Equilibrio degli Elementi Articolati
1.2 F2 — PCI, classe terza CAT

Equilibrio degli Elementi Articolati

Quando un elemento strutturale non è un solo corpo rigido: cerniere interne, gradi di libertà, archi a tre cerniere, travi Gerber ed elementi reticolari.

Materia — Progettazione, Costruzione e Impianti Indirizzo — CAT, Costruzioni Ambiente e Territorio Durata — 2 ore
F YA XA YB XB A B C
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Dai corpi rigidi agli elementi articolati

Nella tavola F1 abbiamo studiato l’equilibrio di un elemento strutturale costituito da un unico corpo rigido: 3 gradi di libertà nel piano, azzerati da vincoli esterni (carrello, cerniera, incastro).

Molte strutture reali, però, non sono un unico corpo rigido: sono un sistema di più corpi rigidi, collegati tra loro non solo al suolo ma anche l’uno con l’altro. Il collegamento tra le parti — il vincolo interno — non annulla del tutto la libertà di movimento relativo tra i corpi, ma la limita. Un elemento strutturale così composto si dice articolato. In questa tavola vediamo come si contano i suoi gradi di libertà e come si calcolano le sue reazioni, esterne e interne.

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Il vincolo interno più diffuso: la cerniera interna

Il vincolo interno più comune è la cerniera interna (o snodo): collega due o più corpi rigidi permettendo la rotazione relativa tra loro, ma impedendo lo spostamento relativo — esattamente come la cerniera esterna impedisce lo spostamento rispetto al suolo, lasciando libera la rotazione.

rotazione libera C
cerniera interna C: rotazione relativa libera, spostamento relativo impedito
Una cerniera interna che collega r corpi rigidi sottrae al sistema 2(r − 1) gradi di libertà: ogni corpo, oltre al primo, perde le sue 2 possibilità di traslazione relativa rispetto agli altri, mentre la rotazione relativa resta libera per tutti.
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Gradi di libertà di un elemento articolato

Un elemento strutturale piano formato da n corpi rigidi scollegati avrebbe 3·n gradi di libertà (3 per ciascun corpo, come visto in F1). Le cerniere interne che li collegano ne sottraggono una parte. Il numero di gradi di libertà residui vale quindi:

NL = 3n − Σ 2(r − 1)

dove la sommatoria è estesa a tutte le cerniere interne presenti nell’elemento, e r è il numero di corpi che ciascuna cerniera collega di volta in volta.

Un elemento formato da un solo corpo rigido (n = 1, nessuna cerniera interna) dà NL = 3: si ritrova coerentemente il caso della tavola F1.
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Esempio: calcolo dei gradi di libertà

La formula si applica contando i corpi rigidi e, per ciascuna cerniera interna, quanti corpi collega.

n = 2, una cerniera r = 2

NL = 3·2 − 2(2−1) = 6 − 2 = 4

n = 4, una cerniera r = 4

NL = 3·4 − 2(4−1) = 12 − 6 = 6

n = 3, una cerniera r = 3

NL = 3·3 − 2(3−1) = 9 − 4 = 5

Si noti che una cerniera interna semplice (r = 2, la più comune) sottrae sempre e soltanto 2 gradi di libertà, qualunque sia il numero totale di corpi dell’elemento.

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Elementi articolati isostatici: equilibrio esterno e interno

Un elemento articolato con NL gradi di libertà maggiori di 3 richiede, per essere isostatico, un grado di vincolo esterno complessivo maggiore di 3 — e qui sta la differenza sostanziale rispetto al corpo rigido singolo.

Le tre equazioni cardinali della statica (tavola F1-09), scritte sull’intero elemento, non bastano più da sole: le incognite (le reazioni esterne) sono più di tre. Occorre allora imporre l’equilibrio non solo dell’elemento nel suo insieme (equilibrio esterno), ma anche di ciascun corpo rigido che lo compone, preso singolarmente (equilibrio interno): tanti sistemi di equilibrio quanti sono i corpi rigidi, sufficienti a determinare tutte le reazioni, esterne e interne.

