L'insegnamento si pone come una cerniera tra le materie di base dei primi tre periodi didattici (matematica e fisica) e le materie piu’ applicative e progettuali dei periodi successivi.
Nell'insegnamento vengono presentati quei principi teorici fondamentali che, ove correttamente acquisiti ed applicati, consentono di analizzare il comportamento meccanico dei solidi elastici ed in particolare dei sistemi di travi.
Ulteriori contributi specifici, propedeutici alle lezioni di Tecnica delle Costruzioni e Teoria delle Strutture, potranno essere introdotti previa discussione con i docenti responsabili degli insegnamenti.
This course is offered to engineering students in the second year, after courses on Calculus, Physics and Analytic Geometry and before courses on Building Design and Construction. The basic concepts presented make it possible to develop all the necessary formulas in a rational and logical manner, and to clearly indicate the conditions under which they can be safely applied to the analysis and design
of actual engineering structures with special focus on truss and beam systems.
Additional specific contributions, preparatory for Building Design and Structural Theory lessons, may be introduced after discussion with the teachers in charge of the topics.
Oltre a conoscere i concetti teorici elencati nel seguito, l’allievo dovra’ essere in grado di applicarli nei problemi proposti. Piu’ precisamente, con riferimento ai sistemi isostatici piani di travi, l’allievo dovra’ essere in grado di determinare le reazioni vincolari, i diagrammi di sforzo normale, momento flettente e taglio e la linea elastica; di calcolare le tensioni nelle travi sulla base del principio di Saint Venant; di applicare i criteri di resistenza per gli stati tensionali triassiali; di verificare un pilastro snello caricato di punta.
By using the theoretical concepts presented, the engineering students have to
develop the ability to analyze a given problem in a logical manner. More in
details, the students should know how to analyze the equilibrium of a statically
determined plane system of rigid bodies, by obtaining the external and internal
forces and by drawing the diagrams of normal, bending and shear forces.
Furthermore, the students should learn how to extend the equilibrium analysis
to deformable bodies as trusses and beams, how to determine the internal
stress distribution on the basis of Saint Venant beam theory, how to draw the
elastic curve, how to apply a failure criterion and how to analyze the buckling
of columns.
L’allievo deve conoscere la teoria cinematica, statica e dinamica del punto materiale, le operazioni sui vettori (somma, moltiplicazione per uno scalare, prodotto scalare e prodotto vettoriale) e sulle matrici, gli argomenti di base di algebra lineare e geometria (analitica e differenziale). Per le funzioni di una variabile deve conoscere limiti, derivate, integrali, sviluppo in serie di Taylor e soluzione delle equazioni differenziali a coefficienti costanti. Per le funzioni di piu’ variabili deve conoscere le regole di derivazione, integrazione e sviluppo in serie di Taylor.
Students should know the kinematics, statics and dynamics of a single point in
the framework of the classical (Newtonian) mechanics, vector operations (scalar
multiplication, vector addition, dot product, cross product) matrix operations,
basic concepts of linear algebra and geometry (analytical and differential).
With reference to functions of a single variable, students should know
the concepts of limit, derivative, integral, Taylor expansion and solution of linear
differential equations having constant coefficients. With reference to functions
of many variables, students should know the concepts of partial derivative,
multi-dimensional integral and Taylor expansion.
SISTEMI DI TRAVI ISOSTATICI (8 ore di lezione e 18.5 di esercitazione):
Richiami di cinematica e statica; vincoli piani; maldisposizione dei vincoli; studio algebrico della cinematica; studio grafico dei sistemi ad un grado di labilita’ (catene cinematiche); studio algebrico della statica; dualità statico-cinematica; determinazione delle reazioni vincolari con le equazioni ausiliarie, con il Principio dei Lavori Virtuali e con il metodo grafico; curva delle pressioni; caratteristiche interne della sollecitazione; equazioni indefinite di equilibrio per le travi; archi a tre cerniere; strutture chiuse; travature reticolari, travi Gerber.
