Elemento triangular para elasticidad bidimensional con σz y εz constantes y diferentes de cero.
Francisco Zárate a,b , Núria Zárate c
aCentre Internacional de Mètodes Numèrics en Enginyeria (CIMNE) www.cimne.com
bUniversitat Politècnica de Catalunya (UPC),
Gran Capitan s/n, Campus Nord, 08034 Barcelona, España.
cUniversitat de Barcelona (UB)
Gran Via de les Corts Catalanes, 585, 08007 Barcelona, España.
Este trabajo describe como obtener un elemento bidimensional de tres nodos a partir de un elemento sólido prismático de seis nodos, suponiendo que la tensión normal a las caras triangulares es constante y diferente de cero.
Se presenta también un ejemplo numérico en donde se comparan los resultados obtenidos con el elemento desarrollado y con elementos tridimensionales, poniendo de manifiesto el buen comportamiento del elemento desarrollado.
Palabras clave. Método de elementos finitos, Tensión y deformación plana, Mecánica de sólidos.
La gran utilidad de las simplificaciones de la elasticidad tridimensional en problemas de dos dimensiones queda fuera de toda duda pues la reducción en el número de variables permite resolver este tipo de problemas en un tiempo más que razonable, en comparación con el mismo problema resuelto mediante la teoría tridimensional.
Es la elasticidad plana quien estudia la solución particular del problema elástico general en el conjunto de aplicaciones técnicas donde el estado de tensión-deformación es reducible a problemas planos o bidimensionales partiendo de que el dominio de estudio sea un cuerpo prismático. Concretamente se definen dos estados de elasticidad bidimensional: Tensión plana y Deformación plana [1].
Un sólido prismático con una de sus dimensiones mayor que la otras dos es susceptible de ser simplificado en un estado de deformación plana. Para ello se descompone en rebanadas idénticas y se estudia sobre una de estas rebanadas la distribución de deformaciones como un problema bidimensional usando únicamente dos coordenadas Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle \left( x,y\right)}
para definir la posición de cada punto sobre la rebanada. Una condición esencial es que todas las cargas aplicadas estén contenidas en el plano de cada rebanada, y dichas cargas sean las mismas para todas las rebanadas del sólido. De esta manera se genera la hipótesis que define nula la deformación normal a cada una de las rebanadas Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle \left( {\epsilon }_{z}=\right. }
Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): \left. 0\right)
.
Por otra parte, el estado de Tensión plana se puede aplicar a un sólido prismático en el cual una de sus dimensiones es menor que las otras dos, y las cargas aplicadas se encuentran contenidas en la sección media cuya normal es paralela al lado más corto. En este caso, la tensión en dirección a dicha normal se considera nula Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle \left( {\sigma }_{z}=\right. } Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): \left. 0\right)
.
Sin embargo, estas dos hipótesis no llegan a cubrir la totalidad de los problemas que se pueden simplificar a dos dimensiones. Por ejemplo, el estudio del estado tensional del terreno de un pozo vertical a cierta profundidad como se muestra en la Figura 1, en la cual tanto la deformación como la tensión en dirección vertical son constantes pero diferentes de cero. En este caso es posible definir una rebanada normal a la dirección de perforación del pozo, pero debido a la existencia de una presión normal en la dirección de la rebanada elegida, no es posible aplicar las hipótesis de tensión plana, ni las de deformación plana.
Figura 1. Aplicación bidimensional donde Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle {\sigma }_{z}\not =0}
En el ejemplo mostrado en la Figura 1 se puede considerar que la tensión normal es diferente de cero, pero constante en todo el dominio bidimensional.
Para poder reducir este problema a un estado bidimensional se parte de un elemento finito prismático asociado a un estado de elasticidad tridimensional en donde se aplican las hipótesis de tensión y deformación normal constantes y diferentes de cero.
