Obiettivi formativi
Il Dottorato in Ingegneria Civile, Ambientale, dei Materiali è caratterizzato da quattro indirizzi:
Gli obiettivi formativi del corso di dottorato in Ingegneria Civile, Ambientale, dei Materiali, sono suddivisi in relazione ai quattro indirizzi in cui il predetto corso di dottorato è articolato:
Il curriculum in Ingegneria Idraulica e Ambientale ha in primo luogo la finalità di formare esperti nella gestione del ciclo naturale delle acque, allo scopo del reperimento delle risorse idriche, della loro distribuzione, del trattamento delle acque, dello smaltimento dei rifiuti, del controllo e contenimento delle piene, del mantenimento dell'equilibrio biologico dei corpi idrici ricettori attraverso il controllo dei parametri vitali quali salinità, temperatura, ossigenazione.
Il profilo professionale ottenuto mediante la partecipazione ai corsi di dottorato sarà orientato alla ricerca, alla sperimentazione e alla divulgazione di tecniche innovative del settore, ma anche alla formazione tecnica di futuri dirigenti i quali, attraverso una conoscenza delle problematiche relative all'intero ciclo delle acque, possano contribuire ad una più efficace gestione dei numerosi enti pubblici e privati che interagiscono con il territorio.
- Per i tre settori scientifico-disciplinari interessati, il curriculum Ingegneria Idraulica e Ambientale cercherà di:
- fornire una solida ed approfondita conoscenza dell'ingegneria idraulica e ambientale nei suoi vari aspetti, teorici ed applicativi,
- consentire al dottorando di vivere una esperienza di ricerca ad alto livello, in modo da acquisire metodologie di lavoro spendibili in seno ad istituzioni di ricerca o in campo professionale.
Nello specifico l’obiettivo del curriculum è quello di formare ricercatori che:
- a seconda dell'indirizzo specifico, conoscano i concetti fondamentali della meccanica dei fluidi, dell'idraulica, dell'idrologia e delle costruzioni idrauliche, dell’ingegneria sanitaria-ambientale, della bonifica dei siti contaminati
- siano capaci di risolvere problemi scientifici utilizzando strumenti innovativi come i GIS (Geographical Information Systems) e il telerilevamento;
- abbiano affrontato problemi scientifici di frontiera ed attualmente dibattuti nella comunità scientifica internazionale;
- abbiano una preparazione culturale e metodologica che permetta loro di affrontare con successo problemi nuovi;.
- abbiano dimostrate capacità di produrre prodotti scientifici in linea con la richiesta dei propri settori scientifico-disciplinari (ad esempio riviste peer-reviewed)
Per conseguire questi obiettivi il tutor e il Collegio dei docenti cercherà di:
- coinvolgere i dottorandi, sin dal primo anno, in problemi scientifici complessi ed attuali;
- aiutare loro a divenire progressivamente scientificamente indipendenti;
- stimolare la loro capacità critica attraverso il frequente confronto con altri studiosi soprattutto in occasione di Convegni/Workshop e Seminari Internazionali
- promuovere periodi di formazione all'estero presso istituzioni di prestigio riconosciuto.
A tal proposito, i dottorandi verranno pienamente inseriti nelle attività di ricerca condotte in dipartimento, testimoniate dai numerosi progetti di ricerca nazionali ed internazionali coordinati dai membri del Collegio dei Docenti usufruendo quindi, ove possibile, dei relativi fondi, nella misura compatibile con le complessive esigenze del gruppo di ricerca coinvolto in ciascuna attività.
Il curriculum di ingegneria delle strutture e geotecnica ha come obiettivo quello di fornire agli studenti di dottorato le competenze tecnico-scientifiche tipiche degli argomenti di ricerca previsti con la prospettiva di formare figure di alto livello che possano inserirsi nel dibattito tecnico-scientifico internazionale e sappiano gestire le nuove tecnologie e l’innovazione nel campo delle costruzioni.Pertanto, oltre a fornire le tradizionali competenze della progettazione e del calcolo di organismi strutturali, il curriculum promuove la ricerca in campi fortemente innovativi con il convincimento che i prodotti della ricerca possano essere utilizzati per diverse tipologie di applicazioni.
Gli studenti di dottorato, dotati nella fase iniziale di una forte preparazione fisico-matematica, saranno condotti lungo un percorso di apprendimento delle tecniche numeriche di simulazione e delle strategie di sperimentazione in sito e in laboratorio su materiali e strutture.
Gli studi dottorali consentiranno di formare sia ricercatori e studiosi di livello internazionale sia progettisti e tecnici che sappiano confrontarsi con la realizzazione di strutture complesse.