IL SOLIDO DEFORMABILE (6 ore di lezione e 4.5 di esercitazione):
Tensore delle deformazioni; dilatazioni e scorrimenti; proiezioni del vettore spostamento; legge di trasformazione del tensore per rotazioni del sistema di riferimento; direzioni principali di deformazione; dilatazione volumetrica; vettore tensione; tensore degli sforzi; proiezioni del vettore tensione; legge di trasformazione del tensore degli sforzi per rotazioni del sistema di riferimento; direzioni principali di tensione; tensori idrostatico e deviatorico; circoli di Mohr, stato tensionale piano. Equazioni indefinite di equilibrio; equazioni di equivalenza al contorno; formulazione matriciale e dualita’ statico-cinematica; Principio dei Lavori Virtuali applicato al solido deformabile.
LEGGE COSTITUTIVA ELASTICA (4 ore di lezione):
Elasticita’ lineare; potenziale elastico, teorema di Kirchhoff, modulo di Young e coefficiente di Poisson; problema elastico; equazione di Lame’ in forma operatoriale; Teorema di Clapeyron; Teorema di Betti, isotropia.
CRITERI DI RESISTENZA (3 ore di lezione):
Coulomb, Tresca e Von Mises.
GEOMETRIA DELLE AREE (3 ore di lezione e 4.5 di esercitazione):
Leggi di trasformazione del vettore dei momenti statici e del tensore dei momenti di inerzia per rototraslazioni del sistema di riferimento; direzioni e momenti principali di inerzia; circoli di Mohr; simmetria assiale e polare.
SOLIDO DI SAINT VENANT (16 ore di lezione e 13.5 di esercitazione):
Ipotesi fondamentali; sforzo normale; flessione retta; sforzo normale eccentrico; flessione deviata; nocciolo centrale di inerzia; ortogonalita’ energetica; torsione (sezioni circolari, sezioni di forma qualsiasi, sezioni sottili aperte e chiuse); taglio (centro di taglio, trattazione semplificata di Jourawsky, sezione rettangolare, scorrimento medio, sezioni sottili); verifiche di resistenza; equazione differenziale della linea elastica.
PRINCIPIO DEI LAVORI VIRTUALI APPLICATO ALLE STRUTTURE (7 ore di lezione, 9 di esercitazione):
Determinazione degli spostamenti elastici nelle strutture isostatiche. Risoluzione delle strutture una volta iperstatiche. Strutture reticolari iperstatiche. Cenni alle distorsioni termiche e cedimenti vincolari.
INSTABILITA’ DELL’EQUILIBRIO ELASTICO (3 ore di lezione).
STATICALLY DETERMINATE BEAM SYSTEMS (Theory: 8h and Problems:21.5h):
Kinematics and statics of a rigid body; constraints in a plane; ill-disposition of
constraints; algebraic study of kinematics; graphical study of kinematics of systems
having one degree of freedom (kinematic chain); algebraic study of statics;
static-kinematic duality; determination of constraint reactions through auxiliary
equations, the Principle of Virtual Work and the graphical method; line of
pressure; the characteristics of internal reactions; indefinite equations of equilibrium
for plane beams; three-hinged arches; closed-frame structures; Gerber
beams.
DEFORMABLE BODIES (Theory: 8h and Problems: 4.5h):
Analysis of strain; dilatation and shearing strain; the projection of the displacement
vector; law of transformation of the strain tensor for rotations of the
reference system; principal directions of strain; volumetric dilatation; the tension
vector; the stress tensor; the projection of the tension vector; law of transformation
of the stress tensor for rotations of the reference system; principal
direction of stress; the hydrostatic tensor; the deviatoric tensor; Mohr’s circles;
plane stress conditions; indefinite equations of equilibrium; boundary conditions
of equivalence; kinematic and static equations written in compact form; static-kinematic
duality; the Principle of Virtual Work for deformable bodies.
ELASTIC CONSTITUTIVE LAW (Theory: 4h):
Elastic potential; linear elasticity; the problem of a linear elastic body; the Lame’
operator; the principle of superposition; Kirchhoff’s theorem; Clapeyron’s
theorem; Betti’s reciprocal work theorem; isotropy.
STRENGTH CRITERIA (Theory: 3h):
Coulomb,Tresca and Von Mises.
GEOMETRY OF AREAS (Theory: 4h and Problems: 4.5h):
Laws of transformation of the static moment vector and of the moment of inertia
tensor; principal axes and moments of inertia; Mohr’s circle; axial symmetry
and polar symmetry.