Como se ha comentado, la formulación del elemento parte del estado tensional tridimensional, en donde se consideran las siguientes hipótesis:
es constante en cualquier punto y diferente de cero.
es constante en cualquier punto y diferente de cero.
Como corolario de estas hipótesis se sigue que:
4. Los movimientos en el plano xy son constantes a lo largo de la posición z.
Estas hipótesis se aplican sobre un elemento prismático tridimensional de seis nodos como el mostrado en la Figura 2.
De manera que siguiendo las hipótesis 2 y 3 se puede definir el estado tensional y de deformaciones en el sólido considerado:
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por lo que describiendo las ecuaciones (1) y (2) en forma vectorial se obtienen las ecuaciones (3) y (4) respectivamente.
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(3) |
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Y de acuerdo con la teoría de la elasticidad tridimensional, la relación tensión deformación entre (3) y (4) se expresa por:
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siendo
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(6) |
De la hipótesis 4 es posible establecer las siguientes relaciones entre los desplazamientos nodales del elemento:
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(7) | ||
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Ahora bien, se propone usar un campo bilineal ( Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle \varnothing =}
Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): a+bx+cy
) en el plano Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle x,\, y\,}
para definir el movimiento de los puntos en dicho plano y, como se ha mencionado, dicho plano es constante a lo largo del eje Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle \, z}
Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): d+ez ). Siendo las funciones de forma que describen el campo bilineal las mostradas en las ecuaciones (8) y las descritas para el eje z las presentadas en las ecuaciones (9).
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(8) | ||
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(9) |
Donde Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle A}
es el área de la base del elemento prismático de la Figura 2 y Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle h\,}
su altura. Las variables Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle {a}_{i},\, {b}_{i}}
y Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle {c}_{i\, }}
vienen dadas por las expresiones siguientes, donde los índices Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle i,\, j,\, k}
son cíclicos.
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(10) | ||
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Si bien, podría bastar un campo constante a lo largo del eje z en lugar de uno lineal como se propone, se ha optado por utilizar un campo lineal a fin de mantener lo más homogénea la descripción de las variables nodales.
Las deformaciones definidas en la ecuación (4) quedarán definidas como:
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(11) | ||
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Y la descripción del vector de desplazamientos viene dada por:
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(12) |
Por lo que, haciendo uso de las funciones de forma descritas, la matriz B de deformaciones queda definida como:
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(13) |
De aquí es muy sencillo obtener la matriz de rigidez del elemento aplicando el principio de los trabajos virtuales:
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(14) |
La matriz de rigidez mostrada en la ecuación (14) es de Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle 8\times 8}
y responde a las variables nodales definidas en la ecuación (12) por lo que es necesario eliminar las variables Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle {w}_{1}}
y Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle {w}_{{1}^{'}}.}
De la relación tensión deformación para la elasticidad 3D, mostrada en la ecuación (5) y dado que se considera que Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle {\sigma }_{z}=}
Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): cte
en todo el dominio, se puede escribir:
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(15) |
de donde se desprende que:
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(16) |
y por lo tanto, la elongación del segmento Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle \overline{{\, w}_{1}\, {w}_{{1}^{'}}}{=d}_{z}}
que se define como
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(17) |
Por lo que si el desplazamiento Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle {w}_{1}=0}
entonces
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Obsérvese ahora que las dos variables asociadas al espesor del elemento han sido eliminadas pues Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle {w}_{1}=}
Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): 0
y Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle {w}_{{1}^{'}}}
es ahora función de Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle {\epsilon }_{x},\, {\epsilon }_{y}\,}
y Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle {\sigma }_{z}}
por lo que se define un nuevo vector de variables nodales Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle {\boldsymbol{a}}_{1}}
como:
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(19) |
De manera que la relación entre Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle {\boldsymbol{a}}_{1}}
y Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle \boldsymbol{a}}
queda definida por:
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(20) |
en donde
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(21) |
Al utilizar la definición de Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle {\boldsymbol{a}}_{1}}
como variables nodales elementales en la ecuación de equilibrio se tiene:
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(22) |
en donde
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La matriz de rigidez Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle {\boldsymbol{K}}_{\mathit{\boldsymbol{v}}}^{(\mathit{\boldsymbol{e}})}}
que se obtiene es de Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle 8\times 7}
. Sin embargo, la séptima ecuación del sistema mostrado en (22) puede ser eliminar directamente ya que resulta ser una ecuación linealmente dependiente de las demás y está asociada al desplazamiento Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle {w}_{1}\,}
cuyo valor es conocido e igual a 0, quedando un sistema de Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle 7\times 7}
.
