Lezioni del corso di Elementi di Meccanica Strutturale
Transcript of Lezioni del corso di Elementi di Meccanica Strutturale
Lezioni del corso di
Elementi di Meccanica Strutturale
Universitร del Salento
Corso di Laurea in Ingegneria Industriale
prof. ing. Riccardo Nobile
1
Lezione 1 - Analisi cinematica delle strutture
Un corpo rigido รจ costituito da punti materiali che mantengono inalterata la
loro posizione relativa qualunque siano i carichi applicati
Lโipotesi di corpo rigido permette di semplificare notevolmente lo studio
del comportamento meccanico dei componenti.
Poichรฉ un corpo rigido ha una geometria immutabile, esso puรฒ essere
schematizzato con elementi geometrici piรน semplici, come ad esempio delle
aste
Se si suppone valida lโipotesi di corpo rigido, un sistema meccanico, anche
complesso, potrร essere schematizzato con entitร geometriche semplici,
come ad esempio delle aste
Equilibrio statico delle strutture
Corpo rigido
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Un
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itร d
el
Sale
nto
Dalla Meccanica Razionale รจ noto che un
corpo rigido nello spazio รจ dotato di 6
gradi libertร (3 nel piano). La conoscenza
del valore assunto da tali parametri
consente di definire univocamente la
posizione e lโorientazione nello spazio
(nel piano) del corpo
La posizione nello spazio della trottola in
figura, supposta rigida, sarร
completamente definita una volta che
saranno noti le coordinate del punto P0 e
i tre angoli indicati in figura.
Equilibrio statico delle strutture
Analisi cinematica del corpo rigido
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Un
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itร d
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Sale
nto
Gradi di
Libertร
u0
v0
w0
y
j
a
Dalla Meccanica Razionale รจ noto che un
corpo rigido nello spazio รจ dotato di 6
gradi libertร (3 nel piano). La conoscenza
del valore assunto da tali parametri
consente di definire univocamente la
posizione e lโorientazione nello spazio
(nel piano) del corpo
La posizione su un piano
dellโimbarcazione in figura, supposta
rigida, sarร completamente definita una
volta che saranno noti le coordinate del
punto P0 e lโangolo di inclinazione del
suo asse longitudinale rispetto allโasse x.
Equilibrio statico delle strutture
Analisi cinematica del corpo rigido
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nto
Gradi di
Libertร
u0
v0
q
Un corpo non completamente libero di muoversi รจ detto vincolato.
In generale il vincolo impone delle limitazioni agli spostamenti e/o rotazioni di un
punto del corpo.
Analiticamente un vincolo รจ espresso da una equazione le cui variabili sono costituite
dai gradi di libertร del corpo.
Si indicherร con Ve il numero di equazioni caratteristiche del vincolo
Limitando la trattazione al caso piano, le tipologie di vincolo possono essere
ricondotte ai seguenti casi:
- Appoggio semplice o scorrevole
- Appoggio fisso
- Doppio pendolo
- Incastro
Equilibrio statico delle strutture
Vincoli nel piano
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Esempi fisici di appoggi semplici
Equilibrio statico delle strutture
Vincoli nel piano โ Appoggio semplice
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nto
Schematizzazione Equazione di vincolo
๐ฃ๐ด = 0
๐๐ = 1
Esempi fisici di appoggi fissi
Equilibrio statico delle strutture
Vincoli nel piano โ Appoggio fisso
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nto
Schematizzazione Equazione di vincolo
๐ข๐ด = 0
๐ฃ๐ด = 0
๐๐ = 2
Esempi fisici di doppio pendolo
Equilibrio statico delle strutture
Vincoli nel piano โ Doppio pendolo o pattino
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nto
Schematizzazione Equazione di vincolo
๐ฃ๐ด = 0
๐ = 0
๐๐ = 2
Esempi fisici di incastro
Equilibrio statico delle strutture
Vincoli nel piano โ Incastro
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nto
Schematizzazione Equazione di vincolo
๐ข๐ต = 0
๐ฃ๐ต = 0
๐ = 0
๐๐ = 3
Quando un sistema strutturale รจ costituito da piรน corpi rigidi, nasce lโesigenza di
individuare le possibilitร di moto relativo dei corpi.
