Materiali e Sezioni Resistenti
Dal comportamento fisico dei materiali alle regole con cui le norme trasformano quel comportamento in un numero: la resistenza di calcolo — e nel dimensionamento delle sezioni omogenee, il ponte finale verso il progetto.
Dal materiale alla sezione
Nelle lezioni G1-G4 abbiamo imparato a calcolare le tensioni σ e τ che nascono in una sezione soggetta a sollecitazioni: sforzo normale, flessione, taglio, pressoflessione. Ma una tensione, da sola, non dice se la struttura è sicura: va confrontata con quanto il materiale è davvero in grado di sopportare.
Questa lezione chiude il cerchio aperto da G1-G4: prima definisce come le norme trasformano il comportamento fisico di un materiale in un valore di resistenza affidabile per il progetto, poi usa quel valore per dimensionare — cioè determinare le dimensioni incognite — delle sezioni soggette alle sollecitazioni già studiate.
Il quadro normativo europeo: gli Eurocodici
Come per il disegno tecnico (UNI-EN-ISO), anche il calcolo strutturale segue un quadro di norme comuni a livello europeo: gli Eurocodici (EN 1990-1999), un pacchetto di dieci norme armonizzate per la progettazione delle costruzioni.
| Norma | Argomento |
|---|---|
| EN 1990 | Basi della progettazione strutturale — il metodo semiprobabilistico agli stati limite |
| EN 1991 | Azioni sulle strutture — pesi propri, sovraccarichi, neve, vento, temperatura |
| EN 1992 | Strutture in calcestruzzo armato, non armato e precompresso |
| EN 1993 | Strutture in acciaio |
| EN 1994 | Strutture composte acciaio-calcestruzzo |
| EN 1995 | Strutture in legno |
| EN 1996 | Strutture in muratura |
| EN 1997 | Progettazione geotecnica |
| EN 1998 | Progettazione sismica |
| EN 1999 | Strutture in alluminio |
Il quadro normativo italiano: le NTC
In Italia il riferimento cogente per il calcolo strutturale sono le Norme Tecniche per le Costruzioni (NTC), emanate con il Decreto Ministeriale 17 gennaio 2018 (NTC 2018) e accompagnate da una Circolare esplicativa. Le NTC recepiscono l’impostazione degli Eurocodici, adattandola al contesto normativo italiano.
Il Capitolo 11 delle NTC 2018 fissa le regole di qualificazione, certificazione e accettazione dei materiali e prodotti per uso strutturale — calcestruzzo, acciai da cemento armato e da carpenteria, legno, muratura, dispositivi antisismici — cioè proprio i criteri che stanno alla base dei valori di resistenza che useremo da qui in avanti.
Proprietà meccaniche: la resistenza a rottura
Le proprietà meccaniche descrivono come un materiale risponde alle sollecitazioni. La prima e più diretta è la resistenza alla rottura: il valore di tensione a cui il materiale collassa, misurato tramite la prova di trazione su un provino normalizzato.
dove Frottura è il carico che provoca la rottura e A₀ l’area della sezione originaria del provino. La curva sforzo-deformazione che ne risulta — quella dell’immagine di apertura di questa lezione — è il documento base su cui si costruiscono tutte le altre proprietà meccaniche.
La resilienza: resistenza all’urto
Un materiale può resistere bene a un carico applicato lentamente e rompersi comunque in modo fragile se colpito da un urto improvviso. La resilienza misura proprio questo: la capacità di assorbire energia d’urto senza rompersi.
Si misura con la prova Charpy: un pendolo con massa nota colpisce un provino intagliato, e la resilienza è l’energia assorbita nella rottura, ricavata dal dislivello tra l’altezza di partenza e quella di risalita del pendolo dopo l’urto.
Il risultato si esprime in joule (J), oppure come resilienza specifica KCU/KCV (J/cm²) riferita all’area della sezione intagliata. Materiali con bassa resilienza — come alcune ghise o il vetro — si dicono fragili all’urto anche quando la loro resistenza a rottura statica è elevata.
La resistenza a fatica
Un materiale può rompersi anche sotto un carico ben inferiore alla sua resistenza a rottura, se quel carico si ripete un numero molto grande di volte, in modo ciclico. Questo fenomeno si chiama fatica.
Comportamento dei materiali: omogeneità e isotropia
Tutte le formule usate in G1-G4 (σ=N/A, σ=M·y/I, τ=V·S/(I·b)) valgono sotto due ipotesi sul materiale, che vanno sempre dichiarate esplicitamente.
Omogeneità
Le proprietà meccaniche (E, resistenza…) sono le stesse in ogni punto del materiale, indipendentemente dalla posizione considerata.
Isotropia
Le proprietà meccaniche sono le stesse in ogni direzione, indipendentemente dall’orientamento con cui si misurano.
