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Eugenio Beltrami: de la geometría no euclidiana a la teoría de estructuras

Eugenio Beltrami (1835-1900) https://www.ecured.cu/

Eugenio Beltrami fue un matemático italiano reconocido por sus contribuciones a la geometría diferencial y la física matemática, por la claridad expositiva de sus escritos. Nació en Cremona el 16 de noviembre de 1835, en el seno de una familia de tradición artística, en el entonces Imperio austríaco. Su padre, Eugenio Beltrami, era pintor de miniaturas y, tras los acontecimientos políticos de 1848, emigró a París, donde se convirtió en conservador de un museo de arte. Desde temprana edad, Beltrami mostró inclinación por la música, que desempeñó un papel importante en su vida junto con las matemáticas.

En 1853, inició sus estudios de matemáticas en la Universidad de Pavía, donde fue discípulo de Francesco Brioschi. Sin embargo, en 1856 fue expulsado del Colegio Ghislieri debido a sus opiniones políticas, ya que simpatizaba con el movimiento del Risorgimento. Las dificultades económicas lo obligaron a interrumpir sus estudios y, durante varios años, trabajó como secretario en la administración del Ferrocarril Lombardía-Venecia, lo que lo llevó a trasladarse a Verona y, posteriormente, a Milán. Esta experiencia le brindó una perspectiva única sobre la aplicación de las matemáticas en campos como la ingeniería y la física, lo que le permitió comprender mejor la relación entre estos dos campos de estudio y su aplicación en diferentes contextos.

A los 25 años, pudo retomar su educación bajo la tutela de Brioschi y, en 1861, publicó su primer artículo matemático. Al año siguiente, en 1862, fue nombrado profesor en la Universidad de Bolonia, ocupando la cátedra de álgebra y geometría analítica. Gracias a la intervención de Enrico Betti, en 1863 fue designado profesor en la Universidad de Pisa, donde asumió la presidencia de la sección de geodesia. Entre 1863 y 1866, compaginó la docencia con la investigación antes de regresar a la Universidad de Bolonia, donde ocupó la cátedra de mecánica teórica hasta 1873.

En 1868, publicó dos memorias fundamentales sobre la consistencia e interpretaciones de la geometría no euclidiana de Bolyai y Lobachevski. En su Ensayo sobre una interpretación de la geometría no euclidiana, propuso que esta geometría podía modelarse en una superficie de curvatura negativa constante: la pseudoesfera. Consideró la curva conocida como tractriz, cuya rotación alrededor de su asíntota genera la pseudoesfera, y demostró que la geometría intrínseca de esta superficie coincide con la geometría del plano de Lobachevski. Gracias a este modelo, Beltrami proporcionó una base tangible para la geometría no euclidiana en el espacio euclidiano tridimensional ordinario. Además, desarrolló el modelo de Beltrami-Klein, que ofrecía otra representación de la geometría no euclidiana en el interior de una esfera unitaria tridimensional.

Tras la proclamación de Roma como capital del Reino de Italia en 1870, se impulsó la creación de una universidad de referencia nacional con los científicos más destacados. Gracias a su prestigio internacional, Beltrami fue invitado a formar parte de este proyecto y, entre 1873 y 1876, impartió clases de mecánica teórica y análisis superior en la Universidad de Roma. Durante este período, su interés se desplazó hacia la física matemática, lo que lo llevó a ser nombrado profesor de esta disciplina en la Universidad de Pavía en 1876, donde trabajó con gran éxito hasta 1891. En esta etapa, abordó prácticamente todas las áreas de la física matemática y publicó 60 tratados sobre electricidad, magnetismo, teoría del potencial, óptica, calor y elasticidad. Su uso del cálculo diferencial en problemas de física matemática influyó en el desarrollo del cálculo tensorial llevado a cabo por Gregorio Ricci-Curbastro y Tullio Levi-Civita. Asimismo, desarrolló la descomposición de valores singulares para matrices, que posteriormente fue redescubierta en varias ocasiones.

En 1891, Beltrami regresó a la Universidad de Roma, donde permanecería hasta su fallecimiento. En 1898 fue elegido presidente de la Accademia dei Lincei y, en 1899, se convirtió en senador del Reino de Italia. Falleció en Roma el 18 de febrero de 1900, conservando hasta el final la serenidad y el equilibrio que caracterizaron su vida, como un auténtico filósofo de la antigüedad.

