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wikipaom2018:lez_2018-03-06 [2018/03/19 09:07] – [RICHIAMI DELLA TEORIA DELLA TRAVE: SFORZO NORMALE E MOMENTO FLETTENTE] 204676 | wikipaom2018:lez_2018-03-06 [2018/04/26 15:40] (versione attuale) – ebertocchi | ||
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Linea 1: | Linea 1: | ||
+ | ===== RICHIAMI DELLA TEORIA DELLA TRAVE: SFORZO NORMALE E MOMENTO FLETTENTE ===== | ||
+ | a cura di Matteo Montagnani, Edoardo Maletti, Francesco Casini e Maria Giordano | ||
+ | Si considerino note le caratteristiche di un corpo deformabile assimilabile a una trave come il suo asse baricentrico e le sezioni ad esso ortogonali; si stabilisce un orientamento sull’asse cosicché, per ogni concio di trave, sia possibile individuare il versore k dell’asse z il cui orientamento è concorde su ognuna delle due facce del concio preso in esame. | ||
+ | |||
+ | Si consideri un sistema di riferimento baricentrico arbitrario (x,y,z) imponendo la direzione z positiva come definito sopra; con l’ausilio di un vettore v̅ qualsiasi, quindi per definizione non parallelo all’asse baricentrico, | ||
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+ | {{ : | ||
+ | |||
+ | Sulla faccia opposta del concio a quella considerata conviene costruire un sistema di riferimento controrientato a quello precedentemente, | ||
+ | |||
+ | Supponiamo ora di caricare con un certo sistema di forze genericamente definito la trave che conseguentemente, | ||
+ | |||
+ | Chiamo allora: | ||
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+ | * σ< | ||
+ | * τ< | ||
+ | * τ< | ||
+ | |||
+ | {{ : | ||
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+ | Per garantire l’equilibrio alla traslazione in direzione orizzontale (z) occorre che le σ delle due facce opposte siano uguali in modulo ma di verso opposto. | ||
+ | |||
+ | Per garantire l’equilibrio alla traslazione in direzione verticale (x se si osserva il cubetto sul piano (x,z), y se si osserva dal piano (y,z)) occorre che le τ delle due facce opposte siano uguali in modulo ma di verso opposto. | ||
+ | |||
+ | A questo punto occorre imporre delle τ sulla faccia superiore e su quella inferiore tali che permettano di rispettare l’equilibrio alla rotazione, tali τ saranno di modulo uguali a quelle che agiscono sulla faccia z ma tali da produrre una rotazione nel verso contrario; si noti che queste τ agiscono sulle facce x e y in direzione z, si può perciò dedurre che τ< | ||
+ | |||
+ | Per la trave le tre tensioni σ< | ||
+ | |||
+ | Supponiamo di calcolare un sistema di forze equivalente a quello che agisce sulla sezione considerata esprimendolo tramite le tensioni precedentemente definite. | ||
+ | |||
+ | Posso allora andare a definire una sollecitazione di sforzo normale (N) e due sollecitazioni di taglio (S< | ||
+ | |||
+ | \[N = \int\int _{A} \sigma_{z}\cdot dA\] | ||
+ | |||
+ | \[S_{x} = \int\int _{A} \tau _{zx}\cdot dA\] | ||
+ | |||
+ | \[S_{y} = \int\int _{A} \tau _{zy}\cdot dA\] | ||
+ | |||
+ | Di queste solo lo sforzo normale è applicato al baricentro mentre le due sollecitazioni di taglio sono applicate al centro di taglio il che assicura l’equilibrio torsionale della trave. | ||
