Bordes curvos y bordes rectos, apoyos simples y empotrados, convergencia y extrapolación
Figura 35.1: Modos de vibración de un paraboloide hiperbólico simplemente apoyado, con \(14\times14\) elementos: arriba, el hypar de bordes curvos (modos 1 y 2); abajo, el de bordes rectos (modos 1 y 3). Naranja: sube; azul: baja. Los \(\lambda\) son los parámetros adimensionales de frecuencia. Cálculo calculado.
A qué frecuencias vibra una cubierta en forma de silla de montar y cuánto se puede confiar en el valor que da una malla concreta
Objetivos y prerrequisitos
Objetivos. Al terminar el tema sabrás:
distinguir el hypar de bordes curvos del de bordes rectos (la misma superficie con dos plantas distintas) y plantear sus apoyos SSSS y CCCC;
calcular las primeras frecuencias adimensionales y compararlas con las de una placa plana;
extrapolar el valor límite a partir de una serie de mallas (Richardson) y declarar su incertidumbre;
distinguir modos de membrana y de flexión por su dependencia del espesor;
convertir un \(\lambda\) en una frecuencia en Hz para una cubierta real.
parámetro de frecuencia (el de F4, con el lado completo \(L\))
bordes curvos
\(z=\tfrac1{2R}(y^2-x^2)\) ( paraboloide_curvo(R,−R) ): los bordes de la planta son parábolas
bordes rectos
\(z=c\,x\,y\) ( paraboloide_recto(c) ), \(c=1/R\): los bordes de la planta son rectas
SSSS
borde con \(u_{\text{tang}}=u_3=0\) y \(\varphi_{\text{tang}}=0\) (diafragma de corte)
CCCC
empotrado: \(u_1=u_2=u_3=\varphi_1=\varphi_2=0\)
NotaExplicación para ingenieros: la cometa tensa, no la losa doblada
Una losa plana vibra flectando; un hypar vibra, sobre todo, estirándose y cizallándose como una cometa tensa: al subir una diagonal y bajar la otra, la superficie tiene que cambiar de longitud, y eso cuesta mucho más que flectar. Por eso un hypar de la misma planta, material y espesor que una losa tiene frecuencias varias veces más altas. Y por eso una cubierta de hypar es muy sensible a cómo se apoya en sus bordes: si el borde no puede suministrar el cortante de membrana, la lámina pierde su «tensión» y su rigidez.
35.1 Dos plantas, una superficie
El paraboloide hiperbólico \(z=\tfrac1{2R}(y^2-x^2)\) es la misma superficie que \(z=c\,x\,y\) con \(c=1/R\) girada \(45^\circ\) en planta (tema C5). Por eso hay dos problemas distintos, según qué cuadrado se recorte:
Bordes curvos: la planta \([-a,a]^2\) tiene los lados paralelos a los ejes de curvatura; los bordes de la lámina son parábolas.
Bordes rectos: la planta es el cuadrado girado, con los lados siguiendo las generatrices rectas (reglada). Los bordes son rectas inclinadas.
Con \(R=2\), \(a=1\) (es decir, \(c=0{,}5\)) ambas son la misma superficie: el desnivel entre el centro de un borde y la esquina es \(a^2/2R=0{,}25\) en el curvo y \(c\,a^2=0{,}5\) en el recto. Los apoyos que se estudian son SSSS (diafragma de corte: la lámina no se puede desplazar perpendicular ni tangente a su borde, pero sí girar respecto de él) y CCCC (empotrado).
AdvertenciaConvenio por confirmar
La definición de «simplemente apoyado» (SSSS) para una lámina curva no es única: aquí se usa el diafragma de corte con g.d.l. covariantes: \(u_{\text{tang}}=u\cdot\mathbf a_t=0\), \(u_3=0\) y \(\varphi_{\text{tang}}=0\). Otras definiciones (por ejemplo con el desplazamiento tangente libre) dan frecuencias distintas. Los convenios de g.d.l. y de giros (tema E3) están por confirmar con el autor.
