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Torsione - Corsi di Laurea a Distanza

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Torsione - Corsi di Laurea a Distanza
Comportamento meccanico dei materiali
Torsione
Il caso delle travi
Torsione
Sollecitazioni di torsione nelle sezioni circolari
Sollecitazioni di torsione nelle sezioni rettangolari
Sollecitazioni di torsione nelle sezioni aperte a
parete sottile
Sollecitazioni di torsione nelle sezioni cave a
parete sottile
Confronto sezioni chiuse e sezioni aperte
Sezioni miste aperte e chiuse
2
© 2006 Politecnico di Torino
1
Comportamento meccanico dei materiali
Torsione
Torsione
Definizioni (1/4)
c
L
R
4
© 2006 Politecnico di Torino
2
Comportamento meccanico dei materiali
Torsione
Definizioni (2/4)
cc’ = ∆θR
c’
c
L
R
∆θ
5
Definizioni (3/4)
γR
cc’ = ∆θR
c’
c
L
∆θ
© 2006 Politecnico di Torino
R
6
3
Comportamento meccanico dei materiali
Torsione
Definizioni (4/4)
γR
cc’ = ∆θR
c’
dd’ = ∆θr
d’
c
L
d
r
∆θ
R
7
Spostamenti e deformazioni (1/4)
γR
c
∆θR
∆L
tan γR ≅ γR =
c’
∆θR
∆L
8
© 2006 Politecnico di Torino
4
Comportamento meccanico dei materiali
Torsione
Spostamenti e deformazioni (2/4)
γR
c
γr
d
∆θR
∆θr
c’
∆L
tan γR ≅ γR =
∆θR
∆L
d’
∆L
tan γ r ≅ γ r =
∆θr
∆L
9
Spostamenti e deformazioni (3/4)
γR
c
γr
d
∆θR
∆L
tan γR ≅ γR =
c’
∆θR
∆L
γ ∆L γ r ∆L
∆θ = R
=
R
r
© 2006 Politecnico di Torino
∆θr
d’
∆L
tan γ r ≅ γ r =
∆θr
∆L
10
5
Comportamento meccanico dei materiali
Torsione
Spostamenti e deformazioni (4/4)
γR
γr
c
d
∆θR
∆θr
c’
∆L
tan γR ≅ γR =
∆θR
∆L
γ ∆L γ r ∆L
∆θ = R
=
R
r
d’
∆L
tan γ r ≅ γ r =
γ
γr = R r
R
∆θr
∆L
11
Distribuzione delle tensioni (1/6)
Legge di Hooke: τ = Gγ
12
© 2006 Politecnico di Torino
6
Comportamento meccanico dei materiali
Torsione
Distribuzione delle tensioni (2/6)
Legge di Hooke: τ = Gγ
γ
τ
γ r = R r ⇒ τr = R r
R
R
τR
τR
13
Distribuzione delle tensioni (3/6)
Legge di Hooke: τ = Gγ
Rif. cartesiano
γ
τ
γ r = R r ⇒ τr = R r
R
R
Mz =
∫ (τ yz x − τ xz y )dA
A
τR
τR
© 2006 Politecnico di Torino
14
7
Comportamento meccanico dei materiali
Torsione
Distribuzione delle tensioni (4/6)
Legge di Hooke: τ = Gγ
Rif. cartesiano
τR
Rif. polare
γ
τ
γ r = R r ⇒ τr = R r
R
R
Mz =
∫ (τ yz x − τ xz y )dA
A
Mz = ∫ τr rdA
A
τR
15
Distribuzione delle tensioni (5/6)
