Obiettivi formativi
L’insegnamento si propone di fornire agli allievi le competenze fondamentali relative alle strutture realizzate con materiali innovativi, con particolare attenzione alle caratteristiche meccaniche, fisiche e alla sostenibilità di tali materiali. Al termine del corso, gli studenti saranno in grado di:
1. Comprendere e analizzare le proprietà dei materiali innovativi: acquisire una conoscenza approfondita dei nuovi materiali strutturali (ad es., materiali compositi, materiali a base di carbonio, materiali ceramici ad alte prestazioni, gomme e materiali polimerici) e delle loro applicazioni in ambito ingegneristico.
2. Applicare i principi di progettazione strutturale: sviluppare le capacità di progettare e ottimizzare strutture innovative tenendo conto delle proprietà meccaniche e fisiche dei materiali utilizzati, nonché delle normative di riferimento.
3. Valutare la sostenibilità e l’efficienza: comprendere il ruolo dei materiali innovativi in una progettazione sostenibile, tenendo in considerazione l’efficienza energetica, l'impatto ambientale e la durabilità delle strutture.
4. Sperimentare l’uso dei materiali: saper utilizzare in laboratorio strumenti e tecniche per testare e caratterizzare i materiali innovativi e interpretare i dati ottenuti per il miglioramento delle prestazioni strutturali.
5. Progettare soluzioni innovative: sviluppare competenze di problem solving per risolvere problemi strutturali complessi utilizzando materiali innovativi, valutando alternative progettuali e ottimizzando le soluzioni in funzione delle esigenze tecniche ed economiche.
6. Collaborare in contesti multidisciplinari: acquisire capacità di comunicazione e collaborazione in team, contribuendo all'analisi, progettazione e realizzazione di progetti strutturali con materiali innovativi, in contesti professionali e multidisciplinari.
Questi obiettivi preparano gli studenti a sfruttare le potenzialità dei nuovi materiali in settori avanzati, quali l'industria automobilistica e aerospaziale.
Prerequisiti
Conoscenze di base della meccanica delle strutture. L'insegnamento di Scienza delle Costruzione della laurea triennale comprende quelli che sono i prerequisiti.
Contenuti dell'insegnamento
I principali argomenti che verrano trattati sono i seguenti:
1) Leggi di riscalamento della meccanica strutturale.
2) Strutture a base di carbonio (fibre di carbonio, nanotubi di carbonio, fibre di nanotubi di carbonio)
3) Strutture in materiale fragile (vetro, vetro-ceramica, materiali ceramici)
4) Gomme e materiali viscoelastici
Programma esteso
Leggi di riscalamento della meccanica
Resistenza efficace ( lunghezza limite di rottura). Trattazione di Stussi. Coefficiente di struttura per cavi di sospensione, travi inflesse, travature reticolari. Rigidezza effettiva del cavo inclinato. Modulo di Ernst. Esempio dei ponti strallati. Rigidezza efficace. Confronto fra vari materiali in termini di resistenza efficace e rigidezza efficace. Luci limite per ponti sospesi e strallati. Tunnel sommersi. Confronto in termini di costo fra vari materiali, in funzione delle caratteristiche meccaniche. Applicazioni particolari: ascensore spaziale.
Strutture a base di carbonio
Legami ionici, metallici e covalenti. Leggi di attrazione fra atomi. Definizione dello stato di tensione, deformazione e comportamento elastico in insiemi di atomi.
Il carbonio. Fibre di carbonio: generailità, produzione, proprietà fisiche e meccaniche. Nanotubi di carbonio. Fibre di nanotubi di carbonio. Proprietà meccaniche, elettriche termiche. Confronto con altri materiali. Comportamento a trazione e flessione di bundle e fibre in nanotubi di carbonio: modello analitica (cinematica, stato di sollecitazione sui singoli nanotubi, determinazione della rigidezza macroscopica della fibra, influenza della deformabilità assiale dei nanotubi).
Strutture a base di fibre di nanotubi di carbonio. Modellazione. Valutazione delle proprietà macroscopiche delle fibre. Strutture a cavo composte da fibre di nanotubi. Modellazione e ottimizzazione dell'avvolgimento.
Strutture in materiale fragile
Materiali plastici, fragili e quasi-fragili. Modellazione: teoria della plasticità, del danneggiamento, meccanica della frattura. Meccanica della frattura. Soluzione di Inglis. Bilancio energetico alla Griffith. Stress Intensity Factor in modo I, II, III. Frattura coesiva. Confronto fra teorie di Griffith, Dugdale e Barenblatt. Applicazioni a vetro, vetroceramica e materiali ceramici.
Modello con cricca equivalente. Fatica statica. Modello di Evans. Determinazione sperimentale dei parametri che regolano la fatica statica. Metodi sperimentali per la determinazione della resistenza dei materiali fragili.
