Scienza delle costruzioni

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La scienza delle costruzioni è quella disciplina che si occupa di costruire e utilizzare modelli fisico-matematici e sperimentali che descrivano il comportamento statico e dinamico della struttura resistente di un manufatto e delle sue componenti (elementi strutturali) sotto l'effetto di varie azioni o sollecitazioni (forze esterne, variazioni termiche, eventi sismici ecc.). Come tale, il suo fine prevalente è quello di sviluppare una mentalità operativa che porti a riconoscere, impostare e risolvere problemi di resistenza delle strutture.

La scienza delle costruzioni è una scienza applicata che affonda le sue origini nella meccanica classica. Essa è una scienza in quanto procede assumendo dei modelli teorici di comportamento, sulla base di ipotesi il più possibile semplici e logicamente coerenti, e ne esplicita e discute le conseguenze. Essa è una scienza applicata in quanto si applica alla modellazione delle strutture portanti delle costruzioni reali, e l'insieme dei suoi costrutti teorici viene giudicato non in base alla sua eleganza formale, ma in base alla efficienza come ausilio e termine di giudizio delle scelte progettuali.

Articolazione della materia[modifica | modifica sorgente]

La scienza delle costruzioni è costituita da un insieme di discipline differenti di carattere fisico matematico (meccanica analitica, teoria dell'elasticità, meccanica del continuo), sperimentale (scienza dei materiali) ed anche computazionale e numerico (meccanica computazionale, calcolo automatico delle strutture). Infatti nella tradizione anglosassone, non esiste una materia 'scienza delle costruzioni' ed i suoi contenuti sono generalmente ripartiti nei corsi universitari di resistenza dei materiali (strength of materials), meccanica delle strutture (structural mechanics) e meccanica del continuo (continuum mechanics).

La scienza delle costruzioni è la disciplina di base dell'ingegneria strutturale, materia rilevante dell'ingegneria civile, dell'ingegneria edile, dell'ingegneria meccanica, dell'architettura, dell'ingegneria aeronautica, e dell'ingegneria navale. Come tale i corsi di studio di Scienza delle Costruzioni sono la base formativa di molti indirizzi di laurea delle Facoltà di Ingegneria e di Architettura (ingegneria edile).

Teoria ed argomenti[modifica | modifica sorgente]

La Scienza delle Costruzioni nelle Facoltà universitarie italiane di Ingegneria ed Architettura viene insegnata in genere al terzo anno, è preceduta dai corsi di Meccanica razionale o di Statica delle strutture, ed è seguita dai corsi applicativi di Tecnica delle costruzioni, Dinamica strutturale, Geotecnica, Meccanica applicata, ecc… Gli argomenti in cui si sviluppa la Scienza delle Costruzioni sono i seguenti:

  • Equazioni di equilibrio statico di una struttura
  • Equazioni di elasticità dei materiali
  • Resistenza e deformazioni dei materiali
  • Sollecitazioni di una trave lineare in campo elastico
  • Sollecitazioni di una trave lineare in campo plastico
  • Compressione, Trazione, Flessione, Taglio, Torsione
  • Verifica di resistenza e progetto di un elemento costruttivo
  • Analisi dei vincoli di una struttura
  • Calcolo delle reazioni vincolari
  • Calcolo delle sollecitazioni interne
  • Strutture isostatiche piane
  • Strutture reticolari piane
  • Equazioni delle deformazioni flessionali in una trave
  • Travi continue e telai piani
  • Strutture iperstatiche piane: metodo delle forze
  • Strutture iperstatiche piane: metodo degli spostamenti
  • Strutture iperstatiche spaziali
  • Instabilità dell’equilibrio elastico in un’asta compressa
  • Instabilità dell’equilibrio elastico in una trave inflessa
  • Instabilità dell’equilibrio di strutture piane
  • Strutture tese flessibili (funi)
  • Strutture ad arco
  • Le lastre piane e le piastre
  • Le membrane e i gusci sottili
  • Volte e cupole di rotazione
  • Instabilità dell’equilibrio delle superfici
  • I solidi tridimensionali
  • Metodo degli elementi finiti

Il programma della materia per Ingegneri civili ed Architetti è incentrato sui modelli di strutture lineari, sui telai formati da più elementi lineari, sulle strutture ad arco e a fune, sulle volte e cupole di rotazione. Invece il programma della materia per Ingegneri meccanici, navali e aeronautici sviluppa maggiormente i modelli di strutture a superficie (lastre, piastre, membrane, gusci sottili), le strutture a solido tridimensionale e il metodo degli elementi finiti.

Formalismo matematico[modifica | modifica sorgente]

Le equazioni della materia vengono espresse con diversi formalismi matematici:

  • con equazioni classiche algebriche o differenziali (in una variabile)
  • con sistemi di equazioni (in più variabili)
  • con il linguaggio delle matrici e l’algebra lineare (in più variabili)

I primi due linguaggi matematici sono impiegati nei trattati classici e sono orientati alla comprensione intuitiva della materia e allo sviluppo dei calcoli con metodi analitici o con sviluppo diretto. Il formalismo matematico di tipo algebrico o differenziale si presta tuttavia quando il numero delle incognite è contenuto (in genere non superiore a 5 o 6 variabili). Quando si devono analizzare strutture ad un numero elevato di incognite (oltre 6 o 7 variabili) è preferibile scrivere le equazioni di scienza delle costruzioni con il linguaggio delle matrici e dell’algebra lineare: tali metodi si prestano allo sviluppo dei calcoli con l’elaboratore elettronico.

