Tensione, Deformazione e Legge di Hooke
1.2 L1 — Tensione, Deformazione e Hooke

Tensione, Deformazione e Legge di Hooke

Come una forza si distribuisce sulla sezione, di quanto si accorcia o si allunga un elemento e perché i due effetti sono legati da una costante: il modulo di elasticità.

Materia — Progettazione, Costruzione e Impianti Indirizzo — CAT, Costruzioni Ambiente e Territorio Durata — 2 ore
N l N Δl PRIMA DOPO
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Dalla forza alla deformazione

Finora abbiamo chiesto alle strutture di resistere. Questa lezione chiede una cosa in più: di deformarsi poco.

Quando si carica un pilastro, un tirante o una trave, il materiale non è un blocco infinitamente rigido: si accorcia, si allunga, si inflette. Per descrivere questo comportamento servono tre grandezze e un legame tra di esse. La tensione dice quanto è sollecitato il materiale; la deformazione dice quanto cambia la sua lunghezza in rapporto a quella iniziale; la legge di Hooke collega le due attraverso il modulo di elasticità E.

Il caso di partenza è il più semplice possibile: un elemento sollecitato soltanto da sforzo normale, applicato nel baricentro della sezione. Lo studieremo su un esempio concreto: un pilastro in calcestruzzo di cui calcoleremo l’accorciamento.

Un avviso di ordine del percorso: la formula σ = N/A è già comparsa nella lezione G2 e la legge di Hooke è stata richiamata in H1. Questa lezione le riprende dal principio e le mette in relazione tra loro: se preferisci seguire l’ordine logico, leggila prima di G2.
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Il concetto di tensione

La tensione è la forza che agisce su ogni unità di area della sezione.

Un pilastro porta un carico N. La forza non agisce in un punto: si trasmette attraverso tutta l’area A della sezione resistente. Più grande è la sezione, meno lavora ogni suo centimetro quadrato. La grandezza che misura questo effetto si chiama tensione e si indica con la lettera greca σ (sigma).

N sezione di taglio σ G sezione A (in pianta) N passa per G
La forza N si distribuisce su tutta l’area A: ogni punto della sezione porta la stessa quota
σ = N / A
  • N è lo sforzo normale, la forza perpendicolare alla sezione, misurata in kN (o in N)
  • A è l’area della sezione resistente, misurata in m² (o in mm²)
  • σ è la tensione normale. Nel nostro caso, di compressione: con la convenzione di G1 lo sforzo normale di compressione è negativo e quindi anche σ lo è. Per brevità, negli esercizi si calcola il modulo e si dichiara a parole “compressione”

Dimensionalmente la tensione è una forza diviso un’area. Con N in kN e A in m² si ottiene kN/m² = kPa (kilopascal).

Esempio rapido: un pilastro caricato da N = 100 kN con sezione di area A = 0,25 m² è sollecitato da σ = 100 / 0,25 = 400 kPa. Se la sezione raddoppia, la tensione si dimezza.
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Unità di misura della tensione

Una sola grandezza, quattro modi di scriverla: serve padroneggiare le conversioni.

UnitàSimboloEquivalenza
PascalPa1 Pa = 1 N/m²
KilopascalkPa1 kPa = 1 kN/m² = 1000 Pa
MegapascalMPa1 MPa = 1000 kPa = 1 N/mm² = 1 000 000 Pa
GigapascalGPa1 GPa = 1000 MPa

La scelta dell’unità è questione di comodità. Le tensioni da carico su area grande (terreni, solai, carichi distribuiti) vengono bene in kPa. Le tensioni da materiali strutturali (calcestruzzo, acciaio, legno) vengono bene in MPa, che coincide con N/mm²: se si lavora con N e mm² si ottiene direttamente MPa senza conversioni.

Perché 1 MPa = 1 N/mm²: 1 mm² = 10⁻⁶ m², quindi 1 N/mm² = 1 N / 10⁻⁶ m² = 10⁶ N/m² = 10⁶ Pa = 1 MPa. Un’altra conversione utile: 1 kN/cm² = 10 MPa.
Conversione guidata

Una tensione di 555,6 kPa si converte in MPa dividendo per 1000: 555,6 / 1000 = 0,5556 MPa, cioè 0,5556 N/mm². Questa è proprio la tensione dell’esempio svolto della tavola 10.

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Sforzo normale applicato al baricentro

La formula σ = N/A vale quando N passa per il baricentro della sezione.