35.2 Frecuencias y parámetros
Con \(t/a=0{,}01\) (esto es, \(t/L=0{,}005\)) y mallas de \(24\times24\) elementos, los cuatro primeros \(\lambda\) son:
Caso
\(\lambda_1\)
\(\lambda_2\)
\(\lambda_3\)
\(\lambda_4\)
Placa plana SSSS (referencia \(2\pi^2,5\pi^2,5\pi^2,8\pi^2\))
19,74
49,35
49,35
78,96
Curvo \(R=2\), SSSS
41,88
72,70
164,23
252,28
Recto \(c=0{,}5\), SSSS
98,68
98,68
137,96
158,72
Curvo \(R=2\), CCCC
347,85
355,99
355,99
366,57
Recto \(c=0{,}5\), CCCC
366,72
366,72
374,66
376,26
Calculado con este elemento (\(E=10^4\), \(\nu=0{,}3\), \(\rho=1\)). Tres cosas llaman la atención. (i) El hypar es entre 2 y 5 veces más rígido que la losa plana en SSSS y unas 10 veces en CCCC (el valor de la placa empotrada con este elemento es \(\lambda_1\approx36\), con \(12\times12\) elementos). (ii) En el hypar de bordes rectos las dos primeras frecuencias son iguales (simetría de la planta cuadrada con generatrices rectas: dos modos cruzados). (iii) El empotramiento eleva la frecuencia mucho más en la lámina curva que en la plana, porque impide que el borde ceda y deshace la acción de membrana.
¿Por qué un hypar SSSS tiene frecuencias mucho más altas que una losa plana de la misma planta y espesor?
Porque pesa menos
Porque el material es distinto
Porque para vibrar debe estirarse y cizallarse (rigidez de membrana), además de flectar
Porque la planta es cuadrada
La curvatura de doble signo obliga a que cualquier movimiento vertical cambie la longitud de las curvas de la superficie: la rigidez de membrana (\(\propto t\)) domina frente a la de flexión (\(\propto t^3\)). La losa plana sólo flecta.
35.3 Convergencia y extrapolación
La convergencia del \(\lambda_1\) es lenta (Figura 35.2): con \(24\times24\) elementos el valor aún está un 2 % por encima de su límite. La figura muestra \(\lambda_1\) frente a \((1/n)^2\): los puntos caen casi sobre una recta (error \(O(h^2)\)) y se puede extrapolar a \(h\to0\) con dos mallas consecutivas (extrapolación de Richardson):
Figura 35.2: Primera frecuencia \(\lambda_1\) del hypar SSSS (\(t/a=0{,}01\)) frente a \((1/n)^2\). Los puntos se alinean; la extrapolación con las dos mallas más finas (\(24\) y \(32\)) da \(\lambda_1\approx40{,}8\) (curvo) y \(\approx96{,}8\) (recto). Cálculo calculado; los valores extrapolados son estimaciones.
Ejemplo 35.1 (Ejemplo resuelto: extrapolar el hypar curvo) Con \(n_1=24\) y \(n_2=32\): \(\lambda_{24}=41{,}88\) y \(\lambda_{32}=41{,}43\). Con ecuación 35.1, \((n_2/n_1)^2-1=0{,}778\) y \[
\lambda_\infty\simeq41{,}43-\frac{41{,}88-41{,}43}{0{,}778}=41{,}43-0{,}58=\mathbf{40{,}85}.
\] Con las mallas \(16\) y \(24\) resulta \(40{,}9\): dos extrapolaciones coinciden en \(40{,}9\pm0{,}1\), indicio de que el error \(O(h^2)\) está bien descrito. Resultado calculado (no es una solución exacta).
Con los valores del Ejemplo 35.1 (\(\lambda_{24}=41{,}88\), \(\lambda_{32}=41{,}43\)), ¿qué valor extrapolado de \(\lambda_1\) da ecuación 35.1?
Extrapolar no es exacto. La estimación \(40{,}8\) supone un error \(\propto h^2\); con modos de flexión muy localizados o con espesores muy pequeños puede no valer. Se debe comprobar que dos extrapolaciones coincidan.
Pocas mallas, mucha cautela. Con \(8\times8\) el hypar curvo da \(\lambda_1=48{,}0\) (\(+18\,\%\) sobre el límite estimado): nunca se debe fiar un valor de una sola malla.
