Scienza delle costruzioni: pacchetto last-minute

Formulari, i passaggi chiave del metodo per ogni argomento e 14 esercizi, con le soluzioni complete in fondo.

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1Formule e metodi

Tensione e deformazione assiale

Tensione normale
σ = F/A
Deformazione
ε = ΔL/L
Legge di Hooke
σ = E·ε
Allungamento
ΔL = FL/(EA)
Deformazione termica
εT = α·ΔT

Torsione degli alberi

Tensione tangenziale
τ = T·r/J
Albero pieno
J = πd⁴/32
Albero cavo
J = π(D⁴ − d⁴)/32
Angolo di torsione
φ = TL/(GJ)
Potenza
P = T·ω = 2πnT/60

Metodo

  1. Trova il momento d’inerzia polare: J = πd⁴/32 per un albero pieno.
  2. Tensione tangenziale in superficie: τ = T·r/J, con r il raggio esterno.
  3. Angolo di torsione: φ = TL/(GJ) in radianti.
  4. Se è data la potenza, trova prima il momento torcente con P = T·ω, ω = 2πn/60.

Taglio e momento flettente

Taglio e momento
V = ΣF da un lato, M = ΣF·d da un lato
Tensione di flessione
σ = M·y/I
Rettangolo
I = bh³/12
Modulo di resistenza
W = I/ymax
Trave appoggiata, carico uniforme
Mmax = wL²/8

Metodo

  1. Trova le reazioni vincolari dall’equilibrio dell’intera trave.
  2. Taglia la trave nella sezione che ti serve e considera una sola parte.
  3. Taglio: somma delle forze verticali su quella parte. Momento flettente: somma dei loro momenti rispetto alla sezione di taglio.
  4. Per il momento massimo, trova dove il taglio è nullo.

Baricentro e momento d’inerzia

Baricentro
ȳ = ΣAiyi/ΣAi
Rettangolo
I = bh³/12
Teorema del trasporto
I = Ic + A·d²
Sezione composta
I = Σ(Ic,i + Aidi²)

Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Centro
C = (σx + σy)/2
Raggio
R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
Tensioni principali
σ1,2 = C ± R
Direzione principale
tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
Piano inclinato
σθ = C + (σx − σy)/2·cos 2θ + τxy·sin 2θ

Metodo

  1. Calcola il centro del cerchio di Mohr: C = (σx + σy)/2.
  2. Calcola il raggio: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
  3. Le tensioni principali sono C ± R e la massima tensione tangenziale nel piano è R.
  4. Gli angoli sul cerchio sono il doppio degli angoli sull’elemento: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy).

Freccia della trave

Carico concentrato in mezzeria
δ = PL³/(48EI)
Carico uniforme, trave appoggiata
δ = 5wL⁴/(384EI)
Mensola, carico all’estremo
δ = PL³/(3EI)
Mensola, carico uniforme
δ = wL⁴/(8EI)
Sovrapposizione degli effetti
δ = δ1 + δ2

Instabilità delle colonne

Carico critico di Euler
Pcr = π²EI/(KL)²
Coefficiente di lunghezza libera
K = 1 cerniera–cerniera, 0,5 incastro–incastro, 0,7 incastro–cerniera, 2 incastro–libero
Tensione critica
σcr = Pcr/A
Snellezza
λ = KL/r, r = √(I/A)

2Esercizi

1.Tensione e deformazione assialeMedia
300 kNØ30100 GPaØ100/60600 mmδ = ?

Un’asta di acciaio (diametro 30 mm, E = 200 GPa) sta dentro un tubo di ottone (diametro esterno 100 mm, diametro interno 60 mm, E = 100 GPa). Entrambi sono lunghi 600 mm e sono compressi insieme tra piastre rigide da 300 kN. Trova l’accorciamento δ.