Finalmente, dado que Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle \, {\sigma }_{z}}
no es una incógnita sino un valor conocido y constante en todo el domino, es posible eliminar la ecuación asociada, actualizando el vector Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle {\boldsymbol{f}}^{(\mathit{\boldsymbol{e}})}}
con el producto de Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle {\, K}_{i,7\, }\ast \, {\sigma }_{z}}
obteniendo una matriz de 6 x 6 dependiente exclusivamente de los desplazamientos en el plano Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle x,\, y\, \,}
del dominio por analizar.
El ensamblaje y solución del problema se sigue de la manera estándar a cualquier problema bidimensional, como se muestra en el siguiente apartado.
Esta formulación se ha implementado en el código FEM2DEM desarrollado en CIMNE y siguiendo la formulación propuesta en [2-4].
En este apartado se muestran dos ejemplos, el primero corresponde a la verificación de los desplazamientos en un dominio rectangular debido a la existencia de un esfuerzo Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle {\sigma }_{z}} . Los resultados se comparan con los obtenidos mediante un programa de solidos tridimensionales a fin de verificar que los resultados obtenidos sean iguales.
El segundo ejemplo corresponde a una sección de un pozo de perforación en donde además de considerar la profundidad se evalúa el efecto de la presión interna del ducto de perforación.
Este ejemplo corresponde a un cubo de dimensiones Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle 1.2\times 1.2\times 1.2\, m.}
el cual está sujeto a una presión axial de Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle 1\times {10}^{7\, }\, N/{m}^{2}}
en compresión y donde las propiedades del material son: Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle E=}
Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): 2.1\times {10}^{11}\, N/{m}^{2} , Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle \nu =0.20\,}
. En la Figura 3 se muestran las condiciones de carga (Fig. 3 a) y de apoyo (Fig. 3 b) el cual restringe, sobre ambas superficies de carga, el movimiento del punto medio de las aristas en dirección normal. Por otra parte, no es necesario restringir el desplazamiento vertical dado que las cargas de compresión son auto equilibradas. Se ha procurado que ambas mallas tengan una cierta similitud en cuanto al tamaño del elemento para evitar diferencias inducidas por la calidad de la malla.
En la Figura 4 se muestran los resultados del análisis tridimensional los cuales son usados de referencia. Se observa que tanto el desplazamiento en Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle x\,}
como en Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle \, y\, \,}
son idénticos y con valores totalmente simétricos. Siendo el desplazamiento máximo de Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle 1.1406\times {10}^{-5}\, m}
.
La Figura 5 muestra los resultados de los mismos desplazamientos sobre un dominio bidimensional utilizando la formulación propuesta. En este caso, también los desplazamientos en Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle x}
e Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle y}
son idénticos y simétricos con un valor máximo de Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle 1.1429\times {10}^{-5}\, m}
.
Comparando ambos análisis se puede concluir que la formulacion presentada es congruente y correcta ya que el error entre ambas formulaciones es prácticamente nulo ( Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle 0.20\%}
).
