Percorsi Abilitanti Speciali Classe A016 Costruzioni...

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Materiali metallici non ferrosi

Percorsi Abilitanti Speciali

Classe A016

Costruzioni, Tecnologia delle costruzioni e Disegno Tecnico

pro

f. A

dolf

o F

. L.

Bara

tta

Roma, 11 aprile 2014

02

Tavola periodica degli elementi

Massa atomica relativa (Ar) Numero atomico (Z)

Elettronegatività Valenze

Gas

Liquidi

Solidi

Preparati artificialmente

Elementi di transizione

Percorsi Abilitanti Speciali – Classe A016

prof. Adolfo F. L. Baratta

03

Alluminio

Non essendo un materiale presente in natura allo stato nativo,

l’alluminio è stato isolato dall’allumina (che è un composto

della bauxite) per la prima volta nel 1925 dal chimico danese

Hans Christian Oersted: dopo l’acciaio, l’alluminio è

attualmente il metallo più utilizzato nelle costruzioni. Dato

che da 4 tonnellate di bauxite si ottiene soltanto 1 tonnellata

di alluminio, l’industria dell’alluminio è tra le più avanzate

nella tecnica del riciclaggio delle materie prime seconde.

Avendo l’alluminio puro (punto di fusione 660°C) ottenuto dal

minerale della bauxite caratteristiche meccaniche modeste,

viene combinato in leghe con il magnesio, lo zinco, il silicio e il

rame.

Le leghe commercialmente più diffuse sono quelle della serie

6000 ovvero:

1. il duralluminio, con il 4% di rame;

2. l’aluman, con l’1,5% di manganese;

3. l’anticorodal, con lo 0,6-0,8% di manganese, lo 0,6-0,8% di

magnesio, lo 0,9-1,15% di silicio;

4. l’alumag, con lo 0,5-5% di magnesio.

In queste leghe risultano migliorate le caratteristiche di

resistenza meccanica, duttilità, lavorabilità, resistenza alla

corrosione. A questa classe appartengono le leghe per i

profilati utilizzati in serramentistica (lega 6060). Cava dismessa di bauxite,

Otranto Lecce (I).

Minerale della bauxite.



04

Alluminio

Caratteristiche dell’alluminio.

La sua resistenza meccanica varia a seconda degli elementi con cui è

legato: si tratta comunque di un materiale con valori molto vicini a

quelli dell’acciaio con il vantaggio di essere molto più leggero

(2.700,0 kg/m3, circa 1/3 dell’acciaio) e di avere una maggiore

resistenza alla corrosione. L’alluminio in edilizia viene utilizzato per la

realizzazione di infissi, curtain-walls, manti di copertura e

rivestimenti di facciata, controsoffitti, etc.: fogli di alluminio vengono

utilizzati anche per la realizzazione di barriere al vapore e finiture di

coperture piane non praticabili.

Massa volumica 2.700 kg/cm3

Temperatura di fusione 658°

Carico di rottura 15,0 kg/mm

Carico di snervamento 13,0 kg/mm

Allungamento percentuale 8%

Modulo di elasticità 650.000 kg/cm2

Coeff. dilatazione termica 0,000024

Francesco Simeoni, Edificio commerciale e direzionale, Rovereto (TN) 2001.



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Titanio

Il titanio è un metallo bianco argenteo, dotato di proprietà analoghe a quelle dello stagno.

Scoperto da Martin Heinrich Klaproth nel 1795 è stato isolato da Justus von Liebig nel 1831, che

lo ottenne dal rutilo. Tra i metalli, è al quarto posto per abbondanza sulla crosta terrestre. A

partire dagli anni Cinquanta, grazie ad un processo di estrazione efficace, si sono sviluppate due

categorie di materie prime:

1. titanio commercialmente puro (Ti>99%), indicato con la sigla ASTM CP;

2. leghe di titanio, con una percentuale di titanio di 80-98%, unito ad alluminio, vanadio,

stagno, cromo o altri elementi di lega.