P = 300 kNasta: Ø30 mm, E = 200 GPatubo: Ø100/Ø60 mm, E = 100 GPaL = 600 mm
δ = mm
2.Tensione e deformazione assialeDifficile
P = ?Ø25100 GPaØ120/60400 mm

Un’asta di acciaio (diametro 25 mm, E = 200 GPa, tensione ammissibile 200 MPa) sta dentro un tubo di ottone (diametro esterno 120 mm, diametro interno 60 mm, E = 100 GPa, tensione ammissibile 100 MPa). Sono compressi insieme tra piastre rigide. Trova il massimo carico Pmax.

asta: Ø25 mm, E = 200 GPa, σallow = 200 MPatubo: Ø120/Ø60 mm, E = 100 GPa, σallow = 100 MPa
Pmax = kN
3.Torsione degli alberiMedia
T = 250 N·md = 50 mmL = 3 mφ = ?

Un albero pieno di alluminio è incastrato alla parete e torto da un momento T all’estremo libero. Trova l’angolo di torsione φ dell’estremo libero, in gradi.

T = 250 N·md = 50 mmL = 3 mG = 26 GPa
φ = °
4.Torsione degli alberiDifficile
Td = ?

Un albero pieno deve trasmettere 50 kW a 1500 giri/min senza che la tensione tangenziale superi 80 MPa. Trova il diametro minimo d adatto.

P = 50 kWN = 1500 rpmτallow = 80 MPa
d = mm
5.Taglio e momento flettenteMedia
10 kN/m45 kNABCDEFG1 m1 m1 m1 m1 m1 m

I punti da A a G dividono la trave in sei parti uguali. In quale punto il momento flettente è massimo in valore assoluto, positivo o negativo? Cliccalo nel diagramma.

45 kN @ 3 m10 kN/m, 1–5 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 1 m)
  3. 3C (x = 2 m)
  4. 4D (x = 3 m)
  5. 5E (x = 4 m)
  6. 6F (x = 5 m)
  7. 7G (x = 6 m)
6.Taglio e momento flettenteDifficile
w = 2 kN/mP = 55 kNABsezione1 m7 m

Trova il momento flettente Mx nella sezione x = 1 m dall’appoggio A. Considera positivi i momenti che tendono le fibre inferiori e positivo il taglio verso l’alto sulla faccia sinistra.

L = 8 mP = 55 kN in 1 mw = 2 kN/m da 0 a 8 mx = 1 m
Mx = kN·m
7.Baricentro e momento d’inerziaMedia
1805001610xdimensioni in mm

Una sezione a I simmetrica ha ali larghe 180 mm e spesse 16 mm, un’altezza complessiva di 500 mm e un’anima spessa 10 mm. Trova il suo modulo di resistenza elastico Sx per la flessione attorno all’asse baricentrico orizzontale x.

B = 180 mmH = 500 mmtf = 16 mmtw = 10 mm
Sx = × 10³ mm³
8.Baricentro e momento d’inerziaDifficile
200 mm240 mm72 mm60 × 50xIx​ = ?

Una piastra di 200 mm × 240 mm ha un intaglio rettangolare largo 60 mm e alto 50 mm, centrato sulla linea d’asse verticale con il centro 72 mm sopra il fondo. Trova il momento di inerzia Ix rispetto all’asse orizzontale passante per il baricentro.

b = 200 mmh = 240 mmintaglio: 60 × 50 mmcentro del foro: y = 72 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
9.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniMedia
σx​ = 30σy​ = −10τxy​ = −20MPa

Un punto di una lastra sottile è in stato piano di tensione: σₓ = 30 MPa, σᵧ = −10 MPa e τₓᵧ = −20 MPa, con σz = 0. Trova la tensione tangenziale massima assoluta τabs nel punto (considerando tutti i piani in tre dimensioni).

σx = 30 MPaσy = −10 MPaτxy = −20 MPaσz = 0
τabs = MPa
10.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniDifficile
σx​ = 100σy​ = −40τxy​ = −60MPa

In un punto di un pezzo caricato si ha σₓ = 100 MPa, σᵧ = −40 MPa e τₓᵧ = −60 MPa (trazione positiva). Trova la tensione normale σθ su un piano la cui normale è ruotata di 20° in senso antiorario rispetto all’asse x.

