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Scienza delle costruzioni

Passaggio dall'arte del costruire (materiali di infinita rigidezza) alla scienza delle costruzioni (materiali deformabili) (da Milani - L'ossatura murale - 1910).
Passaggio dall'arte del costruire (materiali di infinita rigidezza) alla scienza delle costruzioni (materiali deformabili) (da Milani - L'ossatura murale - 1910).

Definizione

Disciplina che studia il comportamento meccanico delle costruzioni soggette ad azioni esterne. Più in particolare la scienza delle costruzioni si occupa di valutare la risposta in termini di equilibrio e di resistenza di un sistema strutturale costituito da un certo materiale all’azione di carichi esterni. La disciplina si avvale dei procedimenti d’indagine teorica propri della meccanica razionale e dell’analisi matematica, correlandoli con i risultati di ricerche sperimentali sui materiali, sui modelli e sulle costruzioni. La dizione scienza delle costruzioni viene utilizzata quasi esclusivamente in Italia; in genere nelle altre nazioni, le varie branche nelle quali si articola la scienza delle costruzioni (quali statica, resistenza dei materiali, meccanica del continuo, meccanica delle strutture, dinamica delle strutture, meccanica della fatica ecc.) vengono trattate come discipline a se stanti.

Sviluppo storico e generalità

Inizialmente l’ideazione strutturale era basata sostanzialmente sull’esperienza e sull’intuito. In seguito ad un lungo cammino segnato da intuizioni, incertezze ed errori (testimoniati da collassi strutturali!) si sono potuti formulare i principi fondamentali dell’equilibrio e della resistenza delle strutture. Seguendo un breve excursus storico si evidenziano due percorsi concettualmente distinti. Uno che parte da Archimede (287-212 a.C.) fino a Varignon (1654-1722) è volto a riportare le casistiche più complesse a problemi di “equilibrio”, ridotti a casi semplici ed evidenti; l’altro che si sviluppa da Aristotele (384-322 a.C.) a Cartesio (1596-1650) fino a G. Bernoulli (1700-1782) e Lagrange (1736-1813) tende alla ricerca di una generalizzazione dei vari concetti che si rivelano riconducendoli al “principio dei lavoro virtuali”, come principio che sintetizza tutte le leggi dell’equilibrio.
Molti, però, considerano Galileo come “padre” della moderna scienza delle costruzioni per i suoi studi sull’equilibrio della mensola e vedono nei grandi dibattiti sulla stabilità delle grandi cupole (San Pietro a Roma e Santa Maria del Fiore a Firenze) i primi tentativi di dare soluzione scientifica ai problemi delle costruzioni. In pratica è alla fine del XVIII secolo e all’inizio del XIX che avviene la vera e rapida rivoluzione con il passaggio dall’arte del costruire alla scienza delle costruzioni.  Gli stimoli della rivoluzione industriale e in particolare l’introduzione del ferro nelle costruzioni (si pensi all’introduzione del ferro nelle costruzione di ponti e grandi coperture) non permetteva più di costruire in base all’esperienza, ovvero in base a quell’insieme complesso di prescrizioni teoriche, regole pratiche, senso statico e abilità manuale (arte del costruire) che avevano permesso la realizzazione della grande architettura classica e gotica, fino al raggiungimento prodigioso dei limiti consentiti dalle tecniche del tempo.
La mancanza di “esperienza” con i nuovi materiali impose ad ingegneri, architetti, matematici e scienziati in genere di “inventare” una nuova “scienza” e una nuova “tecnica” in grado di prevedere il comportamento delle nuove strutture, realizzate con nuovi materiali e con forme prevalentemente lineari e reticolari o intelaiate.
Significativo è il dibattito sulla stabilità delle cupole che si sviluppò negli ultimi anni del XVIII secolo intorno alla stabilità della cupola del Panthéon di Parigi, realizzata con un ampio uso del ferro per la cerchiatura, che vide impegnate personalità come Rondelet, Patt e Gautey. In tale occasione Rondelet scandalizzò il mondo scientifico scrivendo (1798) che le cupole (cerchiate) non erano spingenti, e affermando che era necessario definire il comportamento meccanico dei materiali per poter affrontare il calcolo “matematico” delle strutture. Il Panthéon di Parigi può essere considerato il primo edificio nel quale, in modo sistematico, sono stati effettuati calcoli e prove sperimentali di scienza delle costruzioni per l’individuazione delle tensioni nei pilastri, delle tensioni di rottura della pietra e per le verifiche di resistenza.