Principales contribuciones a la teoría de estructuras:

  • Sulle equazioni generali dell’elasticità (1881)
  • Sulle condizioni di resistenza dei corpi elastici (1885)
  • Sull’interpretazione meccanica delle formule de Maxwell (1886)
  • Note fisico-matematiche (2a parte) (1889/1)
  • Sur la théorie de la déformation infiniment petite d’un milieu (1889/2)
  • Opere matematiche (1902-1920)

 

Sobre la resistencia de los materiales

https://datalights.com.ec/estudio-experimental-en-resistencia-de-materiales/

Hoy os propongo un artículo que trata de la importancia de la Resistencia de Materiales en la ingeniería, destacando su propósito, aplicaciones y conceptos fundamentales.

Explica cómo esta disciplina analiza el comportamiento mecánico de los materiales ante cargas externas, estudiando aspectos como la resistencia, rigidez y estabilidad. Además, compara la Resistencia de Materiales con la Teoría de la Elasticidad y la Teoría de Estructuras, y detalla las aplicaciones en diferentes ramas de la ingeniería. También aborda problemas clave como el dimensionamiento y la comprobación, y clasifica los materiales en frágiles y dúctiles según su comportamiento ante la rotura.

 

1. Objeto y finalidad de la Resistencia de Materiales

Para que una ingeniería funcione, debe tener claro qué estudia y qué quiere lograr. En efecto, toda disciplina ingenieril requiere de una definición clara y precisa de su campo de estudio y de los objetivos que busca alcanzar. En el ámbito de la Resistencia de Materiales, el propósito esencial radica en el análisis del comportamiento mecánico de los materiales ante cargas externas, determinando su capacidad para resistir esfuerzos y deformaciones.

Para ilustrar la relevancia de esta disciplina, veamos un ejemplo: dos piezas de igual geometría, pero fabricadas con materiales diferentes, como el acero y la escayola. Al aplicar una carga creciente sobre ambas, se observa que la pieza de acero soporta valores mucho mayores antes de romperse en comparación con la de escayola. Este comportamiento define la resistencia mecánica como la capacidad intrínseca de un material para resistir la ruptura bajo solicitaciones externas.

Además de la resistencia, es necesario estudiar la rigidez, entendida como la capacidad de un material para limitar sus deformaciones ante la aplicación de cargas. En el ejemplo anterior, el acero experimenta deformaciones mucho menores que la escayola bajo la misma carga, lo que indica que su rigidez es superior. Para cuantificar estas propiedades, la Resistencia de Materiales se apoya en métodos experimentales que permiten caracterizar el comportamiento mecánico de los materiales y validar modelos teóricos aplicables al diseño estructural.

Otro aspecto fundamental en el análisis de los materiales es su estabilidad, entendida como la capacidad de una pieza estructural para conservar su equilibrio y evitar desplazamientos excesivos frente a pequeñas variaciones en la carga aplicada. La evaluación de la estabilidad resulta esencial en el ámbito de la ingeniería, ya que garantiza que los elementos estructurales mantendrán su integridad bajo condiciones de servicio.

En función de estas consideraciones, la Resistencia de Materiales se define como la disciplina encargada del estudio de la resistencia mecánica, la rigidez y la estabilidad de los elementos estructurales.

2. Relación entre la Resistencia de Materiales y la Teoría de la Elasticidad

Tanto la Resistencia de Materiales como la Teoría de la Elasticidad persiguen un mismo propósito: el análisis de la respuesta de los materiales ante cargas externas. No obstante, su principal diferencia estriba en la metodología empleada. Mientras que la Teoría de la Elasticidad formula ecuaciones diferenciales complejas para describir el comportamiento de los sólidos deformables de manera exacta, la Resistencia de Materiales introduce hipótesis simplificadoras que permiten resolver problemas de ingeniería de manera más práctica y eficiente sin perder precisión en la mayoría de las aplicaciones.

Otra diferencia clave es el alcance de cada disciplina. La Resistencia de Materiales se centra en el estudio de elementos individuales dentro de una estructura, determinando los esfuerzos internos y deformaciones en cada componente. Por su parte, la Teoría de Estructuras aborda el análisis integral de la estructura, contemplando la interacción entre sus componentes y evaluando su estabilidad general. Ambas disciplinas son complementarias y su dominio resulta esencial para el diseño de estructuras seguras y funcionales.

