Estructuras.

   Son conjuntos de elementos unidos entre sí y colocados de tal forma que permanecen sin deformarse ni desplomarse soportando las fuerzas o pesos para los que han sido proyectadas.
Los diferentes elementos de las estructuras trabajan conjuntamente. Cada uno cumple una función determinada y  transmiten las fuerzas a los puntos donde se apoyan.
Todos los cuerpos poseen una estructura que les permite mantener su forma y no deformarse o romperse por la acción de las fuerzas que actúan sobre ellos.

Cargas de una estructura.

Las cargas son fuerzas que actúan sobre una estructura. Hay dos tipos principalmente:

a) Cargas fijas o permanentes: Afectan siempre de la misma manera a la estructura, no varían con el paso del tiempo. Por ejemplo el peso propio de la estructura, es decir el peso de los materiales de los que está constituida la estructura. Otro ejemplo es el peso de los objetos que siempre están sobre la estructura.

b) Cargas variables: Varían con el paso del tiempo o solo aparecen en ocasiones y no tienen el mismo valor. Por ejemplo la fuerza del viento, el peso de la nieve y el peso de los vehículos sobre un puente.

   Las  cargas afectan a  la  estructura  de  diferente manera, pues  depende del tipo de estructura, del material del que está construida, de la intensidad de la carga, de la dirección de la misma y del punto de aplicación.

 REPRESENTACIÓN DE UNA CARGA VARIABLE EN UNA ESTRUCTURA:

Fatiga estructural

LA FATIGA

La fatiga es un proceso de degeneración de un material sometido a cargas cíclicas de valores por debajo de aquellos que serían capaces de provocar su rotura mediante tracción. Durante dicho proceso se genera una grieta que, si se dan las condiciones adecuadas crecerá hasta producir la rotura de la pieza al aplicar un número de ciclos suficientes. El número de ciclos necesarios dependerá de varios factores como la carga aplicada, presencia de entallas… 

Si bien no se ha encontrado una respuesta que explique totalmente la fatiga se puede aceptar que la fractura por fatiga se debe a deformaciones plásticas de la estructura de forma similar a como ocurre en deformaciones monodireccionales producidas por cargas estáticas, con la diferencia fundamental de que bajo cargas cíclicas se generan deformaciones residuales en algunos cristales. Incluso bajo cargas pequeñas pueden aparecer estas bandas de deslizamiento, aumentando con el número de ciclos llegando a provocar la aparición de una fisura. Este proceso inicial, que se puede denominar nucleación, se da preferentemente en granos próximos a la superficie produciendo los efectos de intrusión y extrusión, facilitando la existencia de la intrusión la propagación de la grieta debido a la tracción.

También puede iniciarse el proceso en puntos que presenten algún tipo de irregularidad como inclusiones, discontinuidades superficiales, etc. La siguiente fase es la de crecimiento de grieta que puede dividirse a su vez en dos fases. La primera fase supone el crecimiento de una grieta corta en pequeñas distancias del tamaño de pocos. En esta fase, dado que el tamaño de la grieta es comparable al de los elementos característicos de la microestructura del material, dicha microestructura (tamaño de grano, orientación de los mismos…) afecta en gran medida al crecimiento de la grieta.

La segunda fase consiste en un crecimiento de la grieta normal al plano principal de tensiones. En este caso de grietas más largas la microestructura del material afecta en menor medida al crecimiento de la grieta dado que la zona de plastificación creada por el propio crecimiento de la grieta es mucho mayor que las dimensiones características de la microestructura.

Criterio y método para diseñar por fatiga

Para el cálculo de esfuerzos y deformaciones, se había supuesto que las cargas eran de un solo ciclo, es decir, que se aplicaban una sola vez al elemento. El comportamiento de los elementos se estudió entonces mediante conceptos de estática y propiedades del material para un solo ciclo. Las fallas ocurridas debido a cargas de un solo ciclo son llamadas “fallas estáticas”.

En la realidad la gran mayoría de los elementos mecánicos o estructurales se someten a cargas repetidas durante un gran número de ciclos. Las fallas ocurridas debido a cargas repetidas se llaman “fallas por fatiga” y estas se observan casi siempre despues de un período considerable de servicio.

 

La carga de fatiga consiste en la aplicación y retiro continuos de una carga, en base a la cantidad de veces que se aplique y retire la carga, la fatiga se clasifica en “fatiga de bajos ciclos” (menos de 10 3 ciclos) y fatiga de altos ciclos (mas de 10 3 ciclos). Por ejemplo, una fibra particular sobre la superficie de un eje rotatorio que gira a 1800 RPM, la fibra es esforzada a tensión y a compresión 1800 veces en un minuto.

 Eje rotatorio sometido a la acción de cargas de flexión

 Cuando un elemento se somete a cargas fluctuantes, se puede desarrollar una grieta en el punto de esfuerzo (o deformación) máximo. Los mecanismos de iniciación de la grieta por fatiga son muy complicados, sin embargo, desde el punto de vista de ingeniería, las grietas por fatiga se inician generalmente en la región del esfuerzo máximo a tracción

 

Formas esquemáticas de fallo por fatiga para bajos esfuerzos

Forma esquemática de fallo por fatiga para altos esfuerzos

 Determinación de la resistencia a la fatiga

 En los ensayos de laboratorio, para obtener información acerca de la resistencia a la fatiga de los materiales, se tornean varias probetas idénticas, las cuales se ensayan en diferentes intervalos de esfuerzos, hasta que se inicie una grieta. Por lo general la aparición de una grieta se mide visualmente, pero se puede determinar mediante un cambio en el desplazamiento de la probeta. Con los resultados de estos ensayos, se puede determinar la resistencia a la fatiga.

El dispositivo para ensayos de fatiga mas ampliamente utilizado es la máquina de viga giratoria de alta velocidad de R.R. Moore. Esta máquina somete a la probeta a flexión pura por medio de pesos. La probeta que se usa se tornea y se pule muy cuidadosamente, recibiendo un pulimento final en la dirección axial, para evitar ralladuras circunferenciales.

 

Máquina de viga giratoria de alta velocidad para ensayos de fatiga (Maquina de Moore)

Dimensiones de la probeta