Il punto in cui la risultante N interseca la sezione si chiama centro di pressione. Se il centro di pressione coincide con il baricentro G (il punto studiato in E1), la sezione si comporta nel modo più semplice: ogni fibra viene compressa della stessa quantità e la tensione è uniforme. È il caso dello sforzo normale semplice, quello della ipotesi di Bernoulli-Navier richiamata in G2.

C = G sforzo normale semplice σ uniforme G C e pressoflessione (G4) σ non uniforme
Centro di pressione C nel baricentro G (sinistra) e fuori dal baricentro, a distanza e (destra)
N.B. Il centro di pressione coincide con il baricentro della sezione perché il pilastro è soggetto esclusivamente a sforzo normale. Se N fosse eccentrico, a N si aggiungerebbe un momento M = N·e e la tensione non sarebbe più uniforme: è il caso della pressoflessione della lezione G4.
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Il concetto di deformazione

La deformazione misura quanto cambia la lunghezza di un elemento in rapporto alla lunghezza iniziale.

Un elemento di lunghezza iniziale l, sotto carico, si accorcia (compressione) o si allunga (trazione) di una quantità Δl. Per confrontare elementi di lunghezze diverse non basta Δl: si divide per la lunghezza iniziale e si ottiene la deformazione ε (epsilon).

N l (lunghezza iniziale) Δl (accorciamento)
La deformazione ε è il rapporto tra l’accorciamento Δl e la lunghezza iniziale l (accorciamento ingrandito per chiarezza)
ε = Δl / l
  • È un rapporto tra due lunghezze: si misura in m/m o mm/mm, quindi è un numero puro, adimensionale
  • Valori piccolissimi: nei materiali strutturali in esercizio ε è dell’ordine di 10⁻⁴ o 10⁻⁵; per leggerli meglio si usa il per mille (‰), per esempio ε = 0,5‰ = 0,0005
  • Segno: convenzionalmente l’allungamento è positivo e l’accorciamento negativo, in accordo con la convenzione di N (trazione +, compressione −). Come per σ, negli esercizi si calcola il modulo e si dichiara a parole se è accorciamento o allungamento
Esempio rapido: un’asta lunga 2000 mm che si accorcia di 1 mm ha ε = 1 / 2000 = 0,0005 = 0,5‰. Un’asta lunga 4000 mm che si accorcia di 2 mm ha la stessa deformazione: il materiale è sollecitato allo stesso modo.
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Il diagramma tensione-deformazione

Se si carica un provino di materiale e si misura, a ogni passo di carico, la deformazione, si ottiene una curva: il diagramma σ-ε.

La prova è concettualmente semplice. Un provino viene compresso o teso in una macchina. Per ogni valore del carico N si calcola la tensione σ = N/A e, misurando la variazione di lunghezza Δl, la deformazione ε = Δl/l. Ogni coppia (ε, σ) è un punto del diagramma. Questo diagramma è la carta d’identità meccanica del materiale: lo avevi già incontrato in H1.

ε σ tratto elastico lineare fine del tratto lineare tratto non lineare
Diagramma σ-ε schematico: tratto iniziale rettilineo seguito da un tratto curvo (forma qualitativa, non di un materiale specifico)

Per tutti i materiali strutturali il primo tratto del diagramma è rettilineo: tensione e deformazione crescono nella stessa proporzione. È in questo tratto che si colloca il comportamento in esercizio della struttura, ed è per questo tratto che vale la legge di Hooke.

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Il materiale con comportamento elastico

Un materiale è elastico se, tolto il carico, ritorna alla forma e alla lunghezza iniziali.

Dopo che si è tolto il carico, la deformazione scompare del tutto: il pilastro riprende la sua altezza. Il comportamento è inoltre lineare quando la deformazione cresce in proporzione diretta con la tensione: raddoppiando il carico si raddoppia l’accorciamento.

Comportamento elastico

Scaricando, la deformazione si annulla: nessuna conseguenza permanente. È il comportamento che si vuole garantire per le strutture in esercizio.

deformazione reversibile

Comportamento plastico

Oltre un certo livello di tensione parte della deformazione resta anche dopo lo scarico: l’elemento ha subìto un danno permanente.

deformazione permanente
Quando si progetta, si tengono le tensioni di esercizio ben al di sotto di quelle che portano il materiale fuori dal campo elastico (H1-H4): per questo, in questa lezione, ci limitiamo al tratto elastico lineare del diagramma.
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La legge di Hooke e il modulo di Young

Nel tratto elastico lineare la tensione è proporzionale alla deformazione: σ = E · ε.

