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.
- · La relación entre esfuerzo unitario máximo y el esfuerzo cedente del material.
- · La concentración de esfuerzos en puntos localizados de un miembro estructural.
- · La naturaleza del esfuerzo: flexión, compresión, tracción, corte y torsión.
- · 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.
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