Le reazioni di una cerniera interna sono forze incognite in intensità e direzione, che agiscono in coppia — uguali e opposte — sui due corpi che la cerniera collega: XC1 = XC2 = XC e YC1 = YC2 = YC. Una cerniera che collega r corpi ha, coerentemente con la tavola 03, 2(r − 1) componenti di reazione incognite.
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Metodo della risoluzione in serie

È il metodo più diretto, tanto più conveniente quanto maggiore è il numero di cerniere interne: si sopprimono tutti i vincoli, esterni e interni, e si impone l’equilibrio di ciascun corpo rigido, uno alla volta, in una successione che parte da dove le incognite sono meno numerose.

A C B
trave incastro-appoggio con cerniera interna C: l’astra AC ha equilibrio proprio, indipendente dall’astra CB
Procedimento: si isola dapprima il corpo (o i corpi) i cui vincoli, esterni e interni, coinvolgono meno incognite — nell’esempio, l’astra AC appoggiata in A: dalle sue equazioni di equilibrio si ricavano subito le reazioni della cerniera C (XC, YC). Applicate con verso opposto all’astra CB, permettono di risolvere il suo equilibrio e trovare le reazioni dell’incastro B. L’equilibrio esterno dell’intero elemento non è stato imposto direttamente, ma deve comunque risultare soddisfatto: è la verifica naturale del calcolo.
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Metodo delle equazioni ausiliarie

Questo metodo determina direttamente le sole reazioni esterne, lasciando indeterminate — se non richieste — le reazioni delle cerniere interne, che si possono comunque calcolare in un secondo momento.

Si scrivono le tre equazioni cardinali sull’intero elemento (equilibrio esterno) e si aggiunge, per ciascuna cerniera interna, un’equazione ausiliaria: il momento, rispetto alla cerniera stessa, delle sole forze che agiscono da una parte di essa (quelle “che precedono” o “che seguono” la cerniera) dev’essere nullo, perché la reazione della cerniera ha braccio nullo rispetto a se stessa.

Σp M(C) = 0
In generale occorre scrivere tante equazioni ausiliarie quante sono le cerniere interne dell’elemento articolato: sommate alle tre equazioni cardinali, danno un sistema con tante equazioni quante incognite. Tra le due equazioni ausiliarie possibili per ogni cerniera (forze che precedono o che seguono), conviene scegliere quella che coinvolge meno incognite.
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Archi a tre cerniere

L’arco a tre cerniere è una struttura articolata isostatica ad asse curvilineo: due cerniere esterne alle imposte (A e B) e una cerniera interna in chiave (C), nel punto più alto dell’arco.

La forma dell’arco — circolare a tutto sesto, a sesto ribassato o acuto, parabolico, policentrico — non influisce sul calcolo delle reazioni, che dipende soltanto dai carichi, dalla luce l (la distanza tra le imposte) e dalla freccia f (la quota della cerniera in chiave rispetto alla linea delle imposte).

Con solo due appoggi (A e B) le reazioni esterne sarebbero 3 o 4 incognite (a seconda dei vincoli) con appena 3 equazioni cardinali disponibili: è proprio la cerniera interna in chiave, con la sua equazione ausiliaria, a rendere il sistema isostatico e risolvibile.
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Arco a tre cerniere: calcolo delle reazioni

Per un arco simmetrico, con due cerniere esterne a carrello/cerniera e carico verticale uniformemente distribuito q, la simmetria fornisce subito le reazioni verticali; l’equazione ausiliaria in chiave fornisce quelle orizzontali (la cosiddetta spinta dell’arco).

XA = XB = ql² / 8f
YA = YB = ql / 2

Se l’arco è semicircolare (f = l/2 = R, con R raggio), sostituendo si ottiene la forma più semplice:

XA = XB = qR / 2
YA = YB = qR
La spinta orizzontale X è caratteristica degli archi e cresce al diminuire della freccia f: un arco molto ribassato spinge molto di più, a parità di carico e luce, di un arco a tutto sesto. È il motivo per cui gli archi ribassati richiedono imposte capaci di assorbire spinte orizzontali importanti.
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Travi Gerber

Le travi Gerber — dal nome dell’ingegnere tedesco Heinrich Gerber — sono elementi articolati isostatici ad asse rettilineo, spesso usate per coprire più campate con appoggi intermedi.

