Où est Charlie ? : L`incroyable Noël

A4.4 La linea elastica
Meccanica, Macchine ed Energia – articolazione Energia 2 – 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
Progettando un elemento di una costruzione o di un organo meccanico,
oltre a determinare le sollecitazioni e le tensioni, può essere utile co­
noscere 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’in­
fluenza sulla deformazione dell’asse geometrico, det­ta 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 for­
ze 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 se­guito
alla deformazione (4Fig. 4.23).
Fig. 4.23
Rappresentazione della linea elastica
di una trave, sottoposta a un sistema
generico di forze esterne.
"
L’abbassamento y si assume positivo verso il basso, affinché le ordinate
y risultino positive nella maggior parte dei casi.
In riferimento alla figura 4.23, la generica sezione S posta alla di­
stanza dx dall’origine degli assi, per effetto della deformazione, subisce
una ro­tazione dϕ rispetto alla posizione originaria, che può essere es­
pres­sa come:
dy
= tg ϕ
ds
[4.83]
Essendo piccolissimo l’angolo di rotazione, non è un errore sensibile so­
stituire tg ϕ con ϕ e ds (lunghezza del tronco dx in seguito alla deforma­
zione) con dx; per cui la [4.83] diventa:
dy
=ϕ
dx
[4.84]
da cui, derivando rispetto a x, si ottiene:
d 2 y dϕ
=
dx 2 dx
ovvero:
1
Le travi inflesse e la linea elastica
d2 y
dx = dϕ
dx 2
[4.85]
A4
Com’è stato detto riguardo alla flessione semplice, una trave di lunghez­
za 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=
EI
Mf
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e la rotazione ϕ di una delle sezioni estreme della trave rispetto all’altra
(angolo di flessione) risulta:
ϕ=
Mf l
l
=
R
EI
Pertanto l’angolo dϕ, espresso nella [4.85], rappresenta la rotazione fra
le due se­zioni comprendenti il tronco dx e vale:
dϕ =
M f dx
EI
[4.86]
Sostituendo nella [4.85] risulta:
d2 y M f
=
EI dx 2
[4.87]
che rappresenta l’equazione differenziale della linea elastica.
poliglotta
Equazione differenziale
GB: Differential equation
F: Equation differérentielle
D: Differentialgleichung
Osservazioni: il termine (dy/dx), espresso nella [4.84], rappresenta la
de­rivata prima di y(x) e si indica comunemente con y'; invece il termine (d2y/dx2), 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:
y' = ϕ
e:
y" =
Mf
E I Ipotizzando l’asse x positivo verso destra e l’asse y positivo verso il basso,
l’equazione differenziale della linea elastica diventa:
y" = −
Mf
EI [4.88]
in cui la curvatura y'' e il momento flettente Mf 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. 4.24a);
mentre se il momento è negativo, la linea elastica rivolge la concavità nel
verso positivo dell’asse y, perciò la curvatura è positiva (4Fig.4.24b).
L’integrazione della linea elastica può essere eseguita, caso per
caso, se sono note le espressioni del momento flettente Mf, in funzione
dell’ascissa x, e del momento quadratico I; integrando due volte si ottie­
ne l’ordinata y, che tuttavia non è completamente determinata.
2
Le travi inflesse e la linea elastica
A4
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Fig. 4.24
Andamento della linea elastica in
funzione del momento flettente:
a) curvatura negativa con momento
flettente positivo;
b) curvatura positiva con momento
flettente negativo.
poliglotta
Freccia di inflessione
GB: Deflection
F: Flèche par pliage
D: Durchbiegung
Infatti, poiché in ogni operazione di integrazione compare una co­stante,
per determinare completamente l’ordinata y occorre calcolare il valore
di due costanti C1 e C2, 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 integrazio­
ne consente di determinare l’espressione dell’ordinata y, ossia l’abbas­
samento della sezione, detto freccia di inflessione o, semplicemente,
freccia. Ricavato il valore delle co­stanti, 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 tra­
ve a mensola, di sezione costante, soggetta a un carico F concentrato
nell’estremo libero (4Fig. 4.25).
Fig. 4.25
Rappresentazione della linea elastica
di una trave a mensola, di lunghezza
l, sottoposta a un carico concentrato
nell’estremo libero.
