Scienza delle costruzioni: pacchetto last-minute

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

Nuovi eserciziTorna al corso

Nella finestra di stampa scegli “Salva come PDF” per conservarne una copia sul tuo dispositivo.

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
200 kNØ40110 GPaØ80/60800 mmδ = ?

Un’asta di acciaio (diametro 40 mm, E = 200 GPa) sta dentro un tubo di bronzo (diametro esterno 80 mm, diametro interno 60 mm, E = 110 GPa). Entrambi sono lunghi 800 mm e sono compressi insieme tra piastre rigide da 200 kN. Trova l’accorciamento δ.

P = 200 kNasta: Ø40 mm, E = 200 GPatubo: Ø80/Ø60 mm, E = 110 GPaL = 800 mm
δ = mm
2.Tensione e deformazione assialeDifficile
P = ?Ø25120 GPaØ100/60500 mm

Un’asta di acciaio (diametro 25 mm, E = 200 GPa, tensione ammissibile 120 MPa) sta dentro un tubo di rame (diametro esterno 100 mm, diametro interno 60 mm, E = 120 GPa, tensione ammissibile 70 MPa). Sono compressi insieme tra piastre rigide. Trova il massimo carico Pmax.

asta: Ø25 mm, E = 200 GPa, σallow = 120 MPatubo: Ø100/Ø60 mm, E = 120 GPa, σallow = 70 MPa
Pmax = kN
3.Torsione degli alberiMedia
d1​ = 50 mmd2​ = 25 mmT = 200 N·mABC1,2 m2,5 m

Un albero pieno a gradini in ottone è incastrato in A. Il tratto AB ha diametro 50 mm e lunghezza 1,2 m; il tratto BC ha diametro 25 mm e lunghezza 2,5 m. Un momento torcente di 200 N·m agisce all’estremo libero C. Trova la tensione tangenziale massima τmax nell’albero.

T = 200 N·md1 = 50 mm, L1 = 1,2 md2 = 25 mm, L2 = 2,5 m
τmax = MPa
4.Torsione degli alberiDifficile
Td = ?

Un albero pieno deve trasmettere 75 kW a 1000 giri/min senza che la tensione tangenziale superi 50 MPa. Trova il diametro minimo d adatto.

P = 75 kWN = 1000 rpmτallow = 50 MPa
d = mm
5.Taglio e momento flettenteMedia
P1​ = 70 kNP2​ = 50 kNABC1 m4 m1 m

La trave poggia su una cerniera in A e su un carrello in B e sporge a sbalzo oltre B di 1 m fino all’estremo libero C. Porta un carico concentrato P1 tra gli appoggi e un carico concentrato P2 in C. Trova il taglio Vx immediatamente a sinistra dell’appoggio B. Considera positivi i momenti che tendono le fibre inferiori e positivo il taglio verso l’alto sulla faccia sinistra.

L = 6 mP1 = 70 kN in 1 mP2 = 50 kN in 6 mappoggi in x = 0 e x = 5 m
Vx = kN
6.Taglio e momento flettenteDifficile
w = 2 kN/mABC8 m1,5 m

La trave poggia su una cerniera in A e su un carrello in B e sporge a sbalzo oltre B di 1,5 m fino all’estremo libero C. Un carico uniformemente distribuito w agisce su tutta la lunghezza A–C. Trova la distanza xc da A al punto di flesso tra gli appoggi (dove il momento flettente cambia segno).

L = 9,5 mw = 2 kN/m da 0 a 9,5 mappoggi in x = 0 e x = 8 m
xc = m
7.Baricentro e momento d’inerziaMedia
1602510012xdimensioni in mm

Trova il momento d’inerzia Ix della sezione a T rispetto all’asse orizzontale x passante per il baricentro.

bf = 160 mmtf = 25 mmtw = 12 mmhw = 100 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
8.Baricentro e momento d’inerziaDifficile
120 mm150 mm60 mm50 × 20xIx​ = ?

Una piastra di 120 mm × 150 mm ha un intaglio rettangolare largo 50 mm e alto 20 mm, centrato sulla 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 = 150 mmintaglio: 50 × 20 mmcentro del foro: y = 60 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
9.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniMedia
σx​ = 50σy​ = 90τxy​ = −60MPa

Un punto ha σₓ = 50 MPa, σᵧ = 90 MPa e τₓᵧ = −60 MPa (trazione positiva). L’elemento è ruotato di 60° in senso antiorario. Trova la tensione normale σy′ sulle facce dell’elemento ruotato perpendicolari all’asse ruotato y′.

