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
Ø 30 mmRame2 mP = 95 kN

Trova la deformazione assiale ε nella barra di rame, in microdeformazioni (µε = 10⁻⁶).

P = 95 kNd = 30 mmL = 2 mE = 117 GPa
ε = µε
2.Tensione e deformazione assialeDifficile
50 kN12600 mm300 mmØ25Ø30σ2​ = ?

Un tratto di acciaio (diametro 25 mm, lunghezza 600 mm, E = 200 GPa) e un tratto di rame (diametro 30 mm, lunghezza 300 mm, E = 120 GPa) sono uniti testa a testa e fissati tra due pareti rigide. Un carico assiale di 50 kN agisce nella giunzione, verso il tratto 2. Trova il modulo della tensione σ2 nel tratto 2.

tratto 1: acciaio, Ø25 mm, 600 mm, E = 200 GPatratto 2: rame, Ø30 mm, 300 mm, E = 120 GPaP = 50 kN
σ2 = MPa
3.Torsione degli alberiMedia
T = 100 N·md = 30 mmL = 1,5 mφ = ?

Un albero pieno di acciaio 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 = 100 N·md = 30 mmL = 1,5 mG = 80 GPa
φ = °
4.Torsione degli alberiDifficile
d = ?5 kW, 300 rpm

Un albero pieno in ottone trasmette 5 kW a 300 rpm. La tensione tangenziale non deve superare 80 MPa e la torsione non deve superare 0,75° per m di lunghezza. Trova il diametro minimo d che soddisfa entrambi i limiti.

P = 5 kWN = 300 rpmτallow = 80 MPaθallow = 0,75°/mG = 39 GPa
d = mm
5.Taglio e momento flettenteMedia
6 kN/m20 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.

20 kN @ 3 m6 kN/m, 0–5 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 = 3 kN/mP = 50 kNABsezione4 m4 m

Trova il momento flettente Mx nella sezione x = 4 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 = 50 kN in 4 mw = 3 kN/m da 0 a 8 mx = 4 m
Mx = kN·m
7.Baricentro e momento d’inerziaMedia
120 mm200 mm60 mmØ50xIx​ = ?

Una piastra di 120 mm × 200 mm ha un foro circolare di diametro 50 mm sulla sua linea d’asse verticale, con il centro 60 mm sopra il fondo. Trova il momento di inerzia Ix rispetto all’asse orizzontale passante per il baricentro.

b = 120 mmh = 200 mmd = 50 mmcentro del foro: y = 60 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
8.Baricentro e momento d’inerziaDifficile
120 mm300 mm195 mm80 × 40xIx​ = ?

Una piastra di 120 mm × 300 mm ha un intaglio rettangolare largo 80 mm e alto 40 mm, centrato sulla linea d’asse verticale con il centro 195 mm sopra il fondo. Trova il momento di inerzia Ix rispetto all’asse orizzontale passante per il baricentro.

b = 120 mmh = 300 mmintaglio: 80 × 40 mmcentro del foro: y = 195 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
9.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniMedia
σx​ = 10σy​ = 30τxy​ = −20MPa

Un punto ha σₓ = 10 MPa, σᵧ = 30 MPa e τₓᵧ = −20 MPa (trazione positiva). L’elemento è ruotato di 20° in senso antiorario. Trova la tensione normale σy′ sulle facce dell’elemento ruotato perpendicolari all’asse ruotato y′.

σx = 10 MPaσy = 30 MPaτxy = −20 MPaθ = 20°
σy′ = MPa
10.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniDifficile
σx​ = 60σy​ = 120τxy​ = 60MPa

In un punto di un pezzo caricato si ha σₓ = 60 MPa, σᵧ = 120 MPa e τₓᵧ = 60 MPa (trazione positiva). Trova la tensione tangenziale τθ su un piano la cui normale è ruotata di 25° in senso antiorario rispetto all’asse x (positiva nello stesso senso di τₓᵧ).

