Modulo di elasticità: differenze tra le versioni
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[[File:Compressive and tensile loading of two materials with different Young's moduli.svg|thumb|upright=0.8|Effetti della compressione e della tensione su due materiali con differente modulo di elasticità.]]
Il '''modulo di elasticità''' è una grandezza, caratteristica di un [[materiale]], che esprime il rapporto tra [[tensione (meccanica)|tensione]] e [[deformazione]] nel caso di condizioni di carico monoassiale ed in caso di comportamento
==Tipologia di moduli==
Si hanno tre distinti moduli di elasticità:
* modulo di elasticità longitudinale
* modulo di comprimibilità
▲* modulo di elasticità tangenziale.
[[File:Stress Strain Ductile Material.png|thumb|upright=1.3|
=== Modulo di elasticità longitudinale ===
Il '''modulo di elasticità longitudinale''', detto anche '''modulo di [[rigidezza]] longitudinale''' o in ambiente internazionale '''modulo di [[Thomas Young|Young]]''', è definito come la costante della [[legge di Hooke]]:<ref name=tool>{{en}} [https://www.engineeringtoolbox.com/young-modulus-d_417.html Engineering Toolbox, "Young's Modulus - Tensile and Yield Strength for common Materials"]</ref>
▲[[File:Stress Strain Ductile Material.png|thumb|upright=1.3|diagramma sforzo- deformazione di un materiale [[duttilità|duttile]]]]
con:▼
▲:<math>E = \frac{\sigma}{\epsilon}</math>
* <math>\sigma</math>: tensione. Nel [[Sistema Internazionale]] si esprime in [[mega]][[Pascal (unità di misura)|pascal]].
*
*<math>\lambda</math>: fattore di stiro, è una grandezza adimensionale, spesso espressa in percentuale. È definito come la lunghezza finale diviso la lunghezza iniziale: <math>\lambda=l_f/l_i</math>
Se la tensione non è lineare con la deformazione, il valore del modulo risulta un ''[[valore medio]]'' all'interno dell'intervallo di deformazione che ha per estremi lo stato di riposo (deformazione zero) e il valore di deformazione considerato.
▲con
▲* ε: deformazione, è una grandezza adimensionale, spesso la si esprime in percentuale. Dimensionalmente: ε = Δl/l, cioè variazione di lunghezza su lunghezza iniziale
Il modulo di Young viene determinato dal [[diagramma
=== Modulo di
Il ''[[modulo di taglio]]'' (o di elasticità tangenziale, o di scorrimento) è dato da:<ref>{{en}} [https://www.engineeringtoolbox.com/modulus-rigidity-d_946.html Engineering Toolbox, "Modulus of Rigidity"]</ref>
:<math>G=\frac{\tau}{\gamma}</math>
essendo <math>\gamma</math> l'angolo di spostamento rispetto alla posizione a riposo. Il corrispondente modulo di cedevolezza è indicato con la lettera <math>J</math>.
=== Modulo di elasticità tangenziale ===▼
La relazione che lega <math>E</math> con <math>G</math> è la seguente:
:<math>G
<math>\nu</math> è definito nel prossimo paragrafo come [[coefficiente di Poisson]].
== Le variabili di influenza nei metalli ==▼
Nel seguito si analizzeranno alcune variabili importanti nello studio del modulo di elasticità dei [[metallo|materiali metallici]]. In generale qualsiasi azione che vari la distanza di equilibrio fra gli [[atomo|atomi]] o le forze di legame modifica la tangente alla [[curva di Condon Morse]] e quindi il modulo di elasticità.▼
Il ''[[modulo di compressibilità]]'', o di comprimibilità, è definito da:<ref>{{en}} [https://www.engineeringtoolbox.com/bulk-modulus-elasticity-d_585.html Engineering Toolbox, "Bulk Modulus and Fluid Elasticity"]</ref>
* '''Temperatura''': il modulo di elasticità longitudinale diminuisce al crescere della temperatura.▼
* '''Composizione chimica''': un elemento inserito in una matrice metallica altera la distanza fra gli atomi e le forze interatomiche, soprattutto se è un [[non metallo]] e quindi forma legami più forti. Nelle [[soluzione (chimica)|soluzioni]] il modulo di Young è quasi lineare, nei sistemi [[eutettico|eutettici]] ha una leggera concavità, in corrispondenza dei composti intermetallici presenta una brusca deviazione di pendenza. Importante è comunque notare che una ristretta variazione della concentrazione del soluto non altera apprezzabilmente il modulo E, che infatti è ritenuto pari a 210 000 N/mm<sup>2</sup> per tutti gli [[acciaio|acciai]] al [[carbonio]] e basso legati.▼
:<math>\beta=-\Delta p\frac{V_0}{\Delta V}=\Delta p\frac{\rho}{\Delta\rho}</math>
* '''[[Incrudimento]]''': soprattutto su reticoli non CFC, l'effetto è trascurabile.▼
* '''Anisotropia cristallina''': la [[trafilatura]] a freddo aumenta i moduli elastici misurati nella direzione di lavorazione.▼
con:
* '''Trattamenti termici''', ad esempio la [[tempra]], hanno un'influenza trascurabile.▼
* <math>\Delta p</math>: variazione di pressione.