Legge di Hooke: τ = Gγ
Rif. cartesiano
τR
Rif. polare
γ
τ
γ r = R r ⇒ τr = R r
R
R
Mz =
∫ (τ yz x − τ xz y )dA
A
Mz = ∫ τr rdA
A
τ
τ
τ
Mz = R ∫ r 2dS = R Jp = r Jp
R
R
r
S
τR
© 2006 Politecnico di Torino
16
8
Comportamento meccanico dei materiali
Torsione
Distribuzione delle tensioni (6/6)
Legge di Hooke: τ = Gγ
Rif. cartesiano
τR
Rif. polare
γ
τ
γ r = R r ⇒ τr = R r
R
R
Mz =
∫ (τ yz x − τ xz y )dA
A
Mz = ∫ τr rdA
A
τ
τ
τ
Mz = R ∫ r 2dS = R Jp = r Jp
R
R
r
S
M
τr = z r
Jp
τR
17
Modulo di resistenza: sez. piene (1/4)
M
τr = z r
Jp
τmax
πD 4
Jp =
32
2R
τmax
18
© 2006 Politecnico di Torino
9
Comportamento meccanico dei materiali
Torsione
Modulo di resistenza: sez. piene (2/4)
M
τr = z r
Jp
τmax
2R
τmax =
πD 4
Jp =
32
Mz
M
R= z
Jp
Wt
τmax
19
Modulo di resistenza: sez. piene (3/4)
M
τr = z r
Jp
τmax
2R
τmax =
Wt =
Jp
R
=
πD 4
Jp =
32
Mz
M
R= z
Jp
Wt
2Jp
D
=
πD 3
= 2Wf
16
τmax
20
© 2006 Politecnico di Torino
10
Comportamento meccanico dei materiali
Torsione
Modulo di resistenza: sez. piene (4/4)
M
τr = z r
Jp
τmax
2R
τmax =
πD 4
Jp =
32
Mz
M
R= z
Jp
Wt
πD 3
=
=
= 2Wf
Wt =
R
D
16
Jp
τmax
2Jp
τmax =
Mz 16Mz
=
Wt
πD 3
21
Modulo di resistenza : sezioni cave
(
πD4 πd4 π D4 − d4
Jp =
−
=
32
32
32
(
)
)
π D4 − d4
=
= 2Wf
Wt =
D
16D
2Jp
d
τmax
D
τmax
© 2006 Politecnico di Torino
22
11
Comportamento meccanico dei materiali
Torsione
Rotazione relativa (1/3)
γ ∆L τr ∆L
∆θ = r
=
r
Gr
γR
c’
d’
c
L
d
r
∆θ
R
23
Rotazione relativa (2/3)
γ ∆L τr ∆L
=
∆θ = r
r
Gr
γR
M
τr = z r
Jp
c’
d’
c
L
d
r
∆θ
© 2006 Politecnico di Torino
R
24
12
Comportamento meccanico dei materiali
Torsione
Rotazione relativa (3/3)
γ ∆L τr ∆L
∆θ = r
=
r
Gr
γR
M
τr = z r
Jp
∆θ =
Mz ∆L
GJp
c’
d’
c
L
d
r
∆θ
R
25
Torsione
© 2006 Politecnico di Torino
13
Comportamento meccanico dei materiali
Torsione
Sezioni rettangolari (1/6)
r
τp=Mzr/Jp
?
27
Sezioni rettangolari (2/6)
r
τp=Mzr/Jp
?
28
© 2006 Politecnico di Torino
14
Comportamento meccanico dei materiali
Torsione
Sezioni rettangolari (3/6)
τzy
r
τp
τp=Mzr/Jp
?
29
Sezioni rettangolari (4/6)
τzy
τzx
r
τp
τp=Mzr/Jp
?
30
© 2006 Politecnico di Torino
15
Comportamento meccanico dei materiali
Torsione
Sezioni rettangolari (5/6)
τyz =0
τzy
τxz =0
τzx
r
τp
τp=Mzr/Jp
?
31
Sezioni rettangolari (6/6)
τyz =0
τzy
τzx
τxz =0
r
τp
τp=Mzr/Jp
?
τp = 0 !!!!
