MECANICA AVANZADA DE MATERIALES Dr. Luis A. Godoy 2005
6. ANALISIS DE FALLAS ESTRUCTURALES A los efectos de la mecánica de materiales, usaremos una definición funcional de falla (Muchos autores prefieren hablar de estado limite). Falla es una condición no deseada que hace que el elemento estructural no desempeñe una función para la cual existe. Una falla no necesariamente produce colapso o catástrofe. •
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Mecanismo de falla, es el proceso o secuencia que ocurre en el elemento estructural cuando falla. Puede haber un mecanismo de falla o varios que se acoplan. Ejemplos: mecanismo de pandeo, mecanismo de fractura. Modo de falla, es la configuración (geométrica) que adopta el elemento estructural cuando falla. Ejemplos: Modo II de fractura, modo local de pandeo. Parámetro crítico, es un indicador asociado a la falla. Se usan indicadores, como tensión, deformación, desplazamiento, carga, número de ciclos de carga, energía, etc. Ejemplo: carga critica de pandeo, número de ciclos de fatiga. Criterios de falla, permiten predecir el modo de falla. Ejemplos: criterio de plasticidad de von Mises, criterio energético de estabilidad.
La falla de un objeto estructural puede significar la falla del sistema al que pertenece. Ejemplo: La falla de una tubería que pertenece al circuito primario de refrigeración de una central nuclear puede detener la central, hacerla fallar. Importancia de contar con redundancia en el desempeño de funciones. Metodología de trabajo para tratar fallas: ¿Cuáles son las funciones a preservar? ¿Cuáles son las fallas funcionales? ¿Cuáles son los modos de falla? ¿Cuáles son los efectos de esos modos? ¿Cuáles son las consecuencias de los efectos? ¿Cuáles son las tareas que hay que aplicar para minimizar las consecuencias? ¿Cuáles son las frecuencias de esas tareas? 7. MODOS DE FALLA FRECUENTES EN ELEMENTOS ESTRUCTURALES Los modos de falla más frecuentes son plasticidad, fractura, fatiga, desplazamientos, creep y corrosión.
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Plasticidad Manifestación: mecanismos, grandes deformaciones son posibles. Origen: estructura microscópica (i.e. deslizamiento de cristales). Plasticidad local >>> redistribución de tensiones a zonas con menores tensiones. Materiales dúctiles, capaces de desarrollar deformaciones grandes. Propagación de plasticidad: Fluencia de una parte considerable del objeto estructural. Caracterización: Límite de fluencia, superficies de fluencia, strain hardening. Factores que influyen: Procesos de carga/descarga, ritmo de carga, estados multiaxiales, temperaturas altas. Modelos: constitutivas no lineales, cinemáticas lineales Fractura Manifestación: Se rompe el material antes de tener deformaciones grandes. Origen: Defectos locales en el material a nivel microestructural. Fractura repentina en materiales “frágiles”: rocas, fundición, etc. Fractura de materiales "dúctiles" con defectos (fisuras, concentración de tensiones, ranuras, etc.). En materiales dúctiles puede haber rotura frágil. Propagación de fisuras: extensión de una fisura de manera continuada. Inestabilidad de fisuras. Modo de falla: Iniciación de superficies interiores. Separación de la estructura en partes. Factores que influyen: bajas temperaturas, cargas dinámicas, habilidad del material para absorber energía. Caracterización: Resistencia a fractura (fracture toughness), longitud critica. Modelos: deformaciones plásticas pequeñas.
Falla de una probeta por plasticidad.
Falla de un barco por fractura.
Grietas en una construcción antigua.
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Fatiga Manifestación: Fractura progresiva. Causa: Estados tensionales repetidos o cíclicos. Falla sin aviso previo visual. Factores que influyen: concentración de tensiones, cambios abruptos de sección, fisuras, etc. Caracterización: Número de ciclos límite, resistencia a la fatiga.
Desplazamientos instantáneos Origen: esbeltez del objeto estructural. Modo 1: Desplazamientos grandes con equilibrio estable. Modo 2: Pandeo (equilibrio inestable), falla en la forma estructural. No se consideran aquí fallas por modos de pandeo, que están dominados por la geometría y no por el material. Esas fallas se tratan en un curso especial. Modo 3: Vibraciones. Consecuencias: ruido, golpes entre partes que se mueven, grandes desplazamientos transitorios. Modelos: constitutivas elásticas, cinemáticas no lineales Reducción de desplazamientos: modificación de la forma, redimensionar secciones. No influye tanto cambiar el material. Factores que influyen: relaciones geométricas. Consecuencias: problemas operativos, colapso, inseguridad del usuario. Creep Manifestación: Desplazamientos diferidos en el tiempo. Origen: en metales y cerámicos ocurre una difusión de vacancias, con cambio de forma en los granos. Deslizamiento de granos, formación de cavidades a lo largo de los bordes de granos. Causa: tensiones actuando durante tiempos largos. Factores que influyen: temperaturas, Problemas de material.
Falla por fatiga de un eje.
Grandes desplazamientos (estables) en una placa de un compuesto cementicio flexible.
Falla de un tanque por pandeo.
Falla por creep de una construcción histórica
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en madera.
Corrosión Manifestación: Pérdida de material en el espesor de un elemento. Reducción de dimensiones de una sección. Origen: acción química o ambiental. Factores que influyen: agresividad del medio.
Falla por corrosión de un bulón en un puente.
Cambios en el material pueden modificar el modo de falla. Ejemplo: reforzar un puente con material compuesto reforzado con fibras puede cambiar un modo de falla flexional por uno en compresión, que es mas frágil. 8. ESCALAS EN EL ESTUDIO EN FALLAS EN MATERIALES Este curso trata de fallas en el nivel de macro estructura y en algunos casos debe referirse a la micro estructura del material. Surgen interrogantes sobre o ¿Hasta dónde se puede considerar que la materia es un medio continuo, siendo que varios órdenes de magnitud por debajo de las medidas de una macro estructura hay granos del material, fibras, etc.? o ¿Cómo se compatibiliza la idea de tensor de tensiones, para el que se toma limite en un medio continuo, con la de un objeto que en cada nivel de consideración presenta aspectos diferentes? Macro estructura: estructuras y componentes estructurales. Entre 10 m y 10-1 m >>> (automóviles, aviones, edificios, infraestructura civil, etc.). Relaciones debidas a elasticidad, plasticidad.
Tubo de hormigón en una estación de tratamiento de residuos cloacales, atacado por corrosión inducida por agentes biológicos. Tomado de: “Biodeterioration and rehabilitation of sewage treatment station”, L. C. Mendes et al. (2005), Damstruc, pp. 256-271.
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Micro estructura: entre 10-5 m y 10-3 m (micrones), Formaciones características del material que lo definen en escalas de 50 a 250 µm: granos en aleaciones metálicas, fibras de compuestos. Relaciones fenomenológicas, actualmente modelación de la micro estructura. Nano estructura, 10-9 m, átomos. El nivel de nanoestructura es estudiado mayormente por físicos y químicos. La nano-tecnología intenta diseñar materiales en el nivel atómico.
Orígenes de fisuración por fatiga en un acero. Tomado de Dowling, 1999.
Mecanismo de deformación de un cristal perfecto en nivel atómico.
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