Strutture

STRUTTURE RESISTENTI

Perchè gli edifici stanno in piedi? Quali carichi possono sopportare? C'è un rapporto tra la forma e la resistenza delle strutture?

Abbiamo tentato di dare una risposta a questi e a tanti altri quesiti facendo degli esperimenti e costruendo modelli di strutture come : ponte sospeso, ponte con travi reticolari, strutture sandwich, strutture a gabbia con travi a I

TRAZIONE E COMPRESSIONE

 Tutte le strutture, che si tratti di un villino unifamiliare o di un grattacielo, di un arco o di un ponte sospeso  sono sottoposte a TRAZIONE E COMPRESSIONE

Se l’elemento sottoposto ad forza tende ad allungarsi si tratta di TRAZIONE, se tende ad accorciarsi si tratta di COMPRESSIONE

LE TRAVI

In alcuni elementi  di una struttura sono presenti contemporaneamente trazione e compressione. Il più importante di questi elementi è la trave.

La trave è quell’elemento strutturale orizzontale che unisce la sommità di due pilastri. Mettendo insieme  un certo numero di pilastri  e li colleghiamo con travi orizzontali otteniamo l’ossatura di un edificio.

Le travi che sono sostenute dai pilastri, a loro volta sostengono il peso dei solai, e i solai sostengono il peso delle persone e di tutti i mobili che ci sono sopra.

Come funziona una trave?

Un elemento strutturale orizzontale sottoposto ad una forza  verticale o semplicente  al proprio peso tende a flettersi  assumendo la posizione della riga dell’esempio

 In un elemento che si flette, le fibre tendono, da un lato, ad accorciarsi (sono compresse), dall’altro ad allungarsi (sono tese). Le fibre che si trovano al centro (sull’asse neutro ) non subiscono alcuna deformazione

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Una  struttura d’acciaio …. fatta di carta

La forma delle travi d’acciaio

   Più il materiale è lontano dall’asse centrale più la struttura resiste. Ecco il perché  della forma a doppio T  di alcune travi o pilastri.  Il materiale tolto dal centro va a rinforzare le ali.

Le più comuni travi di acciaio sono: il profilato IPE, che ha la sezione a forma di I, detta ad ali strette, e il profilato HE, che ha la sezione a forma di H, detta ad ali larghe. La loro maggiore diffusione è giustificata dalla loro maggiore efficienza a carichi flessionali: in esse infatti il materiale è concentrato sulle ali, le parti più distanti dal punto baricentrico della sezione, aumentandone la loro rigidezza flessionale. Tali tipologie di travi  vengono comunemente usate nei telai d’acciaio per gli edifici e per i ponti. Altri profilati comuni di travi sono la trave a C, la trave ad L, la trave rettangolare cava e la trave circolare cava.

CORDE E CAVI

Fili e corde sono talmente flessibili che non si direbbe assolutamente che possano essere di una qualche utilità nella costruzione di strutture.

Ma l’ingegno unano ha escogitato modi e mezzi di utilizzare materiali resistenti a trazione, dando loro la forma di sottili, flessibili corde e cavi, e con essi ha costruito alcune tra le più grandi strutture esistenti al mondo come i ponti sospesi

Un cavo è un elemento teso perché può lavorare solo a trazione. Ma non si può costruire una struttura fatta solo di cavi, poiché i cavi vanno sempre appesi a dei supporti.

Un ponte sospeso è un esempio di struttura funzionante, nella quale sono interconnessi tra loro  elementi che lavorano a trazione  (i cavi), a compressione (le torri laterali e a flessione (le travi reticolari di irrigidimento).

I cavi che costituiscono l'arco rovescio dei ponti sospesi devono essere ancorati agli estremi del ponte, dato che sono incaricati di trasmettere una parte importante del carico che deve sopportare la struttura.

L'impalcato è di solito sospeso da tiranti verticali che sono collegati a detti cavi. I cavi di un ponte sospeso formano una parabola molto simile a una catenaria, la forma che i cavi assumerebbero se venissero lasciati appesi, soggetti solo al loro peso proprio.

