A NNALI DELLA
S CUOLA N ORMALE S UPERIORE DI P ISA Classe di Scienze
G. G RIOLI
Integrazione del problema della statica delle piastre omogenee di spessore qualunque
Annali della Scuola Normale Superiore di Pisa, Classe di Scienze 3
esérie, tome 6, n
o1-2 (1952), p. 31-49
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DELLE PIASTRE O M O G E N E E
DI SPESSORE QUALUNQUE (*)
di G. GRIOLI
(Padova)
La teoria
dell’integrazione
delproblema
tridimensionale dell’Elastosta.tica isoterma
(1)
è certamenteapplicahile
allo studio dei sistemi sottili anche.
senza nessuna
particolare
modifica ma è evidente che a causa dellapicco-
lezza dello spessore deve riascire
possibile
unospeciale
adattamento che nerenda
più agevole
erapida l’applicazione.
Con tale intendimento e riferendomi al
più
comune dei sistemi sottili- la
piastra
di spessore costante(2)
- ho voluto stabilire unprocedimento d’integrazione
che sostanzialmente opera su unproblema
resobidimensionale~
pur avendo come
punto
dipartenza
ilproblema
tridimensionale.Esso è valido in
generale
per unapiastra
omogenea di formaqualsiasi
comunque
anisotropa
e spessa eabbraccia,
inparticolare,
il caso dellapia-
stra elastica sottile considerato nella teoria ordinaria.
Riferendomi al caso
isotropo
ho voluto anche mostrare che le formule fondamentali della teoriaordinaria,
momentiflettenti,
sforzi ditaglio,
ecc., seguono subito dalleproprietà
di media e dall’ordine diapprossimazione
pre- stabilito.Nel caso della
piastra quadrata
omogenea edisotropa
uniformemente caricata ed ovunqueappoggiata
ho voluto determinare delleespressioni
diprima approssimazione
dei momenti e dell’abbassamento e il risultato con-seguito
consviluppi alquanto semplici
mi è sembrato interessante dal con-fronto con formule risolutive ben note.
(~) Lavoro eseguito per l’I.N.A.C.
(1) G. GRIOLI « Proprietà di media ed integrazione del problema delt’ELaBtoatatica isoterma » Annali di Matematica pura ed applicata; Serie 1V ; Vol. 33-1952.
(2) Una teoria analoga può stabilirsi anche nel caso di spessore variabile con oppor- tune modifiche che rinuncio ad esporre
[vedi
nota(6)].
P-er
semplicità, nell’esposizione
mi riferisco al caso che i vincolipresenti
siano
quelli
d’incastro e disemplice appoggio privo
di attrito. La validità delprocedimento d’integrazione
pertipi
diversi di vincolo riuscirà evidente.Naturalmente presppongo l’esistenza e l’unicità della
posizione
diequilibrio
e non mi preoccupo delle
questioni
di convergenza connesse per lequali
ri-mando al lavoro citato in nota
(1).
1. -
Premesse
Sia C una
piastra
elastica di sezione mediapiana A , ~
il suobordo, porzione
cilindrica con legeneratrici ortogonali
alla sezione media ed 1 l’in- tersezione di a conquesta [contorno
diA].
Si assuma come sistema di rife-rimento, O Xi X2
x3 una ternatrirettangola levogira
avente ilpiano
x3 = 0 coincidente con ilpiano
mediano dellapiastra
e -supposto questo
oriz-zontale - con l’asse x3 orientato verso il basso.
11
piano
x3 ~ 0 èpiano
di simmetriageometrica.
Denoto con h lo spessore
[che
suppongocostante]
dellapiastra
e con densità di un eventuale carico verticale distribuito sulla facciasuperiore (3).
Sia a’ laporzione
di o ove è eventualmentepresente
un vin-colo la
corrispondente parte
di 1 e0, ø2 , ø3
lecomponenti
delle reazioni vincolari d’incastro
(4).
Se una striscia A* della faccia inferiore - che indico con n* - la
piastra
èsemplicemente appoggiata
con vincololiscio,
denoto con la com-ponente
della reazione vincolare secondo x3 , tenendopresente nel seguito
che essa è da ritenersi non
positiva
mentre le altre duecomponenti
sonoda assumersi nulle.
