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Inestabilidad torsional

Imágenes fijas del vídeo grabado el 7 de noviembre de 1940 por Barney Elliot, en el que se observa cómo el puente Tacoma Narrows se tambalea y finalmente se derrumba. La causa s...

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Imágenes fijas del vídeo grabado el 7 de noviembre de 1940 por Barney Elliot, en el que se observa cómo el puente Tacoma Narrows se tambalea y finalmente se derrumba. La causa se atribuye a las condiciones del viento, que provocaron inestabilidad torsional en el puente.

La inestabilidad torsional es un fenómeno mecánico en el que un elemento estructural sometido a fuerzas de torsión experimenta una deformación repentina o falla que supera un umbral de torsión crítico . Esta inestabilidad se caracteriza por una transición rápida de la torsión estable al pandeo helicoidal , al acodamiento o al colapso, que se observa con frecuencia en barras, vigas y estructuras arquitectónicas delgadas. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]

Ejemplos

El puente Dee se derrumbó en 1847 después de agregarle peso adicional en forma de rocas y grava para reducir la vibración de la vía, pero esto provocó un punto crítico de inestabilidad torsional. [ 1 ] El puente Tacoma Narrows se derrumbó en 1940 debido a condiciones de viento específicas que se vieron exacerbadas por oscilaciones torsionales, pasando de modos verticales a modos de torsión destructivos. [ 4 ] En la década de 1970, los ocupantes de los pisos superiores de la Torre John Hancock informaron sentir mareo por movimiento , que luego se reveló que se debía a la inestabilidad torsional del edificio. [ 1 ]

También se sabe que este fenómeno ocurre en las tuberías de perforación y los oleoductos, que se pandean bajo cargas rotacionales en la extracción de petróleo/gas, así como en las alas de los aviones, que experimentan aleteo torsional bajo fuerzas aerodinámicas. [ 5 ]

Estrategias de mitigación

Una forma de reducir la probabilidad de inestabilidad torsional es aumentar la rigidez de las secciones transversales. Esto se puede lograr eligiendo formas que resistan naturalmente la torsión, como tubos huecos o secciones en forma de cruz, en lugar de formas como placas planas, que se tuercen con mayor facilidad. Las secciones transversales más rígidas ofrecen mayor resistencia a la fuerza de torsión y ayudan a que la estructura se mantenga estable. Otra forma es mediante la implementación de arriostramientos, que son componentes estructurales que proporcionan estabilidad y resistencia adicionales a un edificio o estructura. Por ejemplo, torcer un andamio es más difícil que torcer una escalera porque el andamio tiene arriostramientos que resisten la torsión, lo que lo hace mucho más rígido y estable que la escalera. De manera similar, los sistemas de arriostramiento en un edificio distribuyen las fuerzas y proporcionan resistencia contra la torsión. [ 6 ]

Además de modificar la forma y el refuerzo, los ingenieros pueden utilizar materiales para hacer que las estructuras sean más resistentes y ligeras al mismo tiempo. Estos materiales incluyen compuestos como la fibra de carbono o materiales híbridos que resisten mejor las fuerzas de torsión que el acero o el hormigón tradicionales. Por ejemplo, los puentes o edificios construidos con estos materiales pueden soportar cargas pesadas y resistir la torsión sin volverse excesivamente voluminosos o pesados. [ 6 ]

Los ingenieros también recurren a modelos matemáticos y simulaciones por computadora para predecir cómo responderá una estructura a las fuerzas de torsión bajo diferentes condiciones, como vientos fuertes, terremotos o tráfico intenso. Estas herramientas digitales les permiten analizar y optimizar sus diseños antes de que comience la construcción, asegurando que la estructura pueda soportar estas fuerzas sin dejar de ser segura, funcional y rentable. [ 6 ]