* <math>-\frac{V_0}{\Delta V}</math>: inverso della variazione unitaria di volume, è un coefficiente adimensionale.
* <math>\frac{\rho}{\Delta\rho}</math>: inverso della variazione unitaria della densità del corpo, è un coefficiente adimensionale.
== Legge di Poisson ==
A seguito di una trazione, un corpo non solo si allunga, ma subisce una variazione di sezione. Se si prende ad esempio una sbarra cilindrica, dove <math>r</math> è il suo raggio, quest'ultimo ha una variazione unitaria che è definita dalla ''legge di [[Siméon-Denis Poisson|Poisson]]'':
:<math>\frac{\Delta r}{r}=-\nu\varepsilon=-\nu\frac{\sigma}{E}</math>
dove <math>\nu</math> è il [[coefficiente di Poisson]].
▲== Le variabili di influenza nei metalli ==
▲Nel seguito si analizzeranno alcune variabili importanti nello studio del modulo di elasticità dei [[metallo|materiali metallici]]. In generale qualsiasi azione che vari la distanza di equilibrio fra gli [[atomo|atomi]] o le forze di legame modifica la tangente alla [[curva di Condon
▲*
▲*
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== Modulo di elasticità longitudinale del calcestruzzo ==
Poiché, dal punto di vista meramente geometrico, il modulo di Young rappresenta la [[Coefficiente angolare|pendenza]] della curva sforzi-deformazioni, il modulo
Inoltre poiché lo scostamento dalla legge di Hooke è maggiore a trazione che a compressione risulta che il modulo
Il comportamento del calcestruzzo può essere approssimato dalla legge di Hooke se soggetto a sforzi di compressione di breve durata e di intensità non superiore al 40% della sua resistenza a compressione (se riferita a
=== Parametri che influenzano E ===
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=== Diagramma σ - ε ===
[[File:Legame costitutivo del calcestruzzo.
Esaminiamo la risposta istantanea del calcestruzzo. Se sottoponiamo un provino di calcestruzzo cilindrico ad una prova rapida di compressione si avrà il seguente andamento: fino a valori della tensione di compressione pari a circa il 40% di quella di rottura
Per sforzi di intensità maggiori il diagramma risulta sensibilmente parabolico fino ad un valore della deformazione denominato ε<sub>c1</sub><ref>le microfessure si propagano al crescere del carico, ma la propagazione si arresta giungendo ad un nuovo assetto stabile. Il comportamento macroscopico è sempre più marcatamente non lineare</ref>. A tale valore corrisponde anche la massima tensione di compressione
Il cedimento del provino non è però istantaneo, essendo collegato ad un processo di microfessurazione in rapida evoluzione. Segue pertanto un secondo tratto discendente ('''comportamento softening''') dall'andamento curvilineo, limitato dalla deformazione ultima di rottura denominata
All'atto dello scarico la deformazione è solo parzialmente reversibile e la parte irreversibile aumenta con l'aumentare dello sforzo. Se dopo l'applicazione di carichi di breve durata si vuole tener conto di deformazioni irreversibili il valore di E va ridotto del fattore 0,85.<br />▼
▲All'atto dello scarico la deformazione è solo parzialmente reversibile e la parte irreversibile aumenta con l'aumentare dello sforzo. Se dopo l'applicazione di carichi di breve durata si vuole tener conto di deformazioni irreversibili il valore di E va ridotto del fattore 0,85.