Tali spostamenti possono essere limitati introducendo il concetto di vincoli interni o
alternativamente di sconnessioni
Una sconnessione puรฒ essere pensata come lโintroduzione di una o piรน possibilitร di
spostamento aggiuntivi rispetto a quelle proprie di un corpo rigido
Il grado della sconnessione S indica il numero di spostamenti aggiuntivi introdotti
Equilibrio statico delle strutture
Vincoli interni e sconnessioni
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nto
Un vincolo interno rappresenta un concetto complementare a quello di sconnessione
e rappresenta una o piรน limitazioni di spostamento relativo di due corpi.
Anche i vincoli interni sono espressi attraverso equazioni caratteristiche del vincolo.
A differenza dei vincoli esterni queste equazioni impongono lโuguaglianza tra piรน
spostamenti
Si indicherร con Vi il numero di equazioni caratteristiche del vincolo
La complementarietร dei concetti di sconnessione e vincolo interni fa sรฌ che:
nel piano:
nello spazio:
Equilibrio statico delle strutture
Vincoli interni e sconnessioni
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nto
๐ + ๐๐ = 3
๐ + ๐๐ = 6
Limitando la trattazione al caso piano, le tipologie di vincolo interno/sconnessioni
possono essere ricondotte ai seguenti casi:
- Cerniera interna con n aste
- Doppio pendolo interno
- Pendolo interno
Si definiscono inoltre delle sconnessioni speciali che vengono introdotte per facilitare
lo studio cinematico delle strutture:
- Sconnessione tripla
- Incastro interno
Equilibrio statico delle strutture
Vincoli interni e sconnessioni
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Esempi fisici di cerniera con n aste
Equilibrio statico delle strutture
Vincoli interni โ Cerniera con n aste
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Schematizzazione Equazione di vincolo
๐ข๐ต1 = ๐ข๐ต2 ๐ข๐ต2 = ๐ข๐ต3
๐ฃ๐ต1 = ๐ฃ๐ต2 ๐ฃ๐ต2 = ๐ฃ๐ต3
๐๐ = 2(n โ 1)
Schematizzazione sconnessioni semplici
Equilibrio statico delle strutture
Sconnessioni semplici
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Equazioni di vincolo
๐ข๐ด1 = ๐ข๐ด2 ๐ฃ๐ด1 = ๐ฃ๐ด2 ๐๐ = 2
(๐ = 1) x
y
x
y
x
y
A
A
A
๐ข๐ด1 = ๐ข๐ด2 ๐๐ด1 = ๐๐ด2 ๐๐ = 2
(๐ = 1)
๐ฃ๐ด1 = ๐ฃ๐ด2 ๐๐ด1 = ๐๐ด2 ๐๐ = 2
(๐ = 1)
Schematizzazione sconnessioni doppie
Equilibrio statico delle strutture
Sconnessioni doppie
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Equazioni di vincolo
๐ข๐ด1 = ๐ข๐ด2 ๐๐ = 1
(๐ = 2)
๐ฃ๐ด1 = ๐ฃ๐ด2 ๐๐ = 1
(๐ = 2)
x
y
x
y
A
A
Schematizzazione sconnessione tripla
Equilibrio statico delle strutture
Sconnessioni speciali
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Equazioni di vincolo
โ ๐๐ = 0
(๐ = 3)
๐ข๐ด1 = ๐ข๐ด2
๐ฃ๐ด1 = ๐ฃ๐ด2
๐๐ด1 = ๐๐ด2
๐๐ = 3
(๐ = 0)
x
y
x
y
Schematizzazione sconnessione nulla (incastro interno)
I sistemi meccanici reali sono costituiti da uno o piรน corpi vincolati tra loro e
vincolati esternamente
Lโanalisi cinematica di una struttura consente di stabilire il numero di gradi di
libertร del sistema nel suo complesso. Il risultato di tale analisi permette di stabilire
se il sistema รจ labile, isostatico o iperstatico
Tale analisi si basa sul confronto tra i gradi di libertร complessivi del sistema e i
gradi di vincolo imposti
Equilibrio statico delle strutture
Analisi cinematica delle strutture
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Dato un sistema costituito da n corpi rigidi nel piano (per cui il sistema nel suo
complesso sarร caratterizzato da 3n gradi di libertร ) e indicato con v il numero di
equazioni di vincolo si indicherร con grado di labilitร o di iperstaticitร la quantitร :
o in maniera del tutto equivalente:
Equilibrio statico delle strutture
Analisi cinematica delle strutture
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๐ฟ = 3๐ โ ๐๐ โ ๐๐
๐ฟ = 3 + ๐ โ ๐๐
- Se L > 0 il sistema si dirร labile e L costituirร il grado di labilitร ossia il numero
minimo di parametri indipendenti atti ad individuare univocamente la geometria del
sistema.