32
© 2006 Politecnico di Torino
16
Comportamento meccanico dei materiali
Torsione
Sez. rettangolari: sol. approssimata (1/4)
y
τzy =
2Mz
x
Jt
Jt =
1
(h − 2 ⋅ 0.3 ⋅ b )b3
3
τzy
h
x
Mz
b
Jt= fattore di rigidezza torsionale
33
Sez. rettangolari: sol. approssimata (2/4)
y
τzy =
τzy
h
2Mz
x
Jt
τmax =
Jt =
1
(h − 2 ⋅ 0.3 ⋅ b )b3
3
2Mz b Mz
=
b
Jt 2 Jt
x
Mz
b
Jt= fattore di rigidezza torsionale
34
© 2006 Politecnico di Torino
17
Comportamento meccanico dei materiali
Torsione
Sez. rettangolari: sol. approssimata (3/4)
y
τzy =
τzy
h
x
Mz
2Mz
x
Jt
τmax =
Jt =
1
(h − 2 ⋅ 0.3 ⋅ b )b3
3
2Mz b Mz
=
b
Jt 2 Jt
1
h >> b ⇒ Jt = hb3
3
b
Jt= fattore di rigidezza torsionale
35
Sez. rettangolari: sol. approssimata (4/4)
y
τzy =
τzy
h
x
Mz
b
2Mz
x
Jt
τmax =
Jt =
1
(h − 2 ⋅ 0.3 ⋅ b )b3
3
2Mz b Mz
=
b
Jt 2 Jt
1
h >> b ⇒ Jt = hb3
3
3M
h >> b ⇒ τmax = 2z
hb
Jt= fattore di rigidezza torsionale
36
© 2006 Politecnico di Torino
18
Comportamento meccanico dei materiali
Torsione
Rotazione sez. rettangolari
Si assume che la sezione ruoti di
un angolo θ:
y
τzy
h
x
∆θ Mz
=
∆L GJt
Mz
b
non restando nel contempo piana
N.B. Soluzione esatta tensioni e rotazione sezioni
rettangolari: Saint Venant - 1856
37
Torsione
© 2006 Politecnico di Torino
19
Comportamento meccanico dei materiali
Torsione
Sezioni aperte: modulo di rigidezza (1/5)
Ipotesi:
Mz = ∑ Mzi
i
h1
b1
∆θ = ∆θi
h2
b2
b3
h3
39
Sezioni aperte: modulo di rigidezza (2/5)
Ipotesi:
Mz = ∑ Mzi
i
∆θi Mzi
=
∆L GJti
h1
b1
∆θ = ∆θi
∆θ Mz
=
∆L GJt
h2
b2
b3
h3
40
© 2006 Politecnico di Torino
20
Comportamento meccanico dei materiali
Torsione
Sezioni aperte: modulo di rigidezza (3/5)
Ipotesi:
Mz =
∑ Mzi
i
h1
b1
∆θ = ∆θi
∆θi Mzi
=
∆L GJti
∆θ Mz
=
∆L GJt
Mzi Mz
=
Jti
Jt
Mzi =
h2
Mz
Jti
Jt
b2
b3
h3
41
Sezioni aperte: modulo di rigidezza (4/5)
Ipotesi:
Mz =
∑ Mzi
i
h1
∆θi Mzi
=
∆L GJti
∆θ Mz
=
∆L GJt
Mzi Mz
=
Jti
Jt
Mzi =
Mz = ∑ Mzi =
i
© 2006 Politecnico di Torino
b1
∆θ = ∆θi
Mz
∑ Jti
Jt i
Mz
Jti
Jt
h2
b2
b3
h3
42
21
Comportamento meccanico dei materiali
Torsione
Sezioni aperte: modulo di rigidezza (5/5)
Ipotesi:
Mz =
∑ Mzi
i
h1
∆θi Mzi
=
∆L GJti
∆θ Mz
=
∆L GJt
Mzi Mz
=
Jti
Jt
Mzi =
Mz = ∑ Mzi =
i
b1
∆θ = ∆θi
h2
Mz
Jti
Jt
b2
b3
h3
Mz
∑ Jti
Jt i
Jt =
∑ Jti
43
Sezioni aperte: tensioni e rotazione (1/4)
Jt =
=
h1
∑ Jti =
b1
1
∑ 3 (hi − 0.3 ⋅ bi ⋅ mi )bi3
mi = n° estremità libere
h2
b2
b3
h3
44
© 2006 Politecnico di Torino
22
Comportamento meccanico dei materiali
Torsione
Sezioni aperte: tensioni e rotazione (2/4)
Jt =
=
h1
∑ Jti =
b1
1
∑ 3 (hi − 0.3 ⋅ bi ⋅ mi )bi3
mi = n° estremità libere
h >> b
Jt =
h2
b2
b3
1
∑ 3hibi3
h3
45
Sezioni aperte: tensioni e rotazione (3/4)
Jt =
=
h1
∑ Jti =
b1
1
∑ 3 (hi − 0.3 ⋅ bi ⋅ mi )bi3
mi = n° estremità libere
b3
1
∑ 3hibi3
h >> b
Jt =
τmax i =
Mzi
M
bi = z bi
Jti
Jt
© 2006 Politecnico di Torino
h2
b2
h3
46
23
Comportamento meccanico dei materiali
Torsione
Sezioni aperte: tensioni e rotazione (4/4)
Jt =
=
h1
∑ Jti =
b1
1
∑ 3 (hi − 0.3 ⋅ bi ⋅ mi )bi3
mi = n° estremità libere
h2
b2
b3
1
∑ 3hibi3
h >> b
Jt =
τmax i =
Mzi
M
bi = z bi
Jti
Jt
h3
∆θ Mz
=
∆L GJt
47
Torsione
© 2006 Politecnico di Torino
24
Comportamento meccanico dei materiali
Torsione
Torsione sezioni chiuse in parete sottile (1/4)
linea media L
q = ∫ τdt
t
Il flusso q è costante!
