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
w = 3 kN/mP = 25 kNABMA​ = ?2,5 m1,5 m

La trave a mensola è incastrata alla parete in A. Porta un carico uniformemente distribuito w su tutta la lunghezza e un carico concentrato P a 2,5 m dalla parete. Trova il modulo del momento di reazione MA alla parete.

L = 4 mP = 25 kN in 2,5 mw = 3 kN/m da 0 a 4 m
MA = kN·m
2.Reazioni vincolari delle traviDifficile
P = 20 kN, 50°Q = 55 kNABRA​ = ?3 m5 m2 m

La trave semplicemente appoggiata ha una cerniera in A e un carrello in B. Un carico P agisce a 8 m da A, inclinato di 50° rispetto all’orizzontale, e un carico verticale Q agisce a 3 m da A. Trova il modulo della reazione totale RA nella cerniera A.

L = 10 mP = 20 kN in 8 m, θ = 50°Q = 55 kN in 3 m
RA = kN
3.Taglio e momento flettenteMedia
w = 4 kN/mP = 55 kNAB0,5 m4,5 m

La mensola è incastrata in A. Porta un carico uniformemente distribuito w su tutta la lunghezza e un carico concentrato P a 0,5 m da A. Trova il momento flettente MA all’incastro A. Considera positivi i momenti che tendono le fibre inferiori e positivo il taglio verso l’alto sulla faccia sinistra.

L = 5 mP = 55 kN in 0,5 mw = 4 kN/m da 0 a 5 m
MA = kN·m
4.Taglio e momento flettenteDifficile
w = 2 kN/mP = 25 kNABsezione2,5 m1,5 m

Trova il momento flettente Mx nella sezione x = 2,5 m dall’appoggio A. Considera positivi i momenti che tendono le fibre inferiori e positivo il taglio verso l’alto sulla faccia sinistra.

L = 4 mP = 25 kN in 2,5 mw = 2 kN/m da 0 a 4 mx = 2,5 m
Mx = kN·m
5.Travatura: metodo dei nodiMedia
ABCDEFGH35 kN40 kN35 kN30 kN25 kN4 × 3 m4 m

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

B: 35 kN ↓C: 40 kN ↓D: 35 kN ↓F: 30 kN ↓H: 25 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
ABCDEFGH30 kN25 kN20 kN30 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.

D: 30 kN ↓F: 25 kN ↓F: 20 kN →H: 30 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 BG
  13. 13asta DG
7.Freccia della traveMedia
P = 29 kNABδ1 m2 m

Una mensola di lunghezza L è incastrata in A e porta un carico concentrato P a una distanza a = 1 m da A. Trova la freccia δP sotto il carico.

P = 29 kNa = 1 mL = 3 mE = 11 GPa (legno strutturale)I = 12 × 10⁶ mm⁴
δP = mm
8.Freccia della traveDifficile
w = 10 kN/mP = 8 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 = 8 kNw = 10 kN/mL = 2,5 mE = 11 GPa (legno strutturale)I = 12 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
9.Instabilità delle colonneMedia
PL = 2,5 md = 50 mmsezione trasversale

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

L = 2,5 mE = 200 GPa (acciaio)d = 50 mm
Pcr = kN
10.Instabilità delle colonneDifficile
P = 120 kNL = 2 md = ?sezione trasversale

Una colonna tonda piena di lunghezza L in alluminio è incernierata a entrambi gli estremi. Deve portare 120 kN con un coefficiente di sicurezza di 3 contro l’instabilità. Trova il diametro minimo d.

P = 120 kNn = 3L = 2 mE = 70 GPa (alluminio)
d = mm

3Soluzioni

1.Reazioni vincolari delle travi

Risposta: MA = 86,5 kN·m

Equilibrio della mensola: un incastro può spingere verso l’alto e anche impedire la rotazione, quindi dà una reazione verticale RA e un momento di reazione MA. ΣFy = 0 dà RA, e i momenti rispetto alla parete danno MA = Σ(carico × distanza dalla parete). Un carico distribuito agisce come la sua risultante nel baricentro del diagramma di carico.

