Los indicadores de volumen (W) y desplazamiento (Δ) fueron descubiertos por Philippe Samyn en 1997 para ayudar en la búsqueda de la geometría óptima de las estructuras arquitectónicas.
El estudio se limita a la búsqueda de la geometría que da la estructura de volumen mínimo.
El costo de una estructura depende de la naturaleza y la cantidad de los materiales utilizados, así como de las herramientas y recursos humanos necesarios para su producción.
Aunque los avances tecnológicos han reducido el coste de las herramientas y la cantidad de recursos humanos necesarios, y a pesar de que hoy en día es posible utilizar herramientas de cálculo informatizadas para determinar la dimensión de una estructura de forma que la carga que soporta en cada punto se encuentre dentro de los límites admisibles que permiten los materiales que la componen, también es necesario que su geometría sea óptima. Encontrar este punto óptimo no es nada sencillo, ya que la elección disponible es muy amplia.
Además, la resistencia de la estructura no es el único criterio a tener en cuenta. En muchos casos, también es importante asegurarse de que no sufra deformaciones excesivas bajo cargas estáticas o que no vibre hasta niveles incómodos o peligrosos cuando se someta a cargas dinámicas.
Los indicadores de volumen y desplazamiento, W y Δ, descubiertos por Philippe Samyn en agosto de 1997, son herramientas útiles en este sentido. Este enfoque no tiene en cuenta los fenómenos de inestabilidad elástica. De hecho, se puede demostrar que siempre es posible diseñar una estructura de modo que este efecto sea despreciable.
El objetivo es determinar la morfología óptima para una estructura bidimensional de espesor constante, que:
Cada forma elegida corresponde a un volumen de material V (en m3 ) y a una deformación máxima δ (en m). Su cálculo depende de los factores L, H, E, σ y F. Estos cálculos son largos y tediosos y enturbian el objetivo de encontrar la forma óptima.
Sin embargo, es posible superar este problema fijando cada factor en la unidad, mientras que todas las demás características permanecen iguales. La longitud L se fija por tanto en 1 m, H en H/L, E y σ en 1 Pa, y F en 1 N. Esta estructura "reducida" tiene un volumen de material W = σV/FL (el indicador de volumen) y una deformación máxima Δ = Eδ / σL (el indicador de desplazamiento). Su característica principal es que son números sin dimensiones físicas (adimensionales) y su valor, para cada morfología considerada, depende únicamente de la relación L/H, es decir, la relación de esbeltez geométrica de la forma.
Este método se puede aplicar fácilmente a estructuras tridimensionales como se ilustra en los siguientes ejemplos.
La teoría relacionada con los indicadores se enseña desde el año 2000, y entre otras instituciones, en el departamento de Ingeniería Civil y de Arquitectura de la Vrije Universiteit Brussel (VUB; sección "mecánica de materiales y construcciones") dando lugar a investigaciones y publicaciones bajo la dirección del Prof. Dr. Ir. Philippe Samyn (de 2000 a 2006); el Prof. Dr. Ir. Willy Patrick De Wilde (de 2000 a 2011) y ahora el Prof. Dr. Ir. Lincy Pyl.
El "libro de referencia", [1] desde entonces tesis de referencia, [2] informa sobre los desarrollos de la teoría en Samyn and Partners así como en la VUB, hasta 2004.
La teoría está abierta a todo aquel que quiera contribuir, debiendo calcularse W y Δ para cualquier estructura resistente tal y como se define en el apartado 1 anterior.
Los avances en las ciencias de los materiales, la robótica y la impresión tridimensional, conducen a la creación de nuevas formas estructurales más ligeras que las más ligeras conocidas hoy en día.
La geometría de superficies mínimas de espesor constante en un material homogéneo se modifica sustancialmente, por ejemplo, cuando el espesor y/o la tensión local admisible varían.
Las macroestructuras aquí consideradas pueden estar compuestas de "elementos estructurales" cuyo material presenta una "microestructura".
