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

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.


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


• 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.


• 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.


• Factores:

- Concentración de tensiones.

- Tensiones residuales.

- Discontinuidades.

CONCENTRACIÓN DE TENSIONES

• Casos típicos en piezas no soldadas


• Caso típico en piezas soldadas


• 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


• 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


• 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.


• 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).


• 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


• Puede haber desalineamiento axial o angular de las planchas.

• Flexión en la unión equivale a un efecto concentrador.


• 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.


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


• 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.

SOLDADURA EN ÁNGULO (FILETE) QUE NO TRANSMITE CARGA

• Soldadura en ángulo transversal a la carga. Doble cordón.


• Soldadura transversal a la carga. Doble cordón :• Grieta se inicia en borde de cordón y se propaga a

través de la plancha.• Perfil del cordón es determinante.


• Soldadura transversal a la carga. Simple cordón :• Grieta se inicia en borde de la raíz.


• Soldadura paralela a la carga :

• Si longitud de las planchas “postizas”aumenta, disminuye σ –1 .

• Cordones transversales en los extremos no mejoran σ –1.


• Soldadura paralela a la carga :• Si plancha “postiza” se solapa también se reduce σ –

1.• La adición de cordón de sellado reduce más σ –1.• Soldadura intermitente en vigas reduce 30% σ –1.

SOLDADURA EN ÁNGULO (FILETE) QUE SI TRANSMITE CARGA

• Son importantes el tamaño de la garganta del cordón y la disposición de los cordones respecto a la carga.

SOLDADURA EN ÁNGULO (FILETE) QUE SI TRANSMITE CARGA

• Fallo puede comenzar en la raíz y propagarse a través del espesor de la plancha o comenzar en el borde y propagarse a través del metal base.

• Todo depende de la relación entre el pie de la soldadura y el espesor de la plancha principal (Roptimo = 1).

UNIONES TUBULARES

• Métodos de estudio :

• Método de fatiga.

• Método de la tensión geométrica (tubos con t > 12.5 mm y celosías tubulares con t > 8mm)

• Ver Eurocódigo 3

MÉTODOS DE MEJORA DE LA RESISTENCIA A FATIGA

• En piezas lisas el período de iniciación de grietas es del orden de 90 % de la vida total de la pieza.

• En uniones soldadas el período de iniciación de grietas es del orden de 10 – 30 % de la vida total de la unión.

• Luego, los métodos de mejora buscan retrasar la iniciación de grietas.

• Son más efectivos en aceros de alta resistencia.


• Métodos que modifican la geometría de la unión soldada:

- Reducen el coeficiente de concentración de tensiones.

- Eliminan los defectos que puedan originar fisuras.

• Métodos que introducen tensiones residuales:- Eliminan las tensiones residuales de tracción.- Introducen tensiones residuales de compresión.


• Métodos más utilizados en la industria:

- Rectificado de la soldadura.- Refusión con TIG de la zona del borde de la soldadura.

- Martilleado de la soldadura.- Granallado de la soldadura.

RECTIFICADO DE LA SOLDADURA

• Rectificado hasta h = 0.5 mm por debajo de la mordedura.• Aumento de vida a fatiga entre 25 y 100%.• Inconveniente en zonas de difícil acceso.

RECTIFICADO DE LA SOLDADURA

REFUSIÓN POR TIG

• Consiste en refundir con TIG el borde de la soldadura.

• Aumento de vida a fatiga entre 10 y 100%.

MARTILLEADO

• Se usa martillo de bola (neumático) de 6 –14 mm Φ.

• Resultado óptimo en 4 pasadas.

• Martilleado excesivo puede provocar fisuras.

GRANALLADO

• Se usan pequeños proyectiles de acero a gran velocidad, lo que induce tensiones residuales de compresión.

• Cubre grandes áreas a costo reducido.

• Aumento de vida a fatiga entre 30 y 100%.

INSPECCIÓN Y CALIDAD

• Es muy importante la calidad de la soldadura.

• EC3 clasifica las uniones por categorías.

• Mayor inspección => mayor categoría => mayor resistencia a fatiga en cálculos.

• Si se detecta grieta => Hacer agujero de Φ < 25 mm en vértice de grieta. No soldar.

CONSIDERACIONES DE DISEÑO

• Evitar la concentración de tensiones.• Evitar coaccionar las piezas con el fin que

puedan dilatar y retraer libremente.• Evitar estados biaxiales o triaxiales de

tensiones de tracción.• Evitar las entallas en la soldadura o en el

metal base.• Situar las soldaduras en zonas poco

tensionadas.

CONSIDERACIONES DE DISEÑO• Alinear la dirección de laminación del metal base

con la dirección de la tensión.• Prestar atención al detalle (Δσ y tipo de unión más

desfavorable).• Prestar atención a elementos secundarios

(accesorios sólo para montaje deben ser retirados).

• Usar sólo soldaduras en ángulo simétricas respecto de la plancha. Evitar cordones por una sola cara.

• Evitar soldaduras intermitentes si tensiones son altas.

• Inspección adecuada.

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