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sfòrzo (scienza delle costruzioni)

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Lessico

sm. [sec. XIV; da sforzare1].

1) Atto, effetto dello sforzare o dello sforzarsi. In particolare, dispendio di forze fisiche o psichiche che oltrepassino per entità o durata i limiti di una normale attività: lo sforzo lo ha letteralmente sfinito; fare qualche cosa con o senza sforzo, con difficoltà o con facilità; costare poco o nessun sforzo, richiedere poco o nessun impegno.

2) Nella scherma, l'azione che tende ad allontanare il più possibile il ferro dell'avversario dalla linea di attacco.

3) Azione resistente che si sviluppa all'interno di un solido elastico sollecitato da un sistema di forze esterne.

4) In medicina, sindrome da sforzo ripetuto, disturbo collegato alle attività lavorative, che in genere colpisce gli arti superiori, ed è causato da ripetute contrazioni dei muscoli durante lo svolgimento di particolari attività come, per esempio, l'utilizzo di tastiere di computer. Prova da sforzo, prova che consente di misurare la funzionalità respiratoria o quella cardiaca in condizioni particolari di sforzo.

Scienza delle costruzioni: concetti generali

Sezionando un solido elastico in equilibrio, perché ogni parte si trovi ancora in condizioni di equilibrio occorre applicare alle due facce sezionate quelle stesse forze che le due parti si scambiavano prima del taglio (sforzo normale). La sollecitazione dovuta all'azione di un sistema di forze esterne, nel caso di sforzo normale assiale, ha risultante coincidente con l'asse baricentrico della struttura (se rettilinea) o tangente a esso (se curvilinea); nel caso di sforzo normale eccentrico la risultante è distinta dal baricentro.

Scienza delle costruzioni: il rapporto tra la sezione di una trave e lo sforzo

Se si prende come esempio per lo sforzo normale assiale una trave rettilinea a sezione costante, soggetta a due sistemi di forze uguali e contrarie, le cui risultanti passino per il baricentro, si vedrà che lo sforzo normale di compressione determinerà in ogni sezione retta una distribuzione uniforme di tensioni normali (δ), la cui risultante fa equilibrio al sistema delle forze (F) esterne applicate; sulla sezione retta di area A avviene quindi che: ʃxdA=F; sulle sezioni oblique, invece, lo sforzo normale si scomporrà in una tensione (δ) normale alla sezione data e in una (τ) a essa tangenziale. Per l'ipotesi della conservazione delle sezioni piane risulta poi evidente che le fibrelongitudinali devono subire tutte una stessa deformazione, devono cioè tutte sopportare uno stesso sforzo unitario (δ) che risulterà costante sulla sezione, consentendo di scrivere: δ=F/A. Lo sforzo normale di compressione determina quindi una deformazione dell'elemento strutturale cui è applicato, deformazione che consiste in un accorciamento delle fibre e che viene rappresentato dal valore percentuale della deformazione unitaria εl/l (rapporto tra la lunghezza iniziale e la sua variazione); per la legge di Hookeulla proporzionalità tra tensioni e deformazioni si avrà che δ=x, proporzionalità a meno di un coefficiente di elasticità longitudinale (modulo di Young) che è proprio dei singoli materiali (aumenta con la rigidezza) e che, per esempio, vale per il calcestruzzo 200.000 kg/cm², per il legno da 70.000 a 50.000 kg/cm² (secondo che la compressione agisca nella direzione delle fibre od ortogonalmente a esse), per l'acciaio 2.100.000 kg/cm² (in questo caso il valore è lo stesso anche per sollecitazioni di trazione). Attraverso prove di laboratorio si è potuto valutare il comportamento dei diversi materiali sottoposti a sforzo (deformazione, resistenza, rottura) e quindi stabilire per ognuno il carico di sicurezza, individuando così i materiali che meglio sopportano questa sollecitazione e quindi maggiormente si prestano a realizzare elementi resistenti. Da ciò ne risulta la necessità di impiegare, a parità di sollecitazione, una sezione resistente maggiore in una struttura muraria che non in una in pietra; di considerare un'area omogeneizzata nel cemento armato per la collaborazione tra conglomerato e ferro; e la possibilità teorica di realizzare sezioni molto ridotte in acciaio per la sua elevata resistenza. Riguardo a questi ultimi materiali di più recente impiego va però tenuto presente che le piccole dimensioni che la loro elevata resistenza consentirebbe portano nuovi e delicati problemi, indipendenti dalla resistenza del materiale, dovuti proprio alla loro snellezza: è questo il problema della instabilità delle strutture snelle compresse (carico di punta).

Scienza delle costruzioni: lo sforzo normale assiale e lo sforzo flettente

Quando la risultante del sistema delle forze applicate presenta un'eccentricità rispetto al baricentro della sezione, considerando sempre una trave, questa si trova soggetta a due sollecitazioni: uno sforzo normale assiale e un momento flettente; queste due azioni insieme determinano, oltre alla contrazione delle fibre, anche una rotazione della sezione. Lo spostamento complessivo risulta quindi essere una rotazione intorno a un asse non baricentrico, la cui posizione varia col variare del punto di applicazione della forza (centro di pressione) secondo l'antipolarità stabilita dall'ellisse centrale di inerzia; il calcolo delle tensioni viene fornito dalla somma algebrica delle δ prodotte dalle due sollecitazioni: . Qualora poi il centro di pressione non cada su uno degli assi principali G di inerzia della sezione, ma in un punto generico C, risulterà agevole scindere il momento dovuto all'eccentricità in due, rispetto agli assi coordinati; si avrà così: . Nel caso di uno sforzo normale eccentrico si deve quindi considerare il possibile insorgere di sollecitazioni di trazione nella sezione, con i conseguenti problemi per quei materiali che non sono in grado di resistere a trazione.

Scienza delle costruzioni: lo sforzo specifico

Si chiama sforzo specifico quello riferito all'unità di area: nell'esempio del solido sezionato, sull'elemento infinitesimo di superficie dA, nell'intorno del punto P, si avrà l'azione dq (forza elementare relativa a dA); lo sforzo specifico nel punto P è dato dal rapporto differenziale dq/dA.

Scienza delle costruzioni: il tensore degli sforzi e gli sforzi secondari

Il tensore degli sforzi è un tensore doppio simmetrico, caratterizzante lo stato di tensione di un sistema elastico, le cui componenti sono gli sforzi normale e di taglio. Gli sforzi secondari sono sollecitazioni interne che si verificano in una struttura per le diversità esistenti tra il suo comportamento reale e quello teorico di calcolo. Tali sforzi sono in genere trascurabili, in quanto l'aumento di sollecitazione che determinano (dell'ordine del 15÷20%) è già implicitamente considerato in sede di calcolo (adozione di coefficienti di sicurezza); possono però risultare non del tutto trascurabili nelle strutture reticolari, nelle quali si ha una concentrazione degli sforzi nei nodi.