Ya sea que se busque limitar la tensión o la deformación, la macroestructura, el elemento estructural y la microestructura tienen cada uno un peso Vρ , donde ρ es el peso volumétrico de los materiales, en N/m 3 , función de las solicitaciones { F 0 } (por "fuerza" en general) que se les aplican, de su tamaño { L 0 } (por longitud o "tamaño" en general), de su forma { G e } (por geometría o "forma" en general), y de su material constitutivo { M a } (por "material" en general).
También se puede expresar como forma y material ({ G e }{ M a }) que define el peso ( Vρ ) de la estructura de un tamaño dado bajo una fuerza dada ({ F 0 }{ L 0 }).
En mecánica de materiales y para elementos estructurales sometidos a un caso específico de carga, el factor { G e } corresponde al "factor de forma" para elementos de sección continua de un material sólido (sin huecos).
Sin embargo, el material que lo constituye puede presentar una microestructura con huecos. Esta estructura celular mejora el factor de forma, independientemente del caso de carga.
El factor { M a } caracteriza un material cuya eficiencia puede compararse con la de otro para un caso de carga determinado, independientemente del factor de forma { G e }.
Los indicadores W = σV / FL y Δ = δE / σL recién definidos, caracterizan las macroestructuras, mientras que las mismas notaciones y símbolos en minúsculas, w = σv / fl y Δ = δE / σl , se refieren al elemento estructural.
La figura 1 muestra los valores de W y Δ para el elemento estructural sometido a tracción, compresión, flexión y esfuerzo cortante. La columna de la izquierda se relaciona con la limitación de la tensión y la columna de la derecha con la limitación de la deformación. Muestra la relación directa de W con { G e }{ M a } como:
y
o
Entonces, como W y Δ dependen únicamente de :
y:
que para un caso de carga dado, es el peso específico de una macroestructura por unidad de fuerza y longitud, dependiendo únicamente de la geometría a través de L/H , y de los materiales a través de σ / ρ .
Wρ / σ incluye, por tanto, el factor material { M a } ( ρ / σ y ρ / E para tracción y compresión sin pandeo, ρ / E 1/2 para compresión limitada por pandeo, ρ / σ 2/3 y ρ / E 1/2 para flexión pura, ρ √ 3/ σ y ρ / G para cortante puro) y el factor de forma { G e }.
Siendo todos los demás factores iguales, un conjunto de tubos con un diámetro H y un espesor de pared e , comparado con una barra sólida de igual volumen en un material caracterizado por ρ , σ , E et G , presenta una densidad aparente ρ a = 4 k (1 − k ) ρ con k = e / H , tensión admisible σ a = 4 k (1 − k ) σ ,
El módulo de Young es y el módulo de corte es .
De este modo
y
Esto explica el mejor rendimiento de los materiales más ligeros para elementos estructurales sometidos a compresión o flexión.
Este indicador permite comparar la eficiencia de las macroestructuras incluyendo geometría y material.
Se hace eco del trabajo de MF Ashby: "Selección de materiales en diseño mecánico" (1992). [3] Analiza { G e } y { M a } por separado ya que, para sus estudios, { M a } se relaciona con una gran cantidad de propiedades físicas de los materiales.
Diferente y complementario, también se puede colocar junto al trabajo realizado desde 1969 por el Institut Für Leichte Flächentragwerke en Stuttgart bajo la dirección de Frei Otto y ahora Werner SobekK, que se refiere a los índices denominados Tra y Bic . [4] El Tra se define como el producto de la longitud de la trayectoria de la fuerza F r , (que causa el colapso de la estructura) sobre los soportes por la intensidad de esta fuerza, y el Bic es la relación de la masa de la estructura con Tra .
Dado que ρ* es la densidad del material (en kg/m 3 ), y α es, como W , una constante que depende del tipo de estructura y del caso de carga:
Por lo tanto, con el estrés alcanzado
y como
A diferencia de W , que es adimensional, Bic se expresa en kg/Nm . Por lo tanto, dependiendo del material, no es posible una comparación independiente de diferentes morfologías. Es sorprendente notar que a pesar de la abundancia de sus trabajos, ninguno de ellos menciona o hace ningún esfuerzo por estudiar W y su relación con L/H .
Parece que sólo V. Quintas Ripoll [5] , [6] y W. Zalewski y St. Kus [7] mencionaron el indicador de volumen W sin examinarlo en profundidad.