Véase también

Referencias

  1. 1 2 3 Parker, Matt (2019). Humble Pi: A Comedy of Maths Errors . Penguin Books Limited. pp. 39–44 . ISBN  978-0-14-198913-6.
  2. ↑ Zhou, Wei; Jia, Zheng (agosto de 2022). "Actuación de tracción habilitada mediante el aprovechamiento de la inestabilidad torsional de varillas blandas hiperelásticas". Extreme Mechanics Letters . 55 101807. Bibcode : 2022ExML...5501807Z . doi : 10.1016/j.eml.2022.101807 .
  3. ↑ Pugsley, AG (1932). "Inestabilidad torsional en puntales". Ingeniería aeronáutica y tecnología aeroespacial . 4 (9): 229– 230. doi : 10.1108/eb029591 .
  4. ↑ Arioli, Gianni; Gazzola, Filippo (2017). "Inestabilidad torsional en puentes colgantes: El caso del puente Tacoma Narrows". Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation . 42 : 342–357 . arXiv : 1508.03200 . Bibcode : 2017CNSNS..42..342A . doi : 10.1016/j.cnsns.2016.05.028 .
  5. ↑ Antonelli, Richard G.; Meyer, Keith J.; Oppenheim, Irving J. (enero de 1981). "Inestabilidad torsional en estructuras". Ingeniería sísmica y dinámica estructural . 9 (3): 221– 237. Bibcode : 1981EESD....9..221A . doi : 10.1002/eqe.4290090304 .
  6. 1 2 3 "Rigidez torsional: principios, cálculos y aplicaciones" . FirstMold . 2024-09-09 . Consultado el 2025-05-02 .

Lecturas adicionales

  • Pham, Thang; Oh, Sehoon; Stetz, Patrick; Onishi, Seita; Kisielowski, Christian; Cohen, Marvin L.; Zettl, Alex (20 de julio de 2018). "Inestabilidad torsional en el límite de cadena única de un tricalcogenuro de metal de transición". Science . 361 (6399): 263– 266. arXiv : 1803.02866 . Bibcode : 2018Sci...361..263P . doi : 10.1126/science.aat4749 . PMID 30026223 . 
  • Ciarletta, P.; Destrade, M. (octubre de 2014). "Inestabilidad torsional de cilindros sólidos blandos". IMA Journal of Applied Mathematics . 79 (5): 804– 819. arXiv : 2009.09790 . doi : 10.1093/imamat/hxt052 .
  • Gent, AN; Hua, K.-C (abril de 2004). "Inestabilidad torsional de cilindros de caucho estirados". International Journal of Non-Linear Mechanics . 39 (3): 483– 489. Bibcode : 2004IJNLM..39..483G . doi : 10.1016/S0020-7462(02)00217-2 .
  • Vercosa, DG; Barros, EB; Souza Filho, AG; Mendes Filho, J.; Samsonidze, Ge. G.; Saito, R.; Dresselhaus, MS (21 de abril de 2010). "Inestabilidad torsional de nanotubos de carbono quirales". Physical Review B . 81 (16) 165430. Bibcode : 2010PhRvB..81p5430V . doi : 10.1103/PhysRevB.81.165430 . hdl : 1721.1/58774 .
  • Berchio, Elvise; Gazzola, Filippo (julio de 2015). "Una explicación cualitativa del origen de la inestabilidad torsional en puentes colgantes". Nonlinear Analysis: Theory, Methods & Applications . 121 : 54–72 . arXiv : 1404.7351 . doi : 10.1016/j.na.2014.10.026 .
  • Bonheure, Denis; Gazzola, Filippo; Dos Santos, Ederson Moreira (enero de 2019). "Soluciones periódicas e inestabilidad torsional en una ecuación de placas no lineal no local". SIAM Journal on Mathematical Analysis . 51 (4): 3052– 3091. arXiv : 1809.09783 . doi : 10.1137/18M1221242 .
  • Wardlaw, RL (1994). «Aleteo e inestabilidad torsional». Vibraciones de estructuras excitadas por el viento . págs. 293–319 . doi : 10.1007/978-3-7091-2708-7_6 . ISBN  978-3-211-82516-7.
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