Criterios y métodos para diseñar por fatiga

Conociendo que la fatiga es el proceso de un localizado, permanente y progresivo cambio estructural sufrido por un material sujeto a condiciones que le producen tensiones y deformaciones en uno o varios puntos y que puede conducir a la producción de fisuras o a la rotura después de un número suficiente de fluctuaciones. Por lo general en estructuras convencionales no es de suma importancia considerar la fatiga durante el diseño, análisis y fabricación; es común que esta sea incluida como precaución para evitar agrietamientos por la fatiga y la propagación de este.

Independientemente del régimen de fatiga (alto o bajo ciclaje) es importante tener presente en el detallado, la fabricación y la inspección de estructuras de acero que la falla por fatiga se producirá cuando concurran algunas de las siguientes condiciones:

1.    1. Tensiones elevadas. Las tensiones de tracción disminuyen la resistencia a fatiga.

1.    2. Elevado número de ciclos de carga, generalmente mayor de 2 x 10^6.

3.    3. Presencia de tensiones residuales.

4.    4. Concentración local de tensiones debido a cambios bruscos de secciones, entalladuras, hendimientos, falta de homogeneidad y defectos en el material como las inclusiones de impurezas, socavación, desgarramiento laminar, defectos macroscópicos, burbujas de gas, defectos superficiales, presencia de poros, inclusiones de escoria, burbujas de gas en el metal de aporte, fusión incompleta, falta de penetración de la soldadura.

 

5.    5. El terremoto de Northridge de 1994, como ejemplo de régimen de fatiga de bajo ciclaje, demostró que la rotura en las conexiones empezó a propagarse a partir de las soldaduras debido a que la mayoría de los procesos de soldadura dejan discontinuidades a partir de las que pueden propagarse las fisuras. La mayor parte de las soldaduras estructurales presentan un perfil sin pulir. Los cambios acusados de dirección se localizan en los bordes de las soldaduras a tope y en los bordes y primeros cordones de las soldaduras en ángulo.

 

a) Rugosidad de la superficie de soldaduras a tope y de filete. En las soldaduras a tope con ranura deben esmerilarse cuidadosamente los bordes de preparación de las soldaduras.

 

b) En las juntas con conectores mecánicos, además del número de ciclos de carga, la sensibilidad a la falla por fatiga depende también del tipo de conectores y las formas de trabajo (no se permiten pernos A307 y en las conexiones tipo fricción no se permite deslizamiento), fuerzas de apriete, longitud de agarre, distribución de los conectores en la conexión.

c) Temperaturas extremas, frías o calientes. A bajas temperaturas los metales suelen incrementar su resistencia a fatiga aunque por otro lado se hacen más sensibles a la rotura frágil por impacto.

 

1.    6. El exceso de calor al depositar el cordón de soldadura causa cambios cristalográficos en la composición del metal base. Los tratamientos térmicos mejoran el comportamiento a fatiga.

 

a) Tratamientos superficiales: Algunos tratamientos como el martilleado, el granallado o el laminado en frío generan tensiones de compresión que incrementan la resistencia a fatiga.

 

b) Las piezas de mayor tamaño son más sensibles al efecto entalla debido a la mayor probabilidad de que existan puntos débiles o defectos.

 

c) Cuanto más rugosas son los acabados superficiales mayor sensibilidad a la fatiga.

 

2.    7. Los defectos y entallas superficiales son más perjudiciales que los internos.

 

a) La corrosión progresa más rápidamente con cargas de amplitud variable. La presencia de corrosión provoca entallas y mordeduras. En la Sección 3.1 del Anexo 3 AISC 360-16 se especifica que éste es sólo aplicable a estructuras con protección adecuada a la corrosión.

 

b) Los aceros de alta resistencia son más sensibles al efecto entalla por lo que en términos relativos su resistencia a fatiga es menor.

 

c) La resistencia a la fatiga es independiente de la frecuencia de la carga cíclica. La existencia de periodos de reposo entre los ciclos de carga incrementa la resistencia a la fatiga.

 

Resistencia a la fatiga

La resistencia a la fatiga de un componente se define como el rango de tensión (ΔσR) que, fluctuando a una amplitud constante, origina el agotamiento de dicho componente tras un número especificado de ciclos (N). El rango de tensión es la diferencia entre los 

puntos máximo y mínimo del ciclo. El número de ciclos hasta la rotura es lo que denominamos resistencia o vida a la fatiga.

La expresión que relaciona N y ΔσR (ecuación dada en donde a y m serán conocidos para cada tipo de componente), suele representarse, para mayor comodidad, en escala logarítmica como una línea recta. Su representación gráfica se denomina la curva S-N.

logN = log a - m logΔσR

Esta relación se limita a la rotura estática que se produce cuando se supera la resistencia límite del material cuando el número de ciclos es bajo. En resistencias a fatiga superiores a los 5-10 millones de ciclos, los rangos de tensión son demasiado pequeños para permitir el crecimiento bajo una carga de amplitud constante. Este límite se denomina de tensión no propagadora ΔσD. ya que para rangos inferiores las fisuras no se propagarán.

