I Criteri di Resistenza

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1 I Criteri di Resistenza

2 I Criteri di Resistenza Abbiamo fin ora analizzato la verifica di resistenza di elementi strutturali sottoposti a stati di sollecitazione semplice. Ad esempio, in un caso come quello mostrato a sx la conoscenza dello sforzo di snervamento (o di rottura) ottenuto da una prova di trazione uniassiale sarebbe sufficiente a risolvere il problema Tuttavia in un caso lievemente più complesso (presenza contemporanea di sollecitazioni normali e tangenziali), l approccio visto in precedenza non è più applicabile

3 I Criteri di Resistenza Se fosse possibile eseguire prove sperimentali per ogni materiale in ogni stato di sollecitazione, la verifica consisterebbe nel semplice confronto: σ σ amm σ lim = ξ Nella quale la sollecitazione limite è relativa ad una prova nella quale il provino è sollecitato esattamente come la nostra struttura. In realtà le grandezze σ lim vengono misurate in prove monoassiali di trazione o compressione semplice, mentre le sollecitazioni agenti σ si riferiscono a situazioni di carico generalmente molto più complesse per le quali in ogni punto del sistema sono presenti componenti di sforzo sia normali che tangenziali, ossia uno stato di sollecitazione composto. 1. Dato un generico stato di sollecitazione complesso.. Dati i risultati di prove uniassiali di trazione. N.B. in questo contesto la ha il significato generico di un insieme di sollecitazioni È possibile che la sollecitazione produca il cedimento del materiale? Ovviamente non è possibile pensare di sottoporre il materiale a n possibili combinazioni di tensione!!!

4 I Criteri di Resistenza NB 1ksi = 6.89 MPa La filosofia che sta alla base dei criteri di resistenza Qualunque sia la causa del cedimento nella prova di trazione la stessa causa sarà responsabile del cedimento in tutte le altre possibili condizioni di carico statico Si introduce il concetto di «stato tensionale ugualmente pericoloso», o «stato monoassiale equivalente» definito «sigma ideale» σ id =f(σ x,σ y,σ z, τ xy,τ yz,τ zx ) La differenza tra i vari criteri consiste essenzialmente nel modo in cui calcolo questo stato equivalente. I criteri si avvalgono di considerazioni di tipo teorico, ma spesso vengono calibrati sulla base delle evidenze sperimentali

5 Classificazione dei criteri Criteri di Resistenza Materiali Duttili (snervamento) Massima Tensione Tangenziale (Tresca, Guest- St. Venant) Massima Energia di Distorsione (Huber-Von Mises, Hencky) Materiali Fragili (rottura fragile) Massima Tensione Normale (Rankine) Mohr, Moh-Coulomb, Mohr modificato Si fa riferimento a stati tensionali PIANI

6 Criterio della Massima Tensione Normale Formulato da W.J.M. Rankine, ipotizza che il cedimento (per rottura) avvenga ogni volta che la tensione di trazione (compressione) a cui è sottoposto il materiale superi la resistenza uniassiale di rottura a trazione (compressione) Il componente resiste se: σ 1 σ < S > S ut uc Rappresentazione nel piano di Mohr (il cerchio di Mohr deve stare all interno dei limiti fissati) Rappresentazione nel piano delle sollecitazioni principali (il punto di coordinate σ1, σ deve stare all interno del dominio di resistenza)

7 Perchè cerchi diversi?

8 Criterio della Massima Tensione Normale È stato dimostrato che questo criterio si correla ragionevolmente bene con i dati sperimentali relativi a materiali fragili e non è adatto alla previsione di rotture duttili Le linee di carico (semirette che congiungono l origine degli assi con il punto le cui coordinate sono le sollecitazioni principali esistenti nell intorno del punto in esame, per poi proseguire fino ai limiti del dominio di resistenza) consentono di visualizzare anche graficamente il coefficiente di sicurezza

