A4.4 La linea elastica

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1 .4 La linea elastica Meccanica, Macchine ed Energia articolazione Energia Giuseppe Anzalone, Paolo Bassignana, Giuseppe Brafa Musicoro Copyright Ulrico Hoepli Editore S.p.A. poliglotta Linea elastica GB: Elastic curve F: Ligne élastique D: Elastische Linie Fig. 4. Rappresentazione della linea elastica di una trave, sottoposta a un sistema generico di forze esterne. Progettando un elemento di una costruzione o di un organo meccanico, oltre a determinare le sollecitazioni e le tensioni, può essere utile conoscere anche le deformazioni prodotte dai carichi esterni; ciò diventa indispensabile nella determinazione delle reazioni vincolari delle travi iperstatiche, ossia delle travi con vincoli sovrabbondanti. Inoltre, l influenza sulla deformazione dell asse geometrico, det ta linea elastica o deformata elastica delle travi inflesse, da parte delle forze di taglio, è trascurabile, per cui si considerano solo le azioni di deformazione dovute al momento flettente. Si consideri una trave inflessa, soggetta a un generico sistema di forze esterne, e si assuma un sistema di assi cartesiani ortogonali tali che, l asse delle ascisse coincida con l asse della trave e l asse delle ordinate rappresenti l abbassamento y subito da una sezione generica in se guito alla deformazione (4Fig. 4.). " L abbassamento y si assume positivo verso il basso, affinché le ordinate y risultino positive nella maggior parte dei casi. In riferimento alla figura 4., la generica sezione S posta alla distanza dx dall origine degli assi, per effetto della deformazione, subisce una ro tazione dϕ rispetto alla posizione originaria, che può essere espres sa come: dy = tgϕ [4.8] ds Essendo piccolissimo l angolo di rotazione, non è un errore sensibile sostituire tg ϕ con ϕ e ds (lunghezza del tronco dx in seguito alla deformazione) con dx; per cui la [4.8] diventa: da cui, derivando rispetto a x, si ottiene: ovvero: dy dx = ϕ [4.84] d y d dx = ϕ dx d y dx dx = d ϕ [4.85] 1

2 Com è stato detto riguardo alla flessione semplice, una trave di lunghezza l, soggetta a un momento flettente costante su tutta la lunghezza, si deforma secondo un arco di cerchio, il cui raggio di curvatura R è: R = e la rotazione ϕ di una delle sezioni estreme della trave rispetto all altra (angolo di flessione) risulta: M f Meccanica, Macchine ed Energia articolazione Energia Giuseppe Anzalone, Paolo Bassignana, Giuseppe Brafa Musicoro Copyright Ulrico Hoepli Editore S.p.A. poliglotta Equazione differenziale GB: Differential equation F: Equation differérentielle D: Differentialgleichung l ϕ = = R M l Pertanto l angolo dϕ, espresso nella [4.85], rappresenta la rotazione fra le due se zioni comprendenti il tronco dx e vale: Sostituendo nella [4.85] risulta: f Mf dx dϕ = [4.86] d y M dx = f [4.87] che rappresenta l equazione differenziale della linea elastica. Osservazioni: il termine (dy/dx), espresso nella [4.84], rappresenta la de rivata prima di y(x) e si indica comunemente con y'; invece il termine (d y/dx ), espresso nella [4.87], indica la derivata seconda di y(x) e si rappresenta con y''; quindi le relazioni [4.84] e [4.87] si possono scrivere nel modo seguente: e: y' = ϕ Mf y" = Ipotizzando l asse x positivo verso destra e l asse y positivo verso il basso, l equazione differenziale della linea elastica diventa: Mf y" = [4.88] in cui la curvatura y'' e il momento flettente M f hanno segno opposto. Infatti, se il momento è positivo, la linea elastica rivolge la concavità nel verso negativo dell asse y, quindi la curvatura è negativa (4Fig. 4.4a); mentre se il momento è negativo, la linea elastica rivolge la concavità nel verso positivo dell asse y, perciò la curvatura è positiva (4Fig.4.4b). L integrazione della linea elastica può essere eseguita, caso per caso, se sono note le espressioni del momento flettente M f, in funzione dell ascissa x, e del momento quadratico I; integrando due volte si ottiene l ordinata y, che tuttavia non è completamente determinata.