3. Aplicaciones de la Resistencia de Materiales

La Resistencia de Materiales es un campo con una amplia gama de aplicaciones en diversas áreas de la ingeniería. Algunas de sus principales áreas de aplicación incluyen:

  • Ingeniería aeronáutica y naval: Diseño de estructuras de aviones y embarcaciones sometidas a cargas aerodinámicas e hidrostáticas.
  • Ingeniería civil: Análisis y diseño de puentes, edificios, presas y otras infraestructuras sometidas a cargas estáticas y dinámicas.
  • Ingeniería de minas: Evaluación estructural de túneles, galerías y sistemas de sostenimiento en excavaciones subterráneas.
  • Ingeniería mecánica: Diseño de componentes mecánicos como engranajes, ejes, soportes, recipientes a presión y estructuras de maquinaria.
  • Ingeniería energética: Análisis estructural de turbinas, calderas y reactores sometidos a altas temperaturas y presiones.
  • Ingeniería metalúrgica: Caracterización y optimización de materiales estructurales para mejorar su comportamiento mecánico.
  • Ingeniería eléctrica: Diseño de estructuras de soporte para equipos eléctricos y torres de transmisión.
  • Ingeniería química: Evaluación de la resistencia mecánica de reactores, tuberías y otros elementos sometidos a esfuerzos térmicos y mecánicos.

En todas las áreas de especialización mencionadas anteriormente, el conocimiento de la resistencia de los materiales resulta imprescindible para asegurar que los elementos estructurales y mecánicos diseñados sean capaces de soportar las solicitaciones a las que estarán expuestos sin comprometer su seguridad o funcionalidad.

4. Problemas fundamentales de la Resistencia de Materiales

La Resistencia de Materiales aborda dos problemas esenciales en el análisis estructural:

  1. Problema de dimensionamiento: Dado un sistema de cargas conocido, se determinan las dimensiones óptimas de un elemento estructural para que los esfuerzos internos y las deformaciones no superen los valores límite establecidos por normativas.
  2. Problema de comprobación: Una vez definidos los parámetros geométricos y mecánicos del elemento, se verifica que las tensiones y deformaciones resultantes cumplan con los valores admisibles de seguridad. Este análisis permite validar el diseño antes de su implementación en campo.

5. Materiales frágiles y dúctiles

Los materiales empleados en ingeniería pueden clasificarse en dos grandes categorías según su comportamiento ante la rotura:

  • Materiales frágiles: Presentan una rotura brusca y sin deformación plástica apreciable, como la escayola, el vidrio y algunos tipos de cerámica. En estos materiales, la fractura ocurre repentinamente cuando la tensión alcanza su valor crítico.
  • Materiales dúctiles: Experimentan una deformación significativa antes de romperse, lo que permite absorber mayores cantidades de energía sin fallar de manera súbita. Ejemplos de estos materiales incluyen el acero estructural, el aluminio y el cobre.

Para mostrar esta diferencia, consideremos de nuevo el caso de las vigas de escayola y acero sometidas a la misma carga creciente. Mientras que la viga de escayola experimenta una fractura abrupta sin mostrar signos de deformación previa, la viga de acero exhibe una respuesta progresiva con plastificación antes de alcanzar su punto de rotura. Esta propiedad hace que los materiales dúctiles sean preferidos en estructuras críticas, ya que permiten detectar señales de falla antes del colapso.

6. Conclusión

La Resistencia de Materiales constituye una disciplina de vital importancia en el ámbito de la ingeniería, puesto que permite analizar y predecir el comportamiento mecánico de los materiales sujetos a cargas externas. Su relación con la Teoría de la Elasticidad y la Teoría de Estructuras la convierte en una herramienta fundamental para el diseño y construcción de infraestructuras seguras y eficientes.

Su aplicación se extiende a diversas áreas de la ingeniería, garantizando que los materiales y componentes estructurales cumplan con los requisitos de resistencia, rigidez y estabilidad. La diferenciación entre materiales frágiles y dúctiles constituye un aspecto primordial en el diseño, ya que incide directamente en la selección de materiales idóneos para cada aplicación específica.

El conocimiento y dominio de la Resistencia de Materiales permite a los ingenieros abordar problemas complejos con soluciones optimizadas, asegurando el correcto desempeño y la seguridad de las estructuras en las que se aplican sus principios.

