DAÑOS MAS COMUNES EN EL ACERO POR FATIGA EN ESTRUCTURAS

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     Las estructuras de acero son especialmente vulnerables a la falla por fatiga y su ocurrencia depende del número de aplicaciones de cargas y de la magnitud del recorrido de los esfuerzos. Las fallas por fatiga se originan generalmente en una zona de concentraciones de esfuerzos, donde aparece una primera grieta diminuta. A medida que se aplican los diferentes ciclos de cargas, esa grieta inicial se va extendiendo en las zonas cercana, y como consecuencia disminuye la resistencia del elemento, hasta que esta falla sobreviene súbitamente luego de años de un servicio supuestamente óptimo.

       Las soldaduras son las partes de las estructuras metálicas más propensas a la falla por fatiga, sobre todo cuando el material de aporte se ha enfriado muy rápidamente, y se vuelve más frágil que el metal base, por lo cual son focos potenciales de fractura. En genera el mejor comportamiento a fatiga en uniones soldadas se logran en empalmes a topo con soldadura de ranura, posteriormente esmerilando de forma cuidadosa los bordes. El tratamiento térmico también beneficia el comportamiento en régimen de fatiga.

Algunos de los factores que influyen en el límite de fatiga son.

1. ·         La relación entre esfuerzo unitario máximo y el esfuerzo cedente del material.
2. ·         La concentración de esfuerzos en puntos localizados de un miembro estructural.
3. ·         La naturaleza del esfuerzo: flexión, compresión, tracción, corte y torsión.
4. ·         El factor de ductilidad del miembro solicitado a fatiga.

DAÑOS OCACIONADOS POR LA FATIGA.

Los problemas de fatiga son usuales en aviones, puentes sujetos a frecuentes vibraciones, rampas que soportan cargas cíclicas o repetitivas. Los experimentos realizados en laboratorios demostraron que la falla por fatiga se puede producir en las estructuras de acero.

• 1.    En metal base.
• 2.    En las uniones soldadas.
• 3.    En las conexiones empernadas o remachadas.

Daños en miembros de acero soldados.

El diseño de puentes de acero, ha captado la atención de los especialistas del mundo entero y se basa en los resultados de los ensayos, permitiendo establecer esfuerzos máximos para diferentes tipos de fatigas, con ciclos de carga de hasta 3 millones de repeticiones. Los ensayos se puede deducir la importancia crítica que tiene las uniones soldadas en el comportamiento a fatiga de los miembros conectados, dando lugar a una fractura tipo frágil.

Para evitar este fenómeno se debe inducir siempre en el diseño la formación de rotulas plásticas en los miembros, lejos de las conexiones. Analizando especímenes de diferentes puentes metálicos soldados sujetos a regímenes de fatiga se llegó a concluir que los daños más comunes se ubican en los siguientes.

• ·         En el extremo inferior del alma, en las proximidades del ala traccionada, en la unión de los rigidizadores de corte con el alma.
  
• ·         En los bordes de apoyo de las vigas, por concentraciones de esfuerzo.
• ·         En los extremos de unión de las diagonales cruzadas de arriostramiento con un miembro principal.
• ·         En los extremos de los rigidizadores de soporte, en la unión con el alma de la viga, por las vibraciones soportadas.
• ·         Penetrando la soldadura de los rigidizadores de soporte del alma, por desplazamiento debido el pandeo lateral torsional
• ·         En los puntos de contacto de los nervios longitudinales con las planchas rigidizadoras, por vibraciones.

Daños en miembros de acero remachados o empernados.

Entre los factores más importantes que afectan la resistencia a fatiga de los conectores mecánicos se puede mencionar.

• ·         El numero de ciclos de cagar.
• ·         El tipo de conectores y la forma de trabajo
• ·         Las fuerzas de apriete.
• ·         La longitud de agarre.
• ·         La forma de distribución de los conectores en la conexión.
• ·         Las fuerzas de palanca.

ff  El problema más importante en la resistencia a fatiga de las conexiones empernadas o remachadas consiste en la correcta evaluación de las concentraciones de esfuerzos en los bordes de los huecos bajo cargas cíclicas, los cuales reducen la sensibilidad la capacidad de resistir cargas.

La frecuencia con que los puentes de ferrocarril con uniones remachadas fallan por fatiga, estimulo el uso de pernos de alta resistencia a la ficción, pero cuando la fatiga controla el diseño solo se permite el uso de pernos A325 o A490, para los cuales las fuerzas de apriete exigida es mayor que en los pernos A307.

Los estudios han demostrado q las planchas empernadas o remachadas sujetas a fatiga, la falla se produce generalmente en las planchas conectadas antes que en los conectores, en otros casos la falla ocurre en el área neta de las uniones empernadas, una cuidadosa ejecución de las uniones mejora notablemente la  resistencia a la fatiga de los miembros empernados, se debe recordar que toda variación abrupta en el ancho de las planchas conectadas produce concentraciones de esfuerzos que favorecen la falla en fatiga.

REPARACIÓN DE DAÑOS POR FATIGA.                           

Las medidas de rehabilitación y reparación de estructuras de acero dañadas por fatiga, depende de los niveles de fisuracion alcanzados. En fisuras no mayores a 20 mm de longitud, es usual pasar un cordón de soldadura por encima de la misma, en ambas caras de la plancha afectada, de modo de fusionar el metal base y el electrodo.

En fisuras de mayor longitud, la solución es cortar y retirar la zona que está deteriorada, y reemplazarla por otra nueva plancha y soldarla en todo su perímetro. A continuación, se debe tratar toda la superficie con un revestimiento protector. En casos de puentes con ariostramiento de diagonales cruzadas, las cargas axiales actuales en los extremos de los tensores, pueden producir grandes daños por fatiga en los elementos, estos casos se deben agregar nuevos arriostramientos, que permitan reducir las cargas en los existentes.

En ciertos casos aparecen fisuras en las planchas de apoyo de las vigas de puente, especialmente en las soldaduras de tipo filete que conectan ambas planchas con el ala inferior de las secciones, o en la soldadura entre ala y l alma. Este efecto es la consecuencia del impedimento del extremo de la viga a rotar  libremente en el apoyo.

En estos casos se debe sustituir la plancha de apoyo y colocar en su lugar otra más rígida y resistente, además se colocarán nuevos rigidizadores o nervios adicionales en el alma para reforzar el apoyo y planchas de empalme con pernos de alta resistencia. Otro problema que se puede presentar en puentes es la necesidad de reemplazar p reforzar uniones remachadas o empernadas, desgastadas por fatiga la siguiente tabla explica las formas sugeridas para la reparación de conexiones dañadas en puentes.

Cuando se reparan una estructura de acero mediante nueva soldadura, se debe tener especial cuidado de no introducir nuevas solicitaciones por continuidad de los cordones. Por ejemplo, un sistema isostático se puede transformar en hiperestático vinculado por el agregado de soldadura adicionales, ello origina redistribución de las solicitaciones, lo cual puede dar a lugar a la aparición de nuevas fisuras. En consecuencia, toda reparación o refuerzo debe respetarse los criterios del diseño original.

Siempre que se refuerza una conexión o se sustituye alguna plancha dañada de un miembro estructural, es conveniente realizar ensayos no destructivos luego de finalizada la reparación, para asegurarse de la resistencia lograda. En todos los casos debe recordarse que una inspección inadecuada o poco frecuente de los puentes de acero, así como un mantenimiento pobre, dará lugar a un deterioro perpetuo de la estructura, corrosiones y falla en las conexiones. Estas han sido las causas principales de colapso incipiente y hasta derrumbe de muchos puentes antiguaos.