Le caratteristiche principali del titanio sono:

- bassa densità, quindi leggerezza;

- elevata resistenza alla corrosione, all’abrasione, all’impatto, al taglio e ai raggi UV;

- elevata inerzia termica e buona resistenza al calore;

- lavorabilità e saldabilità di buon livello;

- non inquinante, non tossico e riciclabile.

Minerale di rutilo e ilmenite.



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Titanio

I settori di impiego di elezione del titanio sono il

navale e l’automobilistico, dove è utilizzato

soprattutto per le bielle e altre parti dei motori

che sfruttano le caratteristiche fisiche,

meccaniche e di resistenza alla corrosione di

questo metallo, ed il settore della bioingegneria,

che sfrutta la leggerezza, resistenza e

biocompatibilità del titanio per realizzare protesi

mediche. Inoltre è largamente impiegato per la

produzione di armi (proiettili, missili, etc.).

Infine, in architettura è impiegato soprattutto

come involucro di rivestimento sotto forma di

lastre, doghe e lamiere con spessori di circa 0,5

mm.

Studio Busman& Habenern

Wall Raf Richartz Museum, Koln (D) 2001.

Building Design Partnership

Centro nazionale delle Scienze, Glasgow (UK) 2003.



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Frank O. Gehry, Guggenheim Museum, Bilbao (E) 1997

Oltre all’articolata composizione volumetrica, il vero protagonista del Guggenheim Museum è il

titanio: le 30.000 lastre da 0,3 mm di spessore ricoprono gran parte delle superfici esterne e

caratterizzano l’aspetto della famosa architettura.



08

Frank O. Gehry, Guggenheim Museum, Bilbao (E) 1997

Il titanio necessario a realizzare il

rivestimento è stato estratto in Australia,

fuso in Francia, laminato negli Stati Uniti,

decappato in Gran Bretagna e assemblato in

Italia, prima di essere trasportato in

Spagna.



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Rame

Ricavato dalla calcopirite, dalla calcosina e dalla cuprite (minerali di scarsa qualità a base di

zolfo), il rame è tra primi metalli lavorati dall’uomo (V sec. a.C.).

Trattandosi di un materiale molto duttile viene essenzialmente lavorato per estrusione (fili e

barre) e per laminazione (lamiere e tubi).

A seguito del primo attacco degli agenti atmosferici sul rame si forma una patina protettiva che

protegge il materiale da ulteriori azioni aggressive: tale strato (Sali basici di rame di circa 10,0

µ di spessore detto verderame) conferiscono al rame dapprima il colore bruno e

successivamente il tipico colore verde.

In condizioni ambientali non aggressive possono essere necessarie decine di anni prima di

raggiungere la colorazione verde mentre in condizioni ambientali aggressive, come vicino a

stabilimenti industriali o alla costa marina, il verde rame compare anche dopo soli 3 anni.

ASSOMET Associazione Nazionale Industrie Metalli non Ferrosi.

Minerale di calcopirite, calcosina e cuprite.



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Rame

Essendo un materiale caratterizzato da una elevatissima resistenza agli agenti atmosferici e

chimici, una buona duttilità e un’ottima lavorabilità, in edilizia il rame ha un impiego molto

diffuso. In particolare, è impiegato per la realizzazione di:

1. manti di copertura e rivestimenti di facciata (spessore 0,6 mm);

2. tubi per impianti termici e idrosanitari (spessore 0,5-0,8 mm);

3. tubi (spessore 0,5-0,8 mm);

4. opere di lattoneria, quali gronde, scossaline, converse, etc. (spessore 0,5-0,8 mm);

5. accessori, quali cimase, scossaline, etc. (spessore 0,5-0,8 mm).

Tubazioni e rivestimenti in rame.



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Piombo, stagno e zinco

Il piombo, la cui diffusione è dovuta al suo punto di fusione particolarmente basso (327°C), data

la sua elevata deformabilità a freddo (è detto metallo molle) e la sua modesta resistenza

meccanica, è utilizzato esclusivamente per la fabbricazione di tubi, elementi di raccordi per gli

apparecchi sanitari, piastre di ripartizione e di raccordo.