 

Referencia:

Berrocal, L. O. (2007). Resistencia de materiales. McGraw-Hill.

Os dejo algunos vídeos divulgativos sobre esta materia. Recuerdo que el objetivo es la divulgación en lenguaje sencillo.

 

Siméon-Denis Poisson: Contribuciones a la teoría de la elasticidad y la mecánica matemática

Siméon-Denis Poisson (1781-1840) https://es.wikipedia.org/wiki/Sim%C3%A9on_Denis_Poisson

Siméon-Denis Poisson nació el 21 de junio de 1781 en Pithiviers, Loiret, Francia, en el seno de una familia sin ascendencia noble. Su padre, Siméon Poisson, había servido como soldado raso en las guerras de Hannover, pero, descontento con el trato recibido por parte de la oficialidad aristocrática, desertó y posteriormente ocupó diversos cargos administrativos. Durante la Revolución Francesa, Poisson llegó a presidir el gobierno local de Pithiviers.

Inicialmente, Poisson fue enviado con su tío, un cirujano de Fontainebleau, con la intención de que aprendiera el oficio médico. Sin embargo, su falta de interés y habilidades manuales lo llevaron a abandonar esta formación. Posteriormente, ingresó en la École Centrale de Fontainebleau, donde su talento matemático se hizo evidente. Un profesor, M. Billy, reconoció de inmediato su potencial, lo alentó a explorar las ramas más avanzadas de las matemáticas y predijo su futuro reconocimiento. En 1798, accedió a la École Polytechnique como el mejor de su promoción, destacándose rápidamente entre sus compañeros.

En un período inferior a dos años tras su incorporación, en 1800, publicó dos memorias: una acerca del método de eliminación de Étienne Bézout y otra sobre el número de integrales de ecuaciones en diferencias finitas. Esta última fue evaluada por Sylvestre François Lacroix y Adrien-Marie Legendre, quienes recomendaron su publicación en el Recueil des savants étrangers, un reconocimiento excepcional para un joven de apenas 18 años. Este logro le permitió acceder a los círculos científicos más prestigiosos. Joseph-Louis Lagrange, en cuyas conferencias sobre teoría de funciones asistió en la École Polytechnique, se convirtió en su mentor, mientras que Pierre-Simon Laplace, que seguía de cerca su trayectoria, lo consideraba casi como un hijo académico.

Al concluir sus estudios, Poisson fue designado répétiteur en la École Polytechnique, cargo que había desempeñado previamente a su graduación. En 1802, fue ascendido al rango de profesor adjunto y, en 1806, tras la partida de Jean-Baptiste Joseph Fourier a Grenoble por orden de Napoleón, se convirtió en profesor titular. En 1808 fue designado astrónomo en el Bureau des Longitudes y, un año después, pasó a ser profesor de mecánica en la recién creada Facultad de Ciencias de la Universidad de París. En los años siguientes, continuó acumulando distinciones: en 1812 fue elegido miembro del Instituto de Francia, en 1815 se convirtió en examinador en la École Militaire de Saint-Cyr y en 1816 asumió el rol de examinador de graduación en la École Polytechnique. Posteriormente, en 1820, fue designado consejero universitario y, en 1827, sucedió a Laplace como geómetra del Bureau des Longitudes.

En el año 1817, contrajo matrimonio con Nancy de Bardi, con quien procreó cuatro hijos. El padre de Poisson, poseedor de sólidas convicciones republicanas adquiridas en el ámbito militar, inculcó en su hijo los ideales de la Primera República. Sin embargo, Poisson mantuvo una postura distante de la política activa, optando por concentrarse en su labor científica. Durante el Primer Imperio, Poisson se negó a jurar lealtad a Napoleón, manteniendo una postura neutral. En 1821, fue nombrado barón, aunque no hizo uso del título ni solicitó el correspondiente diploma. En 1818 fue elegido miembro de la Royal Society y, en 1823, miembro extranjero de la Real Academia Sueca de Ciencias.

Sin embargo, la Revolución de 1830 puso en riesgo su posición y honores, pero su situación fue protegida por François Arago, quien facilitó su aceptación en la corte de Luis Felipe de Orleans. Esta acción permitió evitar su destitución y, en 1837, fue nombrado Par de Francia, no por razones políticas, sino en reconocimiento a su prestigio científico.

