Analisi delle strutture: pacchetto last-minute

Formulari, i passaggi chiave del metodo per ogni argomento e 10 esercizi, con le soluzioni complete in fondo.

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1Formule e metodi

Reazioni vincolari delle travi

Equilibrio
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
Carico uniforme
risultante w·L al centro del carico
Momento
M = F·d

Metodo

  1. Disegna un diagramma di corpo libero e sostituisci ogni vincolo con le sue reazioni.
  2. Sostituisci ogni carico distribuito con un’unica forza applicata nel suo baricentro.
  3. Calcola i momenti rispetto a un vincolo per trovare la reazione nell’altro.
  4. Usa ΣFy = 0 per trovare la reazione rimanente e verifica con una seconda equazione dei momenti.

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.

Travatura: metodo dei nodi

Metodo dei nodi
ΣFx = 0, ΣFy = 0 at each joint
Metodo delle sezioni
ΣM = 0 about a cut point
Sforzo nell’asta
positivo = trazione, negativo = compressione

Metodo

  1. Trova le reazioni vincolari dell’intera travatura reticolare.
  2. Metodo dei nodi: parti da un nodo con al massimo due sforzi incogniti nelle aste e usa ΣFx = 0 e ΣFy = 0.
  3. Metodo delle sezioni (di Ritter): taglia l’asta che ti serve e calcola i momenti rispetto al punto in cui si incontrano le altre aste incognite.
  4. Ipotizza trazione; una risposta negativa significa compressione.

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.Reazioni vincolari delle traviMedia
P = 70 kNM = 60 kN·mABRA​ = ?0,5 m1 m2,5 m

La trave semplicemente appoggiata ha una cerniera in A e un carrello in B. Porta un carico concentrato P a 0,5 m da A e una coppia oraria M a 1,5 m da A. Trova la reazione verticale RA, considerando positivo il verso verso l’alto.

L = 4 mP = 70 kN in 0,5 mM = 60 kN·m (oraria) in 1,5 m
RA = kN
2.Reazioni vincolari delle traviDifficile
P = 75 kN, 40°Q = 10 kNABRA​ = ?0,5 m3,5 m2 m

La trave semplicemente appoggiata ha una cerniera in A e un carrello in B. Un carico P agisce a 4 m da A, inclinato di 40° rispetto all’orizzontale, e un carico verticale Q agisce a 0,5 m da A. Trova il modulo della reazione totale RA nella cerniera A.

L = 6 mP = 75 kN in 4 m, θ = 40°Q = 10 kN in 0,5 m
RA = kN
3.Taglio e momento flettenteMedia
60 kN35 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.

60 kN @ 3 m35 kN @ 2 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)
4.Taglio e momento flettenteDifficile
6 kN/m30 kN60 kNABCDEFG2 m2 m2 m2 m2 m2 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.

30 kN @ 12 m60 kN @ 2 m6 kN/m, 0–10 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 2 m)
  3. 3C (x = 4 m)
  4. 4D (x = 6 m)
  5. 5E (x = 8 m)
  6. 6F (x = 10 m)
  7. 7G (x = 12 m)
5.Travatura: metodo dei nodiMedia
ABCDEFGH20 kN35 kN20 kN40 kN35 kN4 × 4 m3 m

Esattamente un’asta di questa travatura non porta alcuno sforzo con questi carichi. Qual è l’asta scarica? Cliccala nel diagramma.

B: 20 kN ↓C: 35 kN ↓F: 20 kN ↓G: 40 kN ↓H: 35 kN ↓
  1. 1asta AB
  2. 2asta BC
  3. 3asta CD
  4. 4asta DE
  5. 5asta FG
  6. 6asta GH
  7. 7asta AF
  8. 8asta HE
  9. 9asta BF
  10. 10asta CG
  11. 11asta DH
  12. 12asta FC
  13. 13asta HC
6.Travatura: metodo dei nodiDifficile
ABBCACACB25 kN30 kN5 m2 m3 m

Usa il metodo dei nodi per trovare la forza FBC nell’asta BC. Indica la trazione come positiva e la compressione come negativa.

luce = 5 maltezza = 3 mB è a 2 m da Acarico verticale = 25 kNcarico orizzontale = 30 kN ←
FBC = kN
7.Freccia della traveMedia
w = 4 kN/mABθ5 m

Una trave semplicemente appoggiata porta un carico uniformemente distribuito w su tutta la luce. Trova la rotazione θA della trave all’appoggio A, in radianti.

w = 4 kN/mL = 5 mE = 11 GPa (legno strutturale)I = 120 × 10⁶ mm⁴
θA = rad
8.Freccia della traveDifficile
w = 10 kN/mP = 8 kNδL = 4 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 = 8 kNw = 10 kN/mL = 4 mE = 70 GPa (alluminio)I = 36 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
9.Instabilità delle colonneMedia
PL = 3 md = 40 mmsezione trasversale

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

L = 3 mE = 70 GPa (alluminio)d = 40 mm
Pcr = kN
10.Instabilità delle colonneDifficile
PL = 5 md = 60 mmsezione trasversale

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

L = 5 mE = 200 GPa (acciaio)d = 60 mm
σcr = MPa

3Soluzioni

1.Reazioni vincolari delle travi

Risposta: RA = 46,25 kN

Equilibrio statico: un corpo in quiete ha ΣFx = 0, ΣFy = 0 e ΣM = 0 rispetto a qualsiasi punto. Sostituisci ogni carico distribuito con la sua risultante (la sua area) applicata nel baricentro del diagramma di carico, e fai l’equilibrio dei momenti rispetto a un appoggio per eliminare dall’equazione la reazione di quell’appoggio.