σx = 60 MPaσy = 120 MPaτxy = 60 MPaθ = 25°
τθ = MPa
11.Freccia della traveMedia
P = 17 kNABδ4 m1 m

Una mensola di lunghezza L è incastrata in A e porta un carico concentrato P a una distanza a = 4 m da A. Trova la freccia δB all’estremo libero B.

P = 17 kNa = 4 mL = 5 mE = 200 GPa (acciaio)I = 57 × 10⁶ mm⁴
δB = mm
12.Freccia della traveDifficile
w = 2 kN/mδL = 6 m

Una trave semplicemente appoggiata porta un carico uniformemente distribuito w. La sua freccia non può superare luce/360. Trova il momento d’inerzia minimo Ireq che rispetta questo limite.

w = 2 kN/mL = 6 mE = 70 GPa (alluminio)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
13.Instabilità delle colonneMedia
PL = 2,5 md = 20 mmsezione trasversale

Una colonna di lunghezza L in acciaio è incastrata a entrambi gli estremi. Usando la formula di Eulero, trova il suo carico critico Pcr.

L = 2,5 mE = 200 GPa (acciaio)d = 20 mm
Pcr = kN
14.Instabilità delle colonneDifficile
P = 125 kNL = 1,5 md = ?sezione trasversale

Una colonna tonda piena di lunghezza L in acciaio è incernierata a entrambi gli estremi. Deve portare 125 kN con un coefficiente di sicurezza di 3 contro l’instabilità. Trova il diametro minimo d.

P = 125 kNn = 3L = 1,5 mE = 200 GPa (acciaio)
d = mm

3Soluzioni

1.Tensione e deformazione assiale

Risposta: ε = 1149 µε

Legge di Hooke: nel campo elastico σ = E·ε. Combinandola con σ = P/A e ε = δ/L si ottiene δ = PL/(AE).

Tensione

A = π·30²/4 = 706,9 mm²
σ = P/A = 95·1000/706,9 = 134,4 MPa

Deformazione (legge di Hooke)

E for rame = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 134,4/117000 = 0,001149 = 1149 µε

Risposta

ε = 1149 µε
2.Tensione e deformazione assiale

Risposta: σ2 = 44,81 MPa

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.

Rigidezze

k₁ = 200000·490,9/600 = 163625 N/mm
k₂ = 120000·706,9/300 = 282743 N/mm

Quota del tratto 2

F2 = 50000·282743/446368 = 31672 N

Tensione

σ2 = 31672/706,9 = 44,81 MPa (compressione)

Risposta

σ2 = 44,81 MPa
3.Torsione degli alberi

Risposta: φ = 1,351 °

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·30⁴/32 = 79522 mm⁴

Angolo di torsione

φ = TL/(GJ) = 100·1000·1500/(80000·79522) = 0,02358 rad
φ = 0,02358·180/π = 1,351°

Risposta

φ = 1,351°
4.Torsione degli alberi

Risposta: d = 42,21 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·300/60 = 31,42 rad/s
T = P/ω = 5000/31,42 = 159,2 N·m

Diametro per la resistenza

T = 159,2 N·m = 159155 N·mm
dτ = ∛(16·159155/(π·80)) = 21,64 mm

Diametro per la rigidezza

θ = 0,75·π/180/1000 = 1,309 × 10⁻⁵ rad/mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
dφ = (32·159155/(π·39000·1,309 × 10⁻⁵))1/4 = 42,21 mm

Diametro determinante

Entrambi i limiti devono essere rispettati, quindi governa il diametro maggiore.

d = max(21,64, 42,21) = 42,21 mm

Risposta

d = 42,21 mm

Qui governa la rigidezza.