O
Ω
t
τ
49
Torsione sezioni chiuse in parete sottile (2/4)
linea media L
q = ∫ τdt
t
Il flusso q è costante!
dL
r
Mz = ∫ dF ⋅ r = ∫ qdL ⋅ r = q ⋅ ∫ rdL
O
dF
L
L
L
Ω
t
τ
50
© 2006 Politecnico di Torino
25
Comportamento meccanico dei materiali
Torsione
Torsione sezioni chiuse in parete sottile (3/4)
linea media L
q = ∫ τdt
t
Il flusso q è costante!
dL
r
Mz = ∫ dF ⋅ r = ∫ qdL ⋅ r = q ⋅ ∫ rdL
L
O
dF
Ω
L
L
∫ rdL = 2Ω ⇒ Mz
= q2Ω
L
t
τ
51
Torsione sezioni chiuse in parete sottile (4/4)
linea media L
q = ∫ τdt
t
Il flusso q è costante!
dL
r
Mz = ∫ dF ⋅ r = ∫ qdL ⋅ r = q ⋅ ∫ rdL
L
O
dF
Ω
t
τ
L
∫ rdL = 2Ω ⇒ Mz
L
= q2Ω
L
q=
Mz
2Ω
τ=
Mz
2Ωt
52
© 2006 Politecnico di Torino
26
Comportamento meccanico dei materiali
Torsione
Rotazione sezioni chiuse in parete sottile
linea media L
dL
r
O
Ω
τ=
Mz
2Ωt
4Ω2
Jt =
dL
∫ t (L )
t = costante ⇒
t
∆θ Mz
=
∆L GJt
τ
4Ω2t
Jt =
L
53
Tensioni nei raccordi sezioni rettangolari
t
r
s
τmax
= 1.74
t
⋅ τmax
r
54
© 2006 Politecnico di Torino
27
Comportamento meccanico dei materiali
Torsione
Torsione
Confronto sezioni quadrate (1/7)
lato = h (linea media)
spessore = t
56
© 2006 Politecnico di Torino
28
Comportamento meccanico dei materiali
Torsione
Confronto sezioni quadrate (2/7)
lato = h (linea media)
spessore = t
Jt =
4 3
ht
3
57
Confronto sezioni quadrate (3/7)
lato = h (linea media)
spessore = t
4
Jt = ht 3
3
4Ω2t 4h4 t
Jt =
=
= h3t
l
4h
58
© 2006 Politecnico di Torino
29
Comportamento meccanico dei materiali
Torsione
Confronto sezioni quadrate (4/7)
lato = h (linea media)
spessore = t
4Ω2t 4h4 t
Jt =
=
= h3t
l
4h
4
Jt = ht 3
3
Maz
3 Maz
τ =
t=
Jt
4 ht 2
a
59
Confronto sezioni quadrate (5/7)
lato = h (linea media)
spessore = t
4
Jt = ht 3
3
4Ω2t 4h4 t
=
= h3t
Jt =
l
4h
Maz
3 Maz
τ =
t=
Jt
4 ht 2
τc =
a
Mcz
Mc
= 2z
2Ωt 2h t
60
© 2006 Politecnico di Torino
30
Comportamento meccanico dei materiali
Torsione
Confronto sezioni quadrate (6/7)
lato = h (linea media)
spessore = t
4
Jt = ht 3
3
4Ω2t 4h4 t
=
= h3t
Jt =
l
4h
Maz
3 Maz
τ =
t=
Jt
4 ht 2
Mcz
Mcz
τ =
=
2Ωt 2h2t
a
c
∆θa Maz 3 Maz
=
=
∆L GJt 4 Ght 3
61
Confronto sezioni quadrate (7/7)
lato = h (linea media)
spessore = t
4
Jt = ht 3
3
4Ω2t 4h4 t
=
= h3t
Jt =
l
4h
Maz
3 Maz
τ =
t=
Jt
4 ht 2
τc =
a
∆θa Maz 3 Maz
=
=
∆L GJt 4 Ght 3
Mcz
Mc
= 2z
2Ωt 2h t
∆θc Mcz
Mcz
=
=
∆L GJt Gh3t
62