+ | |||
+ | Tramite le tensioni applicate alla sezione posso andare a definire anche tre momenti, presi positivi se orientati nello stesso verso degli assi della terna di riferimento, | ||
+ | |||
+ | \[M_{x} = \int\int _{A} \sigma _{z}\cdot y \cdot dA\] | ||
+ | |||
+ | \[M_{y} = \int\int _{A} -\sigma _{z}\cdot x \cdot dA\] | ||
+ | |||
+ | \[M_{t} =M_{z} = \int\int _{A} \left [ \tau _{zy} \cdot \left ( x-x_{c} \right )- \tau _{zx} \cdot \left ( y-y_{c} \right ) \right ] \cdot dA\] | ||
+ | |||
+ | Dove (x< | ||
+ | |||
+ | {{ : | ||
+ | |||
+ | Dopo aver definito le caratteristiche di sollecitazione che vanno a sollecitare la trave occorre definire lo stato tensionale indotto da queste, se il corpo è costituito da un materiale deformabile, | ||
+ | |||
+ | La teoria dell’elasticità esprime gli stati tensionali e deformativi di numerosi corpi tuttavia le formule risolutive non sono sempre calcolabili con facilità o, nel caso peggiore, non presentano una soluzione univoca; per ovviare a queste problematiche sono disponibili delle formule semplificate, | ||
+ | |||
+ | * La trave deve essere a sezione costante. | ||
+ | * La trave deve avere un asse indeformato strettamente rettilineo. | ||
+ | * Il caricamento della trave non deve includere dei carichi concentrati altrimenti nel punto di applicazione del carico, che solitamente è il punto più critico, la teoria non è accurata. | ||
+ | * Si è in assenza di sollecitazioni di taglio ovvero si è in presenza di un M< | ||
+ | * Il materiale della trave deve essere omogeneo e isotropo (metalli e plastiche sono materiali omogenei e isotropi, i materiali compositi a fibra lunga no) o almeno deve essere ortotropo e il suo asse deve essere allineato secondo una direzione principale di ortotropia (un materiale è definito ortotropo se esistono tre direzione, dette direzioni principali di ortotropia, secondo le quali se il materiale è sottoposto a sforzo normale allora viene mantenuta l’ortogonalità delle superfici ovvero non si producono tensioni taglianti all’interno dell’elemento). | ||
+ | * I coefficienti di Poisson sono costanti lungo la sezione (in generale E< | ||
+ | |||
+ | Si noti che l’ultimo punto non rappresenta un problema per le travi costituite di materiale omogeneo ma può esserlo per quelle costituite di materiale ortotropo o per quelle costituite da più materiali (es. tubolare riempito di schiuma). | ||
+ | |||
+ | Nella realtà non si lavorerà mai con dei corpi che rispettino completamente queste ipotesi tuttavia si utilizza questa teoria semplificata per ricavare delle soluzioni esatte al netto di un errore che sarà tanto maggiore in base a quante approssimazioni sono state impiegate nello studio del corpo. | ||
+ | |||
+ | Se la teoria dell’elasticità è applicabile posso ricavare una soluzione flesso-estensionale per cui le tensioni σ< | ||
+ | |||
+ | In queste condizioni la deformazione assiale ε< | ||
+ | |||
+ | \[\epsilon_{z}=\epsilon_{z}\left ( x;y \right )=a+b\cdot x+c\cdot y\] | ||
+ | |||
+ | In cui ε< | ||
+ | |||
+ | Da questa formula ricavandosi ΔL, tramite l’integrazione di ε< | ||
+ | |||
+ | I coefficienti a, b, c della formula precedente hanno un significato fisico, in particolar modo: | ||
