Tema_3.8_-_Comportamiento_carga_dinámica

OBJETIVOS

• Entender el fenómeno de fatiga, análisis de tensiones, efectos de la soldadura sobre la resistencia a fatiga y métodos de mejora.

RESULTADOS ESPERADOS• Dibujar y usar diagrama S-N.• Describir métodos de conteo de ciclos

de carga.• Calcular el ratio de esfuerzo.• Detallar influencia de entalles y

defectos de soldaduras.• Clasificar las diferentes juntas.• Describir modificaciones a soldaduras

para mejorar rendimiento.

INTRODUCCIÓN

• Mayoría de estructuras está sometida a cargas de amplitud variable.

• Esto reduce la resistencia y causa el fallo subsecuente.

• La fatiga es responsable de 80 – 90 % de fallos en servicio, generalmente sin previo aviso y catastróficos.

TIPOS DE CARGAS• Cargas estáticas : Sin variación en el

tiempo. Son pocos los casos reales.• Cargas dinámicas o variables :

Variables en el tiempo. Comportamiento diferente.

• Según su naturaleza:- Deterministas.- Aleatorias.

TIPOS DE CARGAS• Según su variación en el tiempo:

- Periódicas (Ej: Armónica tipo seno)- No periódicas (Impulsivas y de larga duración)

• Según su amplitud:- De amplitud constante.- Bloques de carga de amplitud constante.- De amplitud variable.

TIPOS DE CARGAS• Las cargas de amplitud variable se

dividen en:- Cargas de banda estrecha (monofrecuencia, un solo pico o valle entre cada paso por cero, ciclos se cuentan fácilmente).- Cargas de banda ancha. (Más de un pico o valle entre cada paso por cero, ciclos no se cuentan fácilmente).

FENÓMENO DE FATIGA• Tipo de fallo bajo cargas dinámicas

originado por formación y propagación de grieta = Fallo por fatiga (Difícil de prevenir).

• Origen de grieta : Concentración de tensiones (entalles y defectos de soldadura).

EJEMPLOS

Mecanismo biela–manivela.

Ejes de trasmisión.

Puentes.

Edificios.

REQUISITOS PARA QUE SE PRODUZCA FALLO POR FATIGA

• Tensiones máximas de tracción suficientemente elevadas.

• Variación del estado tensional con el tiempo.

• Número de ciclos de carga suficientemente elevado.

ROTURA POR FATIGA• INCUBACIÓN : Grieta progresa de la

superficie al interior. En caso de defectos internos de soldadura es al revés. No estáclaro el origen de una grieta.

• PROPAGACIÓN : La grieta progresa en dirección perpendicular a las tensiones. Se estudia en Mecánica de la Fractura (Modelo de Paris y Erdogan).

• ROTURA FINAL : Cuando la sección resistente es insuficiente y se produce el colapso. La superficie de la rotura final puede ser cristalina (rotura frágil) o fibrosa (rotura dúctil).

ANÁLISIS DE TENSIONES

• Pronóstico de fallo por fatiga requiere conocer la variación de la tensión con el tiempo en cada punto.

• Esto se puede determinar analíticamente o experimentalmente.

CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES A FATIGA

• Para cargas estáticas el ensayo de tracción proporciona la información necesaria para el cálculo (E, μ, σe, σR)

• Para los casos de fatiga se añade la variable tiempo. Los modelos más utilizados son:- Curvas S-N.- Curvas ε-N.- Crecimiento de grieta.

CURVAS S-N o CURVAS DE WÖHLER

• Se determinan experimentalmente.

• Ensayo rotativo con probetas cilíndricas.

• Los resultados se presentan en gráfico de Número de Ciclos de Carga vs. Esfuerzo de Rotura = Curva de Wohler o Curva S-N.

• Rango de esfuerzos Δσ es la variable principal que define la vida a fatiga de los metales.

PARÁMETROS PARA DEFINIR CICLO

EJEMPLO

CURVAS S-N o CURVAS DE WÖHLER

• Esfuerzo máximo decrece a medida que aumenta N.

• Esta tendencia es hasta un cierto valor por debajo del cual el material no se rompe aunque N = Infinito.

• Es decir, si σMAX no es muy alto, no habrá fallo por fatiga.

CURVAS S-N o CURVAS DE WÖHLER• Curva a escala

logarítmica = > 2 rectas intersectadas en punto llamado “Límite de Fatiga” = σ -1 (alrededor de 106 ciclos).