σx = 100 MPaσy = −40 MPaτxy = −60 MPaθ = 20°
σθ = MPa
11.Freccia della traveMedia
P = 5 kNABδ2 m0,5 m

Una mensola di lunghezza L è incastrata in A e porta un carico concentrato P a una distanza a = 2 m da A. Trova la freccia δB all’estremo libero B.

P = 5 kNa = 2 mL = 2,5 mE = 200 GPa (acciaio)I = 36 × 10⁶ mm⁴
δB = mm
12.Freccia della traveDifficile
w = 1,5 kN/mABδ3,5 m

Una trave in legno semplicemente appoggiata a sezione rettangolare, larga 75 mm, porta un carico uniformemente distribuito w su tutta la luce. La sua freccia in mezzeria non può superare luce/250. Trova l’altezza minima hreq della sezione.

w = 1,5 kN/mL = 3,5 mE = 11 GPa (legno strutturale)b = 75 mm
hreq = mm
13.Instabilità delle colonneMedia
PL = 2,5 md = 50 mmsezione trasversale

Una colonna di lunghezza L in alluminio è incastrata alla base e incernierata in cima. Usando la formula di Eulero, trova il suo carico critico Pcr.

L = 2,5 mE = 70 GPa (alluminio)d = 50 mm
Pcr = kN
14.Instabilità delle colonneDifficile
PL = 1,5 md = 60 mmsezione trasversale

Una colonna di lunghezza L in alluminio è incastrata alla base e libera in cima. Trova la sua snellezza e la tensione critica σcr dalla formula di Eulero.

L = 1,5 mE = 70 GPa (alluminio)d = 60 mm
σcr = MPa

3Soluzioni

1.Tensione e deformazione assiale

Risposta: δ = 0,2795 mm

Due materiali: in serie (uno dopo l’altro) ogni tratto porta la stessa forza e gli allungamenti si sommano: δ = P·Σ L/(E·A). In parallelo (affiancati tra piastre rigide) entrambe le parti si accorciano della stessa quantità, quindi le deformazioni sono uguali: la parte più rigida prende la quota maggiore, Pi = P·EiAi/ΣEA, e σi = Ei·ε. Una barra tenuta tra due pareti rigide con un carico nella giunzione è staticamente indeterminata: i due tratti si dividono il carico in proporzione alla loro rigidezza k = EA/L.

Aree

Ar = π·30²/4 = 706,9 mm²
At = π(100² − 60²)/4 = 5027 mm²

Rigidezza assiale combinata

ΣEA = 200·10³·706,9 + 100·10³·5027 = 6,44 × 10⁸ N

Accorciamento

δ = 300000·600/6,44 × 10⁸ = 0,2795 mm

Risposta

δ = 0,2795 mm
2.Tensione e deformazione assiale

Risposta: Pmax = 946,4 kN

Due materiali: in serie (uno dopo l’altro) ogni tratto porta la stessa forza e gli allungamenti si sommano: δ = P·Σ L/(E·A). In parallelo (affiancati tra piastre rigide) entrambe le parti si accorciano della stessa quantità, quindi le deformazioni sono uguali: la parte più rigida prende la quota maggiore, Pi = P·EiAi/ΣEA, e σi = Ei·ε. Una barra tenuta tra due pareti rigide con un carico nella giunzione è staticamente indeterminata: i due tratti si dividono il carico in proporzione alla loro rigidezza k = EA/L.