 

Influyentes en resistencia a la fatiga

• Tensión media: Cuando es de tracción diminuye la resistencia a fatiga.

• Efecto entalla: Por la falta de homogeneidad, la existencia de defectos macroscópicos superficiales, la presencia de roscas, taladros, soldadura, cambios de sección, etc.

• Tamaño: Las piezas de mayor tamaño son más sensibles al efecto entalla debido a la mayor probabilidad de que existan puntos débiles o defectos.

• Acabado superficial: Cuanto más rugosas son las superficies rugosas más sensibles son. Además, los defectos y entallas superficiales son más perjudiciales que los internos.

• Tratamientos superficiales: Algunos tratamientos como el martilleado, el granallado o el laminado en frío generan tensiones de compresión aumentando la resistencia a fatiga.

• Temperatura: A bajas temperaturas los metales suelen aumentar su resistencia a fatiga, aunque por otro lado se hacen más sensibles a la rotura frágil.

• Corrosión: La corrosión progresa más rápidamente con cargas de amplitud variable. La presencia de corrosión provoca entallas y mordeduras.

• Tipo de acero: Los de alta resistencia son más sensibles al efecto entalla por lo que su resistencia a fatiga es menor en términos relativos.

Cargas dinámicas

Son aquellas cargas que actúan sobre la estructura en forma repentina, variando su magnitud y ubicación durante el transcurso del tiempo.

 

Tipos:

• Viento: La acción dinámica del viento puede provocar vibraciones de magnitud variable a las estructuras sobre las que incide, en particular a las muy esbeltas.

• Tráfico de vehículos y ferroviario: Provoca vibraciones en los puentes y los túneles.

• Oleaje: Da lugar a acciones dinámicas. La magnitud de la fuerza depende de las características de las olas, su forma, su tamaño y la profundidad del objeto impactado.

• Acción de las personas: Es una consecuencia de movimientos rítmicos continuos como el hecho de caminar sobre una pasarela, correr, bailar, saltar o desfilar.

• Maquinaria: En general las máquinas en su funcionamiento pueden provocar distintas fuerzas dinámicas dependiendo de su aplicación, condiciones de operación y grado de mantenimiento. Dependen fundamentalmente del tipo de movimiento de la máquina. Los desequilibrios, desalineamientos, etc. son también fuente de vibraciones.

• Otras cargas: Terremotos. Explosiones. Impactos.  

 

Método de calculo de la vida útil.

Para aplicarlo, deberá estar disponible en términos de secuencia y de frecuencia de carga la historia de servicio prevista de la estructura. Debe conocerse en términos del ciclograma de tensiones la respuesta en los puntos de iniciación potencial de la fisuración.

Además deben estar disponibles en términos de curvas de fatiga, las características de resistencia a la fatiga en los puntos potenciales de iniciación de fisuras.

Se comprobarán en primer lugar los emplazamientos de iniciación potencial de fisuras por fatiga en aquellas zonas de la estructura que contengan las fluctuaciones más altas de tensiones y/o las concentraciones más importantes de tensiones. El procedimiento básico incluye las siguientes etapas:

a) Secuencia de carga. Se debe obtener una estimación del límite superior de la secuencia de cargas de servicio para la vida prevista de la estructura. Definición del registro elemental de cargas repetido n veces en la vida de la estructura

b) Ciclograma de tensión. Deberá estimarse la historia o ciclograma de tensiones resultante en los puntos de iniciación potencial de fisuras que se vayan a comprobar. Cuando se utilicen las tensiones nominales, se modificará el ciclograma en toda zona de concentración de tensiones geométricas que no esté ya incluida en la categoría del detalle mediante un factor de concentración de tensiones.

c) Cómputo de ciclos. El ciclograma de tensiones debe reducirse a un número de ciclos equivalente (ni) de carreras de tensión (Δσi) diferentes utilizando una técnica de cómputo de ciclos.

d) Espectro de carreras de tensión. Los ciclos deben clasificarse en orden descendente de amplitud Δσi para formar un espectro de carreras de tensión, donde i=1, 2, 3, etc., para las bandas del espectro.

e) Ciclos hasta la rotura. Una vez categorizado el detalle, para la categoría del detalle y la carrera de tensión de cálculo Δσi apropiadas, se determinará el número de ciclos de ruina Ni.

f) Mediante la regla de Palmgren-Miner se calculará el daño total DL para todos los ciclos, siendo:

g) Finalmente se calculará la vida útil TS a partir de la vida de cálculo TL y del daño total DL

En caso de que la vida útil TS sea inferior a la vida de cálculo TL deberá recalcularse la estructura o el elemento en cuestión buscando reducir los niveles de tensión o bien se procederá a cambiar el detalle por otro que presente una categoría superior.

Aaron Durán, 25.912.631

José Quevedo, 29.705.597