Lo stagno, oltre ad essere impiegato per la formazione di leghe, non si altera all’aria e quindi

viene utilizzato soprattutto per proteggere superfici metalliche corrodibili e nelle saldature a

bassa temperatura.

Lo zinco (punto di fusione 420°C) si ricava per ossidazione e cottura da una minerale argilloso-

calcareo solforoso povero di zinco (ZnS). Allo stato puro, non lega con altri elementi, ha una

scarsa resistenza meccanica, una elevata fragilità e assume un comportamento duttile tra i 120-

200°C, diventando molto lavorabile e laminabile a caldo: ha però un ottima resistenza alla

corrosione e all’attacco degli agenti atmosferici.

Proprio per questo in edilizia viene

impiegato come protettivo dell’acciaio e di

altri metalli attraverso procedimenti di

protezione catodica (zincatura a freddo e a

caldo) e galvanizzazione.

Viene impiegato anche per manti di

copertura e rivestimenti di facciata, opere

di lattoneria, accessori, etc.

Copertura rivestita in lastre di piombo.



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Ottoni e bronzi

Rivestimento di facciata in lega zinco-rame-

titanio (nome commerciale Rheinzink) [Frank O.

Gehry, Vitra, Basilea (CH) 1999].

La facilità del rame a formare leghe con altri

metalli ne ha esteso talmente l’impiego che più

del 50% viene utilizzato industrialmente nelle

leghe.

L’aggiunta al rame dello zinco, nella misura del 5-

40%, forma gli ottoni: le leghe contenenti soltanto

rame e zinco sono dette ottoni comuni, quelle che

contengono anche altri metalli sono dette ottoni

speciali.

L’aggiunta al rame dello stagno, nella misura

dell’1-30%, forma i bronzi.

Le lamiere metalliche vengono generalmente

stoccate in rulli detti coils per poi subire

successivi livelli di lavorazione per arrivare agli

spessori desiderati.



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Materiali metallici

Metallo Massa volumica

(kg/m3)

Temperatura di

fusione (C°) Colore

Piombo (Pb) 11.340 327 Grigio azzurro

Rame (Cu) 8.910 1.083 Rosso

Nichel (Ni) 8.800 1.455 Grigio splendente

Ferro (Fe) 7.860 1.535 Grigio

Stagno (Sn) 7.300 232 Bianco splendente

Cromo (Cr) 7.200 1.880 Bianco splendente

Zinco (Zn) 7.200 420 Bianco azzurro

Titanio (Ti) 4.500 1.725 Bianco argenteo

Alluminio (Al) 2.700 658 Bianco argento

Magnesio (Mg) 1.740 650 Bianco argenteo

Andrea Pisano,

L’arte del fabbro, Firenze 1336.

Diego Velazquez, La Fucina di Vulcano, Madrid 1630

Efesto (Vulcano per i romani) era il

dio del fuoco e il fabbro degli dei.



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Scala di Brinell

La scala Brinell, proposta dallo svedese Johan August Brinell (1849-1925), è una scala di valori

ricavati dalla prova di durezza dei materiali.

Durante la prova viene esercitata una pressione di 15 secondi su di un metallo, tramite un

penetratore di forma sferica con diametro di 1,0 cm che esercita un carico di 3.000 kg, per poi

misurare il diametro dell'impronta lasciata.

Il metodo Brinell prevede la possibilità di utilizzare un penetratore in acciaio temprato, in tal caso

il valore di durezza è preceduto dalla sigla HBS, o in metallo duro quale il tungsteno, in tal caso il

valore di durezza è preceduto dalla sigla HBW.

Tester elettronico digitale per la prova

di Brinell.

Esemplificazione della prova di durezza

richiesta dal metodo Brinell.



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Scala di Rockwell

La prova di durezza Rockwell, brevettata nel 1914 dagli statunitensi Hugh M. Rockwell (1890-

1957) e Stanley P. Rockwell (1886-1940), si realizza con penetratori di forma sferica, realizzati

in tungsteno, oppure conica, realizzati in diamante.

La prova è eseguita secondo più stadi successivi di carico e determina la durezza in base alla

deformazione elasto-plastica del materiale in esame: essenzialmente durante la prova la misura

della profondità raggiunta è correlata con la misura di durezza.