THE SAINT VENANT PROBLEM (Theory: 17h and Problems: 16.5h):
Fundamental hypotheses; centered axial force; flexure; eccentric axial force and
bi-axial flexure; the central core of inertia; energetic orthogonality; torsion in
beams of (circular cross section, generic cross section, open and closed thin wall
section); shearing loading (center of shear, mean shearing stress according to
Jourawski formula, rectangular cross section, mean shearing strain, thin-walled
cross section); beam strength analysis; differential equation of the elastic line.
CONTINUOUS BEAM AND INFLUENCE LINE (Theory: 3h + Problems: 3h):
The influence line drawing is based on first (Betti) and second(Land) reciprocal
work theorem.
INSTABILITY OF ELASTIC EQUILIBRIUM (Theory: 4h):
Discrete mechanical system with one degree of freedom; rectilinear beams with
distributed elasticity; kinematic and static boundary conditions.
Discrete mechanical system with one degree of freedom; rectilinear beams with distributed elasticity; kinematic and static boundary conditions.
Al fine di verificare l'apprendimento, vengono assegnati dei compiti a casa.
In order to verify the teaching flow, some home-works are assigned.
Le esercitazioni saranno svolte sui seguenti argomenti:
SISTEMI DI TRAVI ISOSTATICI (18.5 ore)
CERCHI DI MOHR (4.5 ore)
GEOMETRIA DELLE AREE (4.5 ore)
SOLIDO DI SAINT VENANT (13.5 ore)
PRINCIPIO DEI LAVORI VIRTUALI APPLICATO ALLE STRUTTURE (9 ore)
Se sarà possibile utilizzare il laboratorio MASTRLAB del DISEG, gli studenti, divisi in gruppi di 25 persone, assisteranno alle seguenti prove condotte dai tecnici di laboratorio:
Prova di compressione diretta monoassiale su cubo di calcestruzzo.
Prova di trazione diretta monoassiale su tondo in acciaio per cemento armato ordinario.
Prova di laboratorio avente la finalita’ di determinare sperimentalmente la posizione del centro di taglio
in un profilato a C in alluminio, vincolato a mensola.
Inoltre nel laboratorio didattico sono istallate due lavagne attrezzate dove gli studenti, divisi in gruppi di 12 persone,
possono eseguire direttamente misure di freccia elastica sulle strutture sottoelencate.
Trave appoggiata con carico concentrato e ripartito
Trave a mensola con incastro elasticamene cedevole
Trave a mensola con flessimetro sensibile al centesimo di millimetro.
Trave continua isostatica analizzabile componendo spostamenti e rotazioni.
Portale incernierato al piede
Arco incernierato
Delivery modes:
Practical activity in the classroom:
20 per cent of total practical activity is done in parallel (i.e. at the same time)
by two teachers working in two different classrooms. 80 per cent is done in a
single classroom by a single teacher. Practical activity are:
Statically determinate beam systems (21.5h):
Deformable bodies (4.5h):
Geometry of areas (4.5h):
The Saint Venant problem (16.5h):
Continuous beam and influence line(3h)
In the general purposes laboratory on materials and structures:
The students, divided in groups of 25 persons, attend tests executed by a technician
as follows:
Mono-axial compression test on a concrete cube,
Mono-axial tensile test on a reinforcement bar,
Experimental determination of the shearing center in an aluminum bar having
a C cross section and loaded as a cantilever beam.
Total time in this laboratory is 1h.
In the educational laboratory LADISS:
Two equipped magnetic boards are available; the students, divided in groups of
12 persons, are able to execute directly the following tests on them:
A simply supported beam subjected to a concentrated and a distributed load.
A cantilever beam with the fixed edge subjected to an elastic settlement.
A cantilever beam equipped with a displacement transducer able to measure
0.01 mm.
The elastic curve of a Gerber beam analyzed through a composition of rotations
and displacements.
A portal frame having the feet of both colums hinged.
Total time in this laboratory is 1h.
Sito Web: http://www.polito.it/scienza delle costruzioni/edili.
