Costanti dei materiali
Panoramica
Fonte: Roberto Leon, Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale, Virginia Tech, Blacksburg, VA
A differenza della produzione di automobili o tostapane, dove vengono realizzate milioni di copie identiche e sono possibili test approfonditi sui prototipi, ogni struttura di ingegneria civile è unica e molto costosa da riprodurre (Fig.1). Pertanto, gli ingegneri civili devono fare ampio affidamento sulla modellazione analitica per progettare le loro strutture. Questi modelli sono astrazioni semplificate della realtà e vengono utilizzati per verificare che i criteri di prestazione, in particolare quelli relativi alla resistenza e alla rigidità, non vengano violati. Per svolgere questo compito, gli ingegneri richiedono due componenti: (a) un insieme di teorie che spiegano come le strutture rispondono ai carichi, cioè come le forze e le deformazioni sono correlate, e (b) una serie di costanti che differenziano all'interno di tali teorie come i materiali (ad esempio acciaio e calcestruzzo) differiscono nella loro risposta.
Figura 1: Hub di trasporto del World Trade Center (NYC).
La maggior parte dei progetti ingegneristici oggi utilizza principi elastici lineari per calcolare forze e deformazioni nelle strutture. Nella teoria dell'elasticità, sono necessarie diverse costanti materiali per descrivere la relazione tra stress e deformazione. La sollecitazione è definita come la forza per unità di area, mentre la deformazione è definita come la variazione di dimensione quando è sottoposta a una forza divisa per la grandezza originale di tale dimensione. Le due costanti più comuni di queste sono il modulo di elasticità (E), che mette in relazione la sollecitazione con la deformazione, e il rapporto di Poisson (ν), che è il rapporto tra deformazione laterale e longitudinale. Questo esperimento introdurrà le attrezzature tipiche utilizzate in un laboratorio di materiali da costruzione per misurare la forza (o lo stress) e la deformazione (o deformazione), e le utilizzerà per misurare E e ν di una tipica barra di alluminio.
Procedura
Modulo di elasticità e rapporto di Poisson
Si presume che gli studenti siano stati addestrati all'uso e alle precauzioni di sicurezza necessarie per utilizzare una macchina di prova universale.
- Ottenere una barra rettangolare in alluminio (12 pollici x 1 pollici x 1/4 pollici); si consiglia un alluminio 6061 T6xxx o più forte. Un foro deve essere praticato a circa 1 pollice da un'estremità del raggio per fungere da punto di carico.
- Contrassegnare
Risultati
I dati devono essere importati o trascritti in un foglio di calcolo per una facile manipolazione e grafici. I dati raccolti sono riportati nella Tabella 1.
Poiché l'estensimetri a rosetta non è allineato con gli assi principali del fascio, i ceppi a rosetta devono essere inseriti nelle equazioni per ε1,2 (Eq. 9) e ε (Eq. 10) di cui sopra per calcolare i ceppi principali, risultando nei dati mostrati nella Tabella 2. La tabella mostra che l'a...
Applicazione e Riepilogo
In questo esperimento sono state misurate due costanti materiali fondamentali: il modulo di elasticità (E) e il rapporto di Poisson (v). Questo esperimento dimostra come misurare queste costanti in un ambiente di laboratorio usando un estensimetri a rosetta. I valori ottenuti sperimentalmente corrispondono bene ai valori pubblicati di 10.000 ksi e 0,3, rispettivamente. Questi valori sono fondamentali nell'applicazione della teoria dell'elasticità per la progettazione ingegneristica, e questa tecnica sperimenta..
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