Le estremità dei cavi vengono inseriti in enormi blocchi di calcestruzzo chiamati ancoraggi

PONTE SOSPESO  STRALLATO

Un ponte strallato è un ponte di tipo "sospeso" nel quale l'impalcato è retto da una serie di cavi (gli stralli) ancorati a piloni ( o torri) di sostegno.
Rispetto ad un ponte sospeso di tipo classico, in cui l'impalcato è appunto sospeso mediante  tiranti verticali ai cavi portanti che assumono la forma di una catenaria, gli stralli del ponte strallato collegano direttamente il piano dell'impalcato alle torri.

Modello di ponte sospeso strallato

realizzato da Marcello Salmoiraghi e Luca Necchi (3D 2011-2012)

I ponti strallati si stanno imponendo come soluzione ideale per superare le medie e grandi luci di  centinaia di metri.

Cordicelle e bastoncini

Se è vero che si possono costruire strutture efficienti utilizzando esclusivamente la trazione e la compressione è anche vero che si possono combinare elementi a trazione ed elementi a compressione per realizzare  alcune delle strutture più utili che l’uomo abbia mai realizzato.

Queste strutture sono chiamate capriate e sono state utilizzate per secoli nei modi più diversi

Questa struttura è autosufficiente e per reggersi ha bisogno solo di forze verticali che  bilancino il peso applicato su di essa  e il proprio peso. La capriata è costituita da due puntoni inclinati che lavorano a compressione e da una catena che lavora a trazione.  La catena è in trazione perché i due bracci hanno la tendenza ad aprirsi. Molte coperture di chiese antiche sono sorrette da capriate

Dalla capriata alla trave reticolare

La struttura triangolare della capriata costituita da elementi che lavorano esclusivamente   a trazione o a compressione  è alla base delle travi reticolari.

La travatura reticolare (o struttura reticolare) è una struttura composta da un insieme di aste (travi) complanari, vincolate ai nodi in modo da costituire un elemento resistente e indeformabile.

Ponte sospeso con impalcato costituito da travi reticolari

 I ponti autostradali e ferroviari che hanno luci di decine e decine di metri sono spesso realizzati con travature di questo genere in acciaio.

Modello di ponte  con travi reticolari

 Formando dei triangoli  con  degli abbassalingua e dei fermacampioni   e collegandoli insieme  si può facilmente  capire il funzionamento delle travi reticolari

STRUTTURE   SANDWICH

Incredibile il peso che queste  piccole strutture in carta riescono  a sostenere!

Un foglio di carta  del peso di qualche grammo può portare un carico di libri 200 o 300 volte il suo peso!

Un elemento strutturale è tanto più resistente quanto più il materiale di cui è costituito è lontano dal suo asse centrale

Per  struttura a sandwich si intende un elemento costituito da due strati resistenti,  distanziati tra loro e collegati  ad un elemento connettivo (in questo caso della carta piegata a fisarmonica).

La struttura così composta ha un comportamento statico notevolmente migliore delle singole parti da cui è costituita.
Gli strati inferiore e superiore   sono preposti alla distribuzione dei carichi nel piano, la carta piegata  a fisarmonica   aumenta il valore della resistenza a flessione  del pannello, che dipende dalla distanza dei piani dall’asse centrale (asse neutro).

Distanziando  i due piani  si ottiene un incremento notevolissimo della rigidezza rispetto a un pannello costituito soltanto da uno spessore di materiale pari a quello delle due facce, con un incremento di peso ridottissimo.

FORMA E RESISTENZA

Combinando insieme  il principio di resistenza per piegatura (vedi struttura sandwich)  e per curvatura ( vedi arco)  si può rendere ancora più resistente un  foglio di carta.

Scarica le schede di tutti gli esperimenti seguendo questo link

http://www.mediafire.com/?hxgejocp6zj45