(3) Nessuna difficoltà a supporre presenti carichi non verticali distribuiti sulle facce della piastra od anche carichi concentrati. Il metodo può applicarsi, in partioolare, per determinare la funzione di Green. Se di questa si conosce la parte singolare - come av- viene, ad es. nel problema della flessione di una piastra isotropa per la quale la funzione
di Green è del tipo I + F (P, Q)., con e costante ed F (P, Q) funzioné regolare
di
P e Q[P
e Q punti diA] -
conviene adoperare il metodo unicamente per la determinazione dell’incognita parte regolare.(4) Se l’incastro agisce anche su sottili strisoie dei piani _x3
= :I: h
vicine al bordo 2della piastra esso può trasferirsi -- come è evidente e come risulterà meglio dal seguito
- sul bordo - e.
Si denotino con
(r,
s-1 ~ 2 , 3),
le caratteristiche ditensione,
conn , ~2 ? ~z~ = 0 i coseni direttori della normale a o orientata verso l’interno di C e le
componenti
della forzasuperficiale assegnata
su 6-U’."
,
Per
semplicità suppongo
nulla la forza di massa dato che aquesto
casoci si
riporta
facilmente anchequando
sivoglia
tener conto del pesoproprio.
Le
equazioni
diequilibrio
si scrivonoin
per
per in
per ín
per
su
su
2. -
Sviluppi generali
dellecaratteristiche
ditensione.
Posto
si consideri la
successioue { Qt }
dipolinomi ortogonali
nell’intervalloNotorimnente i
polinomi Qt
coincidono - se siprescinde
da fattori in-indipendenti
da x3 j - coll ipolinomi
diLegendre
relativi all’intervallo1
3 dalla Scacola Pisa.
ed ognuna, delle è
svi1uppabile
inquell’iutervallo
in se-rie dei
Qt
con coefficientidipendenti
da j-1 x2 . *Si
può pertanto
porre[data
1’ortogonalità
in deiQd
pur d’intendere
Le
~,,,t (xl 2 x,,)
sono definite nel dominio A.Se { wA }
è In. successione dei mononi xa1 xB2e quella
deipo inon i
ottenuti
aggiungendo
a 1))). combinazione lineare di i w0, w1, ... , wA-1 che rendep). ortogonale
in tali monomi le sono certamentesvilup- pabili
in A in serie deiP).. Pertanto, posto
si ha
pur d’intendere che il soprassegno
posto
sopra il siinbolo c~i una funzionene indichi il suo valor medio in A . Se si
adoperano
per leXrs le
notazio-ni ad un solo indice
per le le
corrispondenti
adue
indici e si denotano con i coefficien- ti[costnn1 i]
della formaquadratica
nelleXr
cheesprime
ildoppio
dell’ener-gia potenziale
elasticaspecificu,
detta Wquella
relativa all’interapiastra
siha~
in baseagli sviluppi (5)~ (9).
3. -
Proprietà
di media nelproblema
dellapiastra.
Posto
(5)
per
per in
per in
dalle
(1), (2),
si deducono leequazioni,
validein A,
pur d’intendere
Si
può
sempre ritenere[vedi (4)]
(5) denoto anche la proiezione della striscia di appoggio sul piano x3 = O .
ove le
Z)
sono estese ai valori0 , 9 2 4 ~ ... ~ t
oppure1 9 3 7 5 , ... , t
di pa seconda che t sia
pari
odispari.
°Posto
le
(13),
tenuto conto di(14), (1~~)~ (16),
si scrivonoConviene associare le
(17)
in modoopportuno
considerando[vedi (4),
~(15)~
iseguenti aggruppanenti
Al sistema
(17)
o - se si vuole - ai sistemi(18), (19), (20)
vannoassociate le condizioni al contorno ottenute trasformando le
(3).