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 = 27,5 kN, R2 = 22,5 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 = 24,5, MC = 43, MD = 55,5 kN·m, ME = 42, MF = 22,5, MG = 0

Risposta

Punto D: MD = 55,5 kN·m
6.Taglio e momento flettente

Risposta: Mx = 124 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 = 3·8 = 24 kN, applicata in x̄ = 4 m
ΣMA = 0: RB·8 = 50·4 + 3·8·4
RB = 296/8 = 37 kN
ΣFy = 0: RA = 74 − 37 = 37 kN
w = 3 kN/mP = 50 kNABRA​ = 37RB​ = 37sezione4 m4 m

Taglia in x = 4 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 = 37·4 − 3·4·2 = 124 kN·m

Risposta

Mx = 124 kN·m
7.Baricentro e momento d’inerzia

Risposta: Ix = 76,27 × 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 = (24000·100 − 1963·60)/(24000 − 1963) = 103,6 mm

Piastra piena rispetto a ȳ

120·200³/12 + 24000·−3,564² = 80,3 × 10⁶ mm⁴

Foro rispetto a ȳ

π·50⁴/64 + 1963·−43,56² = 4,033 × 10⁶ mm⁴

Sottrai

Ix = 76,27 × 10⁶ mm⁴

Risposta

Ix = 76,27 × 10⁶ mm⁴
8.Baricentro e momento d’inerzia

Risposta: Ix = 262,5 × 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 = (36000·150 − 3200·195)/(36000 − 3200) = 145,6 mm

Piastra piena rispetto a ȳ

120·300³/12 + 36000·4,39² = 270,7 × 10⁶ mm⁴

Foro rispetto a ȳ

80·40³/12 + 3200·49,39² = 8,233 × 10⁶ mm⁴

Sottrai

Ix = 262,5 × 10⁶ mm⁴

Risposta

Ix = 262,5 × 10⁶ mm⁴
9.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: σy′ = 40,52 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 per la faccia y′

σy′ = 20 − (−10)·0,766 − (−20)·0,6428 = 40,52 MPa

Verifica

La somma delle tensioni normali non cambia con la rotazione.

σx′ = −0,5162 MPa, σx′ + σy′ = 40 = σx + σy

Risposta

σy′ = 40,52 MPa
10.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: τθ = 61,55 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

τθ = −−30·0,766 + 60·0,6428 = 61,55 MPa

Risposta

τθ = 61,55 MPa
11.Freccia della trave

Risposta: δB = 43,74 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 = 17000 N, a = 4000 mm, L = 5000 mm
EI = 1,14 × 10¹³ N·mm²

Freccia all’estremo libero

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

δP = Pa³/(3EI) = 31,81 mm
θP = Pa²/(2EI) = 0,01193 rad
δB = δP + θP·(L − a) = Pa²(3L − a)/(6EI) = 43,74 mm

Risposta

δB = 43,74 mm
12.Freccia della trave

Risposta: Ireq = 28,93 × 10⁶ mm⁴

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).

Limite di freccia

δallow = L/360 = 6000/360 = 16,67 mm

Momento d’inerzia richiesto

I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·2·6000⁴/(384·70000·16,67) = 2,893 × 10⁷ mm⁴
Ireq = 28,93 × 10⁶ mm⁴

Risposta

Ireq = 28,93 × 10⁶ mm⁴
13.Instabilità delle colonne

Risposta: Pcr = 9,922 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·20⁴/64 = 7854 mm⁴

Lunghezza libera d’inflessione

KL = 0,5·2500 = 1250 mm

Carico critico

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·7854/1250² = 9922 N = 9,922 kN

Risposta

Pcr = 9,922 kN
14.Instabilità delle colonne

Risposta: d = 54,32 mm

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.

Carico critico richiesto

Pcr = n·P = 3·125000 = 375000 N
KL = 1·1500 = 1500 mm

Risolvi per il diametro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·375000·1500²/(π³·200000))^(1/4) = 54,32 mm

Risposta

d = 54,32 mm

Verifica: la snellezza KL/r è 110,5, quindi la colonna è snella e vale Eulero.

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