Per due secoli, fino ai giorni nostri e all’impiego del calcolo numerico, nelle università, si è sviluppata questa nuova scienza, portando, peraltro, a trascurare e a dimenticare la ricchezza delle conoscenze della precedente sapienza costruttiva, che solo recentemente, a causa dei problemi di conservazione e protezione sismica del patrimonio architettonico realizzato in muratura, sono state rivalutate, come sono stati rivalutati gli approcci empirici.
È all’inizio del XIX secolo che la tradizionale, non realistica, assunzione di rigidezza infinita del materiale viene abbandonata considerando sistematicamente le condizioni di equilibrio interno della struttura attraverso l’analisi dello stato di deformazione. Si poté intraprendere in questo modo lo studio delle strutture iperstatiche caratterizzate da un grado di vincolo sovrabbondante, studio fino ad allora, con l’ausilio della sola statica dei corpi rigidi, impossibile da effettuare, come rilevato da Rondelet. Non è casuale che il decisivo contributo sia avvenuto in Francia e sia dovuto soprattutto a un gruppo di matematici e ingegneri dell’Ècole Polytechique e dell’Ècole Nationale des Ponts et Chaussées, quali Cauchy (1789-1857), Poisson (1781-1840), Lamé (1795-1870), Clapeyron (1799-1864), Poncelet (1788-1867) e, in particolare, Navier (1785-1836) il quale nella sua fondamentale nota Mémoire sur les lois de l’équilibre et du mouvement des corps élastiques del 1821 stabilisce i fondamenti della teoria matematica della elasticità e imposta equazioni generali dell’equilibrio, ed è, pertanto, considerato il padre dell’attuale scienza delle costruzioni.  Infine si ricorda Barré de Saint-Venant (1797-1886) per la sua teoria relativa ai solidi strutturali monodimensionali (travi) di eccezionale valore nelle applicazioni pratiche. La svolta ottocentesca fornì ai tecnici pratici strumenti di calcolo tramite i quali conoscere quantitativamente il comportamento delle strutture, in termini di intensità delle sollecitazioni interne (sforzi), delle deformazioni e degli spostamenti indotti da un sistema di carichi agenti in funzione della geometria, delle condizioni di vincolo e delle proprietà del materiale.
Le successive ricerche sono state incentrate in larga misura sul concetto di lavoro di deformazione, già introdotto da Clapeyron, e hanno portato all’enunciazione di nuovi teoremi. Vanno ricordati, a questo proposito, i contributi degli inglesi Green (1793-1841) e Maxwell (1831-1879) e degli italiani Menabrea (1809-1892), Castigliano (1847-1884) e Betti (1823-1892). Un decisivo impulso alla razionalizzazione della teoria dei materiali e delle strutture è avvenuto nella seconda metà del XX secolo grazie alle formulazioni complesse ed esaustive di studiosi di meccanica nonché al parallelo sviluppo di calcolatori elettronici che hanno aperto la strada alle elaborazioni numeriche (si pensi al metodo degli elementi finiti sviluppato, inizialmente in ambito aeronautico, negli anni ’50 da Turner, Argyris e Clough). La scienza delle costruzioni, oltre ad aver dato risposte a problemi nell’ambito delle costruzioni, ha permesso l’avanzamento in settori differenti: i suoi principi e le sue teorie hanno trovato utile applicazione ad esempio nell’ambito di biologia, biomeccanica, medicina e chirurgia.

La moderna scienza delle costruzioni studia nuove metodologie e tecniche di base che forniscano risposte a problemi di restauro e conversazione del patrimonio storico costruito, al problema dell’invecchiamento irreversibile delle costruzioni in calcestruzzo armato, al problema del controllo delle strutture, alla modellazione del comportamento meccanico di nuovi materiali e di materiali compositi, all’interazione dei fluidi con la struttura (aerodinamicità, aeroelasticità), alle problematiche dovute alla vulnerabilità sismica delle strutture, e alle diverse problematiche di fattibilità strutturale (resistenza, stabilità, limitazione di vibrazioni) che si incontrano nella progettazione di grandi strutture quali ad esempio ponti, grattacieli, piattaforme off-shore e dighe.

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