La costante di proporzionalità si chiama modulo di elasticità normale o modulo di Young e si indica con la lettera maiuscola E. Nel diagramma σ-ε è la pendenza della retta: se α è l’angolo che la retta forma con l’asse delle ε, E = tg α.

ε σ σ ε α E maggiore: materiale più rigido E = σ/ε = tg α E minore
La pendenza della retta σ-ε è il modulo di Young: più la retta è ripida, più il materiale è rigido
σ = E · ε
E = σ / ε = tg α

Poiché ε è adimensionale, E ha le stesse unità di σ: in MPa (N/mm²) o in GPa. Un E grande significa che serve molta tensione per ottenere una piccola deformazione: il materiale è rigido. Un E piccolo indica un materiale che si deforma di più a parità di tensione.

MaterialeE indicativo (MPa)Note
Acciaio da costruzionecirca 210 000valore usuale per acciaio da carpenteria e da armatura
Calcestruzzocirca 30 000varia con la classe di resistenza: per C25/30 è dell’ordine di 31 000
Legnocirca 7 000 – 13 000parallelo alle fibre; varia con la classe e la specie
Alluminiocirca 70 000leghe da costruzione
I valori della tabella sono ordini di grandezza utili a ragionare: nei calcoli veri si usano i valori prescritti dalle norme (NTC 2018) o dichiarati nelle schede dei prodotti. L’acciaio è circa sette volte più rigido del calcestruzzo.
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L’accorciamento in funzione di N: la formula di calcolo

Combinando le tre relazioni si ottiene una formula che dà direttamente l’accorciamento a partire dai dati dell’elemento.

Si parte da σ = N/A (tavola 02), da σ = E·ε (tavola 08) e da ε = Δl/l (tavola 05). Dalla legge di Hooke si ricava la deformazione e si sostituisce la tensione:

ε = σ / E = N / (E · A)

Moltiplicando per la lunghezza iniziale si ottiene l’accorciamento (o l’allungamento):

Δl = ε · l = N · l / (E · A)

Il prodotto E·A si chiama rigidezza assiale dell’elemento: raccoglie la rigidezza del materiale (E) e quella della geometria (A).

  • Δl è proporzionale a N e a l: raddoppiando il carico o la lunghezza, raddoppia l’accorciamento
  • Δl è inversamente proporzionale a E e ad A: un materiale più rigido o una sezione più grande si accorciano meno
  • Attenzione alle unità: conviene lavorare con N in newton, lunghezze in mm e E in MPa (N/mm²): il risultato esce direttamente in mm
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Esercizio svolto: accorciamento di un pilastro

Un pilastro in calcestruzzo, con sezione quadrata, è caricato da una forza assiale. Quanto si accorcia?

N = 50 kN l = 5,00 m 30 cm 30 cm sezione 30 × 30 cm, G al centro E = 30 000 MPa
Dati dell’esercizio: pilastro in calcestruzzo, h = 5 m, sezione 30 × 30 cm, N = 50 kN al baricentro
Esercizio

Un pilastro in calcestruzzo con E = 30 000 MPa (ricordando che 1000 kPa = 1 MPa), alto 5 m, con sezione quadrata 30 × 30 cm, è soggetto a un carico assiale N = 50 kN. Calcolare l’accorciamento elastico.

Il centro di pressione coincide con il baricentro della sezione, perché il pilastro è soggetto esclusivamente a sforzo normale.

  • Passo 1 — Area della sezione. A = 0,30 × 0,30 = 0,09 m² (= 90 000 mm²)
  • Passo 2 — Tensione. σ = N / A = 50 / 0,09 = 555,6 kPa; dividendo per 1000, σ = 0,5556 MPa (compressione)
  • Passo 3 — Deformazione. Per la legge di Hooke ε = σ / E = 0,5556 / 30 000 = 1,852 × 10⁻⁵ (circa 0,0185‰)
  • Passo 4 — Accorciamento. Δl = ε · l = 1,852 × 10⁻⁵ × 5000 mm = 0,0926 mm ≈ 0,09 mm
Verifica con la formula diretta. Δl = N·l / (E·A) = (50 000 N × 5000 mm) / (30 000 N/mm² × 90 000 mm²) = 250 000 000 / 2 700 000 000 = 0,0926 mm. Il risultato coincide: il pilastro si accorcia di circa un decimo di millimetro.
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Che cosa ci dice il risultato

Un numero ha senso solo se lo si sa leggere: confrontiamo l’esito con quello che ci aspettiamo e variamo i dati.