Si verifica inoltre che già per bassi valori di sforzo, le deformazioni sono tanto più elevate quanto più lenta è la velocità di carico e quanto più lunga è la durata della sua applicazione. Pertanto le considerazioni riguardanti la risposta istantanea di un calcestruzzo diventano più marcate per effetto di carichi che permangono per lunghi periodi a seguito della comparsa di deformazioni differite nel tempo ([[Scorrimento viscoso (calcestruzzo)|fluage]]+ [[Ritiro del calcestruzzo|ritiro]]), le quali, si sommano a quelle immediate.▼
▲Come si evince la risposta istantanea è difficilmente confinabile nell'ambito della teoria di elasticità lineare, in quanto il materiale presenta spiccate caratteristiche di non linearità e di [[Plasticità (fisica)|plasticità]] sin dai livelli più bassi di cimento. Si verifica inoltre che già per bassi valori di sforzo, le deformazioni sono tanto più elevate quanto più lenta è la velocità di carico e quanto più lunga è la durata della sua applicazione. Pertanto le considerazioni riguardanti la risposta istantanea di un calcestruzzo diventano più marcate per effetto di carichi che permangono per lunghi periodi a seguito della comparsa di deformazioni differite nel tempo ([[Scorrimento viscoso (calcestruzzo)|fluage]]+ [[Ritiro del calcestruzzo|ritiro]]), le quali, si sommano a quelle immediate.
=== Effetti sulle previsioni di calcolo ===
La variabilità dei moduli elastici, la non linearità meccanica, l'effetto della [[viscosità]] interessano l'intera struttura in [[calcestruzzo armato]] in maniera generalmente non uniforme, pertanto questi parametri diventano responsabili di modificazioni nello stato di cimento rispetto alle previsioni di calcolo, a causa del cumularsi di deformazioni permanenti e di stati di [[coazione]] generalmente non previsti nel calcolo.
=== Variazioni del tempo ===
Secondo l'[[Eurocodice]] 2 la variazione del modulo di elasticità nel tempo si può stimare con la relazione:
:
con
*
*
=== Modulo tangente e modulo secante ===
Come già visto, dal punto di vista meramente geometrico il modulo di Young rappresenta la [[Coefficiente angolare|pendenza]] della curva sforzi-deformazioni e nel caso del calcestruzzo, che non ha un comportamento elastico-lineare (come accade nell'[[acciaio]]), è variabile da punto a punto della curva.<br />
Praticamente per rappresentare le proprietà elastiche del calcestruzzo, si fa riferimento a due valori del modulo di Young:
* modulo elastico istantaneo tangente
* modulo elastico istantaneo secante
Si ritiene che il modulo tangente all'origine sia maggiore di circa il 10% del valore del secante.
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Benché, a causa della non linearità meccanica del calcestruzzo e dell'insorgere sotto carico delle deformazioni viscose ([[fluage]]), il modulo di elasticità E si può considerare costante solo per bassi livelli di sforzo e per brevi durate del carico, i valori istantanei (tangente o secante) di E vengono utilizzati per effettuare l'analisi lineare di strutture staticamente indeterminate finalizzata al calcolo delle sollecitazioni interne alla struttura.
Questa non è l'unica ipotesi semplificativa infatti nell'analisi lineare si considera anche il materiale interamente reagente, [[isotropia|isotropo]] e [[
Se si adotta per il calcolo delle sollecitazioni un'analisi non lineare fino allo [[stato limite]] ultimo è necessaria la conoscenza completa della curva sforzo - deformazione (
Convenzionalmente, nel metodo degli stati limite, al fine di valutare la resistenza ultima di una struttura, si usa un'analisi lineare per determinare le caratteristiche della sollecitazione indotte dai carichi e si tiene conto della reale non linearità della legge costitutiva del materiale solo nella fase finale di verifica delle sezioni.
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Le relazioni sperimentali per la determinazione del modulo di Young a compressione del calcestruzzo sono del tipo:
:<math>E=a
dove il valore della costante a dipende dalle unità di misura adottate, da come è misurata la resistenza meccanica a compressione R (Rc per provini cubici o fc per quelli cilindrici) ed E (modulo elastico tangenziale iniziale o modulo elastico secante).
Tra queste la normativa, in mancanza di misure dirette per E, propone le seguenti formule:
* D.M. 9 gennaio [[1996]]: fa riferimento al valore tangente all'origine: <math>E_{c}=5700
* D.M. 17 gennaio 2018 e D.M. 14 gennaio 2008: fa riferimento al modulo secante tra la tensione nulla e 0,40 f<sub>cm</sub><ref>
* Eurocodice 2: fa riferimento al valore medio del modulo secante tra la tensione nulla e 0,40 f<sub>c</sub>: <math>E_{cm}=9{,}5
Queste formule non sono applicabili a calcestruzzi [[indurimento a vapore|stagionati a vapore]], in quanto, in questo caso, il calcestruzzo ha maggiore deformabilità e quindi un modulo elastico di molto inferiore.