9 Calcolo grafico del Coefficiente di Sicurezza P = ξ OA OP A Il coefficiente di sicurezza rappresenta la «distanza» dal limite di resistenza (ossia dai confini del dominio di resistenza). Questo è valido in generale per tutti i criteri quando si lavora nel piano della sollecitazioni principali I punti di frontiera sono tutti caratterizzati da un valore del coefficiente di sicurezza unitario

10 Esempio Caso 1 50 MPa 100 MPa 40 MPa Gli stati di tensione piana mostrati in figura, si sviluppano in alcuni punti critici di un componente per un macchinario destinato alla riabilitazione I materiali impiegati per realizzare la struttura sono ghise aventi le seguenti caratteristiche: Caso 1 (ASTM 0) S ut = 151 MPa S uc = 57 MPa Caso 100 MPa 150 MPa 00 MPa Caso (ASTM 30) S ut = 13 MPa S uc = 751 MPa Determinare il coefficiente di sicurezza applicando il criterio della massima tensione normale

11 Limiti del criterio di Rankine Il criterio di Galileo-Rankine presenta il limite di non tenere conto dell interazione tra le tensioni principali. Consideriamo ad esempio un elemento soggetto, in due casi differenti, a tensioni principali aventi lo stesso segno e segno opposto: E evidente che nel caso (a) la tensione principale σ II contrasta la dilatazione trasversale causata dalla σ I (e viceversa) per cui la resistenza del blocco aumenta rispetto al caso (b) Vi sono invece coppie di valori (σ I,σ II ) per le quali il criterio di Galileo-Rankine non tiene conto di questo fatto, associando alle configurazioni di tensione dei due casi lo stesso grado di pericolo.

12 Criterio della Massima Tensione Tangenziale Inizialmente proposto da C.A. Coulomb, ma meglio noto come criterio di Guest-Tresca, ipotizza che il cedimento (per snervamento) si verifica quando la massima tensione tangenziale nel punto considerato raggiunge o supera la massima tensione tangenziale che provoca l inizio dello snervamento in un provino dello stesso materiale soggetto ad una prova di trazione semplice. Lo snervamento nei materiali duttili è causato dallo scorrimento dei piani cristallini lungo le superfici di massimo sforzo tangenziale Dunque il materiale, in un certo punto, è considerato sicuro se lo sforzo massimo tangenziale in quel punto è inferiore a quello massimo tangenziale registrato allo snervamento

13 Criterio della Massima Tensione Tangenziale È una teoria facile da usare e si è dimostrata essere in buon accordo con i risultati sperimentali relativi a materiali duttili (ricordiamo che si prende in esame lo snervamento) In un provino sottoposto a trazione semplice si ha τ s = 1 1 ( S ) y 0 = S y Per uno stato tensionale generico, le tensioni di taglio massime agenti nei piani principali sono date da τ ij 1 = i j ; ( σ σ ) i, j = 1,,3 i j Lo snervamento si verifica quando max = s ossia: 1 max σ i σ j = 1 S y

14 Criterio della Massima Tensione Tangenziale Nel piano delle sollecitazioni principali il criterio della Massima Tensione Tangenziale definisce un dominio di resistenza di forma esagonale I punti caratteristici (intersezione del dominio con gli assi) corrispondono alla sollecitazione di snervamento Se il punto corrispondente allo stato di sollecitazione esistente cade all interno dell area ombreggiata, siamo in condizioni di sicurezza Nello spazio, il dominio di resistenza assume la forma di un prisma (non retto) a base esagonale

15 Esercizio. Caso 1 Lo stato di tensione piana mostrato in figura, si sviluppa in un punto critico di uno stelo di endoprotesi d anca. Il materiale impiegato per realizzare la struttura è un acciaio AISI 316L, per il quale è stata misurata una resistenza allo snervamento pari a 50 MPa Determinare il coefficiente di sicurezza dello stelo applicando il criterio della massima tensione tangenziale Caso 40 MPa Il caso differisce dal precedente esclusivamente per il cambio di segno della tensione y Cosa cambia nell applicazione del criterio?