Aree

Ar = π·25²/4 = 490,9 mm²
At = π(120² − 60²)/4 = 8482 mm²

Rigidezza assiale combinata

ΣEA = 200·10³·490,9 + 100·10³·8482 = 9,464 × 10⁸ N

Deformazione governante

ε = min(0,001, 0,001) = 0,001 (ottone)

Carico massimo

Pmax = 0,001·9,464 × 10⁸ = 946405 N = 946,4 kN

Risposta

Pmax = 946,4 kN
3.Torsione degli alberi

Risposta: φ = 2,694 °

Torsione degli alberi circolari: la tensione tangenziale cresce linearmente da zero al centro fino a τmax = T·r/J in superficie, con J = πd⁴/32 per un albero pieno e J = π(do⁴ − di⁴)/32 per uno cavo. L’angolo di torsione è φ = TL/(GJ) in radianti. Potenza e momento torcente sono legati da P = T·ω.

Momento d’inerzia polare

J = π·50⁴/32 = 613592 mm⁴

Angolo di torsione

φ = TL/(GJ) = 250·1000·3000/(26000·613592) = 0,04701 rad
φ = 0,04701·180/π = 2,694°

Risposta

φ = 2,694°
4.Torsione degli alberi

Risposta: d = 27,26 mm

Torsione degli alberi circolari: la tensione tangenziale cresce linearmente da zero al centro fino a τmax = T·r/J in superficie, con J = πd⁴/32 per un albero pieno e J = π(do⁴ − di⁴)/32 per uno cavo. L’angolo di torsione è φ = TL/(GJ) in radianti. Potenza e momento torcente sono legati da P = T·ω.

Momento torcente

ω = 2πN/60 = 2π·1500/60 = 157,1 rad/s
T = P/ω = 50000/157,1 = 318,3 N·m

Diametro dalla tensione ammissibile

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·318310/(π·80)) = 27,26 mm

Risposta

d = 27,26 mm

In pratica arrotonderesti alla misura standard successiva.

5.Taglio e momento flettente

Risposta: D (x = 3 m)

Massimo momento flettente: M cambia pendenza ovunque cambi il taglio, quindi i suoi picchi stanno dove il taglio passa per zero: sotto un carico concentrato, dentro un carico distribuito, o sopra un appoggio di una trave a sbalzo. In un incastro di una mensola il momento è massimo alla parete. Confronta il valore di M in quei punti, positivo o negativo.

Reazioni vincolari

Prendi i momenti rispetto a un appoggio, poi usa l’equilibrio delle forze verticali.

R1 = 42,5 kN, R2 = 42,5 kN

Momento flettente in ogni punto

Somma i momenti di tutte le forze su un lato del taglio. Il verso che tende le fibre inferiori è positivo, quello opposto negativo.

MA = 0, MB = 42,5, MC = 80, MD = 107,5 kN·m, ME = 80, MF = 42,5, MG = 0

Risposta

Punto D: MD = 107,5 kN·m
6.Taglio e momento flettente

Risposta: Mx = 55,13 kN·m

Metodo delle sezioni: taglia la trave dove vuoi le forze interne e tieni un lato. Il taglio V equilibra le forze verticali su quel lato, e il momento flettente M equilibra i loro momenti rispetto al taglio.

Reazioni vincolari

Equilibrio dell’intera trave.

Risultante del carico distribuito: W = w·ℓ = 2·8 = 16 kN, applicata in x̄ = 4 m
ΣMA = 0: RB·8 = 55·1 + 2·8·4
RB = 119/8 = 14,88 kN
ΣFy = 0: RA = 71 − 14,88 = 56,13 kN
w = 2 kN/mP = 55 kNABRA​ = 56,13RB​ = 14,88sezione1 m7 m

Taglia in x = 1 m e tieni la parte sinistra

Compaiono solo le forze a sinistra del taglio. Una porzione di carico distribuito agisce come un’unica forza al centro di quella porzione.