+ | |||
+ | | ||
+ | * - Per valutare c si consideri un concio di trave sul pano (y,z) di lunghezza Δz (figura a) e si prenda in esame la generica fibra alla quota y. | ||
+ | |||
+ | Sfruttando il principio della sovrapposizione degli effetti, se si considerano complessivamente le σ< | ||
+ | |||
+ | La deformata espressa nell’immagine b non è verosimile in quanto, per la teoria dell’elasticità, | ||
+ | |||
+ | La trave, alla luce di quanto detto sopra, si deforma ingobbendo le facce superiori e inferiori (ma per ipotesi non quelle trasversali) come rappresentato dalla figura c; la quale evidenzia il mantenimento degli angoli retti del cubetto rappresentato in alto a destra nella stessa, il che implica l’assenza di distorsioni del cubetto rispettando quindi l’ipotesi di assenza delle tensioni taglianti. | ||
+ | |||
+ | {{ : | ||
+ | |||
+ | Supponiamo di considerare la trave rigidamente ruotata nel piano (y,z) con una rotazione positiva dell’angolo θ. Sia poi, al contempo, deformata dalla variazione della inclinazione (rotazione differenziale) delle sezioni rappresentato da ∆θ anch’essa positiva. | ||
+ | |||
+ | Siccome siamo, per ipotesi, in linearità è lecito suppore che l’allungamento di una generica fibra sia uguale all’arco generato dal ∆θ. | ||
+ | |||
+ | Note la lunghezza iniziale del concio di trave indeformato ∆z, la rotazione relativa delle sezioni (al netto della rotazione rigida) ∆θ e detto poi Q centro di curvatura del concio di trave si può ricavare il raggio di curvatura della linea baricentrica ρ< | ||
+ | |||
+ | Si nota che il raggio di curvatura della linea baricentrica ρ< | ||
+ | |||
+ | Da queste considerazioni preliminari possiamo trovare un significato fisico per la costante b usata nella formula di ε< | ||
+ | |||
+ | Se ρ< | ||
+ | |||
+ | \[\Delta L=l_{f}-l_{i}=\left (\rho _{x} +y\right )\cdot \Delta \Theta -\rho _{x}\cdot \Delta \Theta =y\cdot \Delta \Theta\] | ||
+ | |||
+ | La ε< | ||
+ | |||
+ | \[\varepsilon _{z}=\frac{\Delta L}{L_{i}}=\frac{y\cdot \Delta \Theta }{\rho _{i}\cdot \Delta \Theta }=\frac{y}{\rho _{x}}\] | ||
+ | |||
+ | | ||
+ | |||
+ | \[\frac{y}{\rho _{x}}= c\cdot y\] | ||
+ | |||
+ | da cui derivo | ||
+ | |||
+ | \[c=\frac{1}{\rho _{x}}\] | ||
+ | |||
+ | Detto v(z) lo spostamento (o freccia) della sezione in direzione y (ed in particolar modo del suo baricentro), | ||
+ | |||
+ | \[tg\left ( -\Theta \right )=\frac{sin\left ( -\Theta \right )}{cos\left ( -\Theta \right )}=\frac{dv}{dz}\cong -\Theta\] | ||
+ | |||
+ | Da cui, con un errore del primo ordine affermo che | ||
+ | |||
+ | \[\frac{dv}{dz}= -\Theta\] | ||
+ | |||
+ | Ricordando poi che (passando a quantità infinitesime rispetto alla trattazione sopra) si ha | ||
+ | |||
+ | \[\frac{d\Theta }{dz}= \frac{1}{\rho_{x} }\] | ||
+ | |||
+ | Sostituendo si ottiene | ||
+ | |||
+ | \[\frac{d^{2}v }{dz^{2}}= \frac{d\left (-\Theta \right ) }{dz}=-\frac{1}{\rho_{x} }\] | ||
+ | |||
+ | Questa equazione lega lo spostamento della trave in direzione y con la conseguente curvatura che esso determina al variare della posizione z nel concio (e di conseguenza nella trave). | ||
+ | |||
