varios. aplicación del círculo de mohr en 2d

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  • 8/17/2019 Varios. Aplicación Del Círculo de Mohr en 2D

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    APLICACIÓN DEL CÍRCULO DE MOHR EN 2D A MECÁNICA DE SUELOS

    Introducción

    En el caso de un suelo depositado en capas horizontales y sin que haya estado sometido a

    otras acciones exteriores que no sean su propio peso, las tensiones vertical y horizontal serán las

     principales. Sin embargo, si en superficie se apoya una cimentación, si el terreno está inclinado,

    si ha estado afectado por una obra próxima, etc,... las tensiones y planos principales, se verán

    afectados, reorientándose en una dirección que no siempre es inmediato conocer (Fig. 1)

    Figura 1.- Estados de tensiones del terreno y reorientación de las tensiones principales.

    Planteamiento del círculo de Mohr.

    Sea el estado tensional más general de los expuestos en un punto cualquiera (Fig. 1c). Se

    entiende que para determinar las tensiones actuantes (σθ τθ) sobre un plano que no sea el vertical

    o el horizontal, basta con establecer el equilibrio de fuerzas conocidas (σX σZ  τXZ ) proyectando

    según un plano paralelo al estudiado (obteniéndose τθ) y proyectando según un plano

     perpendicular (obteniéndose σθ). Las expresiones resultantes son:

    θ τ θ σ σ 

    τ 

    θ τ θ 

    σ σ σ σ 

    σ 

    θ 

    θ 

    2cos22

    22cos22

    ⋅−⋅−

    =

    ⋅−⋅

    +

    +

    =

     xz x z

     xz

     x z x z

    sen

    sen 

  • 8/17/2019 Varios. Aplicación Del Círculo de Mohr en 2D

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    En la Figura 2 se ilustran estas ideas. Nótese el criterio de signos empleado en Mecánica de

    Suelos, tomando las compresiones como positivas. En principio, se omitirá el efecto del agua, por

    lo que no se hará distinción entre tensiones totales y efectivas.

    X

    Z

    σX

    στθ

    θ

    θ

    τXZ

    XZττθσ

    θ

    Σ F N

    ΣT

    F

    τθθσ

    XστXZ

    σ

    XZτ

    Z

    θ

    σ +

    τ+

    Criterio de Signos

     

    Figura 2.-Esquema de fuerzas, proyección sobre un plano cualquiera y criterio de signos.

    Resulta interesante, simplificar las dos expresiones anteriores como:

    θ τ θ τ 

    θ τ θ σ 

    θ 

    θ 

    2cos2

    22cos

    ⋅−⋅=

    ⋅−⋅+=

     xz

     xz

    senq

    senq p 

    siendo:

    2

    2

     x z

     x z

    q

     p

    σ σ 

    σ σ 

    −=

    +=

     

    Propiedades geométricas del círculo de Mohr

    Pese a que con las expresiones anteriores el problema queda resuelto, a continuación se

    verá que los valores de las tensiones actuantes en un plano cualquiera (σθ  τθ), cumplen unas

    relaciones geométricas muy interesantes, que:

  • 8/17/2019 Varios. Aplicación Del Círculo de Mohr en 2D

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    - Facilitan su resolución gráfica (muy útil en la época de Mohr, hacia 1810, en que

    resultaba más cómodo resolver un problema de modo gráfico que de modo numérico);

    - Ayudan a la comprensión académica del tema de resistencia (es más visual).

    Veamos las propiedades geométricas. En efecto, si ambas expresiones se elevan alcuadrado, se suman y se reordenan términos, resulta la siguiente expresión, igualmente válida:

    2

    2

    2

    2

    22  θ θ 

      τ σ σ 

    σ τ σ σ 

    +⎟ ⎠ ⎞

    ⎜⎝ ⎛    +−=+⎟

     ⎠ ⎞

    ⎜⎝ ⎛    +  x z

     xz x z  

    Adviértase que dicha expresión responde a la expresión de un círculo (Fig. 3.)