M = RA·x − (ogni carico a sinistra del taglio × la sua distanza dal taglio)
Mx = 56,13·1 − 2·1·0,5 = 55,13 kN·m

Risposta

Mx = 55,13 kN·m
7.Baricentro e momento d’inerzia

Risposta: Sx = 1691 × 10³ mm³

Momento d’inerzia: per un rettangolo rispetto al proprio asse baricentrico I = bh³/12, e rispetto alla base bh³/3 (teorema del trasporto I = Ic + A·d²). Un foro si tratta sottraendo il suo I, purché entrambe le parti si riferiscano allo stesso asse. Il modulo di resistenza elastico è S = I/c, dove c è la distanza dalla fibra più esterna.

Rettangolo esterno meno i due vuoti laterali

I due vuoti insieme sono larghi (B − tw) e alti hw = H − 2tf, e hanno lo stesso asse x.

hw = 500 − 2·16 = 468 mm
Ix = (B·H³ − (B − tw)·hw³)/12 = (180·500³ − 170·468³)/12
Ix = 4,229 × 10⁸ mm⁴

Modulo di resistenza

c = H/2 = 250 mm
Sx = I/c = 4,229 × 10⁸/250
Sx = 1,691 × 10⁶ mm³ = 1691 × 10³ mm³

Risposta

Sx = 1691 × 10³ mm³
8.Baricentro e momento d’inerzia

Risposta: Ix = 222,4 × 10⁶ mm⁴

Sezioni con fori: tratta un foro come un’area negativa. Il baricentro è ȳ = (A₁y₁ − A₂y₂)/(A₁ − A₂), con A₁, y₁ per la piastra piena e A₂, y₂ per il foro. Per il momento di inerzia rispetto all’asse baricentrico, usa il teorema degli assi paralleli per ogni parte e sottrai il foro: I = (Ic1 + A₁d₁²) − (Ic2 + A₂d₂²), dove d è la distanza dal baricentro di ciascuna parte all’asse passante per ȳ. Un rettangolo ha Ic = bh³/12 e un cerchio Ic = πd⁴/64.

Baricentro

ȳ = (48000·120 − 3000·72)/(48000 − 3000) = 123,2 mm

Piastra piena rispetto a ȳ

200·240³/12 + 48000·−3,2² = 230,9 × 10⁶ mm⁴

Foro rispetto a ȳ

60·50³/12 + 3000·−51,2² = 8,489 × 10⁶ mm⁴

Sottrai

Ix = 222,4 × 10⁶ mm⁴

Risposta

Ix = 222,4 × 10⁶ mm⁴
9.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: τabs = 28,28 MPa

Trasformazione della tensione piana: su un piano ruotato di θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Il cerchio di Mohr mostra tutti i piani contemporaneamente: il suo centro è in C = (σₓ + σᵧ)/2 e il raggio è R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Le tensioni principali sono C ± R, e la massima tensione tangenziale nel piano è R. In tre dimensioni la tensione tangenziale massima assoluta è (σmax − σmin)/2 su tutte e tre le tensioni principali; nello stato piano di tensione la terza è nulla.

στxyCσ1​σ2​

Tensioni principali nel piano

C = 10 MPa, R = √(20² + (−20)²) = 28,28 MPa
σ1 = 38,28 MPa, σ2 = −18,28 MPa, σz = 0

Il maggiore dei tre cerchi

τ = max(|σ1 − σ2|, |σ1|, |σ2|)/2 = max(56,57, 38,28, 18,28)/2 = 28,28 MPa

Risposta

τabs = 28,28 MPa

Qui σ₁ e σ₂ hanno segni opposti, quindi il massimo nel piano R è anche il massimo assoluto.

10.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: σθ = 45,06 MPa

Trasformazione della tensione piana: su un piano ruotato di θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Il cerchio di Mohr mostra tutti i piani contemporaneamente: il suo centro è in C = (σₓ + σᵧ)/2 e il raggio è R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Le tensioni principali sono C ± R, e la massima tensione tangenziale nel piano è R.