A este respecto, es importante señalar que la existencia de puntos de anclaje de un elemento en tracción puede reducir la tensión aparente admisible al mismo nivel que la reducción necesaria para tener en cuenta un nivel moderado de inestabilidad elástica. La influencia en W del pandeo de las partes comprimidas por un lado y de los puntos de anclaje en los extremos de un elemento en tracción por el otro lado se analiza en las páginas 30 a 58 del «libro de referencia».
De ello se deduce que, inicialmente, sólo se deben tener en cuenta W y Δ para el diseño morfológico de una estructura, suponiendo que ésta esté ultraamortiguada (es decir, su amortiguamiento interno es mayor que el amortiguamiento crítico), lo que la hace impermeable a las tensiones dinámicas. El volumen V de una estructura es, por tanto, directamente proporcional a la intensidad total de la fuerza F que se le aplica, a su longitud L y al factor morfológico W ; es inversamente proporcional a la tensión σ a la que puede verse sometida. Además, el peso de una estructura es proporcional a la densidad ρ del material del que está construida. Sin embargo, su desplazamiento máximo δ sigue siendo proporcional a la luz L y al factor morfológico Δ, así como a la relación entre su tensión de trabajo σ y el módulo de elasticidad E .
Si se trata de limitar el peso (o el volumen) y la deformación de una estructura para una tensión F y una luz L dadas , manteniendo todos los demás aspectos inalterados, entonces el trabajo del ingeniero estructural implica minimizar W y ρ/σ por un lado y Δ y σ/E por el otro.
En la gran mayoría de los elementos comprimidos, es posible limitar la reducción de la tensión de trabajo al 25% teniendo en cuenta la inestabilidad elástica, siempre que el diseñador se centre en asegurar un diseño geométrico eficiente ya desde los bocetos iniciales. Esto significa que el aumento de su indicador de volumen también puede limitarse al 25%. El volumen de los elementos sometidos a tracción pura también está limitado muy raramente al producto de la distancia neta sobre la que se aplica una fuerza por una sección deformada a la tensión admisible. En otras palabras, su indicador de volumen real es, por tanto, también superior al que resulta del cálculo de W. Una barra bajo tracción puede soldarse en sus extremos; no se añade ningún material adicional aparte del despreciable material de soldadura, pero la rigidez introduce momentos parásitos que absorben parte de la tensión admisible.
La barra puede articularse en sus extremos y trabajar bajo su tensión admisible, pero para ello se necesitan casquillos cerrados o mecanismos de fijación cuyo volumen esté lejos de ser despreciable, especialmente si la barra es corta o está muy estresada. Como demostró LH Cox [9] , en este caso conviene tener en cuenta n barras cada una con una sección transversal de Ω/ n , tensadas por una fuerza F/n con 2 n casquillos, en lugar de una barra con una sección transversal Ω tensada por una fuerza F con 2 casquillos, ya que el volumen total de 2 n casquillos en el primer caso es mucho menor que el de 2 casquillos en el segundo.
El anclaje de los extremos de una barra bajo tracción también puede asegurarse por adherencia, como suele ser el caso de las barras de refuerzo en elementos de hormigón armado. En este caso concreto, es necesario disponer de una longitud de anclaje al menos 30 veces el diámetro de la barra. La barra tiene entonces una longitud L + 60 H para una longitud útil L ; su indicador teórico de volumen W = 1 se convierte en W = 1 + 60 H / L . En consecuencia, L / H debe ser superior a 240 (lo que siempre es teóricamente posible) para que W no aumente más del 25%. Esta observación también ayuda a mostrar otra razón para tener en cuenta n barras con una sección transversal Ω/ n en lugar de una barra con una sección transversal Ω.