Nei temi della Scienza delle Costruzioni che sconfinano nella meccanica del continuo e nella meccanica dei solidi è pure usato, in anni recenti, il linguaggio dei tensori.

Principali studiosi stranieri[modifica | modifica sorgente]

La Scienza delle Costruzioni è nata in Italia nel Rinascimento, a seguito delle scoperte di Galileo Galilei. La disciplina è stata successivamente sviluppata in Francia, Inghilterra, Germania, Russia e Stati Uniti dove sono state elaborate le principali teorie sull'elasticità e la plasticità dei materiali e le relative sperimentazioni sul comportamento strutturale. Fra gli ingegneri e scienziati francesi che hanno dato i principali contributi alla materia ricordiamo Pierre Varignon (1654-1722), Bernard Forest De Belidor (1697-1761), Charles Augustin de Coulomb (1736-1806), Claude-Louis Navier (1785-1836), Siméon Denis Poisson (1781-1840), Augustin-Louis Cauchy, Adhémar Jean Claude Barré de Saint-Venant (1797-1886).

Hanno dato contributi essenziali a questa materia il grande matematico e fisico svizzero Leonard Euler (1707-1783), gli scienziati tedeschi Christian Otto Mohr (1835-1918), Heinrich Muller Breslau (1851-1925), Emil Morsch (1872-1950), l'austriaco Richard von Mises (1883-1953) e gli inglesi Robert Hooke (1635-1703), William John Macquorn Rankine (1820-1872) e Jacques Heyman. Essenziali sono stati gli sviluppi della materia nel XX secolo legati principalmente alle grandi realizzazioni di ingegneria civile. Fra gli ingegneri e ricercatori che hanno operato negli Stati Uniti ricordiamo soprattutto Stepan Timoshenko (1878-1972) e Jack Ralph Benjamin (1917-1998).

Principali studiosi italiani[modifica | modifica sorgente]

La Scienza delle costruzioni è stata fondata da Galileo Galilei, che ha compiuto le prime ricerche sulla resistenza dei materiali, pubblicate nel trattato di meccanica "Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno a due nuove scienze" (1638). Le teorie di Galilei riguardano in particolare la resistenza a flessione, a trazione ed a compressione, che sono le principali sollecitazioni sugli elementi costruttivi, analizzate nella fase di rottura, ovvero in campo plastico. Queste ricerche sono state continuate dai suoi allievi Guido Grandi e Vincenzo Viviani e sperimentate ampiamente in Italia ed in Francia nel '700. I primi studi su statica e resistenza strutturale degli archi sono stati intrapresi nel '700 da Lorenzo Mascheroni, Leonardo Salimbeni e Giovanni Poleni e sviluppata da altri ricercatori francesi nel secolo successivo. Nell'Ottocento in Italia hanno portato importanti contributi a questa materia gli ingegneri Carlo Alberto Castigliano (1847-1884) di Torino e Enrico Betti (1823-1892) di Pisa, che hanno scoperto i celebri teoremi sul Lavoro di deformazione elastico. Nel secolo XX hanno portato i principali contributi a questa disciplina Gustavo Colonnetti (1886-1968) del Politecnico di Torino, Luigi Santarella (1886-1935), Giulio Maier del Politecnico di Milano, Odone Belluzzi (1892-1956) e Michele Capurso (1935-1987) dell'Università di Bologna, Riccardo Baldacci (1917–1986) ed Edoardo Benvenuto (1940-1998) dell'Università di Genova, Salvatore Di Pasquale (1931-2002) dell'Università di Firenze, Carlo Gavarini (1934-2010) dell'Università di Roma, Vincenzo Franciosi (1925-1989) dell'Università di Napoli, Castrenze Polizzotto dell'Università di Palermo. Gli sviluppi recenti riguardano principalmente i criteri di calcolo delle strutture con l'elaboratore elettronico, lo studio dei materiali in campo plastico, la Dinamica delle strutture in relazione alle azioni sismiche e il nuovo metodo di calcolo agli "stati limite" introdotto dalle norme tecniche più recenti.

Bibliografia[modifica | modifica sorgente]

  • Belluzzi Odone, Scienza delle Costruzioni (4 volumi), Zanichelli, Bologna, 1953 e successive edizioni
  • Baldacci Riccardo, Scienza delle Costruzioni (2 volumi), Utet, Torino, 1970 e successive edizioni
  • Capurso Michele, Lezioni di Scienza delle Costruzioni, Pitagora, Bologna, 1971
  • Franciosi Vincenzo, Scienza delle Costruzioni (3 volumi), Liguori, Napoli 1971
  • Di Pasquale Salvatore, Scienza delle Costruzioni. Una Introduzione alla progettazione strutturale, Tamburini, Milano, 1975
  • Benvenuto Edoardo, La Scienza delle Costruzioni e il suo sviluppo storico-critico, prima ed. Sansoni, 1981 (reprint Ed. di Storia e Letteratura, Roma, 2006)
  • Sollazzo Alfredo, Ricciuti Umberto, Salvatore Marzano, Mauro Mezzina, Scienza delle costruzioni (3 volumi), Utet, Torino.

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