3 Fig. 4.4 Andamento della linea elastica in funzione del momento flettente: a) curvatura negativa con momento flettente positivo; b) curvatura positiva con momento flettente negativo. Meccanica, Macchine ed Energia articolazione Energia Giuseppe Anzalone, Paolo Bassignana, Giuseppe Brafa Musicoro Copyright Ulrico Hoepli Editore S.p.A. poliglotta Freccia di inflessione GB: Deflection F: Flèche par pliage D: Durchbiegung Fig. 4.5 Rappresentazione della linea elastica di una trave a mensola, di lunghezza l, sottoposta a un carico concentrato nell estremo libero. Infatti, poiché in ogni operazione di integrazione compare una co stante, per determinare completamente l ordinata y occorre calcolare il valore di due costanti C 1 e C, che si ottiene tenendo conto delle condizioni di vincolo della trave. Eseguendo una prima integrazione della [4.87] si ricava l espressione dell angolo di rotazione ϕ = y' di ciascuna sezione, ossia dell inclinazione della tangente in ogni punto della linea elastica; una seconda integrazione consente di determinare l espressione dell ordinata y, ossia l abbassamento della sezione, detto freccia di inflessione o, semplicemente, freccia. Ricavato il valore delle co stanti, si calcola la freccia y, funzione della variabile x, assegnando alla x i valori corrispondenti alle sezioni di cui si vuole determinare l abbassamento. Esempio 1 Determinare la freccia e la rotazione dell estremo libero di una trave a mensola, di sezione costante, soggetta a un carico F concentrato nell estremo libero (4Fig. 4.5). Soluzione L espressione del momento flettente è: Mx = F x [4.89] Per la [4.88] l espressione della linea elastica diventa: y" = F x integrando tale equazione una prima volta si ha: F x y' = + C 1 [4.90] [4.91]

4 integrando la seconda volta si ottiene: F x y = + C x + C 6 1 [4.9] Considerando l origine degli assi x e y all estremo libero della mensola e tenendo conto delle condizioni di vincolo della trave, nella sezione d incastro (x = l) devono essere nulle sia la freccia sia la rotazione, ossia: Meccanica, Macchine ed Energia articolazione Energia Giuseppe Anzalone, Paolo Bassignana, Giuseppe Brafa Musicoro Copyright Ulrico Hoepli Editore S.p.A. e: Quindi risulta: e: C C 1 y = 0 y' = 0 = = + Sostituendo i valori delle due costanti nelle relazioni [4.91] e [4.9] si ottiene: e: F x y' = F x y = x + 6 Pertanto i valori massimi della rotazione ϕ e della freccia f che si hanno nella sezione all estremo libero (x = 0), sono: e: ϕ = y' = f = y = [4.94] L angolo ϕ risulta negativo perché la rotazione è sinistrogira. Nel caso delle travi appoggiate, si può eseguire il calcolo della freccia e della rotazione considerando la trave costituita da due mensole e adottando, quindi, le espressioni delle frecce e delle rotazioni concernenti queste ultime. Esempio Determinare la freccia massima e la rotazione degli appoggi di una trave appoggiata, soggetta a un carico F concentrato in mezzeria (4Fig. 4.6). 4

5 Fig. 4.6 a) Rappresentazione della linea elastica di una trave appoggiata, di lunghezza l, sottoposta a un carico concentrato in mezzeria. b) Trave a mensola di lunghezza l/, soggetta a un carico concentrato F/ all estremità libera, che costituisce la metà della trave appoggiata. Meccanica, Macchine ed Energia articolazione Energia Giuseppe Anzalone, Paolo Bassignana, Giuseppe Brafa Musicoro Copyright Ulrico Hoepli Editore S.p.A. Soluzione La tangente alla deformata nel suo punto di mezzo è orizzontale, per cui ogni metà della trave si comporta come una mensola di lunghezza l/, soggetta a un carico, concentrato nel suo estremo libero, di intensità F/ (4Fig. 4.6b). A tale mensola è possibile applicare la [4.94], per cui si ha: f F l = = 48 Per quanto riguarda l angolo di rotazione dell estremità, applicando la [4.9] risulta: ϕ = F l = 16 Nella tabella 4.1 sono indicati i valori delle rotazioni ϕ e delle frecce f re lativi ad alcune travi a mensola e appoggiate, con diverse condizioni di ca ri co. Tabella 4.1 Valori delle frecce e delle rotazioni per alcune travi soggette a vari sistemi di carico (continua) Schema della trave Freccia f Rotazione ϕ f = M f l f = ϕ = M f l ϕ = 5