Esse sonosu
su
su
su
Posto
con
per per da
(18), (19), (20), (21), (22)
segue4. -
Integrazione
delprob ema
dellapiastra
conmnque spessa in base alleproprietà
di lrledla.Basta osservare le
(22)
per riconoscere che leequazioni
cardinali i della, Statica sono espresse da :Detto
n(r)t
nrt l’addendoincognito
contenuto nelleespressioni
delley(1) ,
nrt adogni
scelta deivalori
medi e deisoddisfacenti
allenrt
(24), (25) corrisponde
una scelta di valori medi(r ~ s _-__ 1, 2 , 3) .
Per
ogni prefissato
t denoto couIn,t
l’insieme di tutte lesestuple
di valorimedi y
(r ,
s=1, 2 , 3) ,
cos costruiteper A
=0 1 , 2 ,
... , 11t . Condizionianaloghe a quelle
svolte nel lavoro citato in nota(1,)
assi-curano - data la
completezza
della successione - cheogni
soluzionedi
quadrato
sommabile delleequazioni (17)
o - se si vuole - delle(18), (19), (20),
e delle condizioni al contorno(21)
èsviluppabile
nelle serie(9) purchè
lesestuple P~ a.ppartengano,
perogni t,
all’insiemeCostruite le le
(5)
danno(6)
tutte le soluzioni diquadrato
somma-bile delle
equazioni (1), (2), (3).
’
Di esse
quella
cherispecchia
lo stato tensionale effettivamente esistente nellapiastra
viene determinata in base al teorema diMenabrea : le (5), (9)
vanno costruite con
quelle sestuple P;L
cheappartenendo
perogni
t all’in--gieme
Zmt
minimizzano(7) l’espressione (11)
di W.~
(6) Si tenga presente che il sistema di funzioni della
successione Qt
in C com-pleto nel senso specificato in loco cito in nota (1). È evidente che nel caso di una piastra di spessore variabile bisogna rinunciare ad assumere il sistema di polinomi di Legendre (4)
[data
la dipendenza di h e alla doppia condizione di ortogonalità cui sod-dinfano le
Qt PZ.
In tal caso conviene idelrtificareQt
con imponendo agli elementi dellasuccessione }
di costituire un sistema ortogonale semplicemente in C. Ciò implica opportune modifiche negli sviluppi generali.(7) Naturalmente se in corrispondenza ad una parte A* della striscia di appoggio
dalla soluzione trovata risultasse Y3 > 0
[distacco dall’appoggio]
si dovrebbe escludere inA*
il vincolo d’appoggio e ripetere l’applicazione del metodo ponendo nelle (12) Y3 ~ 0 in d~[vedi
a proposito loco cit. in nota (1), n. 5 OSSERVAZIONEIaJ.
Naturalmente nelle
applicazioni
concretegli sviluppi (5), (9), (11)
vannoarrestati ad un certo termine : sia ad es. C ~~t . Le
corrispondenti approssimazioni
minimizzanti delle aldivergere
di m ed n convergono in media verso la soluzione richiesta ed è rimarchevole il fatto che esse-
qualunque
siano iit ed n - veriucano le condizioni diintegrabilità
diDe Saint-Venant per cui è
possibile
risalire medianteintegrazione
alle cor-rispondenti espressioni degli spostamenti.
Ma il
principale vantaggio
di trattare ilproblema
dellapiastra
consi-derando a se uno
sviluppo
deltipo (5)
stà nel fatto che lapiccolezza
dellospessore
rispetto
alle dimensioni trasversalipermette generalmente
di limi-tare a
pochi
terminigli sviluppi (5).
La teoria ordinaria della
piastra rappresenta
una teoria diprima
ap-prossimazione
consistente nell’assumerenegli sviluppi (5)
solo iprimi
duetermini, quando
siar, s = 1, 2.
Rinviando al
n. 6 ilcompito
di mostrare come daquegli sviluppi
di-scendano le formule fondamentali della teoria
ordinaria,
uel numeroseguente precisérò,
fondandoinisugli sviluppi generali
diquesto
nnmero, ilprocedi-
mento
d’integrazione
nel caso dellepiastre
sottili nell’ordine diapprossima-
zione
conseguito
dalla teoria classica.Se
però
si vuole costruire una teoria di secondaapprossimazione
- adat-ta al caso che lo spessore non sia
troppo’sottile
- basta considerarenegli sviluppi (5) qualche
altro termine oltre aiprimi
due anche perr , s ---1 I 2
e tener conto delle
corrispondenti equazioni (20), (24).