• Run-out (2 x 106 ciclos).

• En piezas reales σ –1 es influenciado por tensiones residuales, concentración de tensiones, ambientes corrosivos y altas temperaturas.

CURVAS S-N o CURVAS DE WÖHLER• Gran dispersión.• Modelos probabilísticos

(95%, 84%, 50%).• Curvas S-N de aleaciones

férricas y de titanio muestran carácter asintótico.

• Curvas S-N de aluminio y otras aleaciones no férricas no tienen límite de fatiga definido.

• σ –1 a 5 x 108 ciclos(Límite convencional)

COMENTARIOS

• Es muy difícil medir tamaños de grieta u otros parámetros físicos y su evolución en el tiempo para predecir la vida a fatiga.

• Luego, el uso de las Curvas S-N es el método más rápido (para más de 1000 ciclos).

• Eurocódigo 3 utiliza curvas S-N (Modelo bilineal en escala logarítmica).

EFECTO DE LA TENSIÓN MEDIA• Tensión media de tracción reduce la vida a

fatiga.

• Tensión media de compresión aumenta la vida a fatiga.

• Sería necesario realizar numerosos y costosos ensayos adicionales para las distintas tensiones medias.

• Para evitarlo se han propuesto varias fórmulas empíricas.

EFECTO DE LA TENSIÓN MEDIA

• Fórmula de Soderberg es más conservadora.• Ensayos entre Goodman y Gerber

PROBLEMA

SOLUCIÓN

OTROS FACTORES QUE AFECTAN LA RESISTENCIA A LA FATIGA

• Las piezas reales difieren de las probetas por lo que presentan factores adicionales.

• El límite de fatiga (endurancia) de las curvas S-N debe ser corregido mediante coeficientes.

CORRECCIÓN POR TAMAÑO

• Las probetas son de tamaño reducido.

• Piezas semejantes de mayor tamaño son más sensibles a la fatiga (mayor probabilidad de defecto dentro de la pieza).

CORRECCIÓN POR ACABADO SUPERFICIAL

• Las probetas tienen un buen acabado superficial.

• Las piezas reales tienen rugosidad superficial y son más sensibles a la fatiga.

• Las discontinuidades en la superficie son concentradores de tensión y pueden ser el inicio de fisuras.

CORRECCIÓN POR TRATAMIENTOS SUPERFICIALES

• Las probetas no tienen tratamiento superficial.

• Las piezas reales pueden recibir trabajo en frío sobre su superficie (laminado en frío, martillado, granallado, etc).

• Esto induce tensiones residuales de compresión en la superficie y de tracción en el interior, aumentando la resistencia a la fatiga.

• No se aplica a aceros de bajo σe debido a las deformaciones plásticas que anulan las tensiones residuales.

CORRECCIÓN POR TEMPERATURA

• La influencia de la temperatura depende del material.

• A partir de 350ºC el límite de fatiga del acero disminuye y se presenta la fluencia lenta (creep).

• A partir de 250ºC pueden relajarse las tensiones residuales.

CORRECCIÓN POR CORROSIÓN• Las cargas de fatiga

producen una aceleración de la corrosión.

• La corrosión puede provocar entallas y mordeduras, con lo que disminuye el límite de fatiga.

• Retroalimentación.• Uniones soldadas en

agua marina reducen su vida de 2 a 4 veces.

CORRECCIÓN POR TEMPERATURA

• La influencia de la temperatura depende del material.

• A partir de 350ºC el límite de fatiga del acero disminuye y se presenta la fluencia lenta (creep).

• A partir de 250ºC pueden relajarse las tensiones residuales.

CURVA ε - N

• Se usa en fatiga de bajos ciclos.

• Las tensiones están cerca de la tensión de rotura.

• La tensión presenta una componente elástica y una plástica.

• Basquin (1910).

• Coffin y Manson (1950)

MODELOS DE CRECIMIENTO DE GRIETA

• Se basan en que existe una grieta.

• La velocidad de crecimiento de grieta depende del factor de intensificaciòn de tensiones ΔK, existente en el frente de la fisura.

• Ensayos sobre probeta preagrietada.

• Los resultados muestran diferentes modos de propagación en función de ΔK.

MODELOS DE CRECIMIENTO DE GRIETA

• Tramo AB: Debajo de ΔKth no se propaga• Tramo BC: Crecimiento de grieta.• Tramo CD: Crecimiento inestable y fallo.