+ | * In maniera analoga a c si può calcolare b osservando la deformata della trave sul piano (x,z) tenendo conto del fatto che ora la rotazione della sezione deve essere antioraria affinché sia diretta come le y positive del sistema di riferimento. | ||
+ | |||
+ | {{ : | ||
+ | |||
+ | Da ciò si ricava che b=-1/ | ||
+ | |||
+ | Quindi | ||
+ | |||
+ | \[\varepsilon _{z}=\bar{\varepsilon }-\frac{1}{\rho _{y}}\cdot x+\frac{1}{\rho _{z}}\cdot y\] | ||
+ | |||
+ | Si consideri ora la faccia frontale della trave ovvero quella appartenente al piano (x,y), essa si deformerà per effetto Poisson ed in particolar modo se il materiale di cui è composta la trave è omogeneo avremo che ε< | ||
+ | |||
+ | Consideriamo per semplicità una trave soggetta solo a momento flettente in direzione x negativo; questo caricamento prevede la formazione di una farfalla di σ che saranno trattive per i punti in cui y < 0 mentre saranno compressive per y > 0. | ||
+ | |||
+ | In queste condizioni avremo che la ε< | ||
+ | |||
+ | ($ \sigma $ in che direzione?, $\sigma_z$, l' | ||
+ | |||
+ | |||
+ | Per quel che concerne ε< | ||
+ | |||
+ | Al fine di mantenere gli angoli durante la deformazione, | ||
+ | |||
+ | {{ : | ||
+ | |||
+ | Noto ε< | ||
+ | |||
+ | \[\sigma _{z}=E_{z}\cdot \varepsilon _{z}=E_{z}\cdot \left ( \bar{\varepsilon }-\frac{1}{\rho _{y}}\cdot x+\frac{1}{\rho _{z}}\cdot y\ \right )\] | ||
+ | |||
+ | Che è veritiero solo se E< | ||
+ | |||
+ | Dalla formula della σ< | ||
+ | |||
+ | \[N = \int\int _{A} \sigma_{z}\cdot dA=\bar{EA}\cdot \bar{\varepsilon }\] | ||
+ | |||
+ | |||
+ | \[M_{x} = \int\int _{A} \sigma _{z}\cdot y \cdot dA= \bar{EJ_{xx}}\cdot\frac{1}{\rho _{x}} -\bar{EJ_{xy}}\cdot\frac{1}{\rho _{y}}\] | ||
+ | |||
+ | |||
+ | \[M_{y} = \int\int _{A} -\sigma _{z}\cdot x \cdot dA= \bar{EJ_{yy}}\cdot\frac{1}{\rho _{y}} -\bar{EJ_{xy}}\cdot\frac{1}{\rho _{x}}\] | ||
+ | |||
+ | In cui: | ||
+ | |||
+ | \[\bar{EA} = \int\int _{A} E _{z}\left (x;y \right ) \cdot dA\] | ||
+ | |||
+ | \[\bar{EJ_{xx}} = \int\int _{A} E _{z}\left (x;y \right )\cdot y^{2} \cdot dA\] | ||
+ | |||
+ | \[\bar{EJ_{yy}} = \int\int _{A} E _{z}\left (x;y \right )\cdot x^{2} \cdot dA\] | ||
+ | |||
+ | \[\bar{EJ_{xy}} = \int\int _{A} E _{z}\left (x;y \right )\cdot x\cdot y \cdot dA\] | ||
+ | |||
+ | La presenza del termine contenente J< | ||
+ | |||
+ | Le due componenti (-(EJ< | ||
+ | |||
+ | Solitamente le sollecitazioni applicate alla trave sono note a priori, perché ricavabili dal caricamento della struttura, mentre sono incognite le rotazioni della trave allora mettendo a sistema le formule dei momenti flettenti posso ricavarmi 1/ | ||
+ | |||
+ | Ottengo allora il sistema lineare 2x2 | ||
+ | |||
+ | \[\left\{\begin{matrix} M_{x}= \bar{EJ_{xx}}\cdot\frac{1}{\rho _{x}} -\bar{EJ_{xy}}\cdot\frac{1}{\rho _{y}}\\ M_{y}= \bar{EJ_{yy}}\cdot\frac{1}{\rho _{y}} -\bar{EJ_{xy}}\cdot\frac{1}{\rho _{x}} \end{matrix}\right.\] | ||
+ | |||
+ | Equivalente, | ||
+ | |||
+ | \[\begin{bmatrix} M_{x}\\ M_{y} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} \bar{EJ_{xx}} & -\bar{EJ_{xy}} \\ -\bar{EJ_{xy}} & \bar{EJ_{yy}} \end{bmatrix} \cdot \begin{bmatrix} \frac{1}{\rho_{x}}\\ \frac{1}{\rho_{y}} \end{bmatrix}\] | ||
+ | |||