© 2006 Politecnico di Torino
31
Comportamento meccanico dei materiali
Torsione
… a parità di momento
A parità di momento Mz:
τc
Mcz 4ht 2
2 t Mcz 2 t
=
=
=
τa 2h2t 3Maz 3 h Maz 3 h
Mcz 4Ght 3
2
Mcz 4 ⎛ t ⎞
4⎛t⎞
=
=
=
⎜
⎟
⎜ ⎟
3 ⎝h⎠
Maz 3 ⎝ h ⎠
∆θa Gh3t 3Maz
∆θ c
2
63
… a parità di momento (grafico)
A parità di momento Mz:
0.35
0.3
0.25
τc/τa
0.2
0.15
0.1
∆θc/∆θa
0.05
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
64
h/t
© 2006 Politecnico di Torino
32
Comportamento meccanico dei materiali
Torsione
… a parità di rotazione
A parità di rotazione ∆θ:
2
∆θ c
2
Mcz 4 ⎛ t ⎞
Maz 4 ⎛ t ⎞
Mcz 3 h2
=
=
⇒
=
⇒
=
1
⎜ ⎟
a
a 3 ⎜⎝ h ⎟⎠
c
a
3
h
⎝ ⎠
∆θ
Mz
Mz
Mz 4 t 2
τc
2 h Mcz 2 t 3 h2 1 h
=
=
=
⇒
a
a
2
3
t
3
h
4
2
t
Mz
t
τ
τa
t
2
=
h
τc
65
… a parità di rotazione (grafico)
A parità di rotazione ∆θ:
1.2
1
τa/τc
0.8
0.6
Maz Mcz
0.4
0.2
0
1
2
3
© 2006 Politecnico di Torino
4
5
6
7
8 9 10 11 12 13 14 15
66
h/t
33
Comportamento meccanico dei materiali
Torsione
… a parità di tensione
A parità di tensione τ:
2 t Mcz
Maz 2 t
Mcz 3 h
=
=1⇒ c =
⇒ a =
τa 3 h Maz
Mz 3 h
Mz 2 t
τc
2
2
∆θ a 1 h
Mcz 4 ⎛ t ⎞
4⎛ t ⎞ 3h
t
=
=2 ⇒ c =
⎜ ⎟ = ⎜ ⎟
3 ⎝h⎠ 2 t
h
2t
∆θa Maz 3 ⎝ h ⎠
∆θ
∆θ c
67
… a parità di tensione (grafico)
A parità di tensione τ:
1.2
1
∆θc/∆θa
0.8
0.6
0.4
Maz Mcz
0.2
0
1
2
© 2006 Politecnico di Torino
3
4
5
6
7
8 9 10 11 12 13 146815
h/t
34
Comportamento meccanico dei materiali
Torsione
Torsione
Sezioni miste aperte/chiuse (1/5)
1
2
Mz = Mz1 + Mz2
70
© 2006 Politecnico di Torino
35
Comportamento meccanico dei materiali
Torsione
Sezioni miste aperte/chiuse (2/5)
2
1
Mz = Mz1 + Mz2
∆θ1 ∆θ2
M
M
=
⇒ z1 = z2
∆L
∆L
GJt1 GJt 2
71
Sezioni miste aperte/chiuse (3/5)
2
1
Mz = Mz1 + Mz2
∆θ1 ∆θ2
M
M
J
=
⇒ z1 = z2 ⇒ Mz2 = Mz1 t 2
∆L
∆L
GJt1 GJt 2
Jt1
72
© 2006 Politecnico di Torino
36
Comportamento meccanico dei materiali
Torsione
Sezioni miste aperte/chiuse (4/5)
2
1
Mz = Mz1 + Mz2
M
M
J
∆θ1 ∆θ2
=
⇒ z1 = z2 ⇒ Mz2 = Mz1 t 2
∆L
∆L
GJt1 GJt 2
Jt1
⎛
J ⎞
J + Jt 2
Mz = Mz1 ⎜1 + t 2 ⎟ = Mz1 t1
Jt1 ⎠
Jt1
⎝
73
Sezioni miste aperte/chiuse (5/5)
2
1
Mz = Mz1 + Mz2
M
M
∆θ1 ∆θ2
=
⇒ z1 = z2 ⇒ Mz2 = Mz1
GJt1 GJt 2
∆L
∆L
⎛
J ⎞
J + Jt 2
Mz = Mz1 ⎜⎜1 + t 2 ⎟⎟ = Mz1 t1
Jt1 ⎠
Jt1
⎝
Mz1 = Mz
Jt1
Jt1 + Jt 2
Mz2 = Mz
Jt 2
Jt1
Jt 2
Jt1 + Jt 2
74
© 2006 Politecnico di Torino
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