MODELO DE PARIS Y ERDOGAN

• Tramo BC: Velocidad de crecimiento de grieta

MODELO DE PARIS Y ERDOGAN

• Resultados experimentales muestran considerable dispersión.

TENSIONES DE AMPLITUD VARIABLE

• Ensayos son de amplitud constante.

• Las cargas de fatiga son de amplitud variable.

• Método de análisis considera que:

- Diagrama de tensiones se descompone en ciclos de amplitud constante discretos.

- No interesa el orden en que se aplican los ciclos de tensión.

- La curva S-N es conocida.

TENSIONES DE AMPLITUD VARIABLE

• Historia de tensiones con 2 bloques de amplitud constante y su espectro correspondiente.

TENSIONES DE AMPLITUD VARIABLE

• Para hallar el espectro de cargas de banda ancha se usan:- Método de la “pagoda” o “recogida de lluvia”.- Método del “depósito” o de la “alberca”.

MÉTODO DE LA ALBERCA

MODELOS DE ACUMULACIÓN DE DAÑO

• Reglas de acumulación de daño como criterio para predecir la vida a fatiga bajo carga variable, sin recurrir a la experimentación.

• Modelos:

- Regla de Miner.

- Tensión equivalente.

REGLA DE PALGREM - MINER

• Considera que el daño es proporcional a la fracción de vida para los diferentes niveles de tensión.

• Condición para que no se produzca el fallo:

M = Σ ni/Ni < 1 (Índice de daño)

• Resultado no siempre conservador. Requiere factor de seguridad.

TENSIÓN EQUIVALENTE

• Historia de tensiones de amplitud constante que produzca el mismo daño a fatiga que la historia de tensiones de amplitud variable.

• Tensión equivalente Δσeq y número de ciclos Neq.

EFECTO DE LA SOLDADURA SOBRE LA RESISTENCIA A LA FATIGA

• Variable fundamental = Δσ

• σm (tracción) reduce σ-1

• σm (compresión) aumenta σ-1

• Grado de acabado no es igual que en la probeta.

EFECTO DE LA SOLDADURA SOBRE LA RESISTENCIA A LA FATIGA

• En estructuras metálicas soldadas las grietas generalmente se inician a partir de las soldaduras, debido a:

- Discontinuidades metalúrgicas.

- Defectos internos o superficiales (mordeduras, grietas, falta de fusión, falta de penetración, etc).

- Cambios de sección en bordes de soldadura a tope y en ángulo producen concentración de tensiones.

- Tensiones residuales en el material.

EFECTO DE LA SOLDADURA SOBRE LA RESISTENCIA A LA FATIGA

• Factores:

- Concentración de tensiones.

- Tensiones residuales.

- Discontinuidades.

CONCENTRACIÓN DE TENSIONES

• Casos típicos en piezas no soldadas

CONCENTRACIÓN DE TENSIONES

• Caso típico en piezas soldadas

CONCENTRACIÓN DE TENSIONES

• En materiales dúctiles bajo carga estática no tiene importancia (plastificación).

• Coeficiente de concentración de tensiones para fatiga:

Kf =Tensión de fatiga para probeta no entalladaTensión de fatiga para probeta entallada

• En materiales dúctiles Kf sólo se aplica a Δσy no a σm

CONCENTRACIÓN DE TENSIONES

• Kf para algunas uniones en ángulo

EFECTO DE LAS TENSIONES RESIDUALES

• Material de aporte y parte del material base se funden durante la soldadura.

• Algunas zonas se deforman plásticamente y otras lo hacen elásticamente.

• Luego del enfriamiento quedan tensiones residuales de tracción y otras de compresión (en equilibrio).

• Cerca del cordón de soldadura estas tensiones pueden ser cercanas al σe

EFECTO DE LAS TENSIONES RESIDUALES

• También se inducen tensiones residuales durante el montaje.

• Técnicas de mejora:

- Precalentamiento.- Control del aporte térmico.- Selección del proceso de soldadura.- Selección del número de pasadas.

EFECTO DE LAS TENSIONES RESIDUALES

• Tensiones residuales en unión a tope

EFECTO DE LAS DISCONTINUIDADES

• Discontinuidades originadas por la soldadura crean concentración de tensiones y afectan el límite de fatiga.