In particolare i docenti afferenti a questo curriculum appartengono ai settori disciplinari ICAR07, ICAR08, ICAR09, e sviluppano i seguenti argomenti di ricerca:
ICAR07
La ricerca svolta dal gruppo di Ingegneria Geotecnica del DICAM si sviluppa lungo due filoni principali. 1) Ricerca di base, riguardante il comportamento meccanico delle sabbie, delle argille (sia sature che non sature), e delle rocce tenere quali calcareniti e gessi. Essa riguarda in particolare lo studio teorico e sperimentale dei fattori che determinano il comportamento meccanico dell’elemento di volume dei terreni quando assoggettati a variazioni delle condizioni al contorno (variazioni di geometria, di carichi, delle pressioni interstiziali). 2) Ricerca applicata riguardante il comportamento meccanico di sistemi geotecnici con particolare riguardo alla loro stabilità, durabilità e sostenibilità. Gli elementi qualificanti della ricerca sviluppata, sin dalla costituzione del DICAM, sono quelli riguardanti:
- Comportamento meccanico delle sabbie, e in particolare di quelle costituite di grani fragili e fino a pressioni molto alte (dell’ordine di 100 MPa), in edometri, strumentati con estensimetri per la misura delle tensioni orizzontali e relativo studio dell’evoluzione della composizione granulometrica.
- Analisi del comportamento meccanico di argille compattate non sature quando assoggettate a variazioni cicliche di suzione, con cicli di imbibizione ed essiccamento; dipendenza della resistenza taglio di argille compattate non sature dalla suzione; curve di ritenzione di argille a scagli compattate in intervalli molto estesi di suzione; evoluzione della microstruttura di argille a scaglie non sature al variare della storia di carico per effetto di cicli di carico e scarico a suzione constante o variazioni cicliche di suzione a carico costante. Tali ricerche sono finalizzate allo studio dei fattori microstrutturali e delle proprietà di ritenzione sul comportamento meccanico di argille a scaglie compattate non sature utilizzate come materiali per la costruzione dei rilevati o del nucleo di tenuta di dighe di terra.
- Caratteristiche di ritenzione e microstruttura di argille stabilizzate a calce, al variare del contenuto di calce e del tempo di maturazione, evoluzione nel tempo delle caratteristiche meccaniche di argille stabilizzate a calce.
- Studio sperimentale del mix design del NFC (calcestruzzo senza frazione fina) per la formazione di trincee drenanti profonde (con funzione di stabilità, di dreno, di filtro, di durabilità).
- Metodologie di indagine innovative per la zonazione di ammassi lapidei con differenti livelli di alterazione.
- Proprietà delle rocce tenere tipiche della Sicilia e loro correlazione con la tessitura, la struttura orientata degli ammassi e con il grado di alterazione.
- Studio mediante prove di laboratorio della velocità della dissoluzione dei gessi e sua dipendenza dalla velocità dell’acqua fluente sulla superficie del gesso.
- Effetti della dissoluzione sulla stabilità della sponda di un lago artificiale.
Le ricerche “applicate” sono rivolte alla valutazione della pericolosità delle frane e alla gestione del rischio di frana e quindi alla gestione moderna e razionale del territorio.
Le ricerche svolte hanno prodotto pubblicazioni di buon livello, alcune delle quali pubblicate su riviste di rilievo internazionale, e al finanziamento di progetti in ambito nazionale.
ICAR08
Analisi dinamica e monitoraggio
L’analisi del comportamento dinamico delle strutture è molto importante dal momento che gli eventi naturali più gravosi (terremoto e vento) sono fenomeni che inducono sollecitazioni dinamiche sulle strutture caratterizzabili solamente attraverso un adeguato progetto di monitoraggio. Dai risultati di tali indagini è possibile trarre informazioni fondamentali per l’ingegnere strutturista che, attraverso modelli matematici e tecniche di calcolo sempre più avanzati, può fornire indicazioni sulle condizioni di vita utile della struttura e sugli eventuali interventi da effettuare. Da quanto ora detto risulta evidente l’ importanza dell’analisi dinamica delle strutture in modo particolare nel campo della salvaguardia dei beni monumentali e del patrimonio architettonico e culturale di cui il territorio siciliano è particolarmente ricco. Inoltre è importante considerare il Monitoraggio strutturale con tecniche non-distruttive per cui è possibile il rilevamento della presenza di micro o macro-fratture nei solidi e monitoraggio della loro propagazione tramite utilizzo di tecniche non distruttive quali il metodo delle Emissioni Acustiche (metodo passivo) ed il metodo ad Ultrasuoni (metodo attivo).
Analisi multi-scala con applicazioni a strutture periodiche.
