Fondamenti di Ingegneria Strutturale e Meccanica delle Forze

Fondamenti di Progettazione Strutturale

Definizioni e Concetti Base

Vincolo (Link): Rappresenta la condizione imposta su un elemento per restare fermo o descrivere un percorso determinato. Il metodo per realizzare i collegamenti di supporto è definito tramite le connessioni.

Struttura: Si riferisce a un complesso costruito. Le strutture sono costituite da uno o più elementi resistenti, disposti in modo che sia l'insieme complessivo sia le singole componenti siano in grado di sostenere carichi senza subire cambiamenti significativi nella geometria durante le fasi di carico e scarico.

Il disegno della struttura si rivolge a due obiettivi principali:

• Soddisfare i requisiti di funzionalità.
• Sostenere i carichi in modo sicuro.

La progettazione completa di una struttura si imposta sui seguenti punti:

1. Determinazione della forma generale.
2. Definizione dei carichi: carichi permanenti, carichi accidentali, impatti e carichi dinamici.
3. Analisi dello sforzo.
4. Selezione dei diversi elementi strutturali.
5. Elaborazione dei disegni e dei dettagli tecnici.

Tipologie di Elementi Strutturali

Travi: Elementi rettilinei sottoposti esclusivamente a carichi trasversali; vengono analizzati i valori di flessione dell'elemento.

Capriate: Esistono diversi tipi di capriate in base alla soluzione strutturale richiesta. La loro costruzione avviene collegando elementi diritti in punti chiamati nodi, formando una geometria tale che il sistema risulti stabile quando i carichi vengono applicati direttamente a tali nodi.

Reticolo (Enrrejado): Un sistema di barre diritte interconnesse che formano triangoli piani attraverso i nodi. L'interesse di questa struttura risiede nel fatto che le barre lavorano prevalentemente a trazione o compressione.

Geometria descrittiva: È un insieme di caratteri utilizzati per rappresentare lo spazio geometrico-dimensionale su una superficie a due dimensioni. Permette di risolvere problemi spaziali garantendo la corretta lettura attraverso la reversibilità del processo.

Telaio (Mark): Struttura che funge da supporto per altri elementi.

Principi delle Capriate e Sistemi ad Arco

Nozioni di base sulle Capriate: Il principio fondamentale della travatura consiste nell'unire elementi rettilinei per formare triangoli. Questo permette di sostenere carichi trasversali tra due supporti utilizzando meno materiale rispetto a una trave piena, sebbene con lo svantaggio di richiedere un'altezza verticale notevole.

L'unione tra due punti può essere realizzata con un arco composto da due elementi lineari inclinati soggetti a compressione (Fig. A), limitati da due supporti che impediscono l'apertura della struttura. La spinta orizzontale può essere sostituita da un tensore che unisce i due elementi inclinati per assorbire la spinta verso l'esterno (Fig. B). È inoltre possibile sostenere il carico con due elementi tenditori e una compressione orizzontale (Fig. C).

Analisi della Stabilità e Muri di Sostegno

Gradi di Iperstaticità: Si riferiscono alle restrizioni superflue rispetto alle restrizioni minime necessarie per raggiungere l'equilibrio statico di una struttura o di un reticolo. Esistono due equazioni principali:

• GH = Numero di restrizioni - Numero di equazioni di equilibrio.
• GH = Numero di aste - (2 x Numero di nodi) - Numero di vincoli esterni.

Muri di sostegno: Tipologia di struttura rigida destinata a contenere generalmente materiale terroso.

• Muri a gravità: Quelli il cui peso proprio si contrappone alla pressione della terra.
• Muri in terra armata: Strutture dove vengono introdotti scheletri metallici al fine di resistere al movimento.
• Muri strutturali: Pareti in calcestruzzo pesantemente armate.

Controlli tipici sul calcolo del muro di sostegno: Verifica a scorrimento, ribaltamento, capacità di carico e stabilità globale.

Meccanica e Sistemi di Forze

Definizione di Forza e Coppia

Forza: Ogni agente in grado di modificare la velocità o la forma degli oggetti. È un vettore capace di deformare i corpi o di vincere la loro inerzia per spostarli (effetto statico o dinamico).

Coppia di forze: Sistema formato da due forze parallele di direzione opposta e uguale intensità. L'applicazione di una coppia a un corpo produce una rotazione. Questo effetto dipende dal valore delle forze e dalla distanza tra esse, chiamata braccio.

Sistemi di Forze

Forze parallele: Se su un corpo rigido agiscono due o più forze le cui linee d'azione sono parallele, la risultante avrà un valore pari alla somma algebrica delle stesse, con una linea d'azione anch'essa parallela.

Forze concorrenti: Sistema in cui esiste un punto comune a tutte le linee d'azione delle forze componenti. La risultante è l'elemento più semplice a cui può essere ridotto il sistema.

Forze non concorrenti: Un gruppo di forze che agiscono sullo stesso corpo le cui linee d'azione non si incrociano in un unico punto.

Forze fondamentali dell'universo:

1. Gravità: Forza di attrazione esercitata tra le masse.
2. Elettromagnetismo: Colpisce i corpi carichi elettricamente.
3. Nucleare forte: Mantiene uniti i componenti del nucleo atomico.
4. Nucleare debole: Responsabile della disintegrazione dei neutroni.

Metodi Grafici e Proprietà Vettoriali

Poligono delle forze: Metodo secondo cui la somma algebrica delle proiezioni delle forze su una coppia di assi ortogonali deve essere zero per l'equilibrio.

Metodo del poligono risultante: Con due o più forze, la risultante può essere calcolata come segue:

1. Si posiziona una forza dopo l'altra formando un poligono.
2. Si congiunge l'origine della prima con la punta dell'ultima.
3. Quest'ultimo vettore rappresenta la risultante del sistema.

Sistemi di forze complanari: Una forza è caratterizzata da:

• Magnitudo: Il valore numerico legato all'unità di misura.
• Direzione: L'orientamento della sua linea d'azione.
• Verso: Indica la direzione del movimento lungo la linea.
• Punto di applicazione: La posizione specifica in cui agisce.

Le forze complanari si trovano sullo stesso piano (2 assi), mentre quelle non complanari agiscono in più piani (3 assi).

Teorema di Varignon: Il momento risultante di un sistema di forze concorrenti rispetto a un punto dato è uguale alla somma dei momenti di ciascuna delle forze componenti rispetto allo stesso punto.