Teoria: A.Carpinteri, Scienza delle Costruzioni, Vol 1 e 2, Pitagora Editrice.
Esercizi:F.P.Beer, E.R.Johnston jr., J.T.DeWolf, D.F.Mazurek Meccanica dei solidi - Elementi di Scienza delle
Costruzioni, IV edizione, McGraw-Hill, 2010.
Esercizi: E.Viola, Esercitazioni di Scienza delle Costruzioni, Vol.1, Pitagora Editrice.
Reference books and documents
Theory:A.Carpinteri, Structural mechanics: an unified approach, E and FN Spon.
Problems:F.P.Beer, E.R.Johnston jr., J.T.DeWolf, D.F.Mazurek Statics and mechanics of materials,Mc Graw Hill
Further documents related to the subjects presented will be distributed in the
classroom and posted in the official website. In order to show the type of neat
and orderly work that students should cultivate in their own solution, same
problems solved during written tests are posted on
http://www.polito.it/scienza_delle_costruzioni/edili.
Further readings
R.R. Craig, Mechanics of materials, John Wiley and sons
E.Viola, Esercitazioni di Scienza delle Costruzioni, Vol.1, Pitagora Editrice
Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale obbligatoria;
Exam: Written test; Compulsory oral exam;
...
L’esame comprende una prova scritta ed una orale. Poiché l'interesse e' rivolto a verificare l'abilita' di applicare i concetti teorici a semplici problemi professionali, durante la prova scritta e’ consentito l’uso di formulari, appunti e libri; al contrario, durante la prova orale, che intende verificare comprovate conoscenze teoriche, tale uso non e’ consentito. La prova scritta si basa sulla soluzione di problemi simili a quelli trattati durante le esercitazioni. I temi svolti delle passate sessioni d’esame sono disponibili attraverso il sito Web citato in precedenza.
La prova scritta riguarda la soluzione di una struttura isostatica con il tracciamento dei diagrammi M,N,T (10 punti); di una iperstatica con la determinazione delle reazioni vincolari e il tracciamento dei diagrammi M,N,T (10 punti); la determinazione delle tensioni nella sezione di un solido di S. Venant (10 punti). Il tempo concesso è di 3 ore.
La prova orale si basa su due domande di teoria estratte da un elenco pre-definito.Il tempo concesso e' di 1 ora.
Il voto finale e’ la media dei voti ottenuti nelle tre prove precedentemente descritte.
In caso di dubbio, vengono presi in considerazione i risultati dei compiti a casa.
Il voto massimo e’ trenta e lode.
Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.
Exam: Written test; Compulsory oral exam;
Examination includes two written and one oral tests. Since the focus is on the ability to apply theoretical knowledge to simple professional problems, all books or documents are allowed during written tests. On the contrary, since the focus is on the proven theoretical knowledge, no documents is allowed during oral tests. Written tests are based on problems similar to the problems
solved in the classroom. In order to show the type of neat and orderly work that
students should cultivate in their own solution, same problems solved during
written tests are posted on
http://www.polito.it/scienza_delle_costruzioni/edili.
The first written test includes three questions:(a)with reference to a statically
determinate plane structure it is asked to draw diagrams of characteristics M, N,
T (19 scores); (b)in a similar context, it is asked to draw qualitatively an influence
line (4 scores); (c)with reference to a predefined area,
it is asked to determine some geometrical properties (7 scores). The first test
duration is 2.5 hours.
The second written test includes two questions:(a)with reference to a Saint
Venant solid is asked to determine stresses acting in some predefined positions
(20 scores); (b)with reference to a plane stress state, determine the three Mohr’s
circles, the principal stresses and a collapse multiplier (10 scores).
The second test duration is 2 hours.
The oral test is based on two questions drawn from a predefined list. The test duration is 1 hour.
Final score is the average value on the three above mentioned tests.
In case of doubt, the home-work results can be considered.
The maximum score is 30/30 cum laude.
In addition to the message sent by the online system, students with disabilities or Specific Learning Disorders (SLD) are invited to directly inform the professor in charge of the course about the special arrangements for the exam that have been agreed with the Special Needs Unit. The professor has to be informed at least one week before the beginning of the examination session in order to provide students with the most suitable arrangements for each specific type of exam.