A lo largo de su carrera, Poisson desarrolló investigaciones en numerosos campos, destacando en electricidad, geometría diferencial y teoría de probabilidades. Sus contribuciones a la teoría de la elasticidad, junto con Cauchy y Navier, fueron fundamentales en la década de 1820. Su enfoque analítico y su rechazo a la geometría se reflejan en su Traité de mécanique (1811), donde omitió completamente la teoría de los pares de Poinsot. En 1829, formuló ecuaciones clave para la teoría de la elasticidad y estudió la vibración de medios elásticos, incluyendo oscilaciones radiales en esferas y cascarones esféricos. En 1830, estableció la distinción entre ondas longitudinales y transversales en un medio elástico isótropo, contribuyendo al estudio de la propagación de ondas en sólidos. Su extensa obra, que supera los 300 trabajos publicados, tuvo un impacto significativo en la física matemática y la mecánica teórica.

Poisson era un firme defensor de la monarquía, lo que generó conflictos con algunos de sus contemporáneos, en particular con Louis Poinsot. Sus disputas científicas adquirieron tintes políticos y, cuando Poisson fue nombrado responsable de educación en 1830, Poinsot fue destituido de sus cargos académicos.

Como profesor, Poisson gozó de un reconocimiento excepcional, lo que se explica en parte por su experiencia como répétiteur en la École Polytechnique. Su producción científica es difícilmente igualable, con más de trescientas publicaciones, incluyendo extensos tratados y memorias en matemáticas puras, matemáticas aplicadas, física matemática y mecánica racional. Falleció el 25 de abril de 1840 en Sceaux, cerca de París, dejando un legado imborrable en la historia de las ciencias exactas.

Principales contribuciones a la teoría de estructuras:

  • Traité de mécanique (1811, 1833)
  • Lehrbuch der Mechanik (1825, 1826, 1835, 1836)
  • Mémoire sur le calcul numérique des intégrales définies (1827/1)
  • Note sur les vibrations des corps sonores (1827/2)
  • Lettre de M. Poisson à M. Arago (1828/1)
  • Mémoire sur l’équilibre et le mouvement des corps élastiques (1828/2)
  • Réponse à une note de M. Navier insérée dans le dernier Cahier de ce Journal (1828/3)
  • Mémoire sur l’équilibre et le mouvement des corps élastiques (1829/1)
  • Addition au mémoire sur l’équilibre et le mouvement des corps élastiques (1829/2)
  • Mémoire sur l’équilibre et le mouvement des corps solides élastiques et des fluides (1829/3)
  • Mémoire sur l’équilibre des fluides (1830)
  • Mémoire sur les équations générales de l’équilibre et du mouvement des corps solides élastiques et des fluides (1831)
  • Mémoire sur l’équilibre et le mouvement des corps cristallisés (1842)

Siméon-Denis Poisson dejó una huella indeleble en el ámbito de la física matemática y la teoría de la elasticidad. Su legado científico, caracterizado por su enfoque analítico y su rechazo a los métodos geométricos, sigue siendo una referencia fundamental en el estudio de la mecánica de medios continuos y la propagación de ondas en sólidos.

Claude-Louis-Marie-Henri Navier: Pionero de la mecánica estructural y la teoría de la elasticidad

Claude-Louis-Marie-Henri Navier (1785-1836). https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1568282

Claude-Louis-Marie-Henri Navier nació el 15 de febrero de 1785 en Dijon, Francia, en el seno de una familia distinguida. Su padre, un prestigioso abogado que fue miembro de la Asamblea de Notables y de la Asamblea Legislativa, falleció prematuramente debido a los estragos causados por los excesos de la Revolución Francesa. A la temprana edad de 14 años, Navier quedó huérfano y su educación fue confiada a su tío, Émiland-Marie Gauthey (1732-1806), ingeniero del Corps des Ponts et Chaussées, célebre por su trabajo en la construcción del Canal du Centre. Bajo su tutelaje, Navier demostró un avance notable en las ciencias, lo que resultó en su admisión en la prestigiosa École Polytechnique en 1802, donde se distinguió por obtener una de las calificaciones más altas. Dos años más tarde, ingresó en la École des Ponts et Chaussées, donde consolidó su formación como ingeniero. En el entorno académico y práctico que le rodeaba, Navier inició su colaboración con su tío, lo que le permitió desarrollar una sólida capacidad para aplicar la teoría a la práctica.