16 Criterio della Massima Energia di Distorsione Il criterio della Massima Energia di Distorsione ha origina da un assunto fondamentale: lo snervamento del materiale non è influenzato da un regime di pressioni di tipo idrostatico. Tale osservazione ha ricevuto infatti un ampia conferma sperimentale ad opera di Percy Bridgman che, nella seconda metà degli anni 50, effettuò una serie di prove di trazione tenendo immerso il provino in una camera iperbarica che consentiva di raggiungere pressioni dell ordine di 5000 atm (500 MPa). Da tali prove emerse, infatti, che la pressione idrostatica non solo non riduceva il valore della tensione di snervamento ma originava una maggiore deformabilità plastica del provino, cioè incrementava la duttilità del materiale. Assunta quindi l ininfluenza della pressione idrostatica sul cedimento per snervamento, è logico attribuire agli sforzi interni che non variano per effetto della pressione medesima, la causa dello snervamento del materiale

17 Criterio della Massima Energia di Distorsione Stato generico Provoca lo snervamento Stato non pericoloso

18 Criterio della Massima Energia di Distorsione Le relazioni che descrivono questo criterio sono state formulate in modo indipendente da M.T. Huber, R. von Mises e H. Hencky tra il 1904 e il 194 anche se di recente si è scoperto che già Maxwell a metà 800 aveva postulato i principi che stanno alla base del criterio. Considerazioni di partenza Ogni materiale sollecitato elasticamente subisce un (piccolo) cambiamento di forma, di volume o di entrambi L energia necessaria a produrre tale cambiamento viene immagazzinata nel corpo sotto forma di energia elastica (U e =1/ = 1/E ). Tuttavia, un certo materiale ha una limitata e definita capacità di assorbire energia di distorsione, ossia energia tendente a cambiare la forma ma non il volume Ogni tentativo di incrementare l energia di distorsione ceduta al corpo oltre quel dato limite produce lo snervamento

19 Criterio della Massima Energia di Distorsione In breve Il criterio della Massima Energia di Distorsione assume che lo snervamento avvenga quando l energia di distorsione per unità di volume raggiunge od oltrepassa l energia di distorsione per unità di volume necessaria a snervare lo stesso materiale durante la prova di trazione semplice Da cosa nasce. Materiali duttili soggetti ad uno stato di tensione idrostatico mostrano una resistenza allo snervamento superiore al valore misurabile nella prova di trazione semplice Si ipotizza, quindi, che lo snervamento sia legato in qualche modo all effetto della distorsione del materiale piuttosto che alla trazione o alla compressione semplice.

20 Criterio della Massima Energia di Distorsione L impiego del criterio MED, meno semplice di quello MTT ma anche più aderente alla realtà sperimentale, si basa sull introduzione del concetto di tensione equivalente, definita come la tensione uniassiale di trazione che produrrebbe lo stesso livello di energia di distorsione prodotto dall effettivo stato di tensione in esame. In termini di tensioni principali, l equazione della tensione equivalente è la seguente (dimostrazione Shigley pag. 190) σ eq = [( ) ( ) ( ) ] σ σ + σ σ + σ σ che si trasforma, per uno stato tensionale piano, nell equazione di un ellisse σ eq = σ 1 + σ σ1σ

21 Criterio della Massima Energia di Distorsione Negli stati di tensione piani, è possibile definire una formulazione comoda per la sollecitazione equivalente, basata sulle tensioni x, y e xy come segue: σ = σ + σ σ σ + eq x y x y 3τ xy e, qualora sia presente una sola sollecitazione normale: σ = σ + eq x 3τ xy Una volta calcolata la tensione equivalente, si procede al confronto con la sollecitazione di snervamento (Sy) del materiale ottenuta dalla prova uniassiale di trazione. Si ha snervamento quando σ eq S y

22 Alcune osservazioni In figura è riportato il confronto tra il criterio della Massima Tensione Tangenziale e quello della Massima Energia di Distorsione nel piano delle sollecitazioni principali L ellisse passa attraverso i vertici dell esagono (in questi sei punti i due criteri coincidono) Per tutti gli altri punti il criterio della Massima Tensione Tangenziale si rivela più conservativo Nel caso di sollecitazioni puramente torsionali (σ min = - σ max, punti sulla bisettrice del secondo e quarto quadrante) lo snervamento avviene per σ 1 = - σ = ±0.5 σ y per il criterio MTT, mentre σ 1 = - σ = ±0.577 σ y, quindi il criterio di Von Mises accredita al materiale una resistenza superiore del 15%