Momenti rispetto ad A

Positivo in senso antiorario.

ΣMA = 0: RB·4 − 70·0,5 − 60 = 0
RB = 95/4 = 23,75 kN

Equilibrio verticale

RA = 70 − 23,75 = 46,25 kN

Risposta

RA = 46,25 kN

Una reazione negativa agisce verso il basso.

2.Reazioni vincolari delle travi

Risposta: RA = 62,75 kN

Equilibrio statico: un corpo in quiete ha ΣFx = 0, ΣFy = 0 e ΣM = 0 rispetto a qualsiasi punto. Sostituisci ogni carico distribuito con la sua risultante (la sua area) applicata nel baricentro del diagramma di carico, e fai l’equilibrio dei momenti rispetto a un appoggio per eliminare dall’equazione la reazione di quell’appoggio.

Componenti di P

Pv = 75·sin 40° = 48,21 kN
Ph = 75·cos 40° = 57,45 kN

Reazioni

ΣMA = 0: RB·6 = 48,21·4 + 10·0,5 → RB = 32,97 kN
Ay = 48,21 + 10 − 32,97 = 25,24 kN
Ax = Ph = 57,45 kN

Risultante in A

RA = √(57,45² + 25,24²) = 62,75 kN

Risposta

RA = 62,75 kN
3.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 = 53,33 kN, R2 = 41,67 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 = 53,33, MC = 106,7, MD = 125 kN·m, ME = 83,33, MF = 41,67, MG = 0

Risposta

Punto D: MD = 125 kN·m
4.Taglio e momento flettente

Risposta: B (x = 2 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 = 72 kN, R2 = 78 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 = 132 kN·m, MC = 120, MD = 84, ME = 24, MF = −60, MG = 0

Risposta

Punto B: MB = 132 kN·m
5.Travatura: metodo dei nodi

Risposta: asta DH

Aste scariche: in un nodo, le forze devono equilibrarsi in ogni direzione. Se un nodo non ha carico né appoggio, e due delle sue tre aste sono allineate, allora l’equilibrio perpendicolare a quella retta coinvolge solo la terza asta, quindi il suo sforzo è zero. Se in un nodo scarico si incontrano solo due aste non allineate, entrambe sono scariche.

Nodo D

CD e DE stanno su una sola retta e il nodo non porta alcun carico. Equilibrare le forze perpendicolarmente a quella retta lascia solo DH.

ΣF⊥ = 0 → FDH = 0

Verifica con il metodo dei nodi

Risolvendo tutti i nodi si ottengono questi sforzi nelle aste (T = trazione, C = compressione).

AB: 101,7 kN (T), BC: 101,7 kN (T), CD: 98,33 kN (T), DE: 98,33 kN (T), FG: 150 kN (C), GH: 150 kN (C), AF: 127,1 kN (C), HE: 122,9 kN (C), BF: 20 kN (T), CG: 40 kN (C), DH: 0, FC: 60,42 kN (T), HC: 64,58 kN (T)

Risposta

Asta scarica: DH
6.Travatura: metodo dei nodi

Risposta: FBC = 11,31 kN

Metodo dei nodi: ogni nodo di una travatura è in equilibrio, quindi ΣFx = 0 e ΣFy = 0 in ogni nodo. Inizia da un nodo con al massimo due forze incognite. Un risultato negativo significa che l’asta è compressa.

ABBCACACB25 kN30 kNAy​Cy​Ax​

Reazioni vincolari

Equilibrio dell’intera travatura. Momenti rispetto ad A, positivi in senso antiorario.

ΣMA = 0: Cy·5 = 25·2 − 30·3 → Cy = −8 kN
ΣFy = 0: Ay = 25 − −8 = 33 kN
ΣFx = 0: Ax = 30 kN

Nodo C

Il carrello dà solo una reazione verticale, quindi il nodo C ha solo due forze incognite nelle aste. Supponi entrambe in trazione.

sin γ = 3/4,243 = 0,7071, cos γ = 3/4,243 = 0,7071
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −−8/0,7071 = 11,31 kN

Risposta

FBC = 11,31 kN (trazione)
7.Freccia della trave

Risposta: θA = 0,01578 rad

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). La rotazione θ = dv/dx è il primo integrale di M/(EI); in unità coerenti risulta in radianti.

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 = 4 N/mm, L = 5000 mm
EI = 1,32 × 10¹² N·mm²

Rotazione all’estremo

θA = wL³/(24EI) = 4·5000³/(24·1,32 × 10¹²) = 0,01578 rad

Risposta

θA = 0,01578 rad

Cioè 0,9043°.

8.Freccia della trave

Risposta: δmax = 17,46 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 = 8000 N, w = 10 N/mm, L = 4000 mm, EI = 2,52 × 10¹² N·mm²

Ciascun carico da solo

δP = PL³/(48EI) = 8000·4000³/(48·2,52 × 10¹²) = 4,233 mm
δw = 5wL⁴/(384EI) = 5·10·4000⁴/(384·2,52 × 10¹²) = 13,23 mm

Sommale

δmax = 4,233 + 13,23 = 17,46 mm

Risposta

δmax = 17,46 mm
9.Instabilità delle colonne

Risposta: Pcr = 38,59 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Lunghezza libera d’inflessione

KL = 0,5·3000 = 1500 mm

Carico critico

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·125664/1500² = 38586 N = 38,59 kN

Risposta

Pcr = 38,59 kN
10.Instabilità delle colonne

Risposta: σcr = 36,26 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 = 0,7·5000 = 3500 mm
KL/r = 3500/15 = 233,3

Tensione critica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/233,3² = 36,26 MPa

Risposta

σcr = 36,26 MPa

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