    Figura 3.- Equivalencia geométrica de la relación entre σθ y τθ cn la de un círculo.

    Propiedad 1 de círculo de Mohr (el ángulo doble):

    Si se conoce el círculo de Mohr que representa el estado de tensiones de un punto, las

    tensiones (σθ τθ) que actúan sobre un plano cualquiera con una orientación θ respecto de un plano

    del cual conocemos sus tensiones, para obtener las tensiones (σθ τθ), basta girar un ángulo 2θ en

    sentido antihorario, respecto el centro del círculo, desde el punto del que conocemos sus

    tensiones. Véase la Figura 4.

  • 8/17/2019 Varios. Aplicación Del Círculo de Mohr en 2D

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    Figura 4.- Propiedad del ángulo doble del círculo de Mohr.

    Propiedad 2 del círculo de Mohr (el Polo): 

    Otra propiedad gráfica es que siempre existe un punto del círculo de Mohr, que

    denominaremos Polo, que cumple lo siguiente: si se traza por él una recta con la orientación real

    de un plano cualquiera π, el otro punto de intersección con el círculo de Mohr (su ordenada y su

    abscisa) nos da las tensiones (σ τ) actuantes sobre dicho plano π.

    Dando la vuelta a la propiedad anterior, si tenemos representado el círculo de Mohr y

    conocemos las tensiones actuantes sobre un plano concreto (sabemos su orientación), basta con

    dibujar en el círculo de Mohr la tensión de dicho plano y hacer pasar por él una recta con la

    misma orientación del plano que conocemos. Finalmente, el otro punto de intersección de la recta

    con el círculo será el Polo de este estado de tensiones.

    Para comprobar que la obtención gráfica de las tensiones (σθ  τθ), usando una o otra

     propiedad en el fondo es lo mismo, se requiere recordar la siguiente propiedad geométrica:

    Sean dos puntos cualesquiera A y B de una circunferencia, que forman un arco de 2 θ desde

    el centro (O); entonces, se cumple que el ángulo formado desde cualquier otro punto P de la

    circunferencia valdrá θ. Véase la Figura 5.

  • 8/17/2019 Varios. Aplicación Del Círculo de Mohr en 2D

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    θ

    θ2θ2   θ2θ

    θ

    Caso general

    A

    P

    B

    PA

    B

    P=A

    B

     

    Figura 5.- Propiedad geométrica del ángulo doble y mitad.

    A continuación se muestran 3 ejemplos sencillos, en los que partiendo de las tensiones

    sobre planos verticales y horizontales conocidas, puede determinarse las tensiones según

    cualquier otro plano. Como se ve, la resolución usando la propiedad del ángulo doble o la del

    Polo, en el fondo son coincidentes.

  • 8/17/2019 Varios. Aplicación Del Círculo de Mohr en 2D

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    Polo

    1σ  σ

    τ

    σV=σ=σ3 H

    θ

    θ

    σV

    σH τθσθ

    θτ

    σθ

    θ

    θ2

    θ

    Z

    Z

    Xθτθ

    θσ

    σ γ= ZV

    = k ZσH   γ 0

     

    Ejemplo 1. Suelo normalmente consolidado.

    Polo

    1σ  σ

    τ

    σH=σ=σ3 V

    θ

    θ

    σV

    σHX

    Z

    σH

    στθ

    θ

    θτ

    σθ

    θ

    θ2Z

    = Zγ

    = k Zγ0   θτ

    σθθ

    0k >1 (muy preconsolidado)

    θσ   τθ

     

    Ejemplo 2. Suelo muy sobreconsolidado (k 0>1)

  • 8/17/2019 Varios. Aplicación Del Círculo de Mohr en 2D

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    Polo

    1σ σ

    τ

    σ3

    θ

    θ

    X

    Z

    σX

    στθ

    θ

    θτ

    σθ

    θ

    Z

    θτσθ

    θ

    θσ   τθ

    τXZXZτ

    τXZXσ

    σ

    τXZ

    Z

    θ2

    τXZ

    σZ

     

    Ejemplo 3. Estado tensional más general.