’
5. - Il
problema
dellapiastra sottile. Sua integrazione.
Si ponga
Notoriamente
gli ~~~ =1, 2), rappresentano gli
sforzinormali, N13
iN23
edN~2 quelli
ditaglio,
e -Mi2
i momentitorcenti,
e -M22 quelli
flettenti.-
Tenuto conto di
(4),
da(6), (16), (26)
segueNella teoria ordinaria -
supposto
moltopiccolo
di fronte alle dimen- sioni trasversali dellapiastra
- si ritiene lecito arrestaregli sviluppi
diXii, 1 X22 X12
ai termini diprino grado
111 x3 .Conseguentemente,
in base’
a
(4), (5), (7), (27),
leespressioni
di tali caratteristiche di tensione sonocon le
Nrs, lVlrs legate
dal sistemadirettamente deducibile dalle
(18), (19)
in base a(27).
La determinazione delle
(r
=1 , 2 , 3) [che g-eneralmente presenta
meno interesse di i
quella
diX22 , X12
richiedeperò
la considerazione delle(20,1)
per t =2 , 3 ,
4 e delle(20,2) per t = 1 2 , 3 , 4 .
Si riconosce facilmente che leX13’ X23
sonopolinomi
di secondogrado
in X3 leX33
di terzo.
Tenendo
presente
che le sono da ritenersi nulle perr , s =1, 2
et
> 1 ~
datal’ortogonalità
dei secondi membri di(28) a Qt
per t >1 ~
da(20) precisamente
si trovae, in
corrispondenza
adL
facile riconoscere che le(28), (31), (32)
verifica~no in base alle(29), (30),
.
le
equazioni (1)
mentre leespressioni (31),
soddisfano alle condizioni al con-torno
(2),
la(32)
aquelle
valide per in perLe condizioni al contorno sii 1 - l’ da associare alle
(29), (30)
si ot-tengono
dalle(21,1)
per t ==0 ,
1 e dalle(21,2) per t
= O .Posto
-
esse in base a
(27),
si scrivonoGli insiemi che
qui
occorre considerare sono formati con i va-lori medi ecc. che si
espriinono
per combinazioni lineari dei valori medi ecc.,legati
da relazioni deducibili dalle(24)
in bare a(27).
Precisamente si ha
Nella teoria ordinaria non ci si preoccupa di ciò che accade in
corrispon-
denza ad ~1~ : la striscia di
appoggio
è talmente sottile che la si suppone addirittura unidimensionale. Del resto è facile convincersi dall’osservazione delle(22)
edagli sviluppi seguenti
che sostanzialmente - per A* molto sot- tile - sipuò
ritenere sostituito il vincolod’appeggio
con un vincolo fittiz- zioagente
sul bordo a e capace direagire
solo nella direzione dell’asse x3 everso 1’alto.
In altri
termini,
denotando con o" l’insieine di a’ e diquella parte, a*,
di o
corrispondente
adA*,
i vincoli possono ritenersipresenti
solo su a"supponendo, però,
che inqtiella parte
di o* nonappartenente
a o’ siaø1
=Q2 = 0, Q3
0.Conseguentemente
nelleespressioni
i(12)
delle vaposto y~~ _ ~ .
In tale
accezione, posto
e detta 1"
l’intersezione
di o" con il si deveassumere (8) [(12), (22)]
(8) Naturalmente su (j* possono risultare assegnate forze
parallele
al pianoPer
t = 0 5 1 gli sviluppi (9),
arrestati al termine di ordine~-{-1,
di veii-gono5 in base a
(27),
’
Adoper8ndo
per leNrs,
notazioni ad un solo indiceanaloghe
aquelle
delle da(28), (3 I ), (32)
si deduce elsel’espressiotle dell’enei-gia potenziale
elasticacorrispondente agli sviluppi (41), (42),
èLa determinazione dei liu eee,.
equivale sostanzialmente
alla ri-m --> 00 .
soluzione del
problema
diequilibrio
secondo la teoria ordinaria. Se i coef- ficienti cheintervengono
nelle(41), (42) appartengono agli
insiemigli sviluppi (41), (42)
veriócano leequazioni (29), (30), (34), (35).
