Esercizi sull'analisi della tensione

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Esercizi sull'analisi della tensione

Versione italiana

Esercizi sull'analisi della tensione

Concetti Fondamentali

  1. Tensore delle Tensioni: Il tensore delle tensioni è una matrice 3 \times 33×33 \times 3 che rappresenta le tensioni in un materiale in tre dimensioni. La forma generale del tensore delle tensioni è:

    \mathbf{T} = \begin{bmatrix}
    \sigma_x & \tau_{xy} & \tau_{zx} \\
    \tau_{xy} & \sigma_y & \tau_{yz} \\
    \tau_{zx} & \tau_{yz} & \sigma_z
    \end{bmatrix}
    T=[σxτxyτzxτxyσyτyzτzxτyzσz]\mathbf{T} = \begin{bmatrix} \sigma_x & \tau_{xy} & \tau_{zx} \\ \tau_{xy} & \sigma_y & \tau_{yz} \\ \tau_{zx} & \tau_{yz} & \sigma_z \end{bmatrix}

    dove:

    • \sigma_xσx\sigma_x, \sigma_yσy\sigma_y, \sigma_zσz\sigma_z sono le tensioni normali,
    • \tau_{xy}τxy\tau_{xy}, \tau_{yz}τyz\tau_{yz}, \tau_{zx}τzx\tau_{zx} sono le tensioni di taglio.
  2. Invarianti di Tensione: Gli invarianti di tensione possono essere calcolati utilizzando il tensore delle tensioni. Gli invarianti sono definiti come segue:

    • Primo Invariante (I_1I1I_1):
      I_1 = \sigma_x + \sigma_y + \sigma_z
      I1=σx+σy+σzI_1 = \sigma_x + \sigma_y + \sigma_z
    • Secondo Invariante (I_2I2I_2):
      I_2 = \frac{1}{2} \left( (\sigma_x + \sigma_y)^2 + (\sigma_y + \sigma_z)^2 + (\sigma_z + \sigma_x)^2 \right) - \left( \tau_{xy}^2 + \tau_{yz}^2 + \tau_{zx}^2 \right)
      I2=12((σx+σy)2+(σy+σz)2+(σz+σx)2)(τxy2+τyz2+τzx2)I_2 = \frac{1}{2} \left( (\sigma_x + \sigma_y)^2 + (\sigma_y + \sigma_z)^2 + (\sigma_z + \sigma_x)^2 \right) - \left( \tau_{xy}^2 + \tau_{yz}^2 + \tau_{zx}^2 \right)
    • Terzo Invariante (I_3)(I3)(I_3):
      I_3 = \text{det}(\mathbf{T})
      I3=det(T)I_3 = \text{det}(\mathbf{T})

Classificazione dello Stato Tensionale

Utilizzando gli invarianti di tensione, possiamo classificare lo stato tensionale come segue:

  1. Stato Piano:

    • Per essere considerato piano, I_3I3I_3 deve essere zero.
  2. Stato Puramente Tangenziale:

    • Per essere considerato puramente tangenziale, I_1I1I_1 deve essere zero e I_2I2I_2 deve essere positivo.
  3. Stato Monoassiale:

    • Per essere considerato monoassiale, una sola tensione normale deve essere significativa e le altre tensioni normali devono essere nulle o trascurabili.

Esercizio

Problema: Considera un elemento sottoposto a tensioni normali e di taglio. Le tensioni sono:

  • \sigma_x = 50 \, MPaσx=50MPa\sigma_x = 50 \, MPa
  • \sigma_y = 30 \, MPaσy=30MPa\sigma_y = 30 \, MPa
  • \sigma_z = 10 \, MPaσz=10MPa\sigma_z = 10 \, MPa
  • \tau_{xy} = 5 \, MPaτxy=5MPa\tau_{xy} = 5 \, MPa
  • \tau_{yz} = 3 \, MPaτyz=3MPa\tau_{yz} = 3 \, MPa
  • \tau_{zx} = 2 \, MPaτzx=2MPa\tau_{zx} = 2 \, MPa

Trovare gli invarianti di tensione e classificare lo stato tensionale.