Soluzione
L’espressione del momento flettente è:
Mx = − F x
Per la [4.88] l’espressione della linea elastica diventa:
E I y" = F x [4.89]
[4.90]
integrando tale equazione una prima volta si ha:
3
Le travi inflesse e la linea elastica
E I y' =
F x2
+ C1
2
[4.91]
A4
integrando la seconda volta si ottiene:
EI y=
F x3
+ C1 x + C2
6
[4.92]
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’inca­
stro (x = l) devono essere nulle sia la freccia sia la rotazione, ossia:
y=0
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e:
y' = 0
Quindi risulta:
F l2
C1 = −
2
e:
F l3
=
+
C
2
3 Sostituendo i valori delle due costanti nelle relazioni [4.91] e [4.92] si
ottiene:
E I y' =
F x 2 F l2
−
2
2
e:
EI y=
F x3 F l2
F l3
−
x+
6
2
3 Pertanto i valori massimi della rotazione ϕ e della freccia f che si hanno
nella sezione all’estremo libero (x = 0), sono:
ϕ = y' = −
F l2
2EI
e:
F l3
f = y=
3EI [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 adottan­
do, quindi, le espressioni delle frecce e delle rotazioni concernenti queste
ultime.
Esempio 2
Determinare la freccia massima e la rotazione degli appoggi di una
trave appoggiata, soggetta a un carico F concentrato in mezzeria
(4Fig. 4.26 ).
4
Le travi inflesse e la linea elastica
A4
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Fig. 4.26
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/2,
soggetta a un carico concentrato F/2
all’estremità libera, che costituisce la
metà della trave appoggiata.
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/2,
soggetta a un carico, concentrato nel suo estremo libero, di intensità F/2
(4Fig. 4.26b).
A tale mensola è possibile applicare la [4.94], per cui si ha:
3
F  l
F l3
2  2
f =
=
3EI
48 E I
Per quanto riguarda l’angolo di rotazione dell’estremità, applicando la
[4.93] risulta:
2
F  l
F l2
2  2
ϕ=
=
2EI
16 E I
Nella tabella 4.1 sono indicati i valori delle rotazioni ϕ e delle frecce f re­la­
tivi ad alcune travi a mensola e appoggiate, con diverse condizioni di ca­ri­co.
Tabella 4.1
Valori delle frecce e delle rotazioni per alcune travi soggette a vari sistemi di carico (continua)
Schema della trave Freccia f f =
f =
5
Le travi inflesse e la linea elastica
Fl
3
ϕ=
3EI
Mf l
Rotazione ϕ
2
2EI
ϕ=
Fl
2
2EI
Mf l
EI
A4
Tabella 4.1
Valori delle frecce e delle rotazioni per alcune travi soggette a vari sistemi di carico (segue)
Schema della trave f =
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Rotazione ϕ
Freccia f f =
f =
f =
ql
4
ϕ=
8EI
Fl
3
ϕ=
48 E I
Mf l
2
ϕ=
8EI
5 ql
4
384 E I
ϕ=
ql
3
6EI
Fl
2
16 E I
Mf l
2EI
ql
3
24 E I
A4.5Cenni sulle travi iperstatiche
I problemi riguardanti le travi con vincoli sovrabbondanti, o travi iperstatiche, si dicono staticamente indeterminati e non possono essere
ri­solti con le sole equazioni cardinali della Statica (equazioni di equili­
brio relative alla traslazione e alla rotazione). 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 iper­
statici, oc­cor­re aggiungere al sistema formato dalle equazioni cardinali
della Statica – sufficienti per i sistemi staticamente determinati (siste­
mi 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
se­guente:
— si eliminano i vincoli sovrabbondanti, sostituendoli con le reazioni in­
co­gnite; in questo modo si rende la trave isostatica e si determinano
6
Le travi inflesse e la linea elastica
A4
le deformazioni generate dai carichi esterni, nei punti dove sono posti
tali vincoli;
— si determinano le deformazioni nei punti dei vincoli eliminati, consi­
derando 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.
Esempio
Determinare le reazioni vincolari e tracciare i diagrammi delle sollecita­
zioni di taglio e flessione della trave iperstatica (4Fig. 4.27), soggetta a
un carico distribuito uniformemente.
"
Fig. 4.27
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 RVB
del vincolo.
d) Diagramma del taglio.
e) Diagramma del momento flettente.