,Pertanto,
in accordo aquanto
è detto nel numeroprecedente,
la solu-zione del
problema
diequilibrio
dellapiastra
nell’ordine diapprossimazione corrispondente agli sviluppi (28) [teoria ordinaria]
si ottienescegliendo
tratutti
gli sviluppi (41), (42)
cos formatiquelli
che rendono minima1’euergia
potenziale
elastica. ,In altri termini i coefficienti che
conpaiono
nelle(41), (42)
per dar luo- go alle soluzioni richieste devono rendere minimal’espressione (43)
diWm
negli
insiemiImo,
..OSSERVAZIONE I. - Se si osservano le
(29), (3U), (34), (35), (36), (37), (43)
si riconosce che ilproblema
diiutegrazione
siscinde,
nel caso dei cor-pi isotropi
e diquelli
cristallini per iquali
sia[sistemi monoclino, rombico, esagonale,
itetragonale, monometrico].
in dueseparati :
unoriguardante
la determiinazione diNa2 , [problema pia-
no],
l’altroquella
di9 N13 N23 [problema flessionale].
OSSERVAZIONE II. - Nel gruppo di termini
dell’ espressione (43)
diWm
chedipendono
dalleNr Pi
come pure inquello
contenente lelYlr PI
ci sono dei t,ermini che nella teoria ordinaria,vengono
trascurati[ciò
sipuò
ritenere lecito a causa della
potenza
di li che hanno a fattore e del fatto che ciò noncapita
nelle(36), (37)].
Nello stesso ordine diapprossimazione,
posto
.si
può pertanto
affermare che -quando valgono
le(44)
- la soluzione delproblema piano
dellapiastra
si ottiene mediantegli sviluppi (41)
se i coef-ficienti
N1 P).,
ecc.appartenendo
all’insieine minimizzano mentrequella
delproblema
della flessioue è espressa dalle(42)
se i coefficientiecc. minimizzano
Wflm negli
insiemib. -
1)eduzione delle formule fondamentali
della teoriaordinaria.
Mi riferirò al caso di nna
piastra isotropa
e mostrerò che le note espres- sioni che la teoria ordinaria delproblema
della flessione fornisce per i mo- mentiflettenti,
sforzi ditaglio,
J ecc., sono conseguenza necessaria delle pro-prietà
di media e dell’ordine diapprossimazione
concomitante all’assunzione delle(28)
e non richiedonoipotesi
dispeciali
relazioni lineari[che
inveceseguono]
tra, momenti e curvature lineari zzate.A tal fine osservo che dalle note
espressioni
delle caratteristiche di de- formazione in funzione delleXrs,
detta u3 la terzacomponente
dellosposta-
mento
[abbassamento],
si deduceove .E e v denotano il modulo di
Young
ed il coefficiente di Poisson.Le
(47),
in base a(28), (31), (32), divengono
Si riconosce else nell’ordiiie di
approssimazione
della teoria ordinaria è le- cito sostituire alle(48)
leespressioni più semplici
Le condizioni
d’integrabilità
delle(49),
sono certamente verificatedagli
sviluppi (42)
minimizzanti inImo, Im1 l’espressione (46)
diW*1m,
# Da(49)
si ot-tiene subito
che coincidono con le note formule della teoria ordinaria della flessione della
piastra
sottile.Da
(~30,1), (50)
si deducono leespressioni degli
sforzi ditaglio
e daqueste,
in base a(12), (30,2),
la notaequazione
differenziale della flessioneOSSERVAZIONE. - Le condizioni al contorno che la teoria ordinaria as-
socia
adequazione (51)
ove sonoassegnate
le forze sonoquelle
been note diKirchoff che
corrispondono
solo inparte
alle(35).