  1. Costruzione del Tensore delle Tensioni:

    \mathbf{T} = \begin{bmatrix}
    50 & 5 & 2 \\
    5 & 30 & 3 \\
    2 & 3 & 10
    \end{bmatrix}
    T=[505253032310]\mathbf{T} = \begin{bmatrix} 50 & 5 & 2 \\ 5 & 30 & 3 \\ 2 & 3 & 10 \end{bmatrix}
  2. Calcolo del Primo Invariante:

    I_1 = \sigma_x + \sigma_y + \sigma_z = 50 + 30 + 10 = 90 \, MPa
    I1=σx+σy+σz=50+30+10=90MPaI_1 = \sigma_x + \sigma_y + \sigma_z = 50 + 30 + 10 = 90 \, MPa
  3. Calcolo del Secondo Invariante:

    I_2 = \frac{1}{2} \left( (\sigma_x + \sigma_y)^2 + (\sigma_y + \sigma_z)^2 + (\sigma_z + \sigma_x)^2 \right) - \left( \tau_{xy}^2 + \tau_{yz}^2 + \tau_{zx}^2 \right)
    I2=12((σx+σy)2+(σy+σz)2+(σz+σx)2)(τxy2+τyz2+τzx2)I_2 = \frac{1}{2} \left( (\sigma_x + \sigma_y)^2 + (\sigma_y + \sigma_z)^2 + (\sigma_z + \sigma_x)^2 \right) - \left( \tau_{xy}^2 + \tau_{yz}^2 + \tau_{zx}^2 \right)
    I_2 = \frac{1}{2} \left( (50 + 30)^2 + (30 + 10)^2 + (10 + 50)^2 \right) - (5^2 + 3^2 + 2^2)
    I2=12((50+30)2+(30+10)2+(10+50)2)(52+32+22)I_2 = \frac{1}{2} \left( (50 + 30)^2 + (30 + 10)^2 + (10 + 50)^2 \right) - (5^2 + 3^2 + 2^2)
    I_2 = \frac{1}{2} \left( 6400 + 1600 + 3600 \right) - (25 + 9 + 4)
    I2=12(6400+1600+3600)(25+9+4)I_2 = \frac{1}{2} \left( 6400 + 1600 + 3600 \right) - (25 + 9 + 4)
    I_2 = \frac{1}{2} \cdot 11600 - 38 = 5800 - 38 = 5762 \, MPa^2
    I2=121160038=580038=5762MPa2I_2 = \frac{1}{2} \cdot 11600 - 38 = 5800 - 38 = 5762 \, MPa^2
  4. Calcolo del Terzo Invariante (I_3)(I3)(I_3):
    Il terzo invariante può essere calcolato come il determinante del tensore delle tensioni \mathbf{T}T\mathbf{T}. Il determinante di una matrice 3 \times 33×33 \times 3 è dato dalla formula:

    \text{det}(\mathbf{T}) = \sigma_x \left( \sigma_y \sigma_z - \tau_{yz}^2 \right) - \tau_{xy} \left( \tau_{xy} \sigma_z - \tau_{yz} \cdot \tau_{zx} \right) + \tau_{zx} \left( \tau_{xy} \cdot \tau_{yz} - \sigma_y \tau_{zx} \right)
    det(T)=σx(σyσzτyz2)τxy(τxyσzτyzτzx)+τzx(τxyτyzσyτzx)\text{det}(\mathbf{T}) = \sigma_x \left( \sigma_y \sigma_z - \tau_{yz}^2 \right) - \tau_{xy} \left( \tau_{xy} \sigma_z - \tau_{yz} \cdot \tau_{zx} \right) + \tau_{zx} \left( \tau_{xy} \cdot \tau_{yz} - \sigma_y \tau_{zx} \right)

    Sostituendo i valori delle tensioni:

    I_3 = \text{det}(\mathbf{T}) = 50 \left( 30 \cdot 10 - 3^2 \right) - 5 \left( 5 \cdot 10 - 3 \cdot 2 \right) + 2 \left( 5 \cdot 3 - 30 \cdot 2 \right)
    I3=det(T)=50(301032)5(51032)+2(53302)I_3 = \text{det}(\mathbf{T}) = 50 \left( 30 \cdot 10 - 3^2 \right) - 5 \left( 5 \cdot 10 - 3 \cdot 2 \right) + 2 \left( 5 \cdot 3 - 30 \cdot 2 \right)

    Calcoliamo ciascun termine:

    • Primo termine:
      50 \left( 300 - 9 \right) = 50 \cdot 291 = 14550
      50(3009)=50291=1455050 \left( 300 - 9 \right) = 50 \cdot 291 = 14550
    • Secondo termine:
      -5 \left( 50 - 6 \right) = -5 \cdot 44 = -220
      5(506)=544=220-5 \left( 50 - 6 \right) = -5 \cdot 44 = -220
    • Terzo termine:
      2 \left( 15 - 60 \right) = 2 \cdot (-45) = -90
      2(1560)=2(45)=902 \left( 15 - 60 \right) = 2 \cdot (-45) = -90

    Ora sommiamo i risultati:

    I_3 = 14550 - 220 - 90 = 14340 \, MPa^3
    I3=1455022090=14340MPa3I_3 = 14550 - 220 - 90 = 14340 \, MPa^3
  5. Per classificare lo stato tensionale dell'elemento utilizziamo gli invarianti di tensione.

  • Primo Invariante (I_1)(I1)(I_1):
    I_1 = 90 \, MPa
    I1=90MPaI_1 = 90 \, MPa
    Questo valore rappresenta la somma delle tensioni normali. Un valore positivo indica che ci sono tensioni normali complessive.
  • Secondo Invariante (I_2)(I2)(I_2):
    I_2 = 5762 \, MPa^2
    I2=5762MPa2I_2 = 5762 \, MPa^2
    Questo valore è positivo e indica che ci sono tensioni di taglio significative. Un I_2I2I_2 positivo suggerisce che l'elemento è soggetto a uno stato di tensione non puramente idrostatico.
  • Terzo Invariante (I_3)(I3)(I_3):
    I_3 = 14340 \, MPa^3
    I3=14340MPa3I_3 = 14340 \, MPa^3
    Anche questo valore è positivo, il che implica che il sistema di tensioni non è degenerato e che ci sono interazioni tra le tensioni normali e di taglio.

Conclusione

In base agli invarianti di tensione:

  • Lo stato tensionale dell'elemento è tridimensionale. Non è classificabile come piano, puramente tangenziale o monoassiale, poiché presenta tensioni normali e di taglio significative in tutte e tre le direzioni.

English version

Stress Analysis Exercises

Fundamental Concepts

  1. Stress Tensor: The stress tensor is a 3 \times 33×33 \times 3 matrix that represents the stresses in a material in three dimensions. The general form of the stress tensor is:
\mathbf{T} = \begin{bmatrix}
\sigma_x & \tau_{xy} & \tau_{zx} \\
\tau_{xy} & \sigma_y & \tau_{yz} \\
\tau_{zx} & \tau_{yz} & \sigma_z
\end{bmatrix}
T=[σxτxyτzxτxyσyτyzτzxτyzσz]\mathbf{T} = \begin{bmatrix} \sigma_x & \tau_{xy} & \tau_{zx} \\ \tau_{xy} & \sigma_y & \tau_{yz} \\ \tau_{zx} & \tau_{yz} & \sigma_z \end{bmatrix}

where:

  • \sigma_xσx\sigma_x, \sigma_yσy\sigma_y, \sigma_zσz\sigma_z are the normal stresses,
  • \tau_{xy}τxy\tau_{xy}, \tau_{yz}τyz\tau_{yz}, \tau_{zx}τzx\tau_{zx} are the shear stresses.
  1. Stress Invariants: Stress invariants can be calculated using the stress tensor. The invariants are defined as follows:
  • First Invariant (I_1I1I_1):
I_1 = \sigma_x + \sigma_y + \sigma_z
I1=σx+σy+σzI_1 = \sigma_x + \sigma_y + \sigma_z
  • Second Invariant (I_2I2I_2):
I_2 = \frac{1}{2} \left( (\sigma_x + \sigma_y)^2 + (\sigma_y + \sigma_z)^2 + (\sigma_z + \sigma_x)^2 \right) - \left( \tau_{xy}^2 + \tau_{yz}^2 + \tau_{zx}^2 \right)
I2=12((σx+σy)2+(σy+σz)2+(σz+σx)2)(τxy2+τyz2+τzx2)I_2 = \frac{1}{2} \left( (\sigma_x + \sigma_y)^2 + (\sigma_y + \sigma_z)^2 + (\sigma_z + \sigma_x)^2 \right) - \left( \tau_{xy}^2 + \tau_{yz}^2 + \tau_{zx}^2 \right)
  • Third Invariant (I_3)(I3)(I_3):
I_3 = \text{det}(\mathbf{T})
I3=det(T)I_3 = \text{det}(\mathbf{T})

Classification of Stress State

Using the stress invariants, we can classify the stress state as follows:

  1. Plane State:
  • To be considered planar, I_3I3I_3 must be zero.
  1. Purely Tangential State:
  • To be considered purely tangential, I_1I1I_1 must be zero and I_2I2I_2 must be positive.
  1. Uniaxial State:
  • To be considered uniaxial, only one normal stress must be significant and the other normal stresses must be zero or negligible.

Exercise

Problem: Consider an element subjected to normal and shear stresses. The stresses are:

  • \sigma_x = 50 \, MPaσx=50MPa\sigma_x = 50 \, MPa
  • \sigma_y = 30 \, MPaσy=30MPa\sigma_y = 30 \, MPa
  • \sigma_z = 10 \, MPaσz=10MPa\sigma_z = 10 \, MPa
  • \tau_{xy} = 5 \, MPaτxy=5MPa\tau_{xy} = 5 \, MPa
  • \tau_{yz} = 3 \, MPaτyz=3MPa\tau_{yz} = 3 \, MPa
  • \tau_{zx} = 2 \, MPaτzx=2MPa\tau_{zx} = 2 \, MPa

Find the stress invariants and classify the stress state.

  1. Construction of the Stress Tensor:
\mathbf{T} = \begin{bmatrix}
50 & 5 & 2 \\
5 & 30 & 3 \\
2 & 3 & 10
\end{bmatrix}
T=[505253032310]\mathbf{T} = \begin{bmatrix} 50 & 5 & 2 \\ 5 & 30 & 3 \\ 2 & 3 & 10 \end{bmatrix}
  1. Calculation of the First Invariant:
I_1 = \sigma_x + \sigma_y + \sigma_z = 50 + 30 + 10 = 90 \, MPa
I1=σx+σy+σz=50+30+10=90MPaI_1 = \sigma_x + \sigma_y + \sigma_z = 50 + 30 + 10 = 90 \, MPa
  1. Calculation of the Second Invariant:
I_2 = \frac{1}{2} \left( (\sigma_x + \sigma_y)^2 + (\sigma_y + \sigma_z)^2 + (\sigma_z + \sigma_x)^2 \right) - \left( \tau_{xy}^2 + \tau_{yz}^2 + \tau_{zx}^2 \right)
I2=12((σx+σy)2+(σy+σz)2+(σz+σx)2)(τxy2+τyz2+τzx2)I_2 = \frac{1}{2} \left( (\sigma_x + \sigma_y)^2 + (\sigma_y + \sigma_z)^2 + (\sigma_z + \sigma_x)^2 \right) - \left( \tau_{xy}^2 + \tau_{yz}^2 + \tau_{zx}^2 \right)
I_2 = \frac{1}{2} \left( (50 + 30)^2 + (30 + 10)^2 + (10 + 50)^2 \right) - (5^2 + 3^2 + 2^2)
I2=12((50+30)2+(30+10)2+(10+50)2)(52+32+22)I_2 = \frac{1}{2} \left( (50 + 30)^2 + (30 + 10)^2 + (10 + 50)^2 \right) - (5^2 + 3^2 + 2^2)
I_2 = \frac{1}{2} \left( 6400 + 1600 + 3600 \right) - (25 + 9 + 4)
I2=12(6400+1600+3600)(25+9+4)I_2 = \frac{1}{2} \left( 6400 + 1600 + 3600 \right) - (25 + 9 + 4)
I_2 = \frac{1}{2} \cdot 11600 - 38 = 5800 - 38 = 5762 \, MPa^2
I2=121160038=580038=5762MPa2I_2 = \frac{1}{2} \cdot 11600 - 38 = 5800 - 38 = 5762 \, MPa^2
  1. Calculation of the Third Invariant (I_3)(I3)(I_3):
    The third invariant can be calculated as the determinant of the stress tensor \mathbf{T}T\mathbf{T}. The determinant of a matrix 3 \times 33×33 \times 3 is given by the formula:
\text{det}(\mathbf{T}) = \sigma_x \left( \sigma_y \sigma_z - \tau_{yz}^2 \right) - \tau_{xy} \left( \tau_{xy} \sigma_z - \tau_{yz} \cdot \tau_{zx} \right) + \left( \tau_{xy} \cdot \tau_{yz} - \sigma_y \tau_{zx} \right) 
det(T)=σx(σyσzτyz2)τxy(τxyσzτyzτzx)+(τxyτyzσyτzx)\text{det}(\mathbf{T}) = \sigma_x \left( \sigma_y \sigma_z - \tau_{yz}^2 \right) - \tau_{xy} \left( \tau_{xy} \sigma_z - \tau_{yz} \cdot \tau_{zx} \right) + \left( \tau_{xy} \cdot \tau_{yz} - \sigma_y \tau_{zx} \right)