A B E F C D
trave Gerber su quattro appoggi: le cerniere interne E, F dividono la trave in tre tratti rigidi AE, EF, FD

Quando le cerniere interne sono più di una, il metodo della risoluzione in serie è senz’altro il più conveniente: sopprimendo le cerniere, la trave si divide in tratti rigidi che si risolvono in successione, spesso partendo da quello centrale se simmetrico, per poi trasferire le reazioni — con verso opposto — ai tratti laterali.

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Elementi reticolari: aste, nodi, biella

Si definisce elemento reticolare un insieme indeformabile di aste rettilinee, collegate tra loro da cerniere interne in punti detti nodi. Un elemento reticolare indeformabile si comporta, nel suo complesso, come un unico corpo rigido: ha gli stessi 3 gradi di libertà.

Lo studio degli elementi reticolari isostatici piani si basa su due ipotesi semplificative, che riducono ogni asta a una biella — un’asta scarica lungo la sua lunghezza, soggetta solo alle forze applicate ai suoi due estremi:

  • Nodi come cerniere perfette: ogni asta è libera di ruotare attorno al nodo che la collega alle altre
  • Carichi solo nei nodi: tutte le forze esterne, attive e reattive, sono applicate esclusivamente nei nodi, mai lungo lo sviluppo delle aste
Sotto queste ipotesi, ogni asta reagisce con una forza diretta lungo il proprio asse (come la biella già vista nella tavola F1): la sollecitazione nell’asta è un semplice sforzo assiale, di trazione o di compressione, senza flessione né taglio.
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Condizione di isostaticità di un reticolare

Per collegare rigidamente i primi 3 nodi di un elemento reticolare bastano 3 aste (un triangolo, la figura rigida elementare); ogni nodo aggiuntivo, per restare rigidamente collegato, richiede almeno 2 aste in più. Il numero minimo di aste a per collegare rigidamente n nodi vale quindi:

a = 2n − 3
La condizione a = 2n − 3 è necessaria ma non sufficiente: occorre anche che le aste siano disposte in modo efficace, senza tratti localmente labili o localmente iperstatici. Gli elementi reticolari a generazione triangolare — costruiti aggiungendo di volta in volta due aste a un nuovo nodo, a partire da un triangolo — sono invece sempre strettamente indeformabili, per costruzione.
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Puntoni e tiranti

Separando idealmente un’asta dal resto della trave reticolare, essa risulta soggetta a due forze uguali e contrarie, dirette lungo il proprio asse: lo sforzo dell’asta.

Riferendosi al nodo — non all’asta isolata — si distingue: un’asta è compressa (un puntone) quando lo sforzo che trasmette entra nel nodo; è tesa (un tirante) quando lo sforzo esce dal nodo. Per convenzione, si attribuisce segno positivo agli sforzi di trazione e segno negativo agli sforzi di compressione.

Nel calcolo si può sempre ipotizzare, in partenza, che ogni asta sia un tirante (sforzo uscente dai nodi): un risultato positivo conferma l’ipotesi, un risultato negativo segnala che l’asta è in realtà un puntone.
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Calcolo degli sforzi: il metodo dell’equilibrio dei nodi

Il modo più diretto per calcolare gli sforzi nelle aste è imporre, nodo per nodo, l’equilibrio del sistema di forze concorrenti in quel nodo (sforzi delle aste convergenti, più eventuali carichi esterni).

In ogni nodo l’equilibrio alla rotazione è automaticamente soddisfatto, perché tutte le forze applicate sono concorrenti nel nodo stesso: restano solo le due equazioni di equilibrio alla traslazione.

Σ X = 0
Σ Y = 0
Conviene procedere per nodi in cui concorrono non più di due sforzi incogniti: ogni nodo così scelto si risolve con le sue due sole equazioni, e gli sforzi appena trovati diventano dati noti per risolvere il nodo successivo, in una catena che percorre l’intero reticolare.
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Calcolo degli sforzi: il metodo delle sezioni (Ritter)

Quando serve lo sforzo di una sola asta, senza risolvere l’intero reticolare, conviene il metodo delle sezioni: si taglia idealmente la struttura con una sezione di Ritter, che interseca contemporaneamente l’asta cercata e altre due aste non concorrenti tra loro.

sezione S polo
la sezione S taglia tre aste non concorrenti: il polo dell’asta cercata è il punto d’incontro delle altre due

Sostituite le tre aste tagliate con gli sforzi che trasmettono, ciascuna delle due parti in cui la struttura resta divisa deve essere in equilibrio. Si definisce polo di un’asta il punto d’incontro tra le altre due aste tagliate dalla sezione: imponendo l’equilibrio alla rotazione di una delle due parti rispetto al polo di un’asta, le altre due aste — passando per quel punto — hanno momento nullo e scompaiono dall’equazione, lasciando la sola incognita cercata.