Perfetta elasticità lineare: la legge di Hooke
Nel tratto iniziale della curva σ-ε (immagine di apertura), tensione e deformazione sono direttamente proporzionali: è il campo di perfetta elasticità lineare, descritto dalla legge di Hooke.
E è il modulo elastico (o modulo di Young), una costante del materiale con le dimensioni di una tensione (N/mm²): rappresenta la pendenza del tratto rettilineo iniziale del diagramma σ-ε. Un E alto significa un materiale rigido (a parità di tensione, si deforma poco); un E basso, un materiale più deformabile.
Comportamento elastico e comportamento plastico
Superata la tensione di snervamento fy (immagine di apertura), molti materiali — in primis l’acciaio — non si rompono subito, ma entrano nel campo plastico: la deformazione continua ad aumentare anche senza un corrispondente aumento di tensione, e diventa in parte permanente: rimuovendo il carico, il materiale non torna più alla forma originaria.
| Comportamento | Caratteristiche |
|---|---|
| Elastico | Deformazione proporzionale alla tensione (se lineare) e completamente reversibile |
| Plastico | Deformazione non proporzionale, in parte permanente anche a carico rimosso |
Rottura duttile e rottura fragile
In base a quanto un materiale si deforma plasticamente prima di rompersi, la rottura si classifica come duttile o fragile.
Rottura duttile
Ampio tratto plastico prima della rottura: grandi deformazioni visibili, cedimento “annunciato”. Tipica dell’acciaio da carpenteria.
Rottura fragile
Tratto plastico assente o minimo: la rottura avviene subito dopo il campo elastico, senza preavviso visibile. Tipica di ghisa, vetro, calcestruzzo non armato.
La resistenza caratteristica
Se si eseguono molte prove di rottura sullo stesso materiale, i risultati non sono mai tutti identici: variano attorno a un valore medio, seguendo una distribuzione statistica — tipicamente descritta dalla curva di Gauss.
Progettare sul valore medio significherebbe accettare che metà dei casi reali abbiano resistenza inferiore a quella di progetto: troppo rischioso. Le NTC assegnano quindi alle resistenze dei materiali il valore caratteristico fk, definito come il frattile di ordine 5%: il valore per cui solo il 5% delle prove dà risultati inferiori.
La resistenza di calcolo
Anche il valore caratteristico fk non è ancora il valore che si usa direttamente nelle verifiche: le NTC richiedono di ridurlo ulteriormente con un coefficiente parziale di sicurezza del materiale γM, per tenere conto delle incertezze residue (difetti nella messa in opera, deterioramento nel tempo, semplificazioni del modello di calcolo).
fd è la resistenza di calcolo (o resistenza di progetto): il valore effettivamente confrontato, nella verifica, con la tensione di progetto. Il coefficiente γM è sempre maggiore di 1 e dipende dal materiale e dal tipo di verifica.
| Materiale | γM indicativo (SLU) |
|---|---|
| Acciaio da carpenteria | γs ≈ 1,05 – 1,15 |
| Calcestruzzo | γc ≈ 1,5 |
| Acciaio da c.a. | γs ≈ 1,15 |
Resistenza delle sezioni: verifica e dimensionamento
Con fd definita, il problema della resistenza di una sezione si pone in due modi complementari.
| Problema | Dati | Incognita |
|---|---|---|
| Verifica | Sollecitazione + sezione (già definita) | La sezione regge? (σ ≤ fd ?) |
| Dimensionamento | Sollecitazione + materiale (fd noto) | Quali dimensioni minime deve avere la sezione? |
Le lezioni G2-G4 hanno affrontato quasi sempre problemi di verifica: sezione nota, si calcola σ e si confronta con un limite. Il dimensionamento inverte il procedimento: si parte dalla condizione limite σ = fd e si ricava la dimensione (o il modulo di resistenza) necessaria.
Dimensionamento: sforzo normale semplice
Per lo sforzo normale semplice (G2, tavola 5), la condizione di verifica è σ = N/A ≤ fd. Il dimensionamento impone l’uguaglianza al limite e isola l’area incognita.
Nota Amin, si sceglie tra le forme commerciali disponibili (profilato, sezione piena…) quella con area immediatamente superiore ad Amin.
Dimensionamento: flessione retta e deviata
Per la flessione retta (G2, tavola 6), la verifica è σmax = M/W ≤ fd. Il dimensionamento isola il modulo di resistenza necessario.
Trovato Wmin, si sceglie dal profilario la sezione con W immediatamente superiore — è esattamente il procedimento richiamato in G2 per il confronto tra sezione ottimale e sezioni deboli.