Cjò non devemeravigliare
se si pensa clie la teoria ordinaria trascura i teiiniiii
dipendenti dagli
sforzidi
taglio
e daX33
nelleespressioni dell’energia potenziale
elastica e nelle(48).
7. -
Soluzione
diprima approssimazione
nelproblema
della
piastra quadrata
ovunqueappoggiatta
esoggetta a
caricouniforme.
Il
problema
della flessione dellapiastra rettangolare
uniformemente ca-ricata ed ovunque
appoggiata
nello schema della teoria ordinaria si lascia trattare - com’è ben noto - nel caso omogeneo edisotropo
mediante svi-luppi
in seriedoppia trigonometrica (9)
o - se si vuole - in seriesemplice
con funzioni
iperboliche
etrigononetriche (10) .
Riferendomi,
persemplicità
disviluppi,
al casoquadrato,
ho volutoapplicare
ilprocedimento d’integcazione esposto
nel numeroprecedente
per determinareespressioni polinomiali
diprima approssimazione
della soluzionedel
1problema
della flessione dellapiastra
sottileappoggiata.
(9) NADAI « Elastische Plalleit» pag. 118.
(10) Loco
cit,
in not;a (9) pag. 12~, .Ciò anche al fine di
saggiare
il metodod’integrazione
dalpanto
divista concreto effettuando
qualche
raffronto.Ho constatato cos else nel
problema specifico
di cui mi oceupo non èfaticoso
determinareapprossimazioni polinominli
diquarto grado
perecc. e risalire
quindi
alpolinomio
di sestogrado esprimente
l’abbassamento U3 ma certo non è dapretendersi
molto dapolinomi
digrado
cos basso.Tuttavia il risultato
conseguito
mi sembraugualmente
accettabile comesoluzione di
prima approssimazione
ed interessante per il fatto che essomostra che
già,
consviluppi
modesti siottengono praticamente
i valori della freccia e del massimo del modulo del momento flettente - come risulta dal confronto con risultati noti - mentre sipuò
constatare che delle due con-dizioni al contorno - annullamento di u3 e del momento flettente - la
prima
èrigonosamente
soddisfatta mentre pcr la seconda si trova che il massimo modulo del mómento flettente sulla frontiera è circa un settimo del massimoraggiunto
nellapiastra.
Naturalmente
qui
mi limiterò arihortare
i risnltati. Detto a il seinilato dellapiastra,
ho assunto comepolinomi approssimanti
Tenuto conto delle varie condizioni di silnnletråa si riconosce che il
.
sistema
(37)
è - incorrispondenza
ai monomi cheintervengono
nelle(52)
-di facilissima soluzione
(11)
e chel’espressione (46)
didipende
da seiindeterminate.
Le
equazioni algebriche
cheesprinono
la condizione di minimo di- data la loro
particolare
struttura - si lasciano risolvere senza fatica.(li) Generalmente esso si spezza in sistemi parziali contenente ciascuno poche incognite.
In definitiva si trova
ove 1) è lf~
rigidità flessionale,
espressa d~Da
(53), (54)
segue subitoSe si conxulta il Nadai
(12)
si trova inveceed è
evidente
lapratica
coincideva di tali risultati numerici.(12) Loco cit.. in nota (9). Le (57) sono immediatamente deducibili dalla (25) di
pag. 118. Del
resto il
valore della freccia pnò leggersi nel1a tabella di pag. 127 e cos pnre, per v = 0,3, qnello di ~1! (si tenga però presente che il simbolo a usato dala pag. 127 si riferisce alla lunghezza dell’intero luto della piastra e non del semilato come
qui si fa).
Non
è difficile constatare cheImpressione (54)
di U3 si annulla identi- camente + a e per x2 = ± a ,- Invece
Jf t
I non è identicamente nullo perxi ._-_ ± a
ma il massimo delsuo modulo si ha
per x2
= 0 ove risultaraggiungendo
un valore che è circa un settimo diquello
assunto nel centro(meno
di un ottavo per v ~0525).
Per brevità non dò le