6 Tabella 4.1 Valori delle frecce e delle rotazioni per alcune travi soggette a vari sistemi di carico (segue) Schema della trave Freccia f Rotazione ϕ f 4 q l = 8 ϕ = q l 6 Meccanica, Macchine ed Energia articolazione Energia Giuseppe Anzalone, Paolo Bassignana, Giuseppe Brafa Musicoro Copyright Ulrico Hoepli Editore S.p.A. f = 48 M f l f = 8 f = Cenni sulle travi iperstatiche q l 4 ϕ = 16 M f l ϕ = ϕ = q l 4 I problemi riguardanti le travi con vincoli sovrabbondanti, o travi iperstatiche, si dicono staticamente indeterminati e non possono essere ri solti con le sole equazioni cardinali della Statica (equazioni di equilibrio relative alla traslazione e alla rotazione). Ogni vincolo presenta da una a tre reazioni e il numero di equazioni di equilibrio corrisponde al numero del le reazioni vincolari. Pertanto, per risolvere i problemi iperstatici, oc cor re aggiungere al sistema formato dalle equazioni cardinali della Statica sufficienti per i sistemi staticamente determinati (sistemi isostatici) le equazioni supplementari con cui completare il numero di equazioni costituenti il sistema. Le equazioni supplementari si basano sul principio che i vincoli sovrabbondanti, non necessari per l equilibrio, limitano la deformazione del corpo. Il procedimento da seguire per risolvere questo tipo di problemi è il se guente: si eliminano i vincoli sovrabbondanti, sostituendoli con le reazioni inco gnite; in questo modo si rende la trave isostatica e si determinano 6

7 le deformazioni generate dai carichi esterni, nei punti dove sono posti tali vincoli; si determinano le deformazioni nei punti dei vincoli eliminati, considerando la trave soggetta alla sola azione delle reazioni eliminate; si impone che le deformazioni, generate separatamente dai carichi esterni e dai vincoli eliminati, siano uguali. Si ottengono così tante equazioni quante sono le incognite sovrabbondanti che, associate alle equazioni cardinali della Statica, consentono di risolvere il problema. Meccanica, Macchine ed Energia articolazione Energia Giuseppe Anzalone, Paolo Bassignana, Giuseppe Brafa Musicoro Copyright Ulrico Hoepli Editore S.p.A. Fig. 4.7 a) Trave incastrata a un estremo e appoggiata all altro, sottoposta a un carico uniformemente distribuito su tutta la sua lunghezza. b) Trave a mensola, soggetta al carico distribuito. c) Trave a mensola, soggetta solo all azione della reazione R VB del vincolo. d) Diagramma del taglio. e) Diagramma del momento flettente. Esempio Determinare le reazioni vincolari e tracciare i diagrammi delle sollecitazioni di taglio e flessione della trave iperstatica (4Fig. 4.7), soggetta a un carico distribuito uniformemente. Soluzione Il carico complessivo agente sulla trave è: Le equazioni di equilibrio sono: Q = q l R = 0 OA R + R Q = 0 VA VB M Q l A + RVB l = 0 " " [4.95] 7