Sviluppo di sistemi multi-scala per l’analisi computazionale di strutture costituite da materiale eterogeneo in cui è individuabile un elemento di volume rappresentativo di tipo periodico. Le analisi multi-scala contribuiscono ad una riduzione dei tempi di calcolo strutturale tramite una separazione delle scale di interesse. Nelle analisi si distinguono una scala macroscopica (dimensioni della struttura, la quale viene considerata come un continuo omogeneo) ed una scala mesoscopica (dimensioni dei costituenti, che sono modellati individualmente).
Biomeccanica tissutale e meccanobiologia
L’attività di ricerca in questo ambito è stata rivolta alla determinazione di modelli fisico-matematici capaci di descrivere il comportamento dei tessuti biologici e degli aggregati cellulari presenti nel parenchima di organi più complessi. A tale proposito sono stati sviluppati modelli previsionali del comportamento meccanico ereditario dei tessuti di collagene, più o meno mineralizzato, e di tessuti muscolari mediante applicazioni del calcolo differenziale frazionario. Lo studio degli aggregati cellulari, che sono coinvolti nel parenchima di organi più complessi è stato condotto mediante l’utilizzo della geometria frattale per la determinazione delle caratteristiche meccaniche dell’aggregato. Sono inoltre in fase di studio modelli dinamici predittivi del comportamento ereditario di membrane lipidiche cellulari e nucleari basati su evidenze sperimentali che mostrano la presenza di marcata ereditarietà della risposta membranale ortogonalmente al piano di membrana. Nell’ambito della meccanobiologia è stato sviluppato un modello predittivo dei tempi di endocitosi mediata fondato sul calcolo differenziale frazionario per la descrizione del moto dei recettori membranali verso i corrispondenti ligandi.
Calcolo differenziale stocastico
Nell’ingegneria Strutturale gran parte delle azioni dinamiche sulle strutture sono processi aleatori detti anche stocastici; a questa categoria appartengono i terremoti, le raffiche del vento ed il moto ondoso. La risposta strutturale a tali azioni è anch’essa un processo aleatorio. E deve quindi essere caratterizzata “probabilisticamente” attraverso gli strumenti propri del calcolo differenziale stocastico.
Nonostante la vasta casistica in cui è possibile caratterizzare le sollecitazioni esterne come processi Gaussianio normali, talvolta per essere più rispondenti alla realtà fisica, si devono considerare non Gaussianio non normali. Nell’ambito dello studio di sistemi lineari e non lineari sollecitati da rumori bianchi normali e/o non-normali, vengono proposti dei metodi innovativi per la soluzione delle equazioni differenziali di Fokker-Planck o di Kolmogorov-Feller per descrivere il sistema in termini di funzione densità di probabilità dello spostamento.
Calcolo frazionario nello studio di travi continue a comportamento viscoelastico
Negli ultimi anni le moderne tecniche di produzione hanno permesso di ottenere dei materiali strutturali innovativi aventi delle caratteristiche meccaniche notevolmente superiori rispetto ai materiali classici usati generalmente nelle strutture, ne sono un esempio i materiali polimerici, i nanocompositi, i tessuti bioispirati, i sandwich compositi, i materiali multifase ecc.. Un caratteristica peculiare di questi materiali innovativi, che li contraddistingue dai materiali classici, è legata al fatto di non avere un comportamento perfettamente elastico. Infatti, tali materiali manifestano spiccati fenomeni differiti nel tempo dovuti alla loro natura viscoelastica. Per caratterizzare adeguatamente il comportamento viscoelastico occorre considerare legami costitutivi in cui lo stato di tensione è legato alla derivata frazionaria rispetto al tempo di ordine a delle deformazioni simulando un comportamento interpolante tra i due casi limite elastico e viscoso, in quanto a varia tra 0 ed 1 , restituendo il caso perfettamente elastico quando a=0 e perfettamente viscoso quando a=1. alla derivate frazionarie della deformazione. Quest'ultima tipologia di modello, chiamato modello viscoelastico frazionario, simulando in maniera efficace il reale comportamento meccanico dei materiali, rappresenta il modello innovativo più valido nello studio della risposta strutturale di sistemi continui.
Controllo delle vibrazioni
La tendenza verso l’impiego di materiali dotati di migliori caratteristiche di resistenza meccanica, unitamente all’impiego del metodo di calcolo agli stati limite, conduce alla realizzazione di strutture sempre più snelle e deformabili per le quali quindi, la riduzione delle vibrazioni costituisce sicuramente una sfida importante. Uno degli obiettivi principali di ricercatori e progettisti, nell’ambito dell’ingegneria strutturale è, dunque, lo studio per la progettazione di dispositivi innovativi che inducano una riduzione delle vibrazioni strutturali per effetto dei carichi dinamici come il vento o il sisma.