Per la flessione deviata (G2, tavola 9) le due componenti Mx e My non si dimensionano separatamente: la condizione di verifica combinata σ = Mx·y/Ix + My·x/Iy ≤ fd rende il dimensionamento diretto poco pratico. Nella progettazione corrente si procede per tentativi: si sceglie una sezione di primo tentativo (per esempio dimensionata sulla sola componente prevalente), la si verifica in flessione deviata, e si corregge se necessario.
Dimensionamento: taglio puro e taglio con flessione
Per il taglio puro (G3, tavola 15-16), la formula di Jourawski dà τmax = V·S/(I·b). Fissata la geometria della sezione (nota da altre verifiche), il dimensionamento a taglio consiste nel verificare che lo spessore b nel punto più sollecitato sia sufficiente:
Nella pratica corrente, però, il taglio raramente governa il dimensionamento delle sezioni in acciaio o cemento armato inflesse: è quasi sempre la flessione (tavola 15) a determinare le dimensioni principali, e il taglio interviene come verifica successiva sulla sezione già dimensionata a flessione — il caso della tavola 17.
Esempio: dimensionamento di una trave in acciaio
Una trave appoggiata in acciaio (fk = 235 N/mm², γM = 1,05) è soggetta a un momento flettente massimo M = 42 kNm e a un taglio massimo V = 56 kN. Dimensionare la sezione e verificarla a taglio.
1. Resistenza di calcolo
2. Dimensionamento a flessione
Dal profilario si sceglie il primo profilato IPE con W ≥ 187,5 cm³: un IPE 200 (Wx ≈ 194 cm³, A ≈ 28,5 cm², anima sw = 5,6 mm, altezza h = 200 mm).
3. Verifica a taglio
Per un profilato a doppio T si usa l’approssimazione già vista in G3 (tavola 20): il taglio si considera assorbito interamente dall’anima, con tensione tangenziale media.
Confrontando con una resistenza di calcolo a taglio fd,τ ≈ fd/√3 ≈ 129 N/mm² (criterio di Von Mises, richiamato qui solo per concludere l’esempio): τ ≈ 50 N/mm² ≪ 129 N/mm². Verifica a taglio ampiamente soddisfatta — come atteso, è la flessione a governare il dimensionamento.
Autovalutazione
Quattro problemi per verificare la comprensione degli argomenti della lezione.
Un acciaio ha resistenza caratteristica fk = 355 N/mm² e coefficiente di sicurezza γM = 1,05. Calcolare la resistenza di calcolo fd.
Un tirante metallico deve portare uno sforzo normale N = 180 kN. Il materiale ha fd = 260 N/mm². Determinare l’area minima Amin della sezione.
Una trave inflessa deve resistere a un momento M = 65 kNm con un materiale di resistenza di calcolo fd = 180 N/mm². Determinare il modulo di resistenza minimo Wmin e indicare, qualitativamente, cosa succede se si sceglie invece un profilato con W leggermente inferiore a Wmin.
Due materiali A e B hanno la stessa resistenza a rottura statica σr, ma A ha resilienza molto più bassa di B. Spiegare quale dei due sceglieresti per un elemento strutturale soggetto a possibili urti accidentali, motivando la risposta con i concetti della tavola 05.
Riepilogo dei concetti chiave
- Eurocodici (EN 1990-1999): quadro normativo europeo per il calcolo strutturale, basato sul metodo semiprobabilistico agli stati limite introdotto dall’EN 1990
- NTC 2018 (DM 17 gennaio 2018): normativa italiana, recepisce l’impostazione degli Eurocodici; il Capitolo 11 fissa le regole sui materiali e prodotti per uso strutturale
- Stati limite: SLU (collasso) e SLE (esercizio) — la sollecitazione di progetto non deve mai superare la resistenza di progetto
- Resistenza alla rottura, resilienza, resistenza a fatica: tre proprietà meccaniche distinte — un materiale forte a rottura statica può comunque essere fragile all’urto o cedere per fatica sotto carichi ripetuti
- Omogeneità e isotropia: ipotesi alla base di tutte le formule di verifica delle sezioni (G1-G4); il legno non le soddisfa
- Legge di Hooke σ = E·ε: descrive il campo di perfetta elasticità lineare, con deformazione reversibile
- Superato lo snervamento, il materiale entra in campo plastico, con deformazioni in parte permanenti
- Rottura duttile (con preavviso, grandi deformazioni plastiche) vs rottura fragile (improvvisa, poco o nessun preavviso)
- Resistenza caratteristica fk: frattile di ordine 5% della distribuzione statistica delle resistenze misurate
- Resistenza di calcolo fd = fk/γM: il valore effettivamente usato nelle verifiche, ridotto rispetto a fk per un coefficiente di sicurezza sempre maggiore di 1
- Dimensionamento = problema inverso della verifica: dal carico e da fd si ricava la dimensione minima (Amin, Wmin) della sezione, poi arrotondata alla sezione commerciale superiore