8 Eliminando per esempio l appoggio B, la trave diventa isostatica, ossia una trave a mensola con carico distribuito (4Fig. 4.7b) e il valore della freccia all estremo B è dato da: f ' = 1 8 Q l [4.96] Meccanica, Macchine ed Energia articolazione Energia Giuseppe Anzalone, Paolo Bassignana, Giuseppe Brafa Musicoro Copyright Ulrico Hoepli Editore S.p.A. Tale relazione indica la freccia all estremo libero di una trave a mensola, sottoposta a un carico uniformemente distribuito (4Tab. 4.1). Considerando la trave a mensola soggetta solo all azione della reazione R VB del vincolo eliminato (4Fig. 4.7c), la freccia generata ha il valore (4Tab. 4.1): R l VB f " = 1 [4.97] Poiché l estremità della trave originaria non presenta alcuno spostamento, le due frecce si devono compensare, ossia devono avere lo stesso valore assoluto, f' = f'': 1 8 Ql 1 RVB l = [4.98] l equazione supplementare appena descritta è associata alle equazioni di equilibrio del sistema, espresse dalla [4.95], per ricavare tutte le reazioni vincolari. Dalla [4.98] si ottiene il valore: RB = Q 8 sostituendo nel sistema [4.95], dalla seconda equazione si ricava: dalla terza equazione si ricava: RVA = Q Q = 5 Q 8 8 M Q l A = Q l = 1 Q l 8 8 [4.99] [4.100] [4.101] Determinate le reazioni vincolari, è possibile disegnare i diagrammi di sollecitazione del taglio e del momento flettente. Il taglio in una sezione generica pertanto vale: T = ql q x 8 e varia linearmente come rappresentato nella figura 4.7d. [4.10] 8

9 Il momento flettente generico vale: q x M = ql x 8 [4.10] ed è rappresentato da un diagramma parabolico (4Fig. 4.7e). Il momento flettente massimo si ha dove il taglio è nullo, ossia per x = (/8) l e vale: Meccanica, Macchine ed Energia articolazione Energia Giuseppe Anzalone, Paolo Bassignana, Giuseppe Brafa Musicoro Copyright Ulrico Hoepli Editore S.p.A. Mmax = 9 Q l 18 [4.104] 9

10 L Unità didattica in breve a4 Generalità Meccanica, Macchine ed Energia articolazione Energia Giuseppe Anzalone, Paolo Bassignana, Giuseppe Brafa Musicoro Copyright Ulrico Hoepli Editore S.p.A. Quando i vincoli di una struttura sono strettamente sufficienti al suo equilibrio, essa è detta isostatica; al contrario, quando i vincoli sono sovrabbondanti, la struttura è detta iperstatica. L effetto che le azioni esterne esercitano localmente in una sezione generica di una trave, ad asse rettilineo orizzontale e a sezione costante, è analizzato considerando la trave caricata da un sistema di forze, situato nel piano di sollecitazione, contenente il suo asse; la trave, in questo caso, è detta piana. Una trave, sottoposta a un sistema di forze perpendicolari al proprio asse geometrico, che generano sollecitazioni di taglio e flessione, è detta trave inflessa. Per calcolare le sollecitazioni di taglio e di flessione nelle travi inflesse, occorre inizialmente determinare le reazioni vincolari, i cui valori sono calcolati mediante le equazioni cardinali della Statica. Poiché si considerano le travi piane ad asse orizzontale, sottoposte a carichi perpendicolari al proprio asse, i vincoli sviluppano solo reazioni verticali, per cui la condizione di isostaticità della tra ve può essere realizzata mediante due appoggi semplici, non essendovi differenza, in questo caso, fra la cerniera e il carrello; così facendo le reazioni vincolari da determinare si riducono a due. Pertanto, per la determinazione delle reazioni vincolari, sono sufficienti due sole equazioni cardinali della Statica: quella di equilibrio relativa alla traslazione verticale e quella di equilibrio re la tiva alla rotazione intorno a qualunque punto del piano della trave. Determinate le reazioni vincolari, si procede al calcolo delle sollecitazioni di taglio e di flessione in una generica sezione S della trave, prendendo in esame le forze a sinistra o a destra della suddetta sezione. Sup ponendo, per esempio, di esaminare le forze a sinistra della sezione S, si osserva che la forza di taglio T è data dalla somma algebrica di tutte le forze (compresa la reazione vincolare) poste a sinistra della sezione considerata. Se nella sezione in esame è applicata una forza, essa non de v essere compresa nella sommatoria. Il momento flettente si ricava dalla somma algebrica dei momenti di tutte le forze poste a sinistra della sezione S, compresa la reazione vincolare. Al fine di ottenere valore e segno coincidenti, dev essere stabilita una convenzione per quanto riguarda il segno da attribuire al taglio e al momento flettente. Per le forze di sinistra si considerano positivi il taglio, se rivolto verso l alto, e il momento flettente, se ha verso orario. Per le forze di destra si considerano positivi il taglio, se rivolto verso il basso, e il momento flettente, se ha verso antiorario. Il taglio T e il momento flettente M variano generalmente da sezione a sezione; inoltre il taglio, il momento flettente e il carico sono legati fra lo ro: nei tratti in cui la trave è scarica, il taglio è costante, mentre il mo mento flettente è massimo nelle sezioni dove il taglio è nullo. Le variazioni delle sollecitazioni di taglio e di flessione in tutte le se zioni di una trave pos sono essere rappresentate mediante diagrammi. L e sa me di tali diagrammi consente di individuare direttamente 10