23 Alcune osservazioni La scelta tra MED e MTT è lasciata alla sensibilità del progettista Per le esigenze di progetto, il criterio MTT è pratico, semplice da utilizzare e conservatvo Tuttavia il criterio MED fornisce risultati più aderenti alla realtà sperimentale Come si può osservare anche dalla figura, nel caso di materiali fragili ( g h i s a, m a r k e r s t r i a n g o l a r i ) entrambi i criteri si dimostrano non attendibili, in particolare per combinazioni di sollecitazioni localizzate nel secondo quadrante

24 Criterio di Mohr È stato osservato nella pratica, che non tutti i materiali presentano la stessa resistenza a trazione e a compressione, per es. la tensione di snervamento delle leghe di Mg, in compressione è tipicamente inferiore di circa il 50% rispetto a quella di trazione. Dunque appare opportuna la scelta fatta da alcuni scienziati del 900 di formulare criteri adattabili a materiali caratterizzati da un diverso comportamento a trazione e compressione. Tra questi, un ruolo fondamentale riveste il criterio di Mohr, che si basa sull esecuzione di prove semplici (trazione, compressione, torsione... ecc.) condotte fino alla rottura. Secondo il criterio di Mohr la rottura si verifica quando, durante l applicazione del carico, i tre cerchi relativi allo stato di sollecitazione esistente si espandono fino a che uno di essi diventa tangente all inviluppo di guasto (specifico per ciascun materiale utilizzato)

25 Criterio di Mohr Per tracciare le curve di Mohr è necessario eseguire almeno tre prove di sollecitazione semplice, ossia trazione, compressione e torsione pura Ovviamente tutti gli stati tensionali i cui cerchi fondamentali sono tangenti alla curva di Mohr sono stati limite per il materiale Osservazioni Il taglio massimo sopportabile dal materiale è maggiore in presenza di uno stato di compressione (sempre nell ipotesi di resistenza a trazione maggiore di quella a compressione) Gli inviluppi sono simmetrici rispetto all asse delle perché il cedimento non dipende dal segno delle Dalla parte delle negative gli inviluppi tendono a divergere (per compressione idrostatica non si ha rottura)

26 Criterio di Mohr Prove di trazione biassiale L inviluppo non è necessariamente rettilineo!!! Tensione di rottura a trazione

27 Criterio di Mohr-Coulomb Una versione semplificata del criterio di Mohr (definita Criterio di Mohr- Coulomb o teoria degli attriti interni ) definisce una curva limite di Mohr costruita prendendo in considerazione i soli cerchi relativi alle prove di compressione e trazione e dunque approssimando la curva, vista nel caso precedente, con due rette. Il criterio di Mohr-Coulomb può essere applicato sia ai ai materiali duttili (che presentano differenti valori di S y a trazione e compressione) che a quelli fragili (per i quali S ut S uc )

28 Nel piano delle principali Massima Tensione Tangenziale Il criterio di Mohr può essere idealmente considerato come un estensione del criterio della massima tensione tangenziale a materiali con differenti comportamenti per sollecitazioni di trazione e compressione. È stata proposta una ulteriore variante (definita Criterio di Mohr modificato ) che ben si accorda con i risultati delle sperimentazioni effettuate su materiali fragili. In essa il dominio di resistenza viene esteso prendendo in considerazione l intersezione della «diagonale del taglio» (retta a 45 passante per e 4 quadrante di equazione / 1 = -1 ) con le rette parallele ad ascisse e ordinate 1 = uc e = uc Mohr-Coulomb Mohr Modificato (fragili)

29 Nel piano delle principali Mohr-Coulomb Le condizioni per le quali ci troviamo in sicurezza sono (materiale fragile): σ S η ut 1, ( σ1 σ 0). P σ1 σ 1 = ( σ1 0 σ ) S ut S uc η σ S η 1, uc σ ( 0 σ1 )