Por último, las uniones mediante pernos, tacos, pasadores o clavos, sobre todo en el caso de componentes de madera, reducen considerablemente las secciones útiles. Por tanto, en la mayoría de los casos, en el caso de elementos sometidos a tracción es necesaria también una reducción del 25 % de la tensión de trabajo o un aumento del 25 % del volumen. Por tanto, la determinación del volumen y del desplazamiento de una estructura mediante los indicadores W y Δ es teóricamente fiable, siempre que:
El volumen del material de la estructura, determinado mediante W , sólo se puede obtener con precisión si se pueden medir en la práctica los valores teóricos de la característica relevante de las secciones bajo tensión σ . Como se muestra en la Figura 1 anterior, esta característica es:
flexión pura);
Siempre es posible obtener el valor preciso de estas características cuando las piezas están realizadas en materiales moldeados, como el hormigón armado, o en materiales escuadrados, como la madera o la piedra. Sin embargo, no es así en el caso de materiales laminados o extruidos, producidos en una línea de producción industrial, como el acero o el aluminio. Por tanto, es importante producir estos elementos con la menor diferencia de tamaño posible entre dos de ellos para evitar un uso innecesario de material. Este uso es consistente cuando la desviación relativa c entre dos valores sucesivos k n y k n +1 es constante, por lo tanto ( k n +1 − k n ) / k n = c o k n +1 = ( c + 1) k n o k n +1 = ( c + 1) n k 0 .
Este es el principio de la serie geométrica conocida como Serie Renard (nombrada en honor al Coronel Renard, quien fue el primero en utilizarlas para calcular el diámetro del cableado en aeronaves) que figura en la norma francesa NF X01-002. [10] Cuando todos los valores necesarios son solo ligeramente superiores a un valor de la serie, c representa el aumento máximo y c /2 el aumento medio de W . Al ser de uso universal, el caso de los perfiles de acero requiere un examen en profundidad (ver el "libro de referencia"; páginas 26 a 29). En consecuencia, el uso de perfiles de acero industriales conduce automáticamente a un aumento significativo de W :
Esta situación se magnifica cuando el número de perfiles disponibles es limitado, lo que puede explicar el uso de formas que no son teóricamente óptimas pero que tienden a someter los perfiles disponibles a la tensión admisible σ (como, por ejemplo, torres para líneas eléctricas de alta tensión o puentes de celosía de altura variable). Para estructuras sometidas a flexión pura, esto también explica el uso de placas planas de longitudes variables añadidas a las alas de estos perfiles en I para obtener la inercia o momento resistente requerido, con el mayor grado de precisión. Por el contrario, la gran variedad de tubos disponibles permite un valor de desviación relativa c más pequeño y más constante. También cubren un rango mucho más amplio tanto en los valores característicos inferiores como en los superiores. Dado que sus prestaciones geométricas son prácticamente idénticas a las de los perfiles en I, los tubos son la solución industrial más adecuada para eliminar prácticamente cualquier aumento del indicador de volumen W . Sin embargo, cuestiones prácticas de disponibilidad y corrosión pueden limitar su uso.
Las siguientes figuras muestran los valores de los indicadores según la relación L/H para varios tipos de estructuras.
Figura 2 y 3: W y Δ para un tramo isostático horizontal bajo una carga vertical uniformemente distribuida compuesta por:
Figura 4: para la transferencia a dos apoyos equidistantes en la horizontal de una carga puntual vertical (en este caso Δ=W) o de plomo uniformemente distribuida: F = 1.
Figura 5 y 6: W para un mástil vertical, de ancho constante, sometido a una carga horizontal distribuida uniformemente a lo largo de su altura o concentrada en la parte superior.
Figura 7: W para una membrana de revolución sobre un eje vertical, con un espesor constante o variable, bajo una carga vertical uniformemente distribuida. Es sorprendente observar que el valor mínimo se alcanza para una cúpula cónica de espesor variable con un ángulo de apertura de 90° ( L / H = 2; W = 0,5!).
Las aplicaciones tratadas en el «libro de referencia» son:
W se puede determinar fácilmente para optimizar estructuras formadas por varios elementos de construcción diferentes (véase el «libro de referencia» páginas 100-106), como se muestra, por ejemplo, para la turbina eólica en la figura 8.
O un techo parabólico acoplado a grandes frontones verticales vidriados sujetos a cargas de viento, como el que se ve en la estación de Lovaina en Bélgica, que se muestra en la Figura 9 (ver referencia [11] para un análisis detallado).
La optimización de la cercha King Cross para la fachada del edificio Europa en Bruselas (ver referencia [12] páginas 93-101 para un análisis detallado) es otro ejemplo.