Il presente manoscritto scaturisce dall’esperienza maturata nel corso di circa tredici anni di studio e di ricerca sulle strutture a guscio. Comprendono il periodo della tesi di laurea in “Scienza delle Costruzioni”, i tre anni del Dottorato di Ricerca in “Meccanica delle Strutture”, e alcuni anni di Assegni di Ricerca svolti dall’autore presso l’Alma Mater Studiorum - Università di Bologna.
Il titolo, Teoria delle Strutture a Guscio in Materiale Composito, illustra il tema trattato e la prospettiva seguita nella scrittura del volume. Il presente elaborato, nato dall’interesse di approfondire temi in parte affrontati nel corso di Scienza delle Costruzioni e nella redazione della tesi di Laurea e di Dottorato, si pone come obiettivo quello di analizzare il comportamento statico e dinamico dei gusci moderatamente spessi in materiale composito.
Il libro si articola in cinque capitoli, nei quali viene fornita nel dettaglio la teoria relativa alla statica e alla dinamica degli elementi strutturali analizzati e vengono presentati i risultati per i diversi problemi.
Partendo dalla Geometria Differenziale, fondamentale strumento per l’analisi delle strutture in esame, il primo capitolo presenta la Teoria delle Strutture a Guscio in Materiale Composito. Nella trattazione teorica si fa riferimento al campo di spostamento associato alla teoria di Reissner-Mindlin, nota nella letteratura scientifica anglosassone come “First-order Shear Deformation Theory” (FSDT). Una volta introdotte le equazioni di congruenza e le leggi di legame costitutivo, le equazioni indefinite di equilibrio e le condizioni naturali al contorno sono dedotte mediante il principio di Hamilton. Le equazioni del generico guscio a doppia curvatura, così ricavate e sintetizzate nello schema delle teorie fisiche, sono poi specializzate alle strutture di rivoluzione.
Per quanto riguarda le equazioni di legame elastico, una particolare attenzione viene riservata ai materiali compositi a causa del crescente sviluppo, cui si è assistito in questi ultimi anni in molti ambiti dell’ingegneria strutturale. L’interesse scientifico per questi materiali dalle elevate potenzialità applicative ha suggerito l’analisi statica e dinamica delle strutture a guscio in materiale composito. Una nuova classe di materiali compositi, recentemente introdotta in letteratura, viene anche presa in considerazione. Come ben noto, i materiali compositi laminati risultano affetti da inevitabili problemi di delaminazione dovuti alla presenza di interfacce in cui materiali diversi entrano a contatto. I “functionally graded materials” (FGMs) invece sono caratterizzati da una variazione continua delle proprietà meccaniche, quali ad esempio il modulo elastico, la densità del materiale, il coefficiente di Poisson, lungo una particolare direzione. Tale caratteristica è ottenuta facendo variare in maniera graduale, lungo una direzione preferenziale, la frazione in volume dei materiali costituenti attraverso opportuni processi produttivi. I FGMs risultano, pertanto, materiali non omogenei, tipicamente composti di un materiale metallico e uno ceramico.
Partendo dall’analisi dei gusci di traslazione e di rivoluzione a doppia curvatura, nel secondo capitolo vengono illustrate in dettaglio le equazioni fondamentali per le Principali Strutture a Guscio oggetto del presente volume. In questo capitolo si mostra come risulti possibile ricavare attraverso semplici relazioni geometriche le equazioni governanti il problema elastico dei gusci conici e cilindrici, delle piastre circolari e rettangolari e dei cilindri di traslazione a profilo generico dalle equazioni dei gusci di rivoluzione a doppia curvatura.
Nel terzo capitolo vengono presentate le Equazioni dell’Elasticità Tridimensionale in Coordinate Curvilinee Ortogonali, che costituiranno la base per un’adeguata ricostruzione dello stato tensionale e deformativo lungo lo spessore del guscio. La ricostruzione in parola si rende necessaria perché si sono trascurati determinati effetti al passaggio da una teoria tridimensionale a una bidimensionale al fine di diminuire il costo computazionale dell’analisi strutturale. Questo passaggio dalla teoria dell’elasticità tridimensionale a una teoria ingegneristica è reso possibile mediante l’introduzione opportune ipotesi e limita l’applicabilità delle teorie ingegneristiche all’interno di opportuni range di validità.
Le equazioni tridimensionali in coordinate curvilinee ortogonali vengono ricavate mediante il principio di Hamilton.
Il volume si completa con il capitolo quarto e quinto in cui vengono dedotte alcune importanti teorie strutturali bidimensionali (gusci sottili) e monodimensionali (archi e travi).
Il capito quarto si propone di derivare in maniera semplice e intuitiva la Teoria dei Gusci Sottili in Materiale Composito a partire dalla teoria dei gusci moderatamente spessi sviluppata nel primo capitolo. In particolare vengono illustrate la Teoria di Kirchhoff-Love e la Teoria Membranale. Infine, il capitolo quinto espone la Teoria degli Archi e delle Travi in Materiale Composito. In particolare, le equazioni della Teoria di Timoshenko e della Teoria di Eulero-Bernoulli, per le travi ad asse curvilineo e non, vengono dedotte direttamente dalle equazioni dei gusci di traslazione a singola curvatura e delle piastre.