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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
Disegna un diagramma di corpo libero e sostituisci ogni vincolo con le sue reazioni.
Sostituisci ogni carico distribuito con un’unica forza applicata nel suo baricentro.
Calcola i momenti rispetto a un vincolo per trovare la reazione nell’altro.
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
Trova le reazioni vincolari dall’equilibrio dell’intera trave.
Taglia la trave nella sezione che ti serve e considera una sola parte.
Taglio: somma delle forze verticali su quella parte. Momento flettente: somma dei loro momenti rispetto alla sezione di taglio.
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
Trova le reazioni vincolari dell’intera travatura reticolare.
Metodo dei nodi: parti da un nodo con al massimo due sforzi incogniti nelle aste e usa ΣFx = 0 e ΣFy = 0.
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.
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
La trave semplicemente appoggiata ha una cerniera in A e un carrello in B. Porta un carico concentrato P a 7 m da A e una coppia antioraria M a 4 m da A. Trova la reazione verticale RB, considerando positivo il verso verso l’alto.
L = 8 mP = 25 kN in 7 mM = 15 kN·m (antioraria) in 4 m
RB = kN
2.Reazioni vincolari delle traviDifficile
La trave semplicemente appoggiata ha una cerniera in A e un carrello in B. Un carico P agisce a 0,5 m da A, inclinato di 30° 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 = 5 mP = 75 kN in 0,5 m, θ = 30°Q = 30 kN in 3 m
RA = kN
3.Taglio e momento flettenteMedia
Trova il momento flettente Mx nella sezione x = 3,5 m dall’appoggio A. Considera positivi i momenti che tendono le fibre inferiori e positivo il taglio verso l’alto sulla faccia sinistra.
L = 10 mw = 2 kN/m da 0 a 10 mx = 3,5 m
Mx = kN·m
4.Taglio e momento flettenteDifficile
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.
25 kN @ 0 m40 kN @ 12 m10 kN @ 6 m12 kN/m, 2–8 m
1A (x = 0 m)
2B (x = 2 m)
3C (x = 4 m)
4D (x = 6 m)
5E (x = 8 m)
6F (x = 10 m)
7G (x = 12 m)
5.Travatura: metodo dei nodiMedia
Esattamente un’asta di questa travatura non porta alcuno sforzo con questi carichi. Qual è l’asta scarica? Cliccala nel diagramma.
B: 15 kN ↓D: 30 kN ↓G: 20 kN ↓H: 10 kN ↓
1asta AB
2asta BC
3asta CD
4asta DE
5asta FG
6asta GH
7asta AF
8asta HE
9asta BF
10asta CG
11asta DH
12asta BG
13asta DG
6.Travatura: metodo dei nodiDifficile
Usa il metodo dei nodi per trovare la forza FAB nell’asta AB. Indica la trazione come positiva e la compressione come negativa.
luce = 4 maltezza = 3 mB è a 1 m da Acarico verticale = 45 kNcarico orizzontale = 5 kN →
FAB = kN
7.Freccia della traveMedia
Una trave semplicemente appoggiata porta un carico uniformemente distribuito w su tutta la luce. Trova la freccia massima δmax, in mezzeria.
w = 15 kN/mL = 2 mE = 70 GPa (alluminio)I = 12 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
8.Freccia della traveDifficile
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 = 13 kNw = 20 kN/mL = 4 mE = 200 GPa (acciaio)I = 8,5 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
9.Instabilità delle colonneMedia
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 = 3 mE = 200 GPa (acciaio)d = 50 mm
Pcr = kN
10.Instabilità delle colonneDifficile
Una colonna tonda piena di lunghezza L in acciaio è incastrata alla base e incernierata in cima. Deve portare 30 kN con un coefficiente di sicurezza di 2,5 contro l’instabilità. Trova il diametro minimo d.
P = 30 kNn = 2,5L = 4 mE = 200 GPa (acciaio)
d = mm
3Soluzioni
1.Reazioni vincolari delle travi
Risposta: RB = 20 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·8 − 25·7 + 15 = 0
RB = 160/8 = 20 kN
Equilibrio verticale
RA = 25 − 20 = 5 kN
Risposta
RB = 20 kN
Una reazione negativa agisce verso il basso.
2.Reazioni vincolari delle travi
Risposta: RA = 79,45 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 30° = 37,5 kN
Ph = 75·cos 30° = 64,95 kN
Reazioni
ΣMA = 0: RB·5 = 37,5·0,5 + 30·3 → RB = 21,75 kN
Ay = 37,5 + 30 − 21,75 = 45,75 kN
Ax = Ph = 64,95 kN
Risultante in A
RA = √(64,95² + 45,75²) = 79,45 kN
Risposta
RA = 79,45 kN
3.Taglio e momento flettente
Risposta: Mx = 22,75 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 = 2·10 = 20 kN, applicata in x̄ = 5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 2·10·5
RB = 100/10 = 10 kN
ΣFy = 0: RA = 20 − 10 = 10 kN
Taglia in x = 3,5 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 = 10·3,5 − 2·3,5·1,75 = 22,75 kN·m
Risposta
Mx = 22,75 kN·m
4.Taglio e momento flettente
Risposta: E (x = 8 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 = 46 kN, R2 = 101 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 = −50, MC = −32, MD = −62, ME = −160 kN·m, MF = −80, MG = 0
Risposta
Punto E: ME = −160 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 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).
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.
Reazioni vincolari
Equilibrio dell’intera travatura. Momenti rispetto ad A, positivi in senso antiorario.
ΣMA = 0: Cy·4 = 45·1 + 5·3 → Cy = 15 kN
ΣFy = 0: Ay = 45 − 15 = 30 kN
ΣFx = 0: Ax = −5 kN
Nodo A
Supponi che ogni asta sia in trazione (che tiri via dal nodo). Solo AB ha una componente verticale in A.
sin α = 3/3,162 = 0,9487
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −30/0,9487 = −31,62 kN
Risposta
FAB = −31,62 kN (compressione)
7.Freccia della trave
Risposta: δmax = 3,72 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 = 15 N/mm, L = 2000 mm
EI = 8,4 × 10¹¹ N·mm²
Freccia
δmax = 5wL⁴/(384EI) = 5·15·2000⁴/(384·8,4 × 10¹¹) = 3,72 mm
Risposta
δmax = 3,72 mm
8.Freccia della trave
Risposta: δmax = 49,41 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 = 20 N/mm, L = 4000 mm, EI = 1,7 × 10¹² N·mm²
Ciascun carico da solo
δP = PL³/(48EI) = 13000·4000³/(48·1,7 × 10¹²) = 10,2 mm
δw = 5wL⁴/(384EI) = 5·20·4000⁴/(384·1,7 × 10¹²) = 39,22 mm
Sommale
δmax = 10,2 + 39,22 = 49,41 mm
Risposta
δmax = 49,41 mm
9.Instabilità delle colonne
Risposta: Pcr = 67,29 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.
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 = 2,5·30000 = 75000 N
KL = 0,7·4000 = 2800 mm
Risolvi per il diametro
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·75000·2800²/(π³·200000))^(1/4) = 49,63 mm
Risposta
d = 49,63 mm
Verifica: la snellezza KL/r è 225,7, quindi la colonna è snella e vale Eulero.