Meccanica computazionale
- Impiego del Metodo degli Elementi di Contorno, nella sua formulazione simmetrica. Inoltre è stato redatto un codice di calcolo, chiamato Karnak.sGbem e che è in fase di aggiornamento continuo, al fine di potere eseguire simulazioni numeriche nei vari campi della meccanica:
Approccio per sottostrutture;
Valutazione dell’energia in un sottospazio.
Frattura dei materiali fragili;
Meccanica della frattura coesiva nei materiali quasi fragili;
Analisi limite ed a shakedown;
Analisi elasto-plastica incrementale associata al problema di contatto- distacco;
- Analisi di solidi sollecitati a taglio e torsione con il metodo LEM (line elementless method)
Il problema di solidi sollecitati a taglio e torsione si risolve calcolando integrali di linea, senza ricorrere alla necessità di discretizzare né il dominio, né il contorno della sezione. Il metodo è “robusto” nel senso che restituisce la soluzione esatta per quelle sezioni in cui tale soluzione esatta esiste.
Meccanica di problemi accoppiati: Termoelasticità e poroelasticità.
In questo ambito sono state sviluppate teorie di trasporto di energia e di fluidi viscosi che corrispondono, alla macroscala, a leggi di trasporto in termini di equazioni differenziali frazionarie. A tale proposito sono stati sviluppati problemi fisici di trasporto di massa e/o di energia termica in mezzi porosi con degradazione delle proprietà geometriche e meccaniche che corrispondono a leggi di flusso con decadimento temporale nella classe delle leggi di potenza. Un risultato simile è stato ottenuto considerando il flusso di energia e/o massa attraverso un mezzo poroso con geometria frattale che corrisponde ad una variazione temporale del flusso uscente con legge di potenza ad esponente reale legato alla dimensione frattale del mezzo poroso. La relazione di trasporto frazionaria è stata poi considerata in problemi di meccanica multi campo sia di tipo termoelastico che poroelastico monodimensionali.
Mesomodellazione di strutture costituite da materiali eterogenei.
Sviluppo di originali modelli di interfaccia e di interfase per lo svolgimento di analisi numeriche agli elementi finiti con applicazioni ai giunti adesivi/coesivi dei materiali quasi-fragili. Particolare importanza rivestono le analisi rivolte alle strutture costituite da materiale eterogeneo quali le murature e i materiali compositi.
Nanomeccanica
L’attività di ricerca nell’ambito della nanomeccanica applicata a nanotubi, nanostrutture, nanotravi e materiali bioispirati riguarda la meccanica di materiali gerarchici in termini di determinazione delle caratteristiche elastiche e delle tensioni di rottura. Le metodologie utilizzate per lo studio di tali problemi fanno uso della teoria meccanica della non località, sviluppata presso il DICAM che consente di descrivere le azioni intermolecolari di lungo raggio presenti alle scale nanometrica mediante equazioni di campo continuo di tipo integro-differenziale. Gli studi condotti hanno riguardato problemi di continualizzazione, statica, dinamica, propagazione di onde, stabilità dell’equilibrio e vibrazioni smorzate alla nanoscala. Sono anche in fase di studio problemi di omogeneizzazione di nanocompositi con matrici ed inclusioni a caratteristiche viscoelastiche.
Ottimizzazione strutturale
L’ottimizzazione strutturale rappresenta un ambito di ricerca relativamente recente che negli ultimi decenni ha subito importanti avanzamenti sia sotto il profilo teorico delle formulazioni che applicativo delle tecniche computazionali. Inoltre, essa trova ampia applicazione e rappresenta sicuro riferimento in ambito ingegneristico professionale. Le formulazioni prodotte ed i relativi approcci numerici consentono di ottenere progetti ottimali di strutture semplici e complesse a comportamento sia elastico che elastoplastico soggette a carichi statici o dinamici o, ancora, ad opportune combinazioni di essi. Particolare attenzione è rivolta al caso dei carichi sismici e recenti studi consentono di tenere conto del loro carattere aleatorio. È stato trattato anche il caso, molto attuale, di strutture isolate sismicamente.
