche costretto ai domiciliari. Viene quindi portato ad Arcetri, vicino Firenze, dove resta fino alla morte. In questo periodo di domiciliari si interessa alla meccanica e a quello che succede attorno a lui, scrivendo una serie di "discorsi sulla scienza nuova". In particolare scrive un "discorso intorno alla resistenza dei corpi all'essere spezzati", un racconto in cui persone si fanno domande a cui risponde un saggio. Per la prima volta si interroga sulla resistenza dei corpi, ossia come succede che un corpo si spezzi o non si spezzi. La questione che si pone Galileo è quella di una mensola incastrata in un muro soggetta ad una forza crescente sull'estremità libera, che arriva a rompersi. Quanto deve essere quel peso per far sì che la mensola si rompa? Galileo arriva a scrivere una formula del corpo a rottura utilizzata fino alla fine del 1800. Dimostra che le proporzioni geometriche non erano valide sempre, perché non era possibile utilizzarle per tutte le dimensioni. Inoltre si pone il problema della sezione della trave ottimale per rispondere ad un determinato carico. Le sue domande iniziano a girare nella comunità scientifica e destano molto interesse, tanto che diversi studiosi si mettono a studiare per cercare di risolvere le questioni sollevate da Galileo.

Hook (1678)

In qualche modo fa una serie di considerazioni che hanno a che fare con la teoria dell'elasticità, mette in relazione la forza applicata ad un corpo con la sua deformazione. I corpi, soprattutto per piccole deformazioni, sono elastici, ossia il rapporto tra carico e deformazione ha andamento lineare. Il coefficiente di proporzionalità è dato dal modulo di elasticità E (Eulero).

Da Mariotte (1684) a Columb (1773)

Una serie di eventi in tutta Europa porta degli studiosi a risolvere il problema della mensola di Galileo. Mariotte intuisce che le sollecitazioni non sono uniformi nella sezione d'incastro ma hanno distribuzione a farfalla. Coulomb invece capisce che durante la deformazione le sezioni si mantengono piane. Da questo momento in poi si riesce anche a scrivere la linea elastica di deformazione e si inizia a capire qual è il vero comportamento della mensola caricata. Tutto ciò avviene senza conoscere realmente le proprietà dei materiali ma durante tutto il 1700 si fanno esperimenti per cercare di dare un valore al modulo di elasticità.

Nascita delle scuole