Modello della catena con anello debole. Statistica di Weibull. Analisi nel piano di Weibull. Statistiche di Weibull generalizzate: Weibull troncata, a tre parametri, bilineare, Verifica di strutture in materiale fragile soggette a stato di tensione generico. Calcolo dell'area efficace.
Approccio multiscala, micro-macro. Dalla statistica di Pareto dei difett alla determinazione della statistica di Weibull per la resistenza macroscopica. Effetto di controlli di produzione. Cambiamento della difettosità per corrosione e abrasione. Stati di precompressione dovuti a processi di tempera termica e chimica nei vetri.
Gomme e materiali viscoelastici
Effetti entropici nelle gomme. Calcolo della rigidezza su basi di meccanica statistica.
Polimeri: glassy e rubbery states. Temperatura di transizione vetrosa. Viscoelasticità lineare a campo di applicazione. Prove di creep, di rilassamento e dinamiche. Analisi del comportamento del materiale.
Trasformata di Laplace. Definizione, teoria ed esempi. Applicazione alla risoluzione di equazioni differenziali della viscoelasticità. Modelli matematici per materiali viscoelastici. Modello di Maxwell; modello standard di solido viscoelastica lineare.
Modello di Wiechert. Principio di sovrapposizione di Boltzmann. Relazione fra funzione di rilassamento e di creep. Effetto della temperatura. Materiali semplici. Time-temperature soperposition. Analisi viscoelastica.
Bibliografia
Per tutti gli argomenti trattati saranno fornite delle note a cura del docente. Altri testi di riferimento, dal quale saranno tratti specifici capitoli, sono i seguenti.
David Roylance, Mechanics of Materials, Wiley, 1995.
Ingo Muller, A History of Thermodynamics: the Doctrine of Energy and Entropy., Springer-Verlag, Berlin 2007.
Soo-Jin Park, Carbon Fibers, Springer Nature, Singapore, 2018.
Gianni Royer-Carfagni, Gabriele Pisano, Probabilistic Mechanics of Brittle Materials, Book preprint.
Metodi didattici
L’insegnamento adotta un approccio didattico integrato, che combina lezioni teoriche, attività pratiche e lavori di progetto per fornire agli studenti una solida conoscenza e competenza applicata sui materiali innovativi e le loro applicazioni strutturali.
1. Lezioni frontali: Durante le lezioni, vengono presentati i concetti teorici fondamentali relativi alle proprietà e applicazioni dei materiali innovativi. Le lezioni includono analisi di casi di studio reali, esempi applicativi e discussioni sulle normative vigenti. Questa parte mira a consolidare le basi teoriche e stimolare il pensiero critico sugli sviluppi attuali nei materiali avanzati.
2. Lavori di progetto: Gli studenti svolgono progetti in cui progettano e ottimizzano una struttura utilizzando materiali innovativi. Questo lavoro, svolto spesso in gruppo, incoraggia la collaborazione e la ricerca di soluzioni tecniche sostenibili. I progetti sono supervisionati dal docente e possono prevedere anche presentazioni e relazioni finali.
3. Seminari e workshop con esperti del settore: Per dare una visione più ampia e aggiornata, il corso prevede incontri con esperti del settore e ricercatori, i quali condividono esperienze applicative e illustrano le ultime innovazioni nel campo dei materiali avanzati.
4. Studio autonomo e attività di ricerca: Gli studenti sono incoraggiati a svolgere approfondimenti personali su temi specifici, consultando articoli scientifici e letteratura specializzata. Viene fornito supporto nell’uso di risorse bibliografiche e digitali per sviluppare capacità di ricerca indipendente.
5. Tutorato e supporto online: Il corso prevede attività di tutorato e sessioni di supporto tramite piattaforme online per la risoluzione di dubbi e per la discussione dei contenuti affrontati in aula. Gli studenti possono interagire con il docente per ricevere feedback personalizzato e orientamento sui progetti.
Questi metodi didattici sono progettati per sviluppare sia le competenze teoriche che pratiche degli studenti, preparandoli all'uso professionale dei materiali innovativi in contesti ingegneristici e multidisciplinari.
Modalità verifica apprendimento
La verifica dell'apprendimento si svolgerà tramite un colloquio orale, in cui gli allievi presenteranno il proprio lavoro di approfondimento su un argomento specifico trattato a lezione. Tale approfondimento potrà consistere nell’analisi di uno o più articoli scientifici indicati dal docente oppure nella presentazione di un piccolo progetto elaborato durante il corso. Sono fortemente incentivati gli stage presso università estere, finanziabili tramite i programmi Erasmus e Overworld. Attualmente, sono particolarmente attive le collaborazioni con il Department of Chemical and Biomolecular Engineering, Material Science and Nanoengineering dell’Università Rice di Houston, TX, USA.
Altre informazioni
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Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
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