σx = 50 MPaσy = 90 MPaτxy = −60 MPaθ = 60°
σy′ = MPa
10.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioniDifficile
σx​ = 40σy​ = 60τxy​ = 60MPa

In un punto di un pezzo caricato si ha σₓ = 40 MPa, σᵧ = 60 MPa e τₓᵧ = 60 MPa (trazione positiva). Trova la tensione tangenziale τθ su un piano la cui normale è ruotata di 35° in senso antiorario rispetto all’asse x (positiva nello stesso senso di τₓᵧ).

σx = 40 MPaσy = 60 MPaτxy = 60 MPaθ = 35°
τθ = MPa
11.Freccia della traveMedia
w = 8 kN/mδL = 1,5 m

Una trave semplicemente appoggiata porta un carico uniformemente distribuito w su tutta la luce. Trova la freccia massima δmax, in mezzeria.

w = 8 kN/mL = 1,5 mE = 11 GPa (legno strutturale)I = 12 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
12.Freccia della traveDifficile
w = 20 kN/mP = 28 kNδL = 2,5 m

Una trave semplicemente appoggiata porta un carico uniformemente distribuito w e un carico concentrato P in mezzeria. Usando la sovrapposizione, trova la freccia in mezzeria δmax.

P = 28 kNw = 20 kN/mL = 2,5 mE = 11 GPa (legno strutturale)I = 84 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
13.Instabilità delle colonneMedia
PL = 2,5 m30 × 80 mmsezione trasversale

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

L = 2,5 mE = 200 GPa (acciaio)b × h = 30 × 80 mm
Pcr = kN
14.Instabilità delle colonneDifficile
P = 45 kNL = 1 md = ?sezione trasversale

Una colonna tonda piena di lunghezza L in acciaio è incernierata a entrambi gli estremi. Deve portare 45 kN con un coefficiente di sicurezza di 2,5 contro l’instabilità. Trova il diametro minimo d.

P = 45 kNn = 2,5L = 1 mE = 200 GPa (acciaio)
d = mm

3Soluzioni

1.Tensione e deformazione assiale

Risposta: δ = 0,3244 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·40²/4 = 1257 mm²
At = π(80² − 60²)/4 = 2199 mm²

Rigidezza assiale combinata

ΣEA = 200·10³·1257 + 110·10³·2199 = 4,932 × 10⁸ N

Accorciamento

δ = 200000·800/4,932 × 10⁸ = 0,3244 mm

Risposta

δ = 0,3244 mm
2.Tensione e deformazione assiale

Risposta: Pmax = 409,1 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(100² − 60²)/4 = 5027 mm²

Rigidezza assiale combinata

ΣEA = 200·10³·490,9 + 120·10³·5027 = 7,014 × 10⁸ N

Deformazione governante

ε = min(0,0006, 0,0005833) = 0,0005833 (rame)

Carico massimo

Pmax = 0,0005833·7,014 × 10⁸ = 409127 N = 409,1 kN

Risposta

Pmax = 409,1 kN
3.Torsione degli alberi

Risposta: τmax = 65,19 MPa

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.

Tensione in ciascun tratto

T = 200 N·m = 200000 N·mm
τAB = 16·200000/(π·50³) = 8,149 MPa
τBC = 16·200000/(π·25³) = 65,19 MPa

Risposta

τmax = 65,19 MPa
4.Torsione degli alberi

Risposta: d = 41,78 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·1000/60 = 104,7 rad/s
T = P/ω = 75000/104,7 = 716,2 N·m

Diametro dalla tensione ammissibile

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·716197/(π·50)) = 41,78 mm

Risposta

d = 41,78 mm

In pratica arrotonderesti alla misura standard successiva.

5.Taglio e momento flettente

Risposta: Vx = −24 kN

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. Anche il carico sullo sbalzo dà momento rispetto ad A.

ΣMA = 0: RB·5 = 70·1 + 50·6
RB = 370/5 = 74 kN
ΣFy = 0: RA = 120 − 74 = 46 kN

Taglia immediatamente a sinistra di B e tieni la parte sinistra

Vx = RA − P1 = 46 − 70 = −24 kN

Risposta

Vx = −24 kN
6.Taglio e momento flettente

Risposta: xc = 7,719 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. Momento massimo: poiché dM/dx = V, il momento flettente raggiunge il massimo dove il taglio si annulla, in corrispondenza di un carico concentrato oppure all’interno di un carico distribuito.

Reazioni vincolari

Equilibrio dell’intera trave, compreso il carico sullo sbalzo.