Proprietà ereditarie dei materiali
L’attività di ricerca relativa alla individuazione delle proprietà ereditarie dei materiali è stata sviluppata con l’obiettivo di fornire un modello fisico corrispondente alla legge di rilassamento con legge di potenza osservato in quasi tutti i materiali. A tale proposito è stato sviluppato un modello meccanico che corrisponde esattamente alle leggi di potenza di creep e rilassamento e che distingue i materiali in viscoleastici ed elastoviscosi a seconda della prevalenza della fase elastica e di quella viscosa. Tale suddivisione corrisponde ad una separazione dell’ordine di derivazione come minore o maggiore di 0.5, rispettivamente. La suddivisione tra le fasi ha anche consentito di calcolare univocamente l’energia libera immagazzinata nel materiale e si è recentemente individuata la corrispondenza con l’energia libera di Stavermann-Schwarz ottenuta dalle misure sulla legge di rilassamento. In tale ambito è stata anche individuata la forma dell’energia libera corrispondente a misure non-lineari di deformazione utilizzando la deformazione logaritmica.
ICAR09
La ricerca sviluppata dall'area Tecnica delle Costruzioni del DICAM è in linea con le esigenze dei corsi di laurea di Ingegneria Civile, Ambientale, Edile-Architettura. Le attività didattiche e di ricerca svolte negli ambiti caratterizzanti il S.S.D. ICAR/09, sono state indirizzate ai problemi di verifica e progetto delle costruzioni con struttura in cemento armato, muratura, acciaio, mista acciaio-calcestruzzo. Le ricerche condotte in questo ambito riguardano sia le strutture degli edifici ordinari sia quelle specialistiche, quali i ponti e gli edifici monumentali.
Le metodologie di indagine includono: approcci analitici, prevalentemente dedicati alla descrizione di fenomeni locali che riguardano i legami costitutivi dei materiali, il comportamento delle sezioni, i meccanismi resistenti; analisi numeriche, fondate su modelli, definiti sulla base delle formulazioni teoriche e finalizzati a descrivere il comportamento degli elementi strutturali e/o delle strutture nel loro complesso; sperimentazione su campioni e prototipi in grande scala, da utilizzarsi per la calibrazione dei modelli numerici e la verifica della loro affidabilità.
Un fondamentale supporto alla ricerca è pertanto offerto dall’attività svolta nel “Laboratorio materiali e strutture” del DICAM, che, oltre che degli ordinari strumenti di misura e dispositivi di applicazione dei carichi, dispone di sistemi di contrasto di elevata rigidezza e resistenza, e di macchine che consentono l’esecuzione di prove in controllo di forza o spostamento/deformazione, in regime monotonico o ciclico. Le tematiche di ricerca più recenti, dove la sperimentazione ha un ruolo fondamentale, riguardano l’impiego strutturale di materiali innovativi quali il vetro, le fibre per il rinforzo di matrici cementizie, i tessuti di fibre per il confinamento degli elementi strutturali in cemento armato o muratura. Un denominatore comune alla maggior parte delle tematiche trattate è il riferimento alle costruzioni soggette ad azioni sismiche, sia relativamente al progetto di nuovi edifici, sia con riguardo alla vulnerabilità degli edifici esistenti e agli interventi di miglioramento e adeguamento. In questo campo, particolarmente attuale e significative ricadute socio-economiche per le connesse attività di prevenzione del rischio e recupero del patrimonio edilizio esistente, si segnalano anche le ricerche condotte sulla base di convenzioni stipulate con il Dipartimento della Protezione Civile e coordinate in ambito nazionale con gruppi di ricerca di altre Università. Significativi contributi a soggetti esterni sono forniti attraverso convenzioni con Enti diversi, prevalentemente del Territorio siciliano, solitamente inerenti problemi di diagnostica strutturale o progetti di recupero/consolidamento, e la partecipazione all’organizzazione e allo svolgimento di Master Universitari e corsi di aggiornamento professionale.
Conseguenza di tutto ciò è stato lo sviluppo di un elevato numero di ricerche, i cui risultati sono stati oggetto di pubblicazione su prestigiose riviste di rilievo internazionale, oltre che di finanziamento in numerosi bandi competitivi, e la realizzazione di notevoli attività di cooperazione in ambito internazionale.
L'Area Strutture intende procedere nella strada intrapresa, che consentirà ulteriore miglioramento delle performances sin qui conseguite, in linea con il Piano Strategico di Ateneo.
