Tensioni Composte
1.2 G4 — PCI, classe terza CAT

Tensioni Composte

Quando sforzo normale e momento flettente agiscono insieme: pressoflessione, nòcciolo centrale d’inerzia e sezioni non reagenti a trazione.

Materia — Progettazione, Costruzione e Impianti Indirizzo — CAT, Costruzioni Ambiente e Territorio Durata — 2 ore
G C e N σmax σmin N/A ± M·y/I
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Dalle tensioni singole alle tensioni composte

In G2 abbiamo calcolato σ dovuta a N da sola, poi σ dovuta a M da sola. In G3, τ dovuta a V e a Mt, verificate separatamente perché fisicamente diverse da σ. Ma cosa succede quando N e M — due sollecitazioni che generano lo stesso tipo di tensione — agiscono insieme sulla stessa sezione?

È il caso più comune nella pratica reale: pilastri con carico non centrato, murature portanti, plinti di fondazione, muri di sostegno… raramente una sezione reale è soggetta a un solo tipo di sollecitazione isolata.

Il fenomeno si chiama pressoflessione (o tensoflessione, se N è di trazione): le tensioni composte generate da N e M insieme sono l’oggetto di questa tavola.
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Sforzo normale e momento flettente: la sovrapposizione degli effetti

Poiché N e M generano entrambi lo stesso tipo di tensione (σ, normale alla sezione), vale il principio di sovrapposizione degli effetti (già incontrato in F1 e in G2 per la flessione deviata): la tensione totale in un punto è la somma algebrica delle tensioni prodotte da N e da M separatamente.

σ = σN + σM = N/A + M·y/I
A differenza della combinazione N/V/M vista in G3 — dove σ e τ restano grandezze distinte, verificate nei rispettivi punti di massimo — qui N e M producono la stessa grandezza fisica, nello stesso punto: si sommano direttamente, senza bisogno di criteri di resistenza combinati. Si parla di pressoflessione retta quando il piano di M coincide con un asse principale d’inerzia, esattamente come nella flessione retta di G2.
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Pressoflessione retta: la sezione generica

Per una sezione di forma qualsiasi, la tensione nel generico punto a distanza y dal baricentro vale:

σ(y) = N/A ± M·y/I

Il primo termine, N/A, è costante su tutta la sezione (diagramma rettangolare, G2 tavola 05). Il secondo, M·y/I, è lineare, nullo sull’asse baricentrico e massimo ai lembi (diagramma triangolare, G2 tavola 06).

Geometricamente, sommare un rettangolo e un triangolo dà sempre un trapezio: il diagramma resta lineare (retta), ma trasla — non passa più per zero nel baricentro. Se le due tensioni hanno segno concorde su tutta la sezione il trapezio è “pieno”; se il segno si inverte, una parte del trapezio cade sotto lo zero.

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L’asse neutro nella pressoflessione e il concetto di eccentricità

A differenza della flessione semplice, l’asse neutro (dove σ = 0) non passa più per il baricentro G, a meno che M non sia nullo. È spesso più comodo descrivere la coppia (N, M) in un altro modo, del tutto equivalente:

e = M / N

L’eccentricità e è la distanza a cui si dovrebbe applicare N da sola, fuori dal baricentro, per produrre lo stesso momento M. Il punto di applicazione risultante si chiama centro di pressione C — esattamente i punti G e C che vedi nel diagramma di apertura.

Le due descrizioni sono equivalenti: “N applicata in G, più M” oppure “N applicata eccentricamente in C, a distanza e da G”. È la seconda a essere usata nella pratica corrente — per esempio nella verifica dei plinti di fondazione, dove è naturale ragionare in termini di dove “cade” il carico.
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Pressoflessione retta: la sezione rettangolare

Per la sezione rettangolare (base b, altezza h), richiamando da G2 A = bh e W = bh²/6, e sostituendo M = N·e nella formula generale valutata ai lembi (y = h/2):

σ = N/A · (1 ± 6e/h)

dove h è la dimensione della sezione nella direzione in cui agisce l’eccentricità. Il segno + vale sul lembo dalla stessa parte del centro di pressione C, il segno − sul lembo opposto.

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Esempio: pressoflessione su una sezione rettangolare

Una sezione rettangolare 25 × 45 cm, capace di resistere sia a compressione sia a trazione, è compressa da uno sforzo normale N = 500 kN, con eccentricità e lungo il lato di 45 cm. Si ha N/A = 500 000 / (250 · 450) ≈ 4,44 N/mm².

e = 0: σ = 4,44 N/mm² (uniforme — sforzo normale semplice, come in G2)
e = 5 cm: σmax = 4,44·(1 + 0,667) ≈ 7,4 N/mm² · σmin = 4,44·(1 − 0,667) ≈ 1,5 N/mm²
Con e = 5 cm l’intera sezione resta compressa: nessun punto cambia segno. Vedremo nella prossima tavola che questo non è un caso, ma dipende da quanto e è piccola rispetto alle dimensioni della sezione.
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Piccola e grande eccentricità

Aumentando e, il termine 6e/h cresce: σmax aumenta e σmin diminuisce, fino ad annullarsi e poi diventare negativo (cioè di segno opposto a σmax — trazione, se N è di compressione).