Equazione di trasformazione

σθ = 30 + 70·0,766 + −60·0,6428 = 45,06 MPa

Risposta

σθ = 45,06 MPa
11.Freccia della trave

Risposta: δB = 2,546 mm

Freccia delle travi: le frecce si ottengono integrando due volte la curvatura M/(EI). I casi standard sono tabulati, per esempio PL³/(3EI) per una mensola con carico all’estremo e 5wL⁴/(384EI) per una trave semplicemente appoggiata con carico uniforme su tutta la luce. Le frecce dovute a carichi diversi si sommano (sovrapposizione).

Unità coerenti

Lavora in N e mm: P in N, w in N/mm (kN/m = N/mm), L in mm, E in N/mm² (GPa × 1000), I in mm⁴.

P = 5000 N, a = 2000 mm, L = 2500 mm
EI = 7,2 × 10¹² N·mm²

Freccia all’estremo libero

Freccia sotto il carico più la rotazione sotto il carico per la lunghezza restante.

δP = Pa³/(3EI) = 1,852 mm
θP = Pa²/(2EI) = 0,001389 rad
δB = δP + θP·(L − a) = Pa²(3L − a)/(6EI) = 2,546 mm

Risposta

δB = 2,546 mm
12.Freccia della trave

Risposta: hreq = 144,9 mm

Freccia delle travi: le frecce si ottengono integrando due volte la curvatura M/(EI). I casi standard sono tabulati, per esempio PL³/(3EI) per una mensola con carico all’estremo e 5wL⁴/(384EI) per una trave semplicemente appoggiata con carico uniforme su tutta la luce. Le frecce dovute a carichi diversi si sommano (sovrapposizione).

Unità coerenti

Lavora in N e mm: P in N, w in N/mm (kN/m = N/mm), L in mm, E in N/mm² (GPa × 1000), I in mm⁴.

w = 1,5 N/mm, L = 3500 mm, E = 11000 N/mm²

Limite di freccia

δallow = L/250 = 3500/250 = 14 mm

Momento d’inerzia richiesto

Ireq = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·1,5·3500⁴/(384·11000·14) = 1,903 × 10⁷ mm⁴

Altezza richiesta

bh³/12 = Ireq → h = (12·1,903 × 10⁷/75)1/3 = 144,9 mm

Risposta

hreq = 144,9 mm

In pratica, scegli l’altezza commerciale immediatamente superiore a questo valore.

13.Instabilità delle colonne

Risposta: Pcr = 69,21 kN

Instabilità euleriana: una colonna snella diventa instabile a Pcr = π²EI/(KL)², dove KL è la lunghezza libera d’inflessione: K = 1 per cerniera–cerniera, 2 per incastro–libero, 0,7 per incastro–cerniera e 0,5 per incastro–incastro. Sbanda attorno all’asse con I minore. La formula vale per colonne snelle, la cui tensione critica resta sotto la tensione di snervamento.

Momento d’inerzia minimo

Una sezione circolare ha lo stesso I rispetto a ogni asse.

I = πd⁴/64 = π·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Lunghezza libera d’inflessione

KL = 0,7·2500 = 1750 mm

Carico critico

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·306796/1750² = 69210 N = 69,21 kN

Risposta

Pcr = 69,21 kN
14.Instabilità delle colonne

Risposta: σcr = 17,27 MPa

Instabilità euleriana: una colonna snella diventa instabile a Pcr = π²EI/(KL)², dove KL è la lunghezza libera d’inflessione: K = 1 per cerniera–cerniera, 2 per incastro–libero, 0,7 per incastro–cerniera e 0,5 per incastro–incastro. Sbanda attorno all’asse con I minore. La formula vale per colonne snelle, la cui tensione critica resta sotto la tensione di snervamento.

Momento d’inerzia minimo

Una sezione circolare ha lo stesso I rispetto a ogni asse.

I = πd⁴/64 = π·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Raggio d’inerzia e snellezza

A = 2827 mm²
r = √(I/A) = √(636173/2827) = 15 mm
KL = 2·1500 = 3000 mm
KL/r = 3000/15 = 200

Tensione critica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/200² = 17,27 MPa

Risposta

σcr = 17,27 MPa

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