1I materiali

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)

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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

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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)

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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

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Lo studio dei materiali • La presenza di difetti influisce

sul comportamento di un solido• I difetti più comuni riscontrabili

in una struttura cristallina sono:1. la vacanza ossia assenza di

un atomo2. l’impurezza sostituzionale

ossia una vacanza viene occupata da un atomo di altra natura

3. l’impurezza interstiziale ossia la presenza di atomi di dimensioni più piccole negli spazi interstiziali tra gli atomi regolari

4. 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

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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

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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).

Le prestazioni dei materialiLe 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

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Le prestazioni dei materialiLe 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)

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I materiali lapideiI 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)

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I materiali lapideiI 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

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Il legnoIl 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…)

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Il legnoIl 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)

I metalliI 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…

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I metalliI 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)

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I metalliI 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

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I lateriziI 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

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Il calcestruzzoIl 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

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Le materie plasticheLe 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

Le materie plasticheLe 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

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Le materie plasticheLe 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

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Le caratteristiche meccaniche dei Le caratteristiche meccaniche dei materialimateriali

• 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

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Le caratteristiche termiche dei Le caratteristiche termiche dei materialimateriali• 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

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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.