Risultante del carico distribuito

W = 3·4 = 12 kN, x̄ = 2 m

Momento rispetto alla parete

MA = P·a + W·x̄ = 25·2,5 + 12·2 = 86,5 kN·m

Risposta

MA = 86,5 kN·m
2.Reazioni vincolari delle travi

Risposta: RA = 43,51 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 = 20·sin 50° = 15,32 kN
Ph = 20·cos 50° = 12,86 kN

Reazioni

ΣMA = 0: RB·10 = 15,32·8 + 55·3 → RB = 28,76 kN
Ay = 15,32 + 55 − 28,76 = 41,56 kN
Ax = Ph = 12,86 kN

Risultante in A

RA = √(12,86² + 41,56²) = 43,51 kN

Risposta

RA = 43,51 kN
3.Taglio e momento flettente

Risposta: MA = −77,5 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.

Tieni la parte dell’estremo libero

P: −55·0,5 = −27,5 kN·m
w: −4·5²/2 = −50 kN·m
MA = −27,5 − 50 = −77,5 kN·m

Risposta

MA = −77,5 kN·m

Negativo significa fibre superiori tese: trazione sulla faccia superiore.

4.Taglio e momento flettente

Risposta: Mx = 27,19 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 = 2·4 = 8 kN, applicata in x̄ = 2 m
ΣMA = 0: RB·4 = 25·2,5 + 2·4·2
RB = 78,5/4 = 19,63 kN
ΣFy = 0: RA = 33 − 19,63 = 13,38 kN
w = 2 kN/mP = 25 kNABRA​ = 13,38RB​ = 19,63sezione2,5 m1,5 m

Taglia in x = 2,5 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 = 13,38·2,5 − 2·2,5·1,25 = 27,19 kN·m

Risposta

Mx = 27,19 kN·m
5.Travatura: metodo dei nodi

Risposta: asta CG

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 G

FG e GH stanno su una sola retta e il nodo non porta alcun carico. Equilibrare le forze perpendicolarmente a quella retta lascia solo CG.

ΣF⊥ = 0 → FCG = 0

Verifica con il metodo dei nodi

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

AB: 62,81 kN (T), BC: 62,81 kN (T), CD: 60,94 kN (T), DE: 60,94 kN (T), FG: 76,88 kN (C), GH: 76,88 kN (C), AF: 104,7 kN (C), HE: 101,6 kN (C), BF: 35 kN (T), CG: 0, DH: 35 kN (T), FC: 23,44 kN (T), HC: 26,56 kN (T)

Risposta

Asta scarica: CG
6.Travatura: metodo dei nodi

Risposta: asta CG

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 C

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

ΣF⊥ = 0 → FCG = 0

Verifica con il metodo dei nodi

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

AB: 60 kN (T), BC: 66,67 kN (T), CD: 66,67 kN (T), DE: 73,33 kN (T), FG: 60 kN (C), GH: 73,33 kN (C), AF: 50 kN (C), HE: 91,67 kN (C), BF: 5 kN (T), CG: 0, DH: 25 kN (T), BG: 8,333 kN (C), DG: 8,333 kN (T)

Risposta

Asta scarica: CG
7.Freccia della trave

Risposta: δP = 73,23 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 = 29000 N, a = 1000 mm, L = 3000 mm
EI = 1,32 × 10¹¹ N·mm²

Freccia sotto il carico

δP = Pa³/(3EI) = 29000·1000³/(3·1,32 × 10¹¹) = 73,23 mm

Risposta

δP = 73,23 mm
8.Freccia della trave

Risposta: δmax = 58,26 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 = 2500 mm, EI = 1,32 × 10¹¹ N·mm²

Ciascun carico da solo

δP = PL³/(48EI) = 8000·2500³/(48·1,32 × 10¹¹) = 19,73 mm
δw = 5wL⁴/(384EI) = 5·10·2500⁴/(384·1,32 × 10¹¹) = 38,53 mm

Sommale

δmax = 19,73 + 38,53 = 58,26 mm

Risposta

δmax = 58,26 mm
9.Instabilità delle colonne

Risposta: Pcr = 197,7 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 = π²·200000·306796/1750² = 197744 N = 197,7 kN

Risposta

Pcr = 197,7 kN
10.Instabilità delle colonne

Risposta: d = 80,72 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 = 3·120000 = 360000 N
KL = 1·2000 = 2000 mm

Risolvi per il diametro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·360000·2000²/(π³·70000))^(1/4) = 80,72 mm

Risposta

d = 80,72 mm

Verifica: la snellezza KL/r è 99,1, quindi la colonna è snella e vale Eulero.

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