CENTRO DI TAGLIO E TORSIONE SPURIA IN TRAVI A PARETE SOTTILE ESERCIZIO 1

Transcript

1 CENTR DI TAGLI E TRSINE SPURIA IN TRAVI A PARETE STTILE ESERCIZI 1 La sezione di figura, sietrica rispetto ad un asse orizzontale passante per, è soggetta all azione di taglio T agente in direzione verticale e passante per il punto. Determinare: 1. la posizione del centro di taglio;. la distribuzione ed i valori degli sforzi dovuti alle azione di taglio;. la distribuzione ed i valori degli sforzi dovuti all eventuale azione torcente spuria (eccentricità del taglio rispetto al centro di taglio);. il coefficiente di sicurezza a snervamento; Dati: T = 5 N; Materiale: Acciaio, sn = 8 MPa spessore = T Fig. 1 Possiamo considerare la sezione a parete sottile (spessore molto minore del raggio e della lunghezza della linea d asse) e riferirci alla linea media per i successivi calcoli. Poiché la linea d azione del taglio T non coincide con un asse di sietria della struttura, è importante determinare la posizione del centro di taglio C. Esso appartiene sicuramente all asse di sietria orizzontale della figura, rappresentato dalla retta tratto-punto, ma la sua posizione è incognita (fig. ).

2 E D C e T F A B Fig. Per determinare la posizione del centro di taglio C, è conveniente scegliere il punto per il calcolo dei momenti prodotti dalle tensioni tangenziali generate dal taglio T nella sezione. La scelta è conveniente sia perché rende più agevole il calcolo del momento generato dagli sforzi tangenziali nel tratto ad asse circolare (il braccio da considerare nei calcoli sarà infatti costante e pari al raggio R), sia perché i contributi dei tratti rettilinei Ab ed EF saranno nulli, in quanto le risultanti relative a questi due tratti passano per il punto. Per calcolare gli sforzi tangenziali t utlizziamo la formula di ourawski: T S b dove S è il momento statico di una delle due parti di sezione individuata dalla corda su cui si vuole calcolare lo sforzo (si veda per esempio l area tratteggiata in fig. ); b è la lunghezza della corda; è il momento d inerzia rispetto all asse neutro flessionale di TUTTA la sezione (asse n-n nel nostro caso). q n n Fig. Calcoliamo innanzitutto il momento d inerzia della sezione rispetto all asse neutro.

3 R/ R/ Il momento d inerzia rispetto ad un diametro di una sezione circolare cava (diametri esterni ed interni pari rispettivamente a De e Di) è uguale a D e D i 6 6 Nel nostro caso la sezione è composta da metà cerchio e pertanto il momento d inerzia rispetto all asse n-n della parte ad asse circolare sarà: I D 6 e D i Il momento d inerzia rispetto all asse n-n di un singolo tratto rettilineo (di sezione rettangolare) si può ottenere utilizzando il teorema del trasporto: II Il momento d inerzia totale varrà quindi: I 6 6 II Il momento statico della sezione generica tratteggiata in fig. (individuata dalla corda nella posizione angolare q) vale (vedi fig. ) S q R R R 8 8 hr d R cos( ) h hr cos( ) d hr hr sin q dove il secondo termine si riferisce al momento statico del tratto ad asse rettilineo (EF in fig. ) q n n Fig.

4 Sarà quindi ThR (sin( ) ) TR (sin( ) ) ( q ) 8 8 h Il momento rispetto al polo scelto (punto ) sarà quindi M TR ( ) hrd R ( ) hr d (sin( ) ) hr 8 TR h(1 ) d 16 Eguagliando tale momento al prodotto T e, si ottiene: R h(1 ) e Il massimo valore della tensione τ(θ) dovuta al taglio T si ha, per θ = π/ (punto D della fig. ) e vale TR (1 ) 8 max T. MPa L eccentricità dell azione di taglio T rispetto al centro di taglio C produce un effetto torcente spurio di valore Mt = T e, a cui corrispondono sforzi e rotazioni propri della torsione di travi a sezione sottile aperta. In particolare, nel caso elastico, assimilando la sezione data ad una sezione rettangolare stretta, si avrà ai bordi (cioè sulla superficie della trave), dove è massima la tensione di torsione Mt lh M t Te lh dove l è la lunghezza della linea d asse della sezione: R l R R(1 ) 1.. Nel punto D si ha quindi Mt Te 517. lh MPa

5 Come si vede, essendo la sezione della trave aperta, il contributo della torsione spuria (5. MPa) è predominante su quello dell azione di taglio (. MPa). Nel punto D si ha in definitiva lo sforzo tangenziale. MPa 5. MPa 5.6 MPa tot max T Mt Utilizzando il criterio di Von Mises, il coefficiente di sicurezza a snervamento è pertanto sn sn L andamento qualitativo degli sforzi t dovuti al taglio ed alla torsione spuria dovuta all eccentricità del taglio rispetto al centro di torsione sono rappresentati nella fig. 5. e = 17. CENTR DI TAGLI massima (Mt) C massima (T) T Mt = Te Sforzi tangenziali dovuti al TAGLI Sforzi tangenziali dovuti al MMENT TRCENTE SPURI (eccentricità del taglio) Fig. 5