Il curriculum si pone l’obiettivo di formare ricercatori e professionisti altamente qualificati in grado di:
- affrontare e risolvere problemi legati alla progettazione, alla realizzazione, alla manutenzione ed alla gestione di opere ed infrastrutture stradali e ferroviarie;
- impiegare criteri legati alla sicurezza, alla funzionalità, all’impatto socio-economico ed ambientale nella progettazione e nell’esercizio delle opere e delle infrastrutture stradali e ferroviarie;
- riconoscere i problemi di base del sistema dei trasporti nella mutua influenza fra domanda ed offerta;
- saper acquisire, elaborare, analizzare, visualizzare e gestire le informazioni territoriali, anche attraverso tecniche di telerilevamento e sistemi informativi territoriali;
- gestire progetti e programmi di esercizio, manutenzione, rinnovo, riqualificazione funzionale, dismissione delle infrastrutture di competenza
In rapporto ai suddetti obiettivi, il Curriculum si propone di specializzare i temi di ricerca offerti agli allievi secondo obiettivi prioritari, coerenti con le più avanzate aree di ricerca internazionali di settore:
- il primo, finalizzato alla formazione di esperti capaci di affrontare i problemi di sicurezza della circolazione connessi al continuo crescere di richiesta di mobilità nel nostro Paese;
- il secondo finalizzato alla formazione di esperti capaci di affrontare in modo innovativo lo studio dei materiali stradali, per il corpo stradale e per la pavimentazione, con una specifica specializzazione ai temi del recupero ambientale dei rifiuti e degli scarti della produzione industriale, alla luce della sensibilità ambientale che orienta oggi molti sforzi di ricerca a livello internazionale;
- il terzo, finalizzato alla formazione di esperti capaci di affrontare in modo innovativo i nodi di carattere squisitamente tecnico che stanno a monte del progetto, della costruzione e della manutenzione di una ferrovia, anche in aree ad alta densità abitativa, con una specifica attenzione alle problematiche di sostenibilità ambientale ed al riuso dei materiali di scarto;
- il quarto, finalizzato alla formazione di esperti capaci di progettare e di gestire interventi, anche complessi, sugli spazi stradali urbani ed in particolare nelle intersezioni, tenendo conto dell’impatto sulla circolazione e sulla sicurezza delle scelte di ingegneria ai diversi livelli di gestione dell'infrastruttura;
- il quinto, finalizzato alla formazione di esperti nella logistica di merci e persone, perfezionando sistemi innovativi di supporto propri delle TIC (Tecnologie delle Informazioni e Comunicazioni) e, nello specifico gli Intelligent Transport System per il settore della logistica del trasporto;
- il sesto, finalizzato alla formazione di esperti capaci di analizzare e gestire informazioni territoriali attraverso strumenti e metodi innovativi di rilievo, sistemi mobili di rilevamento, tecniche di monitoraggio del territorio e di telerilevamento.
I caratteri innovativi dei curricula proposti derivano in gran parte dalla prospettiva multidisciplinare alla base del progetto formativo e dall’apertura dell'indirizzo di Dottorato ad una pluralità di competenze specialistiche diversificate. Ciò corrisponde ad un fabbisogno, prevedibilmente crescente nei prossimi anni, connesso all'attuazione di recenti disposizioni ed orientamenti legislativi, in ambito comunitario e nazionale.
La formazione dei dottorandi di ricerca nell'ambito dell'Ingegneria dei Materiali si potrà declinare in diverse possibili tematiche di ricerca che attraggono l'interesse sia del mondo scientifico che di quello industriale, dando la possibilità di inserirsi velocemente nel mondo del lavoro come specialisti sia nella ricerca che nella ingegnerizzazione di materiali e dispositivi. Più in particolare, le tematiche previste comprendono:
1) Scienza e tecnologia dei materiali polimerici e biopolimerici
Le ricerche attive in Dipartimento nell’ambito di questo tema sono il frutto di una scuola di oltre 40 anni che si è radicata nel tessuto universitario adattandosi alle mutevoli esigenze del mondo industriale e alle più avanzate tendenze di ricerca emerse dalla comunità scientifica. L’utilizzo dei materiali polimerici nelle più svariate applicazioni, da quelle di massa come gli imballaggi a quelle ad alto valore aggiunto come i dispositivi biomedicali, passando per i materiali strutturali ad alte prestazioni, richiama l’attenzione di tecnici e ricercatori, con una produzione bibliografica e brevettuale in continua espansione sia in Italia che all’estero, come dimostrato dal numero di prodotti della ricerca disponibili nelle banche dati ma anche dalla crescente offerta di finanziamenti in questo settore.
2) Materiali ibridi e compositi micro e nanostrutturati
Questo ampio tema, che in parte comprende anche i materiali polimerici, nasce in risposta alle recenti tendenze della ricerca dell’ingegneria dei materiali.
La dispersione di fasi o la strutturazione di più materiali a scala nanometrica, in dispersioni o in sistemi ordinati, rappresentano infatti la frontiera della ricerca scientifica sui materiali. L’ingegnerizzazione dei materiali nanostrutturati nasce nella seconda metà degli anni ’80 del secolo scorso, ma ha avuto un notevole impulso solo negli ultimi due decenni, con l’aumento della produzione scientifica e brevettuale sull’argomento. Il locale gruppo di ricerca, forte della profonda formazione orientata alla scienza e tecnologia dei materiali, è diventato un autorevole punto di riferimento nel settore come dimostrato dall’elevato numero di prodotti della ricerca.