11 Meccanica, Macchine ed Energia articolazione Energia Giuseppe Anzalone, Paolo Bassignana, Giuseppe Brafa Musicoro Copyright Ulrico Hoepli Editore S.p.A. le sezioni più pericolose, os sia le sezioni dove si hanno i valori massimi delle sollecitazioni esterne, po tendo così procedere ai calcoli di progetto o di verifica della resistenza della trave. Si disegna al di sotto della trave una linea orizzontale, detta linea fon damentale, avente la stessa lunghezza della trave, e si individuano alcune sezioni caratteristiche, che di solito sono quelle in corrispondenza dei carichi e degli appoggi. Si calcolano i valori della forza di ta glio, immediatamente prima o dopo le sezioni stesse, e si riportano sul la li nea fondamentale, secondo una scala opportuna (per esempio la stes sa di quella adottata per le forze), i segmenti verticali, proporzionali ai valori trovati del taglio; collegando gli estremi di tali segmenti con tratti rettilinei orizzontali si ottiene il diagramma del ta glio. Il disegno del diagramma è eseguito, convenzionalmente, riportando sopra o sotto la linea fondamentale le forze di taglio di valore, rispettivamente, positivo o ne gativo. Il procedimento per determinare il diagramma del momento flettente è analogo a quello del taglio. Assumendo le stesse sezioni caratteristiche, si ricavano i valori dei momenti e si rappresentano sulla linea fon damen tale, in corrispondenza delle sezioni considerate, mediante segmenti verticali a essi proporzionali secondo la scala prescelta. Unendo con tratti rettilinei i loro estremi si ottiene il diagramma del momento flettente, in cui sopra o sotto la linea fondamentale si riportano, rispettivamente, i valori positivi o quelli negativi. La linea elastica Progettando un elemento di una costruzione o di un organo meccanico, oltre a determinare le sollecitazioni e le tensioni, può essere utile conoscere anche le deformazioni prodotte dai carichi esterni; ciò diventa indispensabile nella determinazione delle reazioni vincolari delle travi iperstatiche. L influenza sulla deformazione dell asse geometrico, detta linea elastica o deformata elastica delle travi inflesse, da parte delle forze di ta glio, è trascurabile, per cui si considerano solo le azioni di deformazione dovute al momento flettente. L integrazione dell equazione differenziale della linea elastica consente di determinare i parametri della deformazione, ossia, la freccia di inflessione e gli angoli di rotazione di ciascuna sezione. I problemi riguardanti travi iperstatiche sono detti staticamente indeterminati e non possono essere risolti con le sole equazioni cardinali della Statica. Ogni vincolo presenta da una a tre reazioni e il numero di equazioni di equilibrio corrisponde al numero delle reazioni vincolari. Pertanto, per risolvere i problemi iperstatici, occorre aggiungere al sistema formato dalle equazioni cardinali della Statica (sufficienti per i sistemi isostatici), le equazioni supplementari, con cui completare il nu mero di equazioni costituenti il sistema. Le equazioni supplementari si basano sul principio che i vincoli sovrabbondanti, non necessari per l equilibrio, limitano la deformazione del corpo. Il procedimento da seguire per risolvere questo tipo di problemi è il seguente: 11