La misurazione può essere fatta con diverse scale ed è contrassegnata da sigle in funzione della

forma e del materiale del penetratore e delle forze applicate.

Le scale maggiormente utilizzate sono:

- HRC (Hardness Rockwell Cone). Il penetratore è un cono di diamante con un angolo di

apertura pari a 120° e raggio di raccordo 0,2 mm: questa scala è impiegata per materiali

molto duri ovvero con valore di durezza Brinell HB > 200;

- HRB (Hardness Rockwell Ball). Il penetratore è una sfera di tungsteno del diametro di 1,59

mm: questa scala è impiegata per materiali non eccessivamente duri ovvero con valore di

durezza Brinell HB < 200.

Indentatore conico.

120°

Indentatore sferico.

1,59 mm



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Scala di Vickers

La scala di Vickers, proposta da un gruppo di ricercatori dalla società britannica Vickers Ltd. nel

1924, viene ottenuta con una prova in cui il penetratore è costituito da un diamante a piramide

retta a base quadrata: la misura che si ottiene è data dal rapporto tra il carico applicato e la

superficie dell’impronta.

Le unità di misura della scala Vickers sono quindi quelle di una pressione ovvero di un carico su

una superficie: il carico applicato varia da 1 a 120 kg.

Questo sistema di valutazione della durezza consente un’elevata precisione della misurazione

anche se il sistema risulta costoso per la valutazione che può essere effettuata esclusivamente

al microscopio. La scala Vickers fornisce dei risultati generalmente equiparabili, con la dovuta

approssimazione, ai valori in scala Brinell.

Diamante indentatore per le

prove Vickers.

Esemplificazione della prova di durezza

richiesta dal metodo Vickers.



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Scala di Vickers

Metallo Durezza Vickers

Oro 22

Argento 24

Ferro 30-80

Platino 41

Rame 47

Ghisa 145-280

Acciaio 120-160

Acciaio inossidabile 140-180

Bronzo 150-440

Diamante 8.400

Durezza Vickers Durezza Brinell

100 95

150 143

200 190

250 238

300 284

350 331

400 379

450 423

500 471

600 564

650 610

700 656

Valori di durezza di alcuni metalli con la

scala di Vickers (valore espresso in

Newton. Il Newton N viene definito come

la quantità di forza necessaria per

imprimere a un kg di massa

un’accelerazione di un m al sec2.

Orientativamente 1 N = 0,1 kg).

Rapporto tra la scala di Vickers e la scala

di Brinell.



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Modulo di elasticità

La deformabilità elasticità è una delle proprietà fondamentali di qualsiasi materiale e la sua

conoscenza fornisce un dato essenziale per le sue applicazioni strutturali.

Il modulo di elasticità viene definito come il rapporto tra la variazione di tensione longitudinale

e la deformazione unitaria in direzione longitudinale prodotta dalla variazione di tensione e

viene espresso in MPa.

Se si sollecita un solido di lunghezza L così da avere una variazione di lunghezza ΔL allora la

lunghezza dello stesso solido dopo la deformazione è pari a L+ΔL.

Il rapporto tra la variazione di lunghezza e la lunghezza iniziale:

ΔL/L = ε

esprime la deformazione unitaria (ε) riferita all’unità di misura della lunghezza originaria.

La tensione unitaria (σ), definita da Augustin Cauchy (1789-1857) come il rapporto tra rottura

sotto carico di un materiale e le sue dimensioni geometriche, è un valore caratteristico di ogni

materiale e si esprime come:

σ = P/A (kg/cm2 o N/mm2)

P = Pressione unitaria esterna;

A = Superficie.



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Dal rapporto tra la tensione unitaria e la deformazione unitaria si ottiene il modulo di elasticità

ovvero:

E = σ/ε (kg/cm2 o N/mm2)

σ = sforzo ovvero la tensione unitaria;

ε = allungamento unitario ovvero la deformazione unitaria.

Il modulo di elasticità E, detto anche modulo di Young, è definibile anche come “il carico P

teorico capace di allungare un filo della sezione di 1,0 cm2 fino al doppio della sua lunghezza

iniziale”.