Figura 4. Ejemplo de validación. Resultados 3D sobre la superficie de carga de los desplazamientos Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle x} e Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle y}
.Figura 5. Ejemplo de validación. Resultados 2D de los desplazamientos Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle x} e Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle y}
En este ejemplo se reproduce un estado triaxial sobre un cilindro horadado y de material homogéneo por el cual circula un fluido a una presión similar a la exterior. Axialmente el cilindro se encuentra comprimido a Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle 1.0\times {10}^{7}\, Pa}
mientras que se aplica una presión sobre la superficie exterior del cilindro de Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle 5.0\times {10}^{6}\, Pa}
al tiempo que la presión interna es de Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle 1.0\times {10}^{7}\, Pa}
. Este ejemplo reproduce una sección de un pozo sin camisa por donde se inyecta un fluido a presión. El análisis clásico es tridimensional, sin embargo, aplicando la formulación presentada es posible atacar el problema mediante un análisis 2D.
La probeta se encuentra formada por un disco de diámetro exterior de Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle 0.1016\, m} . y de diámetro interior de Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle 0.0254\, m}
como se muestra en la Figura 6 a). El material a usar tiene un Módulo de elasticidad de Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle 3.4\times {10}^{9}\, Pa}
y coeficiente de Poisson de Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle 0.20}
.
La malla utilizada se muestra en la Figura 6 b) y está formada por 352 nodos y 616 elementos triangulares de tres nodos.
Los resultados obtenidos se muestran en la Figura 7 en donde se puede observar los desplazamientos tanto en áreas de igual color (a) como de forma vectorial (b).
Figura 7. Análisis triaxial. Resultados 2D de los desplazamientos Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle x} e Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle y}
La Figura 8 muestra la distribución de todos los esfuerzos involucrados en la formulación y quizás este sea el aspecto más interesante pues se puede describir un comportamiento tridimensional de forma adecuada, sobre todo, en el caso ser necesario un análisis plástico o de daño. La Figura 7 a) y 7 b) representan los esfuerzos Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle \, {\sigma }_{x}}
y Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle \, {\sigma }_{y}}
respectivamente. La Figura 7 c) corresponde al esfuerzo Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle \, {\sigma }_{z}\,}
y finalmente, la figura 7 d) el esfuerzo de corte Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle \, {\sigma \gamma }_{xy}}
.
El elemento presentado tiene una buena respuesta y es capaz de evaluar adecuadamente el efecto de tener un esfuerzo normal diferente de cero. Una de las ventajas asociadas a esta formulación es la de poder modelar mediante un problema bidimensional el daño o plasticidad en un estado triaxial sin necesidad de tener que resolver un problema 3D, con el consabido error de tiempo y memoria.
Figura 8. Análisis triaxial. a) esfuerzos Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle \, {\sigma }_{x}} b) esfuerzos Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle \, {\sigma }_{y}} c) esfuerzos Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle \, {\sigma }_{z}} d) esfuerzos Failed to parse (MathML with SVG or PNG fallback (recommended for modern browsers and accessibility tools): Invalid response ("Math extension cannot connect to Restbase.") from server "https://mathoid.scipedia.com/localhost/v1/":): {\textstyle \, {\gamma }_{xy}}
[1] Oñate, E. Cálculo de Estructuras por el Método de los Elementos Finitos. Análisis Estático Lineal. Vol 1. (2016) ISBN: 978-84-945689-7-8 Editorial: CIMNE Barcelona. España
[2] Zárate, F. & Oñate, E. A simple FEM–DEM technique for fracture prediction in materials and structures. Comp. Part. Mech. (2015) 2: 301. doi.org/10.1007/s40571-015-0067-2
[3] Zárate, F., Cornejo, A. & Oñate E., A three-dimensional FEM–DEM technique for predicting the evolution of fracture in geomaterials and concrete. Comp. Part. Mech. (2018) 5: 411. doi.org/10.1007/s40571-017-0178-z
[4] Zárate, F. & Oñate E. Predicción de fracturas en estructuras de hormigón combinando los métodos de elementos finitos y de elementos discretos. Hormigón y Acero. (2018) doi.org/10.1016/j.hya.2018.05.002
Published on 13/02/19
Submitted on 07/02/19
Volume 3, 2019
Licence: CC BY-NC-SA license
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