Mecanica de la fractura

Mecanica de la fractura

A lo largo de los años la aplicación de los materiales en el diseño ingenieril ha dado origen a no pocos problemas y dificultades. En la Edad de Piedra los problemas más importantes derivaban de la dificultad en el conformado de los materiales. En los primeros tiempos de la Edad de Bronce y en la Edad de Hierro las dificultades eran tanto de producción de los materiales como de conformación. Durante muchos siglos el conformado de los metales fue una tarea extre- 15 madamente laboriosa y costosa, para su utilización en armamento y en defensas bélicas, herramientas y ornamentos. Con el desarrollo del conocimiento en el procesado se aumentó progresivamente el uso de los metales en las estructuras, junto a la madera, pero ello originó que a veces las estructuras no se comportaran satisfactoriamente y se producían fallos inesperados, particularmente en ingenios armamentísticos y elementos bélicos de defensa. También son notables en esta época los problemas derivados de roturas catastróficas en uniones de estructuras de madera. El diseño de estructuras para evitar la fractura no es una idea nueva; recordemos las disposiciones de Julio Cesar en el segundo libro de «La Guerra de las Galias» para evitar la fractura de las fortificaciones, y las innumerables estructuras erigidas por los Faraones del antiguo Egipto, con la idea de la perpetuación. En nuestra vieja Europa muchos puentes y edificios construidos durante el Renacimiento están todavía en perfecto uso. Los problemas que se han producido en la sociedad como consecuencia de la fragilidad de los materiales, no son recientes y de hecho aparecen las primeras observaciones sobre la pérdida de plasticidad por efecto del frío en los trabajos realizados por ingenieros a mediados del siglo XIX. A partir de esta época, en particular con la aparición de las estructuras soldadas, se produjeron un gran número de accidentes espectaculares. Los ladrillos y el mortero son materiales relativamente frágiles y no son adecuados para soportar cargas de tracción, por ello las estructuras fabricadas durante la época previa a la Revolución Industrial se diseñaban básicamente para soportar esfuerzo de compresión y uno de los mejores ejemplos es el arco que tantas veces hemos visto en nuestros puentes romanos. El cambio de ladrillos y mortero a estructuras de acero, trabajando a tracción, generó muchos problemas, ya que ocasionalmente se produjeron roturas que aparecían como fallos a tensiones bastante menores que los límites utilizables de los aceros estructurales empleados. La causa de los fallos, fue un misterio para el estado del conocimiento de la época y de hecho en la primera edición del tratado de elasticidad de Love1, publicado en 1944, se indicaba que las condiciones de rotura eran vagamente entendidas y consecuentemente los ingenieros aplicaban coeficientes de seguridad de 10 o más en un intento de evitar este tipo de fallos. El caso de la Industria Naval ha sido de particular interés en el desarrollo de la Mecánica de Fractura, como consecuencia de la gran concentración de accidentes acaecidos entre los años 40 y 50. 1.4.1. Los Buques Liberty El problema de la fractura frágil se hizo particularmente notable como consecuencia de los fallos en la construcción de buques durante la Segunda Guerra Mundial, un problema que puso a prueba a la profesión ingenieril. 16 1 LOVE A.E.H., A Treatise on the Mathematical Theory of Elasticity. Dover Publications. New York, 1944. Como consecuencia de la necesidad urgente de buques, los astilleros navales americanos, decidieron adoptar la técnica de fabricación, mucho más rápida, de cascos de buque enteramente soldados, bajo la dirección de Henry Kaiser, un famoso ingeniero, quien desarrolló un revolucionario procedimiento para la construcción rápida de buques. Estos buques fueron conocidos con el nombre de Liberty y se fabricaban mediante soldadura, como novedad frente a la tecnología tradicional de construcción roblonada. Se fabricaron en torno a 3000 buques Liberty y 500 petroleros T2, todos ellos soldados. De los 4694 buques mercantes construidos durante la segunda guerra mundial, 1289 presentaron roturas importantes, 233 presentaron roturas frágiles graves y 12 de estos últimos se rompieron espectacularmente en dos partes. La mayor parte de las fracturas en los Liberty empezaban en las escotillas que presentaban importantes concentraciones de tensiones en situaciones límite de esfuerzos cortantes. Se realizaron cambios en el diseño, produciéndose inmediatas reducciones en la incidencia de fallos. Muchas de las fracturas de los petroleros T2 tenían localizado su origen en soldaduras a tope, de forma que se hicieron cambios en el diseño, pero también se observaron importantes incidencias atribuidas a la calidad del acero como factor primordial en la fractura frágil observada en los buques soldados. Algunos de estos barcos se rompieron en los muelles, sin