35.4 Membrana o flexión
Para un modo de flexión pura \(\omega\propto t\) (porque \(D\propto t^3\) y \(\rho t\propto t\)), mientras que para uno de membrana\(\omega\) no depende de \(t\). Comparando la frecuencia con espesor \(t/2\) y \(t\) (razón \(\omega(t/2)/\omega(t)\): 0,5 = flexión; 1 = membrana), con \(16\times16\) elementos:
Caso
modo 1
modo 2
modo 3
modo 4
Curvo SSSS
0,85
0,53
0,50
0,60
Recto SSSS
0,71
0,71
0,67
0,66
Curvo CCCC
0,80
0,79
0,79
0,77
Recto CCCC
0,77
0,78
0,78
0,76
Los modos del hypar son mixtos: el primero del curvo es casi de membrana (0,85), y los segundo y tercero son casi de flexión pura (0,50–0,53). Calculado. Es una consecuencia útil: aumentar el espesor sube las frecuencias, pero menos que proporcionalmente, y puede no compensar el peso añadido.
35.5 Una cubierta real
Ejemplo 35.2 (Ejemplo resuelto: la cubierta de F3) Hypar de bordes rectos de \(L=10\) m (\(a=5\) m), \(c=0{,}1\) m\(^{-1}\) (es decir, \(c\,a=0{,}5\)), \(t=50\) mm (así \(t/a=0{,}01\), justo el espesor relativo de los cálculos de este tema), hormigón con \(E=30\) GPa, \(\nu=0{,}3\), \(\rho=2500\) kg/m³, SSSS. Con \(\lambda_1\approx96{,}8\) (extrapolado): \[
D=\frac{Et^3}{12(1-\nu^2)}=343\,407\ \text{N·m},\quad \rho t=125\ \text{kg/m}^2,\quad \omega_1=\lambda_1\frac{1}{L^2}\sqrt{\frac D{\rho t}}=96{,}8\cdot\frac{52{,}42}{100}=50{,}7\ \text{rad/s},
\] es decir, \(f_1\approx\mathbf{8{,}1}\) Hz. Una losa plana de las mismas dimensiones y espesor (\(\lambda_1=2\pi^2\)) vibraría a \(1{,}65\) Hz: el hypar es unas cinco veces más rígido. Resultado calculado: el \(\lambda\) corresponde a \(\nu=0{,}3\) y a la definición SSSS de este tema, de modo que es una estimación orientativa.
En el Ejemplo 35.2, ¿cuánto vale la frecuencia fundamental \(f_1\) de la cubierta con \(\lambda_1=96{,}8\), \(L=10\) m, \(E=30\) GPa, \(\nu=0{,}3\), \(\rho=2500\) kg/m³ y \(t=50\) mm?
\(D=30\cdot10^9\cdot(0{,}05)^3/(12\cdot0{,}91)=343\,407\) N·m; \(D/(\rho t)=2747\); \(\omega=96{,}8\cdot52{,}4/100=50{,}7\) rad/s; \(f=8{,}07\) Hz.
TipAplicación real: cubiertas de Candela y control de vibraciones
ilustrativo En cubiertas delgadas de hormigón como las de Candela, las frecuencias propias (del orden de unos pocos Hz a unas decenas de Hz según luz y curvatura) deben compararse con las excitaciones del viento y, en zonas sísmicas, del terremoto; la sensibilidad de las frecuencias a los apoyos (SSSS frente a CCCC) obliga a modelar bien el contorno. En biomecánica, el mismo problema aparece al estudiar la respuesta dinámica de estructuras laminares curvas con borde apoyado de forma imperfecta, como membranas y cúpulas óseas. Idea de aplicación sin fuente verificada: es una orientación, no una cita.