Risultante del carico distribuito: W = w·ℓ = 2·9,5 = 19 kN, applicata in x̄ = 4,75 m
ΣMA = 0: RB·8 = 2·9,5·4,75
RB = 90,25/8 = 11,28 kN
ΣFy = 0: RA = 19 − 11,28 = 7,719 kN

Momento nullo

Tra gli appoggi M(x) = RA·x − w·x²/2. A parte x = 0, si annulla in x = 2RA/w.

RA·xc − w·xc²/2 = 0
xc = 2·7,719/2 = 7,719 m

Risposta

xc = 7,719 m
7.Baricentro e momento d’inerzia

Risposta: Ix = 4,814 × 10⁶ mm⁴

Aree composte: dividi la sezione in rettangoli. Il baricentro è la media pesata sulle aree ȳ = ΣAᵢyᵢ/ΣAᵢ. Il momento d’inerzia rispetto all’asse baricentrico somma il bh³/12 proprio di ogni parte e il suo termine di trasporto A·d², dove d è la distanza dal baricentro della parte al baricentro complessivo. La tensione di flessione è σ = M·y/I.

Dividi in due rettangoli

Misura ogni y dal bordo inferiore.

ala: Af = 160·25 = 4000 mm², yf = 100 + 25/2 = 112,5 mm
anima: Aw = 12·100 = 1200 mm², yw = 100/2 = 50 mm

Baricentro

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (4000·112,5 + 1200·50)/5200 = 98,08 mm

Teorema del trasporto

ala: 160·25³/12 + 4000·(112,5 − 98,08)² = 1,04 × 10⁶ mm⁴
anima: 12·100³/12 + 1200·(50 − 98,08)² = 3,774 × 10⁶ mm⁴
Ix = 1,04 × 10⁶ + 3,774 × 10⁶ = 4,814 × 10⁶ mm⁴ = 4,814 × 10⁶ mm⁴

Risposta

Ix = 4,814 × 10⁶ mm⁴
8.Baricentro e momento d’inerzia

Risposta: Ix = 33,48 × 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 = (18000·75 − 1000·60)/(18000 − 1000) = 75,88 mm

Piastra piena rispetto a ȳ

120·150³/12 + 18000·−0,8824² = 33,76 × 10⁶ mm⁴

Foro rispetto a ȳ

50·20³/12 + 1000·−15,88² = 0,2856 × 10⁶ mm⁴

Sottrai

Ix = 33,48 × 10⁶ mm⁴

Risposta

Ix = 33,48 × 10⁶ mm⁴
9.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: σy′ = 112 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′ = 70 − (−20)·(−0,5) − (−60)·0,866 = 112 MPa

Verifica

La somma delle tensioni normali non cambia con la rotazione.

σx′ = 28,04 MPa, σx′ + σy′ = 140 = σx + σy

Risposta

σy′ = 112 MPa
10.Cerchio di Mohr e trasformazione delle tensioni

Risposta: τθ = 29,92 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 = −−10·0,9397 + 60·0,342 = 29,92 MPa

Risposta

τθ = 29,92 MPa
11.Freccia della trave

Risposta: δmax = 3,995 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 = 8 N/mm, L = 1500 mm
EI = 1,32 × 10¹¹ N·mm²

Freccia

δmax = 5wL⁴/(384EI) = 5·8·1500⁴/(384·1,32 × 10¹¹) = 3,995 mm

Risposta

δmax = 3,995 mm
12.Freccia della trave

Risposta: δmax = 20,87 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 = 28000 N, w = 20 N/mm, L = 2500 mm, EI = 9,24 × 10¹¹ N·mm²

Ciascun carico da solo

δP = PL³/(48EI) = 28000·2500³/(48·9,24 × 10¹¹) = 9,864 mm
δw = 5wL⁴/(384EI) = 5·20·2500⁴/(384·9,24 × 10¹¹) = 11,01 mm

Sommale

δmax = 9,864 + 11,01 = 20,87 mm

Risposta

δmax = 20,87 mm
13.Instabilità delle colonne

Risposta: Pcr = 14,21 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

Un rettangolo sbanda attorno al suo asse debole, usando il cubo della dimensione minore.

Imin = h·b³/12 = 80·30³/12 = 180000 mm⁴

Lunghezza libera d’inflessione

KL = 2·2500 = 5000 mm

Carico critico

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·180000/5000² = 14212 N = 14,21 kN

Risposta

Pcr = 14,21 kN
14.Instabilità delle colonne

Risposta: d = 32,83 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 = 2,5·45000 = 112500 N
KL = 1·1000 = 1000 mm

Risolvi per il diametro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·112500·1000²/(π³·200000))^(1/4) = 32,83 mm

Risposta

d = 32,83 mm

Verifica: la snellezza KL/r è 121,9, quindi la colonna è snella e vale Eulero.

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechanics-of-materials