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=== Modulo E dinamico ===
==== Geotecnica ====
Il valore di E (ma anche quello del [[modulo di Poisson]] e il modulo di taglio G) può essere determinato mediante la misurazione della velocità di propagazione delle [[onde sismiche#Onde naturali|onde elastiche tipo P e S]] attraverso una prova sonica in campo.
* E<sub>din</sub> = ρ Vs
dove:
* Vs velocità delle onde elastiche S
* Vp velocità delle onde elastiche P.
* ρ [[densità]] in kg/m
I moduli E dinamici, sono spesso più elevati di quelli statici.<br />
Il modulo E dinamico non può quindi essere impiegato tal quale per i calcoli delle deformazioni nell'ambito geotecnico però esistono relazioni sperimentali che permettono di ottenere E<sub>stat</sub> da E<sub>din</sub> come quella di Heerden:
*
Di regola E<sub>din</sub> ≅ 2 E<sub>stat</sub><br />
Le prove dinamiche hanno il vantaggio che le onde elastiche attraversano il terreno senza causare il suo rimaneggiamento come accade invece nel quando si prelevano campioni di terreno da utilizzare per le prove statiche in laboratorio.<br />
Line 131 ⟶ 157:
==== Calcestruzzo ====
Il valore di E del calcestruzzo può essere determinato mediante
La prova con ultrasuoni consiste nella misura del tempo di volo di un segnale acustico, tra due sonde opposte (metodo diretto) collocate ad una certa distanza d, si valuta la velocità di volo e si calcola il modulo elastico dinamico dalla seguente espressione:
Ed= ρV^2 * (1+v) (1-2v)/(1-v)
* ρ è la [[densità]] del calcestruzzo in Kg/m
**V è la velocità calcolata
** ν = modulo di Poisson
La norma UNI 9771 descrive la procedura per la determinazione del modulo E dinamico
Un provino cilindrico di calcestruzzo, posto in uno specifico supporto, è sottoposto ad una prova dinamica assiale, sollecitandolo mediante un impulso meccanico
* E<sub>din</sub> = 4h
dove:
* h è l'altezza del provino in
* f è la [[frequenza]] di
* ρ è la [[densità]] del calcestruzzo in Kg/m
* C<sub>1</sub> = 1 + (π
** A = area della sezione trasversale del provino
** J = momento d'inerzia della sezione trasversale
** ν = modulo di Poisson
Poiché le prove avvengono con una rapidissima variazione di tensione, quindi con un'elevata [[frequenza]]
il livello della tensione non può svilupparsi nell'intero provino, per cui la deformazione risulta minore e il modulo E diviene apparentemente più grande.<br />
Il modulo E dinamico non può quindi essere impiegato tal quale per i calcoli delle deformazioni nelle costruzioni in calcestruzzo armato.<br />
Line 158 ⟶ 184:
: <math>E_{0} = \frac{E_{din}}{1,062}</math>
E<sub>din</sub> risulta utile quando si utilizzano prove non distruttive per la verifica delle caratteristiche del calcestruzzo in opera quali [[Sonreb]], [[Cross-hole]], [[
Tali prove sono descritte anche al
=== Normativa ===
* UNI 6556:1976 - Prove sui calcestruzzi. Determinazione del modulo elastico secante a compressione
* UNI 9771 – Calcestruzzo indurito. Determinazione della frequenza fondamentale di risonanza flessionale, estensionale e torsionale
* ISO 6784 – International Standard – Concrete
== Note ==
Line 174 ⟶ 200:
* [[Prova di trazione]]
* [[Modulo di Poisson]]
==Altri progetti==
{{interprogetto|preposizione=sul|wikt=modulo di elasticità}}
==Collegamenti esterni==
* {{Collegamenti esterni}}
* {{cita web | 1 = http://www.mater.unimib.it/utenti/benedek/FISICA%20DEI%20MATERIALI%20I/Dispensa-Modulo-M3%5B2%5D.pdf | 2 = Elementi di meccanica dei solidi | accesso = 28 novembre 2013 | urlarchivio = https://web.archive.org/web/20131203071656/http://www.mater.unimib.it/utenti/benedek/FISICA%20DEI%20MATERIALI%20I/Dispensa-Modulo-M3%5B2%5D.pdf | dataarchivio = 3 dicembre 2013 | urlmorto = sì }}
{{Controllo di autorità}}
Line 185 ⟶ 215:
[[Categoria:Analisi strutturale]]
[[Categoria:Proprietà meccaniche]]
[[Categoria:Elasticità]]
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