En 1807, Gauthey falleció, un año antes de que Navier obtuviera el título de ingeniero ordinario. Consciente de su deber moral de completar la labor de su mentor, Navier asumió sacrificios personales para conservar todos sus manuscritos. Comenzó su publicación en 1813 con el Traité de la Construction des Ponts, al que enriquecería con numerosas anotaciones. La redacción de esta obra se vio interrumpida temporalmente debido a una misión encomendada por el conde Molé para la reconstrucción de los muelles del Tíber en Roma, un proyecto que quedó inconcluso tras los acontecimientos políticos de 1814.

En 1816, con el objetivo de preservar el legado de su tío, publicó un tratado sobre los canales de navegación de Gauthey, incorporando notas detalladas sobre el Canal du Centre. Paralelamente, se involucró en proyectos de ingeniería de gran envergadura, tales como la construcción de los puentes de Choisy, Asnières y Argenteuil, así como la puerta de entrada a la ciudad de París.

En 1818, Navier publicó en los Annales de Chimie et de Physique un estudio influyente en el que empleaba el principio de las fuerzas vivas para resolver problemas de mecánica con gran simplicidad y claridad. Al año siguiente, refinó su planteamiento mediante la introducción del concepto de cantidad de acción, definido previamente por Coulomb y posteriormente perfeccionado por Coriolis. Estos trabajos le valieron el reconocimiento académico, y en 1819 fue nombrado profesor suplente de Mecánica Aplicada en la École des Ponts et Chaussées, puesto que ocuparía como titular en 1831.

En 1821, Navier publicó su Mémoire sur les lois de l’équilibre et du mouvement des corps solides élastiques, una obra fundamental en la que estableció los principios de la teoría general de la elasticidad y la mecánica molecular. Su trabajo sirvió de base para los desarrollos posteriores de Cauchy, Poisson, Lamé y Clapeyron, y representó un hito en la formulación del cálculo de la energía potencial y el trabajo virtual aplicado a sistemas mecánicos.

A pesar de su sólida formación teórica, Navier no descuidó las aplicaciones prácticas. En 1822, tras un viaje de estudio a Inglaterra, presentó un informe sobre los métodos de construcción de carreteras de MacAdam, en el que analizó las razones de su superioridad frente a las técnicas francesas. En 1823, se publicó una reedición ampliada de las obras de Bélidor sobre presión de tierras, muros de contención y teoría de bóvedas. En ese mismo año, publicó su influyente estudio sobre puentes colgantes, resultado de sus observaciones en Inglaterra y Escocia, el cual fue descrito por Charles Dupin como un avance que permitiría a Francia liderar en ese campo de la ingeniería.

El 26 de enero de 1824, la Académie des Sciences reconoció su trabajo eligiéndolo miembro de la sección de Mecánica. Sin embargo, su carrera sufrió un revés con la fallida construcción del puente colgante del Pont des Invalides en París. A pesar de los extensos estudios teóricos y experimentales que precedieron a su ejecución, la aparición de ligeros movimientos en los cimientos y la ruptura de una conducción de agua generaron una reacción adversa en la opinión pública. A pesar de que la reparación era técnicamente sencilla, las críticas llevaron al abandono del proyecto, marcando una gran decepción en la trayectoria de Navier.

Entre los años 1828 y 1829, se produjo un intercambio de ideas de gran intensidad con Poisson sobre el cálculo de la resistencia de los materiales. Las críticas de Poisson fueron consideradas posteriormente como infundadas o exageradas. Sin embargo, en 1828, tuvo la satisfacción de ver cómo Lamé y Clapeyron, en un estudio sobre la teoría de bóvedas, llegaban a ecuaciones que él mismo había formulado previamente.

En 1830, Navier fue distinguido con el nombramiento de profesor de Análisis y Mecánica en la prestigiosa École Polytechnique, donde se distinguió por la claridad de su enseñanza y su destreza en la representación gráfica. En 1832, Coriolis lo reemplazó temporalmente en sus funciones docentes, lo que le permitió dedicarse plenamente a sus investigaciones. Falleció inesperadamente en agosto de 1836, dejando un vasto legado en la teoría de estructuras y la mecánica aplicada. Su pérdida fue profundamente lamentada en el ámbito académico, y sus estudiantes de la École Polytechnique le rindieron un emotivo homenaje en su funeral. Es uno de los 72 científicos cuyo nombre figura inscrito en la Torre Eiffel.