- Se L = 0 il sistema si dirร isostatico (a patto che la struttura non sia a vincoli
inefficaci), ossia la struttura sarร dotata esattamente del numero di vincoli
sufficienti a garantire lโequilibrio statico del sistema.
- Se L < 0 il sistema sarร iperstatico (a patto che la struttura non sia a vincoli
inefficaci), ossia il numero di vincoli รจ sovrabbondante rispetto ai gradi di libertร
del sistema.
Equilibrio statico delle strutture
Analisi cinematica delle strutture
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๐ฟ = 3๐ โ ๐๐ โ ๐๐ ๐ฟ = 3 + ๐ โ ๐๐
Lโefficacia dei vincoli di una struttura puรฒ essere valutata matematicamente o
fisicamente
Matematicamente se indichiamo con qi i 3n gradi di libertร complessivi del sistema
e con Fi(q1, q2,โฆqn) le m = (Ve+Vi) equazioni vincolo del sistema, il sistema si
dirร a vincoli efficaci se lo Jacobiano delle funzioni Fi รจ massimo
Equilibrio statico delle strutture
Analisi cinematica delle strutture
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๐ฝ =
๐๐น1
๐๐1
๐๐น1
๐๐2
๐๐น1
๐๐3๐
๐๐น2
๐๐1
๐๐น2
๐๐2
๐๐น2
๐๐3๐
๐๐น๐
๐๐1
๐๐น๐
๐๐2
๐๐น๐
๐๐3๐
Se J ha rango max
il sistema si dirร a vincoli efficaci
Lโefficacia dei vincoli di una struttura puรฒ essere valutata matematicamente o
fisicamente
Fisicamente si richiede che nessuna parte della struttura sia dotata di spostamenti
rigidi elementari
I moti di corpo rigido sono caratterizzati da una funzione matematica del tipo:
Equilibrio statico delle strutture
Analisi cinematica delle strutture
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nto
๐ข(๐) = ๐ข ๐ + ๐ ๐ฅ (๐ โ ๐)
Graficamente, sfruttando il teorema di Chasles secondo cui il centro di istantanea
rotazione appartiene sempre alla retta ortogonale alla traiettoria o velocitร di un
punto, si puรฒ provare a determinare il centro C per ogni corpo costituente la
struttura. Se non รจ possibile farlo, vorrร dire che lo Jacobiano ha rango max e che il
sistema รจ a vincoli efficaci. Per i sistemi costituiti da piรน corpi occorre verificare
che i centri assoluti non siano allineati ai centri relativi
๐ข(๐) = ๐ ๐ฅ (๐ โ ๐ถ)
Sistema isostatico
Equilibrio statico delle strutture
Esempi di analisi cinematica delle strutture
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itร d
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nto
๐ = 1
๐๐ = 3 ๐ฟ = 3๐ โ ๐๐ โ ๐๐ = 0
A B
A B
AB
Sistema isostatico
๐ = 1
๐๐ = 3 ๐ฟ = 3๐ โ ๐๐ โ ๐๐ = 0
Labile a vincoli inefficaci
๐ = 1
๐๐ = 3 ๐ฟ = 3๐ โ ๐๐ โ ๐๐ = 0
Sistema iperstatico
Equilibrio statico delle strutture
Esempi di analisi cinematica delle strutture
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๐ = 1