È importante sottolineare che si tratta di un carico P teorico perché, in effetti, nessun materiale

da costruzione resiste a tale allungamento (l’alluminio ha comunque un allungamento che è tre

volte superiore a quello dell’acciaio).

La deformazione di un materiale dipende dal suo modulo di elasticità: a parità di carico

supportato, un materiale con un modulo di elasticità maggiore si deforma meno ovvero è più

rigido e solitamente anche più fragile.

L’acciaio ha un modulo di elasticità E pari a 210.000 N/mm2.



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Metallo Modulo di elasticità

E = N/mm2

Carico di rottura a trazione

Rm = N/mm

Acciaio legato (34 Ni; Cr; Mo6) 220.000 1.100

Acciaio 210.000 500

Cor-Ten 206.000 500

Acciaio inossidabile 196.000 515

Titanio 196.000 345

Rame 122.000 200

Ghisa 120.000 125

Bronzo 113.000 350

Zinco 95.000 100

Alluminio 70.000 220

Piombo 5.000 25

Modulo di elasticità (Young) e carico di rottura a trazione di alcuni materiali metallici.



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Rigidezza

La rigidezza, ovvero la capacità che ha un corpo di opporsi alla deformazione elastica provocata

da una forza applicata, dipende da materiale, forma e vincolo al contorno ed è direttamente

legata al modulo di elasticità in quanto:

k = AE/L

k = Rigidezza;

A = Area della sezione resistente;

E = Modulo di Young;

L = Lunghezza del corpo.

La variazioni di rigidezza in alzata può provocare

degli scompensi in caso di sisma: il piano debole o

piano soffice è un meccanismo di collasso globale di

strutture intelaiate che cedono a causa di

un’elevata differenza di rigidità tra piani contigui.

Il collasso avviene molto rapidamente: negli edifici

in cui si verifica questo tipo di meccanismo si può

osservare che un piano sparisce mentre i piani

superiori sono solo leggermente lesionati.



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Prova a trazione di un campione metallico.

Nel legno, in quanto materiale anisotropo, il modulo di elasticità assume valori differenti in

funzione della direzione rispetto alla fibra e delle differenti specie: per l’acciaio, viceversa, il

modulo di elasticità è indifferente ad ogni altro fattore interno ed esterno.

Per qualsiasi materiale il modulo di elasticità varia nel tempo.



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Legge di Poisson

Legge di Poisson stabilisce che se n corpo e soggetto ad una trazione, oltre ad una elongazione

nella direzione di azione della forza, si osserva una riduzione delle dimensioni trasverse; nel

caso di una compressione si osserva invece un aumento delle dimensioni trasverse.

Se si considera un cilindro di lunghezza L e raggio di base r, si osserva, nei limiti di elasticità del

materiale che:

Δr/r = v (Δl/l) = vε

r = Raggio del cilindro;

l = Lunghezza del cilindro;

v = costante adimensionale positiva che dipende dal materiale, detta coefficiente di Poisson;

ε = allungamento unitario ovvero la deformazione unitaria.

Sperimentalmente si riscontra che v ≤ 0,5 .

Coefficienti di Poisson.

Metallo Coefficiente di Poisson

Vetro 0,25

Ferro 0,30

Acciaio 0,30

Rame 0,34

Ottone 0,35

Piombo 0,40



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Fluage

Le deformazioni cambiano col passare del tempo: gli elementi strutturali in legno, ad esempio,

sottoposti a carichi di lunga durata (nell’ordine dei 50 anni) possono rompersi a carichi pari al

60% di quelli risultanti da prove di breve durata.

A tale proposito, il fluage (creep in inglese o scorrimento in italiano) indica il lentissimo

scorrimento delle fibre nelle strutture inflesse con carico fisso nel tempo che porta ad un

incremento della freccia elastica: questo fenomeno accomuna, tra gli altri, il legno al

calcestruzzo armato. In quest’ultimo materiale la deformazione lenta, detto anche scorrimento

viscoso, si esaurisce in un periodo di tempo di circa tre anni.