• Durante la preparación de la junta:

- Picaduras por corrosión- Rascaduras superficiales.- Defectos de corte (cizallado y oxicorte).- Excentricidad y defectos de alineación

EFECTO DE LAS DISCONTINUIDADES

• Durante el proceso de soldadura:- Porosidades.- Inclusiones de escorias.- Falta de fusión.- Falta de penetración.- Defectos de forma. Perfiles incorrectos.- Grietas.

POROSIDADES

• Presencia de cavidades debido a gases atrapados durante la solidificación del cordón.

• Gráfico de σ –1 en función del % de reducción de área (severidad de la discontinuidad).

• Normas limitan poro a máximo 0.25 t de plancha.

INCLUSIONES DE ESCORIAS

• Gráfico mostrando variación de σ –1

con la longitud media de la inclusión (para electrodos de bajo hidrógeno y rutílicos).

FALTA DE FUSIÓN

• Discontinuidad grave = Defecto

• Sobre todo si tensiones aplicadas son perpendiculares a la discontinuidad.

• Similar a falta de penetración.

FALTA DE PENETRACIÓN

• Discontinuidad grave = Defecto.

• Se fabrican probetas con faltas de penetración controladas en tamaño y se someten a ensayos.

FALTA DE PENETRACIÓN

• Gráfico de σ –1 en función del % de reducción de área (severidad de la discontinuidad).

DEFECTOS DE FORMA (PERFILES INCORRECTOS)

• Perfiles de cordón incorrectos afectan σ –1.

• Gráfica de σ –1 vs. Ángulo del perfil de cordón para una soldadura a tope con mordedura.

DEFECTOS DE FORMA (PERFILES INCORRECTOS)

• Gráfica de σ –1 en función del ángulo y del saliente de soldadura.

OTROS FACTORES

• Resistencia mecánica del material no tiene influencia en la vida a fatiga de materiales fuertemente entallados (uniones soldadas).

OTROS FACTORES

• Alteraciones metalúrgicas en el metal base:

- Grietas se inician y propagan en ZAC.

RESISTENCIA A FATIGA DE NUDOS SOLDADOS

• Influencia de la forma de unión sobre la resistencia a la fatiga.

• Soldaduras a tope (transversales y longitudinales).

• Soldaduras en ángulo (Sin transmitir carga y transmitiendo carga).

• Uniones tubulares.

SOLDADURAS A TOPE TRANSVERSALES

• Fallo por fatiga :• Grieta se inicia en el

borde del cordón.• Se propaga por el metal

base a través del espesor y perpendicular a la carga.

• Se debe a concentración de tensiones (exceso de material y desalineamiento).

SOLDADURAS A TOPE TRANSVERSALES

• En caso de cargas cíclicas el exceso de material produce concentración de tensiones y reduce σ –1

• Gráfico que muestra influencia del perfil del cordón sobre σ –1

SOLDADURAS A TOPE TRANSVERSALES

• Puede haber desalineamiento axial o angular de las planchas.

• Flexión en la unión equivale a un efecto concentrador.

SOLDADURAS A TOPE TRANSVERSALES

• Falta de penetración y grietas son los defectos más severos.

• Backing permanente no es recomendable.

• Escorias aisladas y porosidades distribuidas tienen poca influencia.

SOLDADURAS A TOPE LONGITUDINALES

• Exceso de material tiene la misma dirección de la carga por lo que no amplifica los esfuerzos.

• Fallas por fatiga son por interrupciones del soldeo o irregularidades del cordón.

SOLDADURAS A TOPE LONGITUDINALES

• Si la soldadura es por un solo lado se recomienda backing permanente ya que no introduce concentración y evita raíz irregular.

SOLDADURAS A TOPE LONGITUDINALES

• Placas adyacentes provocan severas concentraciones de tensiones sobre todo en los finales de soldadura.

SOLDADURAS EN ÁNGULO (FILETE)

• Son más sensibles al fallo por fatiga (cambio brusco de geometría).

• Gráfico muestra puntos de comienzo de grieta.

• Pueden ser uniones que no transmiten carga y uniones que si transmiten carga.

SOLDADURA EN ÁNGULO (FILETE) QUE NO

TRANSMITE CARGA

• Fallo por concentración de tensiones. Tamaño y forma del cordón son relevantes.

• Son importantes la longitud de la plancha “postiza”, su espesor o ancho en caso estésolapado a la plancha principal. A veces predomina el espesor de la plancha principal.