๐๐ = 4 ๐ฟ = 3๐ โ ๐๐ โ ๐๐ = โ1
Sistema iperstatico
๐ = 1
๐๐ = 4 ๐ฟ = 3๐ โ ๐๐ โ ๐๐ = โ1
Labile a vincoli inefficaci
๐ = 1
๐๐ = 3 ๐ฟ = 3๐ โ ๐๐ โ ๐๐ = 0
A B
A B
A B
C
C
Sistema iperstatico
Equilibrio statico delle strutture
Esempi di analisi cinematica delle strutture
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๐ = 1
๐๐ = 4
๐ฟ = 3๐ โ ๐๐ โ ๐๐ = โ1
๐ = 1
๐๐ = 3 Labile a vincoli inefficaci
๐ฟ = 3๐ โ ๐๐ โ ๐๐ = 0 A
B
AB
A C
B
1 2
C1 C2
C12
1 2
Sistema isostatico
Equilibrio statico delle strutture
Esempi di analisi cinematica delle strutture
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nto
๐ = 2
๐๐ = 4
๐๐ = 2 n โ 1 = 2
๐ฟ = 3๐ โ ๐๐ โ ๐๐
๐ฟ = 3 โ 2 โ 4 โ 2 = 0
Vincoli efficaci
C12 non allineato
con C1, C2
Sistema labile a
vincoli inefficaci
Equilibrio statico delle strutture
Esempi di analisi cinematica delle strutture
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๐ = 2
๐๐ = 4
๐๐ = 2 n โ 1 = 2
๐ฟ = 3๐ โ ๐๐ โ ๐๐
๐ฟ = 3 โ 2 โ 4 โ 2 = 0
Vincoli inefficaci
C12 allineato con C1, C2
A C C1 C2C C121 2 1 2
Sistema labile a
vincoli inefficaci
Equilibrio statico delle strutture
Esempi di analisi cinematica delle strutture
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๐ = 2
๐๐ = 4
๐๐ = 2
๐ฟ = 3๐ โ ๐๐ โ ๐๐
๐ฟ = 3 โ 2 โ 4 โ 2 = 0
Vincoli inefficaci
C12 allineato con C1, C2
A CC1 C2
B
C128
Sistema isostatico
Equilibrio statico delle strutture
Esempi di analisi cinematica delle strutture
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๐ = 2
๐๐ = 4
๐๐ = 2
๐ฟ = 3๐ โ ๐๐ โ ๐๐
๐ฟ = 3 โ 2 โ 4 โ 2 = 0
Vincoli efficaci
C12 non allineato
con C1, C2
A CC1 C2
B
C12
8
Sistema isostatico
Equilibrio statico delle strutture
Esempi di analisi cinematica delle strutture
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๐ = 6
๐๐ = 6
๐๐ = 6 + 4 + 2 = 12
๐ฟ = 3๐ โ ๐๐ โ ๐๐
๐ฟ = 3 โ 6 โ 6 โ 12 = 0
Sistema labile a
vincoli inefficaci
Equilibrio statico delle strutture
Esempi di analisi cinematica delle strutture
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๐ = 4
๐๐ = 8
๐๐ = 2 + 2 = 4
๐ฟ = 3๐ โ ๐๐ โ ๐๐
๐ฟ = 3 โ 4 โ 8 โ 4 = 0
Sistema iperstatico
Equilibrio statico delle strutture
Esempi di analisi cinematica delle strutture
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๐ = 3
๐๐ = 4
๐๐ = 2 + 2 + 2 = 6
๐ฟ = 3๐ โ ๐๐ โ ๐๐
๐ฟ = 3 โ 3 โ 4 โ 6 = โ1
Sistema isostatico esternamente
Sistema iperstatico internamente
Equilibrio statico delle strutture
Esempi di analisi cinematica delle strutture
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nto
๐ = 2
๐๐ = 3
๐๐ = 6
๐ฟ = 3๐ โ ๐๐ โ ๐๐
๐ฟ = 3 โ 2 โ 3 โ 6 = โ3
Vincoli efficaci
C12 non allineato
con C1, C2
Equilibrio statico delle strutture