Principales contribuciones a la teoría de estructuras:

  • Leçons données à l’École Royale des Ponts et Chaussées sur l’Application de la Mécanique (1820)
  • Rapport et Mémoire sur les Ponts suspendus (1823/1)
  • Extrait des recherches sur la flexion des plans élastiques (1823/2)
  • Sur les lois de l’équilibre et du mouvement des corps solides élastiques (1823/3)
  • Résumé des Leçons données à l’École Royale des Ponts et Chaussées sur l’Application de la Mécanique à l’Établissement des Constructions et des Machines (1826)
  • Mémoire sur les lois de l’équilibre et du mouvement des corps solides élastiques (1827)
  • Bericht an Herrn Becquey, Staats-Rath und General-Direktor des Strassen-, Brücken- und Berg-Baues, und Abhandlung über die (Ketten-)Hängebrücken von Herrn Navier (1829)
  • Résumé des Leçons données à l’École des Ponts et Chaussées sur l’Application de la Mécanique à l’Établissement des Constructions et des Machines (1833)
  • Mechanik der Baukunst (Ingenieur-Mechanik) oder Anwendung der Mechanik auf das Gleichgewicht von Bau-Constructionen (1833/1851, 1833/1878)
  • Résumé des leçons données à l’École des Ponts et Chaussées sur l’application de la mécanique à l’établissement des constructions et des machines, avec des Notes et des Appendices par M. Barré de Saint-Venant (1864)

Claude-Louis Navier dejó una huella imborrable en el campo de la teoría de estructuras y la mecánica aplicada. Sus investigaciones y aportaciones teóricas han sentado las bases de la ingeniería moderna, lo que lo convierte en una de las figuras más influyentes en la historia de esta disciplina.

Asientos de cargas rectangulares en el semiespacio de Boussinesq

Joseph Valentin Boussinesq. https://es.wikipedia.org/wiki/Joseph_Boussinesq

El matemático francés Joseph Valentin Boussinesq (1842-1929) desarrolló en 1885 una expresión matemática para obtener el incremento de esfuerzo en una masa semi-infinita de suelo debido a la aplicación de una carga puntual en su superficie. Dicha expresión se puede integrar para obtener soluciones para áreas cargadas. Para ello se supone que dicho semi-espacio es infinitamente grande, siendo un medio homogéneo, elástico lineal e isótropo.

Sabiendo que el terreno dista de ser un semiespacio de Boussinesq, se puede aplicar la Teoría de la Elasticidad para estimar los asientos producidos por una carga rectangular como pudiera ser la de una losa de cimentación o la de una zapata.  Estos asientos pueden producirse instantáneamente o bien con el paso del tiempo, los llamados asientos de consolidación. El modelo elástico proporciona soluciones para una gran variedad de problemas, y si bien el comportamiento del terreno no es generalmente elástico, hoy día se dispone de una amplia experiencia respecto al uso y limitaciones.

Una de las grandes ventajas que presenta la hipótesis de que el terreno es elástico lineal es la validez del principio de superposición, cuyo enunciado dice que “si se tienen dos estados de tensiones y deformaciones correspondientes, al estado tensional suma le corresponde el estado de deformaciones suma“.

Para el cálculo de las deformaciones con la teoría elástica es necesario conocer el módulo de elasticidad o módulo de Young, E, así como el coeficiente de Poisson, γ. Sin embargo, según el Principio de Terzaghi, “las deformaciones en suelos se deben a la variación de las tensiones efectivas“, por lo que las ecuaciones de Hooke deben escribirse en términos efectivos. Es decir, se deben utilizar E‘ y  γ‘, obtenidos en condiciones drenadas del suelo, es decir, a largo plazo. Este método sería válido para cargas de servicio o de trabajo, alejadas de la carga de rotura (factor de seguridad del orden de 3), que probablemente generen asientos elásticos. El método elástico será tanto más aceptable cuanto más se asemeje el comportamiento del suelo al del sólido lineal-elástico, como es el caso de los suelos granulares o las arcillas fuertemente sobreconsolidadas, bajo presiones normales de cimentación.

En las Tablas D.23 y D.24 del Código Técnico de Edificación se recogen valores orientativos de los módulos de elasticidad E‘ y del coeficiente de Poisson γ‘. En algunos casos no es posible trabajar con tensiones efectivas, por lo que en Geotecnia se hace en totales, utilizando unos parámetros elásticos en totales o aparentes.