Allo stesso modo, i compositi micro strutturati, oggi denominati “tradizionali”, anziché perdere l’interesse di industria e accademia, si sono evoluti per ottimizzare le proprietà, ridurre i costi e produrre strutture performanti con un peso minore, oltre che ridurre l’impatto ambientale complessivo utilizzando, ad esempio, cariche organiche di origine naturale.
3) Materiali per applicazioni biomedicali
Se è vero che tutti i settori produttivi si stanno orientando verso una specializzazione spinta delle professionalità, è anche vero che il livello di performance richiesto da materiali e dispositivi impone un approccio multidisciplinare. In questa direzione, le esigenze del mondo della medicina sono indirizzate a quello dell’ingegneria avendo come scopo congiunto quello di sviluppare materiali e dispositivi atti a svolgere funzioni ben precise nell’organismo. In questo ambito, si sono recentemente sviluppati e ottimizzati dispositivi come valvole cardiache, fili per sutura, stent, scaffold per la rigenerazione tissutale, protesi, solo per citare le principali applicazioni.
La comunità scientifica è estremamente interessata a questo tema come dimostrano non solo l’elevato numero di prodotti della ricerca ma anche la comparsa di nuove riviste specializzate nel settore.
Il gruppo locale di ricerca ha colto l’importanza dell’approfondimento di queste tematiche e da alcuni anni ha cominciato a dedicare risorse umane e finanziarie sempre più ingenti anche grazie a finanziamenti ottenuti in progetti congiunti università-industria volti non solo alla ricerca scientifica ma alla prototipazione e applicazione industriale di dispositivi.
4) Materiali funzionali e avanzati
La scena scientifica degli ultimi anni è dominata dalla necessità di ottenere materiali che posseggano le necessarie caratteristiche fisiche (es. proprietà meccaniche) insieme ad altre proprietà che ne espandono le possibilità di utilizzo. In questo senso, la ricerca scientifica ha messo a punto nuovi materiali che coniugano proprietà meccaniche, eletttriche, magnetiche, biologiche, gas-barriera, … . Su questo tema lavorano numerosi gruppi di ricerca sia in Italia che all’estero e il numero di pubblicazioni è in crescita a testimonianza dell’interesse.
5) Relazioni proprietà-struttura-lavorazione nei materiali
Accanto ai temi relativi alla preparazione di materiali nuovi o con nuove proprietà, è di non minore importanza quello della caratterizzazione e, più in particolare, quello della determinazione delle relazioni che esistono tra le proprietà del materiale, la sua struttura-morfologia e le modalità di preparazione. Lo sviluppo di questo settore va quindi di pari passo con quello della messa a punto di nuovi materiali ed è un passaggio inevitabile per approdare alle applicazioni industriali. La letteratura scientifica e brevettuale si è arricchita, negli ultimi decenni, non solo di dati di caratterizzazione, ma anche di nuove apparecchiature volte ad una determinazione più accurata delle relazioni proprietà-struttura-lavorazione e, quindi, del controllo sul materiale. Il gruppo locale di ricerca è attivo da diversi decenni su questo argomento squisitamente ingegneristico che rappresenta non solo la verifica delle possibilità di ingegnerizzazione di un materiale/dispositivo, ma anche la base di partenza per concepire nuovi materiali.
6) Materiali per applicazioni in elettronica
Dall’avvento di dispositivi elettronici di massa nella seconda metà del secolo scorso, è aumentata la richiesta di materiali adatti a tali applicazioni ma anche di materiali con migliore performance. I materiali multifasici strutturati hanno offerto molte opportunità in questa direzione e il settore è senza dubbio in costante espansione. Ibridi e nanoibridi organici e inorganici presentano, infatti, proprietà a volte inattese e meritevoli di approfondimento in vista di scale up industriali.
7) Sintesi e caratterizzazione di materiali semiconduttori e isolanti di interesse tecnologico
Nell’ambito dell’“electrochemical materials science” verranno approfonditi temi relativi alla produzione e caratterizzazione di materiali metallici, semiconduttori e isolanti inorganici ed organici suscettibili di impiego nei settori della corrosione, dell’accumulo e conversione di energia e dei trattamenti superficiali. Le applicazioni ingegneristiche riguardano il monitoraggio dei processi di corrosione di metalli (ivi incluse le armature del calcestruzzo armato), la messa a punto di trattamenti anticorrosionistici per la protezione, la fabbricazione e caratterizzazione di film organici ed inorganici dielettrici, metallici e semiconduttori e di materiali nano-strutturati per applicazioni avanzate quali: fuel-cell, batterie ricaricabili, celle solari e dispositivi a film sottile.