"
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Si ottengono così tante equazioni quante sono le incognite sovrabbon­
danti che, associate alle equazioni cardinali della Statica, consentono di
risolvere il problema.
Soluzione
Il carico complessivo agente sulla trave è:
Q = ql
Le equazioni di equilibrio sono:
ROA = 0
RVA + RVB − Q = 0
7
Le travi inflesse e la linea elastica
l
− M A + Q − RVB l = 0
2
[4.95]
A4
Eliminando per esempio l’appoggio B, la trave diventa isostatica, ossia
una trave a mensola con carico distribuito (4Fig. 4.27b) e il valore della
freccia all’estremo B è dato da:
f '=
1 Q l3
8 EI [4.96]
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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 rea­
zione RVB del vincolo eliminato (4Fig. 4.27c), la freccia generata ha il
valore (4Tab. 4.1):
f "=
3
1 RVB l
3 EI [4.97]
Poiché l’estremità della trave originaria non presenta alcuno sposta­
mento, le due frecce si devono compensare, ossia devono avere lo stesso
valore assoluto, f' = f'':
3
1 Q l3 1 RVB l
=
8 EI 3 EI [4.98]
l’equazione supplementare appena descritta è associata alle equazioni
di equilibrio del sistema, espresse dalla [4.95], per ricavare tutte le rea­
zioni vincolari.
Dalla [4.98] si ottiene il valore:
3
RB = Q
8 [4.99]
sostituendo nel sistema [4.95], dalla seconda equazione si ricava:
RVA = Q −
3
5
Q= Q
8
8 [4.100]
dalla terza equazione si ricava:
MA =
Ql 3
1
− Ql = Ql
8
2 8
[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=−
3
ql − q x
8
[4.102]
e varia linearmente come rappresentato nella figura 4.27d.
8
Le travi inflesse e la linea elastica
A4
Il momento flettente generico vale:
M=
3
q x2
ql x −
8
2 [4.103]
ed è rappresentato da un diagramma parabolico (4Fig. 4.27e).
Il momento flettente massimo si ha dove il taglio è nullo, ossia per
x = (3/8) l e vale:
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9
Le travi inflesse e la linea elastica
Mmax =
9
Ql
128
[4.104]
A4
L’Unità didattica in breveA4
Generalità
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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 costan­
te, 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 in­
flesse, 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 reazio­
ni verticali, per cui la condizione di isostaticità della tra­ve può essere
realizzata mediante due appoggi semplici, non essendovi differenza, in
questo caso, fra la cerniera e il carrello; così facendo le reazioni vinco­
lari da determinare si riducono a due. Pertanto, per la determinazio­
ne delle reazioni vincolari, sono sufficienti due sole equazioni cardinali
della Statica: quella di equilibrio relativa alla traslazione verticale e
quella di equilibrio re­la­tiva alla rotazione intorno a qualunque punto
del piano della trave.
Determinate le reazioni vincolari, si procede al calcolo delle solle­
citazioni 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.
Sup­ponendo, 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
de­v’essere compresa nella sommatoria. Il momento flettente si ricava
dalla somma algebrica dei momenti di tutte le forze poste a sinistra del­
la 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 mo­
mento 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 flet­
tente, 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 lo­ro: nei tratti in cui la trave è scarica, il taglio
è costante, mentre il mo­mento flettente è massimo nelle sezioni dove il
taglio è nullo. Le variazioni delle sollecitazioni di taglio e di flessione in
tutte le se­zioni di una trave pos­sono essere rappresentate mediante dia­
grammi. L’e­­sa­me di tali diagrammi consente di individuare direttamente
10
Le travi inflesse e la linea elastica
A4
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le sezioni più pericolose, os­sia le sezioni dove si hanno i valori massimi
delle sollecitazioni esterne, po­tendo 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
fon­damentale, avente la stessa lunghezza della trave, e si individua­
no alcune sezioni caratteristiche, che di solito sono quelle in corrispon­
denza dei carichi e degli appoggi. Si calcolano i valori della forza di
ta­glio, immediatamente prima o dopo le sezioni stesse, e si riportano
sul­la li­nea fondamentale, secondo una scala opportuna (per esempio la
stes­sa 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 ta­glio. Il dise­
gno del diagramma è eseguito, convenzionalmente, riportando sopra o
sotto la linea fondamentale le forze di taglio di valore, rispettivamente,
positivo o ne­gativo.
