Scienza delle costruzioni

La scienza delle costruzioni è quella disciplina che si occupa dei modelli fisico-matematici e sperimentali che descrivono il comportamento statico e dinamico della struttura resistente di un manufatto e delle sue componenti ( elementi strutturali ) sotto l'effetto di varie azioni (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.

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 edile , dell' ingegneria civile , 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).

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 delle deformazioni
• 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 .

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 .

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).

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 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 dell' Università di Bologna , Riccardo Baldacci ed Edoardo Benvenuto dell' Università di Genova , Salvatore Di Pasquale (1931-2002) dell' Università di Firenze , Carlo Gavarini dell' Università di Roma , Vincenzo Franciosi 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.

• 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, Marzano, Mezzina, Scienza delle costruzioni (3 volumi), Utet, Torino.

• Teoria dell'elasticità
• Problema di Saint Venant
• Meccanica del continuo
• Meccanica delle strutture
• Meccanica dei materiali

• Segreteria Nazionale del S.S.D. ICAR/08 - Scienza delle Costruzioni

• Soluzione automatica di esercizi di Scienza delle Costruzioni