+ | La matrice è non singolare essendo quelle quantità momenti di inerzia moltiplicati per modulo di Young, dunque posso invertirla e scrivere | ||
+ | |||
+ | \[\begin{bmatrix} \frac{1}{\rho_{x}}\\ \frac{1}{\rho_{y}} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} \bar{EJ_{xx}} & -\bar{EJ_{xy}} \\ -\bar{EJ_{xy}} & \bar{EJ_{yy}} \end{bmatrix}^{-1} \cdot \begin{bmatrix} M_{x}\\ M_{y} \end{bmatrix}\] | ||
+ | |||
+ | \[\begin{bmatrix} \frac{1}{\rho_{x}}\\ \frac{1}{\rho_{y}} \end{bmatrix} = \frac{1}{\bar{EJ_{xx}}\cdot\bar{EJ_{yy}}- \bar{EJ_{xy}}^{2} } \begin{bmatrix} \bar{EJ_{xx}} & \bar{EJ_{xy}} \\ \bar{EJ_{xy}} & \bar{EJ_{yy}} \end{bmatrix} \cdot \begin{bmatrix} M_{x}\\ M_{y} \end{bmatrix}\] | ||
+ | |||
+ | da cui è immediato ricavare i valori delle 2 curvature, direttamente sostituibili nella espressione della ε< | ||
+ | |||
+ | \[\frac{1}{\rho_{x}} = \frac{M_{x}\cdot\overline{EJ}_{yy}+M_{y}\cdot\overline{EJ}_{xy} }{\overline{EJ}_{xx}\cdot\overline{EJ}_{yy}- \overline{EJ}_{xy}^{2} }\] | ||
+ | |||
+ | \[\frac{1}{\rho_{y}} = \frac{M_{x}\cdot\overline{EJ}_{xy}+M_{y}\cdot\overline{EJ}_{xx} }{\overline{EJ}_{xx}\cdot\overline{EJ}_{yy}- \overline{EJ}_{xy}^{2} }\] | ||
+ | |||
+ | Se x e y sono assi principali d’inerzia, | ||
+ | |||
+ | \[\frac{1}{\rho_{x}} = \frac{M_{x} }{\overline{EJ_{xx}} }\] | ||
+ | |||
+ | \[\frac{1}{\rho_{y}} = \frac{M_{y} }{\overline{EJ_{yy}} }\] | ||
+ | |||
+ | Se il modulo di Young è costante su tutta la sezione, si possono riscrivere le formule delle rotazioni come: | ||
+ | |||
+ | \[\frac{1}{\rho_{x}} = \frac{M_{x}\cdot J_{yy} + M_{y}\cdot J_{xy} } {E\cdot \left (J_{xx}\cdot J_{yy}- J_{xy}^{2} \right )}\] | ||
+ | |||
+ | \[\frac{1}{\rho_{y}} = \frac{M_{x}\cdot J_{xy} + M_{y}\cdot J_{yy} } {E\cdot \left (J_{xx}\cdot J_{yy}- J_{xy}^{2} \right )}\] | ||
+ | |||
+ | Se entrambe le condizioni sono vere, allora: | ||
+ | |||
+ | \[\frac{1}{\rho_{x}} = \frac{M_{x}} {E\cdot J_{xx}}\] | ||
+ | |||
+ | \[\frac{1}{\rho_{y}} = \frac{M_{y}} {E\cdot J_{yy}}\] | ||
+ | |||
+ | Ricavate le curvature si può quindi andare a definire lo stato tensionale della sezione in funzione dei momenti e delle caratteristiche del materiale (E) e della sezione (J) | ||
+ | |||
+ | \[\sigma _{z}=E_{z}\cdot \left ( \bar{\varepsilon }-\frac{M_{x}\cdot\bar{EJ_{xy}}+M_{y}\cdot\bar{EJ_{xx}} }{\bar{EJ_{xx}}\cdot\bar{EJ_{yy}}- \bar{EJ_{xy}}^{2} }\cdot x+\frac{M_{x}\cdot\bar{EJ_{yy}}+M_{y}\cdot\bar{EJ_{xy}} }{\bar{EJ_{xx}}\cdot\bar{EJ_{yy}}- \bar{EJ_{xy}}^{2} }\cdot y \right )\] | ||
+ | |||
+ | Si noti che se il materiale è omogeneo il punto a stato tensionale più critico è anche quello a stato deformativo più critico ovvero quel punto che nella sezione si trova alla distanza massima dall’asse neutro. | ||
+ | |||
+ | Se ε̅ =0 allora l’asse neutro passa per il baricentro; in queste condizioni, considerando un materiale omogeneo isotropo (E = costante) e avendo preso x e y principali di inerzia si ottiene | ||
+ | |||
+ | \[\sigma _{z}=\frac{M_{x} }{EJ_{xx}}\cdot y-\frac{M_{y} }{EJ_{yy}}\cdot x\] | ||
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+ | Appunti in PDF | ||
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+ | ===== Sezione a cura del docente ===== | ||
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