6 ESERCIZI (Prova scritta 5 gennaio 16) La sezione di trave illustrata in figura è soggetta ad un azione di taglio T avente direzione coincidente con la linea d asse dell anima. Calcolare il coefficiente a snervamento nel punto più sollecitato della sezione, tenendo conto delle sollecitazioni generate dal taglio e dall eventuale momento spurio. Materiale: Alluminio; sn =18 MPa 56 1 T = 1 N Possiamo considerare la sezione a parete sottile (spessore molto minore delle dimensioni trasversali della sezione) e riferirci alla linea media per i successivi calcoli (fig. 1). Spessore = 15 5 ALI Spessore = 6 ANIMA Spessore = Fig. 1 Poiché la linea d azione del taglio T non coincide con un asse di sietria della struttura, è necessario determinare la posizione del centro di taglio C. Esso appartiene sicuramente all asse di sietria orizzontale della figura, rappresentato dalla retta tratto-punt di fig. 1 (asse neutro di flessione), ma la sua posizione su questa retta è incognita. Per determinare la posizione del centro di taglio C, è conveniente scegliere il punto (fig. 1) per il calcolo del momento prodotti dalle tensioni tangenziali generate dal taglio T. La scelta è conveniente perché il contributo delle nell anima sara nullo, in quanto la risultante relativa a questo tratto passa per il punto.

7 Per calcolare gli sforzi tangenziali dovuti al taglio utilizziamo la formula di ourawski: T S b dove S è il momento statico di una delle due parti di sezione individuata dalla corda su cui si vuole calcolare lo sforzo (si vedano per esempio le aree tratteggiate in fig. ; relative ai due tratti di cui si compongono le ali ); b è la lunghezza della corda; è il momento d inerzia di TUTTA la sezione rispetto all asse neutro flessionale (asse tratto-punto di fig. 1 nel nostro caso). x S = momento statico di quest area rispetto all asse neutro y S = momento statico di quest area rispetto all asse neutro corda di lunghezza b = corda di lunghezza b = asse neutro asse neutro Fig. Calcoliamo innanzitutto il momento d inerzia della sezione rispetto all asse neutro. Il momento d inerzia rispetto all asse neutro della sezione è pari alla differenza tra il momento d inerzia della sezione considerata piena (rettangolo di base 5 ed altezza 6) ed il momento d inerzia della parte vuota (rettangolo di base 6 ed altezza 56 ) Poiché la la sezione è a pareti sottili non si coette un grosso errore nel calcolo di supponendo l area come concentrata sulla linea media della sezione (fig. X). In tal caso si ottiene: Utilizzeremo questo valore nei calcoli successivi. La distribuzione qualitativa degli sforzi dovuti alla sola azione di taglio (formula di ourawski) è rappresentata in fig..

8 F 1 F T F e C Distribuzione degli sforzi dovuta al taglio F 1 F Risultanti degli sforzi nei vari tratti della sezione Fig. M = Te Avendo scelto il punto come punto rispetto al quale calcolare i momenti, per determinare la posizione del centro di taglio C è sufficiente calcolare gli sforzi, e successivamente le risultanti, delle sole ali. Nel tratto di sinistra dell ala, la sulla corda generica in posizione x (fig. ) vale, per la formula di ourawski, T S 1(x ) b 1.9 x Nel tratto di destra, analogamente, T S 1(y ) b.9 y Le forze risultanti F1 ed F nei tratti di sinistra (di lunghezza 15 ) e di destra (di lunghezza 5 ) delle ali sono dunque F F x dx x dx.9.6 N 1. N Si noti che le risultanti F1 ed F su una stessa ala hanno versi opposti. Il momento rispetto al polo scelto (punto ) ha quindi verso antiorario (essendo F maggiore di F1) ed avrà valore M F F braccio N 1 Eguagliando tale momento al prodotto T e, si ottiene l eccentricità e (distanza tra il polo ed il centro di taglio C, fig. ):

9 M e T Gli sforzi nella sezione sono quindi dati dalla soa delle dovute al taglio T e delle dovute al momento torcente spurio T e. Gli sforzi massimi dovuti al taglio T si hanno all asse neutro e valgono: max T T S b 1 ( 5 15) 5.9 N Gli sforzi dovuti al momento torcente spurio T e sono massimi sui bordi della sezione (e sono costanti in modulo essendo lo spessore della parete costante): max M M N lunghezza linea media spessore 6 5 La distribuzione qualitativa delle t dovute al solo momento torcente spurio è illustrata in fig.. M o Distribuzione degli sforzi dovuta al momento torcente Fig. Lo sforzo tangenziale massimo si ha dunque all asse neutro e vale max M max T max M N Il coefficiente di sicurezza vale quindi: sn max sn max