Substituting the voltage values:

 I_3 = \text{det}(\mathbf{T}) = 50 \left( 30 \cdot 10 - 3^2 \right) - 5 \left( 5 \cdot 10 - 3 \cdot 2 \right) + 2 \left( 5 \cdot 3 - 30 \cdot 2 \right)
I3=det(T)=50(301032)5(51032)+2(53302) I_3 = \text{det}(\mathbf{T}) = 50 \left( 30 \cdot 10 - 3^2 \right) - 5 \left( 5 \cdot 10 - 3 \cdot 2 \right) + 2 \left( 5 \cdot 3 - 30 \cdot 2 \right)

Let's calculate each term:

  • First term:
50 \left( 300 - 9 \right) = 50 \cdot 291 = 14550
50(3009)=50291=1455050 \left( 300 - 9 \right) = 50 \cdot 291 = 14550
  • Second term:
-5 \left( 50 - 6 \right) = -5 \cdot 44 = -220
5(506)=544=220-5 \left( 50 - 6 \right) = -5 \cdot 44 = -220
  • Third term:
2 \left( 15 - 60 \right) = 2 \cdot (-45) = -90
2(1560)=2(45)=902 \left( 15 - 60 \right) = 2 \cdot (-45) = -90

Now let's add the results:

I_3 = 14550 - 220 - 90 = 14340 \, MPa^3
I3=1455022090=14340MPa3I_3 = 14550 - 220 - 90 = 14340 \, MPa^3
  1. To classify the stress state of the element we use the stress invariants.
  • First Invariant (I_1)(I1)(I_1):
I_1 = 90 \, MPa
I1=90MPaI_1 = 90 \, MPa

This value represents the sum of the normal stresses. A positive value indicates that there are overall normal stresses.

  • Second Invariant (I_2)(I2)(I_2):
I_2 = 5762 \, MPa^2
I2=5762MPa2I_2 = 5762 \, MPa^2

This value is positive and indicates that there are significant shear stresses. A positive I_2I2I_2 suggests that the element is subject to a stress state that is not purely hydrostatic.

  • Third Invariant (I_3)(I3)(I_3):
I_3 = 14340 \, MPa^3
I3=14340MPa3I_3 = 14340 \, MPa^3

This value is also positive, which implies that the stress system is not degenerate and that there are interactions between the normal and shear stresses.

Conclusion

According to the stress invariants:

  • The stress state of the element is three-dimensional. It cannot be classified as planar, purely tangential or uniaxial, as it presents significant normal and shear stresses in all three directions.

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