VariazioneσΔlChe cosa si osserva
Caso base (N = 50 kN, 30×30, l = 5 m)0,556 MPa0,093 mmriferimento
N raddoppiato (100 kN)1,111 MPa0,185 mmσ e Δl raddoppiano
Sezione 40 × 40 cm (A = 0,16 m²)0,313 MPa0,052 mmsezione maggiore: σ e Δl diminuiscono
Altezza raddoppiata (l = 10 m)0,556 MPa0,185 mmσ invariata, Δl raddoppia
  • La tensione è molto bassa. 0,56 MPa è una piccola frazione della resistenza di calcolo a compressione di un calcestruzzo C25/30, dell’ordine di 14 MPa (H4, valore indicativo): meno del 5%
  • L’accorciamento è trascurabile. Meno di un decimo di millimetro su cinque metri: una parte su circa 54 000
  • La tensione non dipende dall’altezza, mentre l’accorciamento sì: per questo i pilastri molto alti e i tiranti molto lunghi vanno controllati anche per le deformazioni
Due semplificazioni dell’esercizio. Primo: il peso proprio del pilastro è stato ignorato. Con un peso specifico convenzionale del calcestruzzo armato di circa 25 kN/m³ varrebbe 0,09 × 5 × 25 ≈ 11,3 kN, circa un quinto del carico dato: in un calcolo reale va sommato a N. Secondo: il calcestruzzo non è un materiale perfettamente elastico lineare, e il valore E = 30 000 MPa è un valore medio per tensioni di esercizio basse, come quelle di questo esempio.
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Autovalutazione

Quattro problemi per verificare la comprensione degli argomenti della lezione. Dati inventati a scopo didattico.

Problema 1

Un pilastro con sezione quadrata di lato 40 cm porta una forza assiale N = 320 kN applicata nel baricentro. Calcolare la tensione in kPa e in MPa e dire quale delle due espressioni è più comoda per confrontarla con la resistenza del calcestruzzo.

Problema 2

Un’asta lunga 3000 mm si allunga di 1,5 mm sotto carico. Calcolare la deformazione ε, esprimerla in ‰ e dire che cosa cambierebbe nell’ε se l’asta, a parità di materiale e di tensione, fosse lunga il doppio.

Problema 3

Un tirante in acciaio (E = 210 000 MPa) ha sezione circolare piena di diametro 20 mm (A ≈ 314 mm²), è lungo 2,00 m e porta una trazione N = 60 kN. Calcolare la tensione, la deformazione e l’allungamento. Confrontare l’allungamento con quello che avrebbe una barra identica in alluminio (E ≈ 70 000 MPa).

Problema 4

Un pilastro in calcestruzzo (E = 30 000 MPa) alto 3,00 m e con sezione 25 × 25 cm, misurato in cantiere, risulta accorciato di 0,5 mm sotto il carico di esercizio. Ricostruire all’indietro: la deformazione ε, la tensione σ e il carico N che agisce sul pilastro, supposto applicato nel baricentro.

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Riepilogo dei concetti chiave

  • La tensione normale è la forza per unità di area: σ = N / A, con N applicato nel baricentro (centro di pressione coincidente con G) e quindi uniforme sulla sezione
  • Con N in kN e A in m², σ esce in kN/m² = kPa; 1000 kPa = 1 MPa = 1 N/mm²
  • Se N non passa per il baricentro, alla forza si aggiunge un momento M = N·e e la tensione non è più uniforme (pressoflessione, G4)
  • La deformazione è il rapporto tra due lunghezze: ε = Δl / l, adimensionale, piccolissima nei materiali strutturali
  • Un materiale è elastico se, scaricato, torna alla lunghezza iniziale; nel tratto elastico lineare del diagramma σ-ε tensione e deformazione sono proporzionali
  • La legge di Hooke è σ = E · ε; la costante E è il modulo di Young, pari alla pendenza della retta: E = tg α, con le stesse unità di σ (MPa)
  • Combinando le relazioni si ottiene Δl = N · l / (E · A): l’accorciamento cresce con N e con l, diminuisce con E e con A
  • Nell’esempio del pilastro (30 × 30 cm, h = 5 m, N = 50 kN, E = 30 000 MPa): σ = 0,556 MPa, ε = 1,85 × 10⁻⁵, Δl ≈ 0,09 mm
  • Ordini di grandezza utili: E dell’acciaio circa 210 000 MPa, del calcestruzzo circa 30 000 MPa; i valori di calcolo si prendono dalle norme