35.6 Práctica guiada en Julia
TipEjemplo computacional
calculado (1) Las frecuencias de los dos hypar SSSS y CCCC con una serie de mallas. (2) La extrapolación de Richardson. (3) La frecuencia en Hz del Ejemplo 35.2.
usingGeometria, LinearAlgebraE, ν, ρ =1.0e4, 0.3, 1.0functionhypar_lambda(r, n, t, bc; k =4, a =1.0) nodos, conn =malla_rectangular((-a, a), (-a, a), n, n) K, M, _ =ensamblar(r, nodos, conn, E, ν, t; ρ) fij =Int[]for j in1:size(nodos, 2) x, y = nodos[:, j]; e1 =abs(x) ≈ a; e2 =abs(y) ≈ aif bc ==:SSSS e1 &&append!(fij, [gdl(j, 2), gdl(j, 3), gdl(j, 5)]) # borde x = ±a: tangente = a₂ e2 &&append!(fij, [gdl(j, 1), gdl(j, 3), gdl(j, 4)]) # borde y = ±a: tangente = a₁else (e1 || e2) &&append!(fij, gdl(j, 1):gdl(j, 5))endend ω, _ =frecuencias(K, M, unique(fij); n = k) D = E * t^3/ (12* (1- ν^2)) ω .* (2a)^2.*sqrt(ρ * t / D)endcurvo =paraboloide_curvo(2.0, -2.0); recto =paraboloide_recto(0.5)tabla = [(caso = nombre, n = n, λ =round.(hypar_lambda(r, n, 0.01, :SSSS), digits =2)) for (nombre, r) in (("curvo SSSS", curvo), ("recto SSSS", recto)), n in (8, 12, 16, 24)]vec(tabla)
Ángulo de planta. ¿Por qué el hypar de bordes rectos y el de bordes curvos con la misma superficie tienen frecuencias distintas?
NotaSolución
Porque la planta (el recorte de la superficie) y los bordes son distintos: el curvo tiene lados paralelos a los ejes de curvatura y el recto sigue las generatrices. Las condiciones de contorno actúan sobre direcciones distintas de la superficie y cambian cómo se transmite el cortante de membrana.
Espesor. Si se duplica el espesor de la cubierta del Ejemplo 35.2, ¿cómo cambia \(f_1\) en un modo de flexión pura y en uno de membrana?
NotaSolución
Flexión: se duplica (\(\omega\propto t\)). Membrana: no cambia. Un modo mixto (el caso real) sube entre un 0 y un 100 %: con la razón 0,71 del primer modo del hypar recto SSSS, al duplicar \(t\) la frecuencia sube \(1/0{,}71\approx1{,}4\) veces (+40 %).
Dos mallas. Con \(\lambda_{16}=43{,}09\) y \(\lambda_{24}=41{,}88\), extrapola \(\lambda_1\).
Comparo sus frecuencias con las de una placa plana y explico la diferencia.
Extrapolo con Richardson y declaro la incertidumbre.
Reconozco modos de membrana y de flexión por su dependencia del espesor.
Convierto un \(\lambda\) en Hz para una cubierta real.
NotaFuentes, correcciones y qué queda pendiente
Fuentes. Texto autónomo; todos los valores de \(\lambda\) son calculados con el elemento de este libro; la geometría y las definiciones siguen los temas C5 y E3. Sobre vibraciones de láminas rasantes con apoyos de esquina, véase (Narita y Leissa 1984) (no se ha usado para contrastar números).
Qué queda pendiente.Comparación con valores publicados (otros autores, soluciones de referencia) para los dos hypar: sin verificar (no se ha podido contrastar ningún valor externo); la definición de SSSS (convenio por confirmar); los modos CCCC en los que las cuatro primeras frecuencias son casi iguales (agrupadas) no se han extrapolado; la extrapolación de Richardson supone orden 2 y se ha comprobado sólo con \(\lambda_1\) del curvo; la «Aplicación real» es una orientación sin fuente; no hay nota histórica por falta de fuente verificada; revisión visual de las figuras.
Narita, Y., y A. W. Leissa. 1984. «Vibrations of Corner Point Supported Shallow Shells of Rectangular Planform». Earthquake Engineering and Structural Dynamics 12: 651-61.
Referencias
Son las mismas que aparecen en el margen, junto al texto.
Narita, Y., y A. W. Leissa. 1984. «Vibrations of Corner Point Supported Shallow Shells of Rectangular Planform». Earthquake Engineering and Structural Dynamics 12: 651-61.