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 fon­da­
men­tale, 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, rispettivamen­
te, i valori positivi o quelli negativi.
La linea elastica
Progettando un elemento di una costruzione o di un organo meccanico, ol­
tre a determinare le sollecitazioni e le tensioni, può essere utile conoscere
anche le deformazioni prodotte dai carichi esterni; ciò diventa indispensa­
bile 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
ta­­glio, è trascurabile, per cui si considerano solo le azioni di deformazio­
ne 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 cardi­
nali della Statica. Ogni vincolo presenta da una a tre reazioni e il nu­
mero di equazioni di equilibrio corrisponde al numero delle reazioni vin­
colari. 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
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
seguente:
11
Le travi inflesse e la linea elastica
A4
— si eliminano i vincoli sovrabbondanti, sostituendoli con le reazioni
in­­cognite, e si rende la trave isostatica, determinando le deforma­
zioni generate dai carichi esterni nei punti dove sono posti tali
vincoli;
— si determinano le deformazioni nei punti dei vincoli eliminati, con­
siderando 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.
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Si ottengono così tante equazioni quante sono le incognite sovrabbon­
danti che, associate alle equazioni cardinali della Statica, consentono di
risolvere il problema.
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Le travi inflesse e la linea elastica
A4
UD15
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PROBLEMI DI RIEPILOGOA4
1.Eseguire il dimensionamento della trave a mensola (4Fig. 4.28), realiz­
zata con un profilato IPE in acciaio S 235, sapendo che la forza applicata
all’estremo libero ha intensità F = 2000 N e la lunghezza della trave è
l = 3 m.
Fig. 4.28
Trave a mensola soggetta
a un carico F concentrato
all’estremo libero.
2.Dimensionare la trave a mensola di lunghezza l = 4,5 m, soggetta a più
carichi concentrati (4Fig. 4.29), impiegando un profilato HE in acciaio
S 235 e considerando i seguenti dati: F1 = 500 N, F2 = 900 N, F3 = 600 N,
x1 = 1,5 m e x2 = 3 m. Eseguire, inoltre, una verifica a taglio.
Fig. 4.29
Trave a mensola soggetta a più
carichi concentrati.
3.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. 4.30), sapendo che il materiale utilizzato è
l’acciaio S 235 e che F1 = 8000 N, F2 = 4000 N, F3 = 6000 N, x1 = 2,5 m,
x2 = 3 m e x3 = 4,5 m. Eseguire, inoltre, una verifica a taglio.
Fig. 4.30
Trave appoggiata alle estremità,
soggetta a più carichi concentrati.
13
4.Una trave con due appoggi di estremità, realizzata con un profilato HE
in acciaio S 275, è sottoposta a un carico uniformemente distribuito
(4Fig. 4.31). Eseguire il dimensionamento della trave, sapendo che ha
Le travi inflesse e la linea elastica
A4
una lunghezza l = 7 m e che l’intensità per unità di lunghezza del carico
è q = 550 daN/m.
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Fig. 4.31
Trave appoggiata alle estremità,
soggetta a un carico uniformemente
distribuito.
5.Una trave con due appoggi di estremità (4Fig. 4.32) è soggetta a un ca­
rico 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 = 2,5 m; sezione quadrata;
σams = 160 N/mm2.
Fig. 4.32
Trave appoggiata alle estremità,
soggetta a un carico uniformemente
distribuito su una parte della sua
lunghezza.
6.Si consideri una trave con due appoggi intermedi, sottoposta a un siste­
ma di forze concentrate (4Fig. 4.33). Si vuole eseguire il dimensiona­
mento della trave realizzata con un profilato IPE in acciaio S 275, ipo­
tizzando i seguenti dati: lunghezza totale della trave lt = 9 m; distanza
fra gli appoggi l = 5 m; lunghezza degli sbalzi x1 = x4 = 2 m; x2 = 2,5 m;
x3 = 3,5 m; F1 = 800 N; F2 = 1600 N; F3 = 1800 N; F4 = 1000 N.
Fig. 4.33
Trave con appoggi intermedi,
soggetta a carichi concentrati.
14
Le travi inflesse e la linea elastica
A4