Piccola eccentricità

σmin ≥ 0: l’intera sezione mantiene lo stesso segno di tensione, come nell’esempio della tavola 06.

Grande eccentricità

σmin < 0: il segno si inverte, e una parte della sezione va in trazione.

Caso limite

σmin = 0: l’asse neutro passa esattamente per il lembo della sezione.

Il valore soglia che separa i due comportamenti è un’eccentricità limite, caratteristica della forma della sezione — la dimostriamo nella prossima tavola introducendo il nòcciolo centrale d’inerzia.
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Il nòcciolo centrale d’inerzia

Il nòcciolo centrale d’inerzia di una sezione è la regione, attorno al baricentro G, entro cui deve cadere il centro di pressione C affinché l’intera sezione mantenga lo stesso segno di tensione (piccola eccentricità).

Imponendo σ = 0 nel punto più lontano dal baricentro, dalla parte opposta a C (distanza y), si trova l’eccentricità limite:

elim = I / (A·y) = i² / y

dove i è il raggio d’inerzia (i² = I/A, già incontrato in E2). Finché e ≤ elim, C resta dentro il nòcciolo e la sezione lavora tutta in un solo segno.

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Il nòcciolo della sezione rettangolare: la regola del terzo medio

Per la sezione rettangolare, con I = bh³/12, A = bh e y = h/2, il raggio d’inerzia al quadrato vale i² = h²/12, e quindi:

elim = (h²/12) / (h/2) = h/6

Lo stesso ragionamento sull’altro asse dà elim = b/6. Il nòcciolo di una sezione rettangolare è quindi un rombo con diagonali h/3 e b/3, centrato nel baricentro — la celebre regola del terzo medio: finché C cade nel terzo medio della sezione (lungo l’asse considerato), l’intera sezione resta in un solo segno di tensione.

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Esempio: eccentricità dentro e fuori dal nòcciolo

Riprendendo l’esempio della tavola 06 (25 × 45 cm, N = 500 kN, N/A ≈ 4,44 N/mm²): con h = 45 cm, il nòcciolo si estende fino a h/6 = 7,5 cm.

e = 7,5 cm (= h/6): σmax ≈ 8,9 N/mm² · σmin = 0 N/mm²
e = 12 cm (> h/6): σmax ≈ 11,5 N/mm² · σmin ≈ −2,7 N/mm² (trazione)
Con e = 7,5 cm, C cade esattamente sul bordo del nòcciolo: σmin si annulla ma non cambia segno. Con e = 12 cm, C è uscito dal nòcciolo: compare trazione in una parte della sezione. Da qui l’utilità pratica del nòcciolo — sapere subito, senza ricostruire l’intero diagramma, se una certa eccentricità produce o no inversione di segno.
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Perché il nòcciolo centrale d’inerzia è importante: conclusioni

Per un materiale capace di resistere sia a compressione sia a trazione (acciaio, legno, calcestruzzo armato), l’inversione di segno oltre il nòcciolo non è di per sé un problema: basta verificare che entrambe le tensioni, di compressione e di trazione, restino sotto i rispettivi limiti ammissibili — come negli esempi della tavola 10.

Il nòcciolo diventa invece decisivo per i materiali incapaci di resistere a trazione — muratura, calcestruzzo non armato, terreno di fondazione: se il centro di pressione cade fuori dal nòcciolo, la formula di Navier prevede trazione dove il materiale semplicemente non può fornirla. È il caso trattato nelle prossime tavole.
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Sezioni non reagenti a trazione

Muratura, calcestruzzo non armato e terreno di fondazione hanno una resistenza a trazione trascurabile o nulla. Se il calcolo elastico (Navier più sovrapposizione) prevede trazione in una parte della sezione, il materiale semplicemente si fessura o si distacca lì, anziché tirare: la sezione reagisce solo sulla parte rimasta compressa.

La formula di Navier, valida solo se l’intera sezione partecipa sia in trazione sia in compressione, non è più applicabile così com’è: bisogna individuare la parte di sezione effettivamente reagente e ridistribuire N solo su di essa.

