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 = 35 kNABRA​ = ?3 m1 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 3 m dalla parete. Trova la reazione verticale RA alla parete.

L = 4 mP = 35 kN in 3 mw = 3 kN/m da 0 a 4 m
RA = kN
2.Reazioni vincolari delle traviDifficile
P = 55 kN, 30°Q = 55 kNABRA​ = ?4 m5 m1 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 30° rispetto all’orizzontale, e un carico verticale Q agisce a 9 m da A. Trova il modulo della reazione totale RA nella cerniera A.

L = 10 mP = 55 kN in 4 m, θ = 30°Q = 55 kN in 9 m
RA = kN
3.Taglio e momento flettenteMedia
15 kN/m50 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.

50 kN @ 2 m15 kN/m, 0–4 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
w = 10 kN/mAB2 m3 m

La trave semplicemente appoggiata porta un carico uniformemente distribuito su una parte della luce. Trova il momento flettente massimo Mmax nella trave.

L = 5 mw = 10 kN/m da 0 a 2 m
Mmax = kN·m
5.Travatura: metodo dei nodiMedia
ABBCACACB40 kN8 m1 m2 m

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

luce = 8 maltezza = 2 mB è a 1 m da Acarico verticale = 40 kN
FAC = kN
6.Travatura: metodo dei nodiDifficile
ABCDEFGH10 kN25 kN20 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.

G: 10 kN ↓H: 25 kN ↓H: 20 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
w = 15 kN/mP = 13 kNABδ1,5 m

Una mensola porta un carico uniformemente distribuito w su tutta la lunghezza e un carico concentrato P all’estremo libero. Usando la sovrapposizione, trova la freccia δ all’estremo libero.

P = 13 kNw = 15 kN/mL = 1,5 mE = 200 GPa (acciaio)I = 84 × 10⁶ mm⁴
δ = mm
8.Freccia della traveDifficile
w = 2 kN/mP = 6 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 = 6 kNw = 2 kN/mL = 2,5 mE = 11 GPa (legno strutturale)I = 23 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
9.Instabilità delle colonneMedia
PL = 1,5 md = 30 mmsezione trasversale

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

L = 1,5 mE = 200 GPa (acciaio)d = 30 mm
Pcr = kN
10.Instabilità delle colonneDifficile
P = 120 kNL = 5 md = ?sezione trasversale

Una colonna tonda piena di lunghezza L in alluminio è incastrata a entrambi gli estremi. Deve portare 120 kN con un coefficiente di sicurezza di 2,5 contro l’instabilità. Trova il diametro minimo d.

P = 120 kNn = 2,5L = 5 mE = 70 GPa (alluminio)
d = mm

3Soluzioni

1.Reazioni vincolari delle travi

Risposta: RA = 47 kN

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

Equilibrio verticale

RA = P + W = 35 + 12 = 47 kN

Risposta

RA = 47 kN
2.Reazioni vincolari delle travi

Risposta: RA = 52,47 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 = 55·sin 30° = 27,5 kN
Ph = 55·cos 30° = 47,63 kN

Reazioni

ΣMA = 0: RB·10 = 27,5·4 + 55·9 → RB = 60,5 kN
Ay = 27,5 + 55 − 60,5 = 22 kN
Ax = Ph = 47,63 kN

Risultante in A

RA = √(47,63² + 22²) = 52,47 kN

Risposta

RA = 52,47 kN
3.Taglio e momento flettente

Risposta: C (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 = 73,33 kN, R2 = 36,67 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 = 65,83, MC = 116,7 kN·m, MD = 102,5, ME = 73,33, MF = 36,67, MG = 0

Risposta

Punto C: MC = 116,7 kN·m
4.Taglio e momento flettente

Risposta: Mmax = 12,8 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. 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.

Risultante del carico distribuito: W = w·ℓ = 10·2 = 20 kN, applicata in x̄ = 1 m
ΣMA = 0: RB·5 = 10·2·1
RB = 20/5 = 4 kN
ΣFy = 0: RA = 20 − 4 = 16 kN

Taglio nullo

Il taglio parte da RA, resta costante su ogni tratto scarico e diminuisce con pendenza w all’interno del carico.

RA − w·(x0 − 0) = 0
x0 = 0 + 16/10 = 1,6 m

Momento massimo

Mmax = RA·x0 − w·(x0 − 0)²/2 = 16·1,6 − 10·1,6²/2 = 12,8 kN·m

Risposta

Mmax = 12,8 kN·m
5.Travatura: metodo dei nodi

Risposta: FAC = 17,5 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.

ABBCACACB40 kNAy​Cy​

Reazioni vincolari

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

ΣMA = 0: Cy·8 = 40·1 → Cy = 5 kN
ΣFy = 0: Ay = 40 − 5 = 35 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 = 2/7,28 = 0,2747, cos γ = 7/7,28 = 0,9615
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −5/0,2747 = −18,2 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−18,2)·0,9615 = 17,5 kN

Risposta

FAC = 17,5 kN (trazione)
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: 6,563 kN (C), BC: 6,875 kN (T), CD: 6,875 kN (T), DE: 12,81 kN (T), FG: 13,44 kN (C), GH: 32,81 kN (C), AF: 22,4 kN (C), HE: 21,35 kN (C), BF: 17,92 kN (T), CG: 0, DH: 7,917 kN (C), BG: 22,4 kN (C), DG: 9,896 kN (T)

Risposta

Asta scarica: CG
7.Freccia della trave

Risposta: δ = 1,436 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 = 13000 N, w = 15 N/mm, L = 1500 mm
EI = 1,68 × 10¹³ N·mm²

Ciascun carico da solo

δP = PL³/(3EI) = 13000·1500³/(3·1,68 × 10¹³) = 0,8705 mm
δw = wL⁴/(8EI) = 15·1500⁴/(8·1,68 × 10¹³) = 0,565 mm

Sommale

δ = 0,8705 + 0,565 = 1,436 mm

Risposta

δ = 1,436 mm
8.Freccia della trave

Risposta: δmax = 11,74 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 = 6000 N, w = 2 N/mm, L = 2500 mm, EI = 2,53 × 10¹¹ N·mm²

Ciascun carico da solo

δP = PL³/(48EI) = 6000·2500³/(48·2,53 × 10¹¹) = 7,72 mm
δw = 5wL⁴/(384EI) = 5·2·2500⁴/(384·2,53 × 10¹¹) = 4,021 mm

Sommale

δmax = 7,72 + 4,021 = 11,74 mm

Risposta

δmax = 11,74 mm
9.Instabilità delle colonne

Risposta: Pcr = 34,88 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·30⁴/64 = 39761 mm⁴

Lunghezza libera d’inflessione

KL = 1·1500 = 1500 mm

Carico critico

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·39761/1500² = 34882 N = 34,88 kN

Risposta

Pcr = 34,88 kN
10.Instabilità delle colonne

Risposta: d = 86,23 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 = 2,5·120000 = 300000 N
KL = 0,5·5000 = 2500 mm

Risolvi per il diametro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·300000·2500²/(π³·70000))^(1/4) = 86,23 mm

Risposta

d = 86,23 mm

Verifica: la snellezza KL/r è 116, quindi la colonna è snella e vale Eulero.

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