Como un suelo saturado responde a corto plazo sin variar su volumen, ello supone un coeficiente de Poisson de 0,5 trabajando en tensiones totales. En ese caso se utiliza un módulo de elasticidad Eu denominado “módulo de elasticidad sin drenaje“. Este módulo es de difícil determinación, aunque se suele considerar  Eu  = 500·Cu, pero con errores del orden del 50%. Skempton recomienda adoptar como Eu el módulo secante correspondiente a una tensión aplicada igual al 65% de la tensión de rotura (coeficiente de seguridad F=3 en cimentaciones superficiales). Como los esfuerzos cortantes son iguales en tensiones totales o en efectivas, los módulos de rigidez G coincidirán, lo cual permite deducir Eu conocidos E‘ y γ‘ con la siguiente expresión:

Llegado a este punto, ¿cómo calculamos las deformaciones verticales al aplicar una carga sobre el terreno? Llamaremos “asientos” a dicha deformación vertical, distinguiéndose los “asientos instantáneos” los que ocurren a corto plazo, es decir, en condiciones sin drenaje. A ellos habría que sumar los asientos a largo plazo, en condiciones de drenaje, que son los “asientos de consolidación“. Por tanto, los asientos totales se calcularán con E‘ y γ‘ (condiciones drenadas, a largo plazo) y los asientos instantáneos con Eu  y con γ = 0,5. La diferencia serán los asientos diferidos (semejantes a los de consolidación). Veamos ahora los cálculos.

Para cargas flexibles con forma circular, cuadrada o rectangular, el asiento bajo el centro de las mismas se obtiene con la siguiente expresión:

En la que B es el lado menor del área cargada y IS es un coeficiente de influencia que vale IS =1 en cargas circulares y IS =1,122 en cargas cuadradas. Para cargas rectangulares se puede obtener el asiento en una esquina con la fórmula anterior pero adoptando un coeficiente de influencia que viene dado por esta expresión, donde n=L/B:

El Cuadro 1 y la Figura 1 nos dan valores para este coeficiente de influencia.

Cuadro. Valores del coeficiente de influencia en función de L/B

 

Figura 1. Coeficiente de influencia en función de L/B

Aplicando el principio de superposición que permite la teoría elástica, el lector puede comprobar de forma sencilla que el asiento en el centro es el doble que en una de sus esquinas (Figura 2).

Figura 2. Principio de superposición para calcular el asiento en el centro de una carga rectangular por suma de cuatro asientos de cargas rectangulares en su esquina

Por último, en el caso de una carga rígida, como sería el caso de muchas zapatas, se considera que el asiento es uniforme e igual, aproximadamente, a 0,8 veces el asiento que se obtendría en el centro si fuese una zapata flexible. Es fácil comprobar que dicho asiento valdría.

Como recordatorio, habría que decir que la carga que se aplica en superficie en las fórmulas anteriores se debería cambiar por la carga o tensión neta en el caso de que la carga se aplique tras una excavación previa. Es decir, la carga a utilizar en las fórmulas es la diferencia entre la tensión aplicada en superficie y la existente en el terreno a la profundidad del plano de cimentación. Dicho de otra forma, hay que quitar de la carga total aplicada la correspondiente al peso del terreno excavado.

Se deja al lector inquieto calcular el asiento en el centro de una zapata rectangular de 2,50 m x 5,00 m que se cimenta sobre unas arcillas con un peso específico saturado de 22 kN/m3, con un módulo de elasticidad efectivo de 92,00 MPa y un coeficiente de Poisson efectivo de 0,5. La zapata se apoya a 2,00 m de profundidad y el peso propio que se le transmite es de 100 kN/m2.

Referencias:

  • DAS, B. (2005). Fundamental of Geotechnical Engineering – 2nd ed, Technomic Publishing Co.
  • GONZÁLEZ CABALLERO, M. (2001). El terreno. Edicions UPC, 309 pp.
  • GONZÁLEZ DE VALLEJO, L.I. et al. (2004). Ingeniería Geológica. Pearson, Prentice Hall, Madrid.
  • IZQUIERDO, F.A. (2001). Cuestiones de geotecnia y cimientos. Editorial Universidad Politécnica de Valencia, 227 pp.
  • YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

 

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