30 Un confronto (materiali fragili) Ghisa di classe 30 ASTM (resistenza a compressione 751 MPa, a trazione 13 MPa) Prove biassiali (a rottura) Nel primo quadrante i criteri MTN, Mohr-Coulomb (verde) e Mohrmodificato (giallo) coincidono e approssimano bene le osservazioni sperimentali Nel quarto quadrante il criterio di Mohr modificato rappresenta meglio i dati sperimentali I dati relativi al terzo quadrante (punti A, B, C e D) sono troppo esigui per giustificare una qualunque congettura sull andamento della curva in quella zona.

31 In sintesi Massima tensione normale (MTN)

32 Scelta del criterio ottimale Materiali duttili Di solito si utilizza il criterio della Massima Energia di Distorsione Scelta più comoda e conservativa: Massima Tensione Tengenziale Nei casi di asimmetria nelle proprietà del materiale: Mohr-Coulomb Duttile Materiali fragili Mohr costruito con 3 prove (trazione, compressione e torsione) è il più preciso ma anche di difficile applicazione Si sceglie Mohr-Coulomb (fragile) o Mohr modificato Il criterio della Massima Tensione Normale è quello meno conservativo

33 Esercizio. Lo stato di tensione piana mostrato in figura, si sviluppa in un punto critico di uno stelo di endoprotesi d anca. Il materiale impiegato per realizzare la struttura è un acciaio AISI 316L, per il quale è stata misurata una resistenza allo snervamento pari a 50 MPa Determinare il coefficiente di sicurezza dello stelo applicando: a) Il criterio della massima tensione tangenziale b) Il criterio della massima energia di distorsione Suggerimenti per lo svolgimento: Tracciare i cerchi di Mohr, determinare le tensioni principali Applicare il criterio della massima tensione tangenziale Applicare il criterio della massima energia di distorsione in entrambe le formulazioni Spiegare come mai i coefficienti di sicurezza calcolati per i due casi sono differenti (diagrammare i criteri sui piani delle tensioni principali)

34 Esercizio Il componente cilindrico in figura (avente diametro interno 30 mm, diametro esterno 50 mm e lunghezza 100 mm) è sollecitato all estremità libera da una forza verticale (di entità 5000 N) e da un momento torcente pari a 400 Nm. Sapendo che il pezzo è realizzato in acciaio inossidabile AISI 316L (Modulo di Young E = 10 GPa, Su = 60 MPa, Sy = 415 MPa, allungamento a rottura 1%) Si proceda: a) alla determinazione delle azioni interne b) alla determinazione della sezione più sollecitata c) a tracciare i cerchi di Mohr per il punto più sollecitato della sezione determinata al punto precedente (si trascuri l effetto del taglio) d) a verificare il componente mediante un opportuno criterio di resistenza e al calcolo del relativo coefficiente di sicurezza

35 Un esempio Materiale: Acciaio AISI 1035, Sy = 560 MPa, Su = 560 MPa, r = 0.08 Diametro variabile tra 6 e 38 mm Determinare l entità della forza F che produrrebbe snervamento nella leva Azioni interne che interessano il tratto OC Flessione (max in O) Mf = 0.400F [Nm] Torsione (costante in tutto il tratto) Mt = 0.375F [Nm] Sollecitazioni 3M f F σ x = = = 0. 31F 3 3 π d π M t F τ xy = = = F 3 3 π d π [ MPa] [ MPa]

36 Un esempio Momento flettente Momento torcente

37 Un esempio Applicazione del criterio di Resistenza: occorre calcolare la sollecitazione equivalente che tiene conto della contemporanea presenza di e Applicando il criterio di Huber-Von Mises (MED) σ = σ + σ eq x 3τ xy ( 0. 31F ) + 3( F) F eq = = Uguagliando la tensione equivalente così ottenuta alla tensione di snervamento si ottiene σ eq = F = 560MPa 560 F = = 1879 N N.B. Quanto vale il coefficiente di sicurezza?