12 si eliminano i vincoli sovrabbondanti, sostituendoli con le reazioni in cognite, e si rende la trave isostatica, determinando le deformazioni generate dai carichi esterni nei punti dove sono posti tali vincoli; si determinano le deformazioni nei punti dei vincoli eliminati, considerando la trave soggetta alla sola azione delle reazioni eliminate; si impone che le deformazioni generate separatamente dai carichi esterni e dai vincoli eliminati siano uguali. Meccanica, Macchine ed Energia articolazione Energia Giuseppe Anzalone, Paolo Bassignana, Giuseppe Brafa Musicoro Copyright Ulrico Hoepli Editore S.p.A. Si ottengono così tante equazioni quante sono le incognite sovrabbondanti che, associate alle equazioni cardinali della Statica, consentono di risolvere il problema. 1

13 UD15 PROBLEMI DI RIEPILOGO a4 1. Eseguire il dimensionamento della trave a mensola (4Fig. 4.8), realizzata con un profilato IPE in acciaio S 5, sapendo che la forza applicata all estremo libero ha intensità F = 000 N e la lunghezza della trave è l = m. Meccanica, Macchine ed Energia articolazione Energia Giuseppe Anzalone, Paolo Bassignana, Giuseppe Brafa Musicoro Copyright Ulrico Hoepli Editore S.p.A. Fig. 4.8 Trave a mensola soggetta a un carico F concentrato all estremo libero. Fig. 4.9 Trave a mensola soggetta a più carichi concentrati. Fig. 4.0 Trave appoggiata alle estremità, soggetta a più carichi concentrati.. Dimensionare la trave a mensola di lunghezza l = 4,5 m, soggetta a più carichi concentrati (4Fig. 4.9), impiegando un profilato HE in acciaio S 5 e considerando i seguenti dati: F 1 = 500 N, F = 900 N, F = 600 N, x 1 = 1,5 m e x = m. Eseguire, inoltre, una verifica a taglio.. Eseguire il dimensionamento della trave su due appoggi di estremità, a sezione circolare piena e di lunghezza l = 6 m, sottoposta a un sistema di forze concentrate (4Fig. 4.0), sapendo che il materiale utilizzato è l acciaio S 5 e che F 1 = 8000 N, F = 4000 N, F = 6000 N, x 1 =,5 m, x = m e x = 4,5 m. Eseguire, inoltre, una verifica a taglio. 4. Una trave con due appoggi di estremità, realizzata con un profilato HE in acciaio S 75, è sottoposta a un carico uniformemente distribuito (4Fig. 4.1). Eseguire il dimensionamento della trave, sapendo che ha 1

14 una lunghezza l = 7 m e che l intensità per unità di lunghezza del carico è q = 550 dan/m. Fig. 4.1 Trave appoggiata alle estremità, soggetta a un carico uniformemente distribuito. Meccanica, Macchine ed Energia articolazione Energia Giuseppe Anzalone, Paolo Bassignana, Giuseppe Brafa Musicoro Copyright Ulrico Hoepli Editore S.p.A. Fig. 4. Trave appoggiata alle estremità, soggetta a un carico uniformemente distribuito su una parte della sua lunghezza. Fig. 4. Trave con appoggi intermedi, soggetta a carichi concentrati. 5. Una trave con due appoggi di estremità (4Fig. 4.) è soggetta a un carico uniformemente distribuito su una parte della sua lunghezza. Dimensionare la trave considerando i seguenti dati: carico distribuito q = 6000 N/m; lunghezza della trave l = 6 m; lunghezza del tratto di trave interessato dal carico distribuito a =,5 m; sezione quadrata; σ ams = 160 N/mm. 6. Si consideri una trave con due appoggi intermedi, sottoposta a un sistema di forze concentrate (4Fig. 4.). Si vuole eseguire il dimensionamento della trave realizzata con un profilato IPE in acciaio S 75, ipotizzando i seguenti dati: lunghezza totale della trave l t = 9 m; distanza fra gli appoggi l = 5 m; lunghezza degli sbalzi x 1 = x 4 = m; x =,5 m; x =,5 m; F 1 = 800 N; F = 1600 N; F = 1800 N; F 4 = 1000 N. 14