Non è un fenomeno “diverso”: è lo stesso principio della flessione, applicato a un dominio — l’area reagente — che non è più tutta la sezione, ma solo la sua parte compressa.
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La sezione rettangolare non reagente a trazione

Per una sezione rettangolare con e > h/6, la zona compressa diventa un triangolo, con tensione nulla dove il materiale si è staccato e massima sul lembo compresso. Per l’equilibrio, la risultante di questo triangolo di tensioni deve cadere esattamente sotto il centro di pressione C — e il baricentro di un triangolo è a un terzo della sua base (E1).

u = h/2 − e
lunghezza reagente = 3u
σmax = 2N / (3ub)
Il momento statico e il baricentro di E1 tornano ancora utili: è proprio la proprietà del baricentro del triangolo — a un terzo della base dal lembo — a fissare la lunghezza reagente in 3u.
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Esempio: un muro di sostegno a gradoni

Un muro di sostegno a gradoni, in calcestruzzo non armato (peso di volume γ = 24 kN/m³), va verificato alla base: una sezione rettangolare 100 × 180 cm, soggetta al peso proprio dei tre gradoni (P₁ = 15,84 kN, P₂ = 31,68 kN, P₃ = 47,52 kN) e alle spinte orizzontali di una forza F = 12 kN in sommità e della spinta del terreno S = 22 kN.

Sommando i pesi si ha N = P₁ + P₂ + P₃ = 95,04 kN, e sommando i momenti di tutte le forze rispetto al baricentro della base, M ≈ 34,4 kN·m. L’eccentricità risultante:

e = M/N = 3440/95,04 ≈ 36,2 cm

Con h = 180 cm, il nòcciolo si estende fino a h/6 = 30 cm: essendo e = 36,2 cm > 30 cm, il centro di pressione cade fuori dal nòcciolo — il contatto muro-terreno non può reagire a trazione, quindi:

u = 90 − 36,2 = 53,8 cm · σmax = 2·95 040 / (3·538·1000) ≈ 0,12 N/mm²
È un caso tipico della pratica: i muri di sostegno a gravità — e le fondazioni in genere — sono quasi sempre verificati come sezioni non reagenti a trazione, perché il contatto muro-terreno (o muro-calcestruzzo magro) non può in alcun modo trasmettere trazione.
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Il caso limite: l’appoggio di una trave

Una trave, semplicemente appoggiata su un muro in muratura, scarica su di esso un peso P = 12 kN, su una superficie di contatto di 15 × 20 cm. Qui il carico è applicato esattamente al bordo della superficie visibile: l’intera zona di contatto è già, per sua natura, la zona reagente, e la distribuzione delle tensioni è triangolare — massima dove inizia l’appoggio, nulla dove finisce la trave.

σmax = 2N/A = 2·12 000 / (150·200) ≈ 0,8 N/mm²
È lo stesso principio della tavola 13, portato al caso limite in cui la superficie “reagente” coincide interamente con la superficie di contatto visibile — utile per verificare rapidamente gli appoggi di travi su muratura, senza ricorrere alla formula generale.
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Autovalutazione

Quattro problemi per mettere alla prova le formule di questa tavola.

ProblemaDatiRisultato
1. Sezione reagente a trazione30 × 50 cm, N = 300 kN, e = 6 cm (lungo il lato 50 cm)σmax ≈ 3,44 N/mm², σmin ≈ 0,56 N/mm² (tavola 05 — e < h/6 = 8,3 cm, dentro il nòcciolo)
2. Stessa sezione, grande eccentricità30 × 50 cm, N = 300 kN, e = 15 cmσmax ≈ 6,7 N/mm² (tavola 13 — e > h/6, sezione non reagente a trazione)
3. Nòcciolo di una sezione circolareD = 40 cm, N = 150 kN, e = 4 cmelim = D/8 = 5 cm > 4 cm: C dentro il nòcciolo (tavola 08)
4. Appoggio di traveSuperficie di contatto 20 × 20 cm, P = 20 kN al bordoσmax = 2N/A ≈ 1,0 N/mm² (tavola 15)
Il problema 3 generalizza il concetto di nòcciolo oltre la sezione rettangolare: applicando la formula elim = i²/y a una sezione circolare (i² = D²/16, y = D/2) si trova che il suo nòcciolo è un cerchio di raggio D/8 — un quarto del raggio della sezione.
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Riepilogo dei concetti chiave

  • Pressoflessione: N e M agenti insieme generano σ che si sovrappone linearmente, σ = N/A ± M·y/I
  • Eccentricità e = M/N: distanza del centro di pressione C dal baricentro G, equivalente a un’unica N applicata fuori asse
  • Sezione rettangolare: σ = N/A·(1 ± 6e/h)
  • Piccola eccentricità: l’intera sezione mantiene lo stesso segno di tensione; grande eccentricità: il segno si inverte
  • Nòcciolo centrale d’inerzia: elim = I/(A·y) = i²/y, regione entro cui C non produce inversione di segno
  • Nòcciolo della sezione rettangolare: e ≤ h/6 e b/6 sui due assi — la regola del terzo medio
  • Sezioni non reagenti a trazione (muratura, cls non armato, terreno): se e > h/6, la sezione reagisce solo sulla parte compressa
  • Sezione rettangolare non reagente: lunghezza reagente = 3u, con u = h/2 − e; σmax = 2N/(3ub)
  • Caso limite dell’appoggio di una trave (u → 0, tutta la superficie di contatto è reagente): σmax = 2N/A