FALLA EN ESTRUCTURAS DE ACERO
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.
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.
Los modos de falla más frecuentes son plasticidad, fractura, fatiga, desplazamientos, creep y corrosión.
Plasticidad
- Manifestación: mecanismos, grandes deformaciones son posibles.
q Origen: estructura microscópica (i.e. deslizamiento de cristales).
q 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.
q Modelos:
constitutivas no lineales,
cinemáticas lineales
Falla de una probeta por plasticidad.
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 un barco por fractura.
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.
Falla por
fatiga de un eje.
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.
Grandes desplazamientos (estables) en una
placa de un compuesto cementicio flexible.
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 creep de una construcción
histórica
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
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.
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