8) Materiali per la conservazione dei beni culturali
Il moderno approccio alla conservazione ed al restauro dei Beni Culturali e al loro studio conoscitivo e diagnostico, ha assegnato un ruolo via via crescente alla scienza e tecnologia dei materiali. La caratterizzazione dei materiali costitutivi e dei fenomeni di degrado delle opere d’arte, nonché lo sviluppo e lo studio di nuovi materiali per gli interventi di recupero delle stesse, è oggetto di una letteratura scientifica in crescita per numero e diffusione. Il gruppo di lavoro presente in dipartimento si inserisce in una tradizione ultraventennale per lo studio dei materiali dei Beni Culturali, che spazia dai materiali per il recupero edilizio a quelli per il recupero di opere mobili
9) Modellazione del comportamento meccanico di materiali e strutture intelligenti
Nonostante la ormai rilevante diffusione dei materiali compositi nelle costruzioni i margini di miglioramento nel loro utilizzo sono ancora notevoli e connessi certamente (i) alla più approfondita comprensione dei meccanismi che ne regolano il comportamento, tutt’oggi oggetto di ampie attività di ricerca, ed (ii) alla formazione di operatori capaci di operare un’attività di progettazione e gestione delle costruzioni in composito con l’approccio multidisciplinare richiesto.
In questo quadro di riferimento del settore delle costruzioni aerospaziali si possono collocare le tematiche che il dottorato intende proporre e che consistono in
- modellazione e analisi del danno nei materiali compositi
- metodi numerici per la modellazione multiscala
- meccanica della frattura nei materiali avanzati
- progettazione con materiali compositi avanzati
I più recenti sviluppi delle costruzioni avanzate prevedono filosofie di progetto ed applicazioni basate sul concetto di struttura multifunzione e riguardano lo “Structural health monitoring”, il “morphing” e i concetti “stealth”. Detti sviluppi sono essenzialmente basati sull’impiego di materiali avanzati, nella maggior parte dei casi compositi, capaci di garantire interazioni multicampo (ad esempio materiali piezoelettrici e/o magnetoelettrici).
In questo quadro di riferimento si possono collocare le tematiche che il dottorato intende proporre e che consistono in
- Metodi numerici per la modellazione e l’analisi di strutture in materiale composito multicampo
- Applicazioni di materiali multicampo per la realizzazione di sensori e attuatori per lo “structural health monitoring”
- Legami costitutivi multicampo
- Strutture integrate multifunzione
Si tratta di tematiche di grande attualità, che trovano collocazione sia nell’ambito della ricerca di base che della ricerca applicata e delle quali la comunità scientifica e industriale di settore riconosce la strategicità per la nuova generazione di mezzi di trasporto, per i quali l’attività di R&D nell’ambito della scienza e tecnologia dei materiali rappresenta un significativo fattore di sviluppo.
Università degli Studi di Palermo
Corso di Dottorato di Ricerca
CIVIL, ENVIRONMENTAL AND MATERIALS ENGINEERING
Formulazione della Struttura Didattica del Corso di Dottorato
Nei tre anni del corso di Dottorato, corrispondenti a 180 CFU complessivi (attività di ricerca e attività formativa), gli allievi dovranno maturare almeno 18 CFU partecipando ad attività formative loro rivolte.
Tali crediti in attività formative potranno essere maturati sia mediante frequentazione di Corsi che prevedano l’erogazione di didattica frontale, sia mediante partecipazione ad attività seminariali, workshop, stage, laboratori, giornate di studio ed attività assimilabili alle precedenti.
La partecipazione a corsi di II livello erogati dai CdS dovrà essere concordata con i Tutor e il Collegio al fine di integrare, ove necessario, la formazione dell’allievo. Eventuali corsi di III livello, offerti dal nostro o altro Ateneo (italiano o europeo), sono da individuarsi secondo le esigenze formative dell’allievo.
I CFU in attività formative dovranno comunque essere maturati secondo il seguente schema:
|
Periodo |
Attività |
CFU |
|
I-II anno |
Corsi istituzionali dell’Ateneo di Palermo o di altri Atenei nazionali ed internazionali, secondo le esigenze formative dell’allievo. |
12 |
|
I-III anno |
Seminari, stage, workshop, corsi tematici, etc. (III livello) |
6 |
*1 CFU equivale a 7 ore di corso tematico o attività seminariale