Un investigador de la Universidad de Aston le ha dado la vuelta a una de las reglas básicas de construcción.

Durante siglos, una cadena colgante se ha utilizado como ejemplo para explicar cómo se sostienen los arcos de mampostería.

Los ingenieros estructurales están familiarizados con la teoría del científico del siglo XVII Robert Hooke de que una cadena colgante reflejará la forma de un arco rígido erguido.

Sin embargo, una investigación de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Físicas de la Universidad de Aston muestra que esta creencia común es incorrecta porque, independientemente de las similitudes, la cadena colgante y el arco son dos sistemas mecánicos incompatibles.

El Dr. Haris Alexakis usó la transición en la ciencia de la mecánica newtoniana a la lagrangiana, que condujo al desarrollo de la física y las matemáticas modernas, para probar esto con rigor matemático.

En su artículo Análisis vectorial y energía potencial estacionaria para evaluar el equilibrio

de estructuras de mampostería curva, revisa el equilibrio de la cadena colgante y el arco, explicando que los dos sistemas operan en marcos espaciales diferentes. Una consecuencia de esto es que la cadena colgante requiere solo fuerza de traslación para estar en equilibrio, mientras que el arco invertido necesita tanto traslación como rotación. Como resultado, las soluciones son siempre diferentes.

El análisis del Dr. Alexakis descubrió inconsistencias sutiles en la forma en que se ha interpretado y aplicado la analogía de Hooke a lo largo de los siglos para el diseño y la evaluación de la seguridad de los arcos, y destaca sus limitaciones prácticas.

Dijo : « La analogía entre las cadenas colgantes invertidas y la forma óptima de los arcos de mampostería es un concepto profundamente arraigado en nuestras prácticas de análisis estructural.

« Las estructuras curvas han permitido a los albañiles, ingenieros y arquitectos transportar cargas pesadas y cubrir grandes espacios con el uso de materiales de baja resistencia a la tracción durante siglos, mientras crean las maravillas del patrimonio arquitectónico mundial.

« A pesar de la larga historia de estas prácticas, la búsqueda de formas estructurales óptimas y la evaluación de la estabilidad y seguridad de las estructuras curvas sigue siendo tan actual como siempre. Esto se debe al creciente interés por preservar las estructuras patrimoniales y reducir el uso de materiales en la construcción, reemplazando al mismo tiempo el acero y concreto con materiales naturales bajos en carbono ».

Su artículo, que se publica en la revista Mathematics and Mechanics of Solids, sugiere un nuevo método de análisis estructural basado en el principio de la energía potencial estacionaria que sería más rápido, más flexible y ayudaría a calcular geometrías más complejas.

Como resultado, los analistas no necesitarán considerar el equilibrio de cada bloque individual o describir geométricamente la ruta de carga de las fuerzas de empuje para obtener una solución rigurosa.

El Dr. Alexakis agregó : « Las herramientas de análisis discutidas en el documento nos permitirán evaluar la condición y la seguridad de las estructuras patrimoniales y construir estructuras curvas más sostenibles, como bóvedas y conchas.

« La principal ventaja de estas estructuras, además de tener una estética atractiva, es que pueden tener un volumen reducido y pueden estar hechas de materiales naturales económicos, de baja resistencia a la tracción y bajos en carbono, lo que contribuye a una construcción neta cero ».