ninguna sobrecarga, simplemente por la acción del frío. La Figura 1.1 representa la rotura del petrolero Schenectady, ejemplo de una rotura que tuvo lugar una noche de invierno y de hecho las estadísticas de incidentes recogen entre los accidentes ocurridos entre Octubre de 1941 y Mayo de 1942, 38 casos se produjeron en los meses de invierno de Diciembre y Enero y solamente 20 casos en el conjunto de los otros seis meses y uno de ellos solamente en los meses de Abril a Mayo. Figura 1.1 Rotura del petrolero Schenectady 17 El acero en cuestión había sido adecuado por muchos años para la construcción de buques roblonados, pero no era adecuado para responder a las nuevas tecnologías de soldadura. En el año 1947 la sociedad naval de clasificación American Bureau of Shipping (ABS) introdujo importantes restricciones en las especificaciones de composición química de los aceros y en el año 1949, la sociedad de clasificación inglesa Lloyds Register (LR) estableció la aprobación2 previa del acero a utilizar en la construcción de buques, total o parcialmente soldados. Afortunadamente, gracias a todas estas medidas, este tipo de fallos se han convertido en historia, aunque lógicamente se siguen produciendo en menor medida. Entre 1960 a 1965 se han registrado 10 casos publicados, aparte de los casos no publicados y más recientemente también se siguen produciendo, y como ejemplo tenemos en la Figura 1.2 el buque MV Kurdistan, que se fracturó en el año 1979, según el informe de la División Marina del LR, que informa que en el período desde 1986 a 1995, solamente se han producido cinco incidentes en los buques de más de 90 m de eslora, clasificados por LR, que corresponde a una tasa de incidencias del 1 por 10.000. Figura 1.2 Sección de rotura del MV Kurdistan (Lloyd’s Register) 18 2 When the main structure of ship in intended to be wholly or partially welded, the committee may require parts of primary structural importance to be steel, the properties and process of manufacture of which have been specially approved for this purpose. LR, 1949. 1.4.2. Accidentes Actuales Actualmente los accidentes más importantes han acaecido en puentes, plataformas petrolíferas, oleoductos, recipientes a presión, turbogeneradores eléctricos, fuselaje de aviones. Como ejemplo tenemos en la Figura 1.3 la fractura de la chapa de aluminio del ala de una jet de pasajeros. Figura 1.3 Fractura de la chapa del ala de un jet de pasajeros A mediados de los años 50 dos aviones Comet De Havilland fallaron catastróficamente a elevada altitud y las investigaciones exhaustivas llevadas a cabo, revelaron que los fallos se originaron a partir de grietas de fatiga muy pequeñas cerca de las aberturas de las ventanas en el fuselaje. Otros numerosos fallos en la industria aeronáutica, en relación con los trenes de aterrizaje, y en los motores se han atribuido a fatiga y a corrosión bajo tensión y en el caso de los fallos del F-111 se dedujo que las fracturas frágiles se debían a la presencia de grietas preexistentes. Los fallos en el perno del motor de los DC-10 que ocasionaron varios accidentes aeronáuticos catastróficos y el espectacular accidente del trasbordador espacial Challenger del año 1986 son algunos de los últimos ejemplos de accidentes actuales. En la Figura 1.4 se puede ver el fallo en el tren de aterrizaje de un avión de pasajeros que ocurrió en 2001, como consecuencia de la fractura del eje. En el momento actual los sectores industriales afectados directamente son el Energético y el de Transporte y distribución de gases, particularmente los gases licuados a muy bajas temperaturas; la industria Naval y Aeronáutica ya mencionadas y la Química y Petroquímica. De especial interés son las estructuras singulares de Ingeniería Civil, en las que se desarrollan importantes tareas en el diseño y análisis. 19 Figura 1.4 Fallo en el tren de aterrizaje de un avión de pasajeros como consecuencia de la fractura del eje 1.5. La historia de la Mecánica de Fractura Los primeros experimentos en Fractura se deben a Leonardo da Vinci, que nace en el año 1452 en el pequeño pueblo de Vinci, situado en la orilla derecha del río Arno, entre Florencia y Pisa. Leonardo proporcionó varias reglas que establecían los indicios de la causa de la fractura. Leonardo midió la resistencia de alambres de hierro, que fabricaba en su trefiladora3 y encontró que la resistencia variaba de forma inversa a la longitud de los alambres. Este resultado implicaba que los defectos del material gobernaban la resistencia de los alambres; un alambre más largo correspondía a un mayor volumen de material y consecuentemente a una mayor probabilidad de encontrar una zona defectuosa del alambre. Aunque estos resultados eran meramente cualitativos, Griffith estableció la conexión entre la fractura y el tamaño de los defectos en su primer trabajo publicado en el año 1920, aplicando el análisis de tensiones a un agujero

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