Esempi di analisi cinematica delle strutture
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ivers
itร d
el
Sale
nto
๐ = 2
๐๐ = 3
๐๐ = 5
๐ฟ = 3๐ โ ๐๐ โ ๐๐
๐ฟ = 3 โ 2 โ 3 โ 5 = โ2
Vincoli efficaci
C12 non allineato
con C1, C2
Sistema isostatico esternamente
Sistema iperstatico internamente
Equilibrio statico delle strutture
Esempi di analisi cinematica delle strutture
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nto
๐ = 3
๐๐ = 3
๐๐ = 6
๐ฟ = 3๐ โ ๐๐ โ ๐๐
๐ฟ = 3 โ 3 โ 3 โ 6 = 0
Vincoli efficaci
C12 non allineato
con C1, C2
Sistema isostatico
Equilibrio statico delle strutture
Esempi di analisi cinematica delle strutture
35
R. N
ob
ile โ
Ele
men
ti d
i M
ecca
nic
a Str
utt
ura
le
An
alis
i ci
nem
atic
a d
elle
str
utt
ure
Un
ivers
itร d
el
Sale
nto
๐ = 3
๐๐ = 3
๐๐ = 6
๐ฟ = 3๐ โ ๐๐ โ ๐๐
๐ฟ = 3 โ 3 โ 3 โ 6 = 0
Vincoli inefficaci
C12 allineato con C1, C2
Sistema labile a v.i. esternamente
Sistema iperstatico internamente
Equilibrio statico delle strutture
Esempi di analisi cinematica delle strutture
36
R. N
ob
ile โ
Ele
men
ti d
i M
ecca
nic
a Str
utt
ura
le
An
alis
i ci
nem
atic
a d
elle
str
utt
ure
Un
ivers
itร d
el
Sale
nto
๐ = 3
๐๐ = 6
๐๐ = 4
๐ฟ = 3๐ โ ๐๐ โ ๐๐
๐ฟ = 3 โ 3 โ 6 โ 4 = 0
Vincoli efficaci
C12 non allineato con C1, C2
Sistema isostatico esternamente
Sistema iperstatico internamente
Sistema labile a 1
grado di libertร
Equilibrio statico delle strutture
Esempi di schematizzazione di strutture reali
37
R. N
ob
ile โ
Ele
men
ti d
i M
ecca
nic
a Str
utt
ura
le
An
alis
i ci
nem
atic
a d
elle
str
utt
ure
Un
ivers
itร d
el
Sale
nto
๐ = 2
๐๐ = 3
๐๐ = 2 n โ 1 = 2
๐ฟ = 3๐ โ ๐๐ โ ๐๐
๐ฟ = 3 โ 2 โ 3 โ 2 = 1
Sistema labile a 1
grado di libertร
Equilibrio statico delle strutture
Esempi di schematizzazione di sistemi reali
38
R. N
ob
ile โ
Ele
men
ti d
i M
ecca
nic
a Str
utt
ura
le
An
alis
i ci
nem
atic
a d
elle
str
utt
ure
Un
ivers
itร d
el
Sale
nto
๐ = 2
๐๐ = 4
๐๐ = 1
๐ฟ = 3๐ โ ๐๐ โ ๐๐
๐ฟ = 3 โ 2 โ 4 โ 1 = 1
Innesto a frizione
Sistema isostatico
Equilibrio statico delle strutture
Esempi di schematizzazione di sistemi reali
39
R. N
ob
ile โ
Ele
men
ti d
i M
ecca
nic
a Str
utt
ura
le
An
alis
i ci
nem
atic
a d
elle
str
utt
ure
Un
ivers
itร d
el
Sale
nto
๐ = 4
๐๐ = 6
๐๐ = 2 + 2 + 1 + 1 = 6
๐ฟ = 3๐ โ ๐๐ โ ๐๐
๐ฟ = 3 โ 4 โ 6 โ 6 = 0
Elevatore a pinza
Sistema isostatico
Equilibrio statico delle strutture
Esempi di schematizzazione di sistemi reali
40
R. N
ob
ile โ
Ele
men
ti d
i M
ecca
nic
a Str
utt
ura
le
An
alis
i ci
nem
atic
a d
elle
str
utt
ure
Un
ivers
itร d
el
Sale
nto
๐ = 5
๐๐ = 5
๐๐ = 4 + 4 + 2 = 10
๐ฟ = 3๐ โ ๐๐ โ ๐๐
๐ฟ = 3 โ 5 โ 5 โ 10 = 0
Gru a bandiera