La deformazione lenta

avviene per effetto di un

carico costante nel tempo.



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Resistenza a trazione

Il diagramma tensioni-deformazioni nella prova a trazione di un acciaio dolce evidenzia tre

periodi, ovvero:

1. un primo periodo di piccole deformazioni che aumentano in proporzione ai carichi [campo

elastico (Legge di Robert Hooke, 1678)];

2. un periodo definito di snervamento, con la rottura di parte delle fibre;

3. un periodo di grandi deformazioni (permanenti) che aumentano più rapidamente dei carichi

fino ad aumentare anche in condizione di carico costante [campo plastico].

Dall’esame del diagramma si possono individuare anche dei singoli punti limite ovvero:

A. il limite di proporzionalità (Legge di Hooke);

B. il limite elastico (che spesso coincide con il limite di proporzionalità) che indica il valore

oltre il quale la deformazione cessa di essere elastica: è il limite entro il quale al cessare

della tensione la deformazione si annulla;

C. il limite di snervamento;

D. il limite di rottura.

L'allungamento di un corpo elastico è direttamente

proporzionale alla forza di trazione applicata; allo stesso

modo, la contrazione è direttamente proporzionale alla forza

di compressione. Quanto detto vale entro il limite di

deformazione elastica, definito come il limite di forza

massima applicata entro il quale il corpo elastico, rilasciato,

ritorna alle sue dimensioni precedenti; oltre questo limite i

legami atomici si rompono e si riarrangiano determinando

una deformazione permanente.



26


Diagramma reale che considera la

riduzione di sezione

Diagramma fittizio che considera

inalterabile la sezione

Allungamento plastico Snervamento Allungamento elastico

ε = Δl/l

σ =

N/A

Tensi

one d

i sn

erv

am

ento

Tensi

one d

i ro

ttura

Legenda

A = Limite di

proporzionalità;

B = Limite elastico;

C = Limite di

snervamento;

D = Limite di rottura.

A=B C D

Legge di Hooke

(“celliinosssttuv” ovvero ut tensio sic vis)



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Lesione Visualizzazione dei fenomeni di strizione e rottura.

Allungamento

elastico

Allungamento

plastico Deformazione

permanente

Piani di

scorrimento

Se i carichi sono P = x e l’allungamento è Δl =

y, la deformazione elastica è x = y; 2x = 2y;

etc.



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Rappresentazione schematica dell’evoluzione strutturale in un

metallo policristallino sottoposto a deformazione plastica

profonda.

Legenda

A. Struttura di partenza;

B. Struttura moderatamente deformata;

C. Struttura fortemente deformata;

D. Frammentazione del grano coadiuvata dalla presenza di

particelle di seconde fasi.

A B

C D



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Coefficiente di sicurezza

La resistenza ammissibile, ottenuta applicando il coefficiente di sicurezza al carico di rottura,

rappresenta quindi la frazione del carico di rottura entro il quale il materiale continua a fornire

prestazioni controllate.

I coefficienti di sicurezza variano da materiale a materiale e sono calcolati su base

probabilistica. Il legno, ad esempio, a causa delle condizioni di vegetazione, delle qualità

intrinseche e della modalità di lavorazione è un materiale eterogeneo: questo spiega perché nei

calcoli strutturali si considerano resistenze ammissibili ai vari tipi di sollecitazione molto più

basse delle resistenza a rottura.

Ai fini della sicurezza strutturale è necessario:

1. evitare la formazione di deformazione permanenti;

2. non ammettere che una struttura sotto carico si snervi;

3. impiegare i materiali entro i limiti di elasticità lineare e,

quindi, entro un limite di sicurezza ovvero entro una

determina frazione del carico di rottura.

Coefficiente di sicurezza di

differenti materiali.

σr σa

η

Coefficiente di sicurezza

Metallo Coefficiente di sicurezza (η)

Acciaio 2,0-3,0

Calcestruzzo armato 3,5-5,0

Muratura un laterizio 5,0-6,0

Legno lamellare 8,0-10,0

Legno massello 10,0-12,0

Muratura in pietrame 10,0-15,0



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