Quando il polo di un’asta cade all’infinito (le altre due aste tagliate sono parallele tra loro) o comunque troppo lontano per un calcolo agevole, l’equilibrio alla rotazione si sostituisce con l’equilibrio alla traslazione, scomponendo lo sforzo incognito nelle direzioni x e y.
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Cenno al metodo grafico: il diagramma cremoniano

Accanto ai metodi analitici, gli sforzi delle aste si possono determinare anche per via grafica, chiudendo il poligono delle forze concorrenti in ciascun nodo — lo stesso principio già visto per le reazioni vincolari nella tavola F1-12.

Sovrapponendo, nodo dopo nodo, tutti i poligoni di equilibrio in un’unica figura (facendo coincidere i lati comuni alle aste condivise tra nodi adiacenti), si ottiene un’unica costruzione grafica — il diagramma cremoniano, dal nome del matematico Luigi Cremona — che fornisce in un solo disegno il modulo e il segno di tutti gli sforzi del reticolare: un metodo elegante, oggi soprattutto didattico, che rende visivamente immediato l’equilibrio dell’intera struttura.

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Riepilogo dei concetti chiave

  • Un elemento articolato è un sistema di più corpi rigidi collegati da vincoli interni, tipicamente cerniere interne
  • Una cerniera interna che collega r corpi sottrae 2(r−1) gradi di libertà; i gradi di libertà totali valgono NL = 3n − Σ2(r−1)
  • Per un elemento articolato isostatico serve sia l’equilibrio esterno (l’intero elemento) sia l’equilibrio interno (ogni singolo corpo rigido)
  • Le reazioni si calcolano con il metodo della risoluzione in serie (trova anche le reazioni interne) o il metodo delle equazioni ausiliarie (una equazione di momento nullo per ogni cerniera interna)
  • L’arco a tre cerniere è isostatico grazie alla cerniera in chiave; le sue reazioni dipendono da carichi, luce l e freccia f, e includono una spinta orizzontale
  • Le travi Gerber sono elementi articolati ad asse rettilineo su più appoggi, risolte per successione di tratti rigidi
  • Un elemento reticolare è un insieme indeformabile di aste-biella collegate da cerniere nei nodi; per n nodi occorrono almeno a = 2n−3 aste, disposte in modo efficace (generazione triangolare)
  • Un’asta è un puntone se compressa (sforzo entrante nel nodo), un tirante se tesa (sforzo uscente); convenzione: positivo in trazione, negativo in compressione
  • Gli sforzi delle aste si calcolano con il metodo dell’equilibrio dei nodi, il metodo delle sezioni (Ritter) per una singola asta, o per via grafica con il diagramma cremoniano
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Esercizio guidato

verifica di comprensione

Trave con cerniera interna

Una trave orizzontale ABC, di luce complessiva 8,0 m, è appoggiata su una cerniera in A e su un incastro in C; una cerniera interna D si trova a 3,0 m da A. Sul tratto AD agisce un carico concentrato verticale F = 12 kN, applicato a 1,5 m da A. Il tratto DC non ha carichi. Calcolare le reazioni della cerniera interna D e le reazioni dell’incastro C.

Suggerimento — applica il metodo della risoluzione in serie: isola per primo il tratto AD (appoggiato in A, libero in D). Non essendoci carichi orizzontali, XD = 0. Per simmetria del solo carico F rispetto ai due appoggi del tratto AD (A e D), la reazione verticale in D si trova imponendo ΣM(A) = 0 sul tratto AD. Applicate con verso opposto al tratto DC — privo di carichi propri — le reazioni di D permettono di trovare direttamente YC e MC dall’equilibrio del tratto DC.