N° 41: Proyecto por fatiga

Por Arnaldo Gutiérrez

Palabras claves o descriptores: Fatiga, fatiga de alto y baje ciclaje, rotura por fatiga, curvas S-N, diagramas de Goodman, modelos de falla, fabricación e inspección por fatiga, estado límite de servicio.  

INTRODUCCIÓN

En las edificaciones convencionales, las variaciones en la intensidad de las cargas variables producen fluctuaciones y efectos dinámicos tan pequeñas de tensiones, que por lo general no es necesario incorporar consideraciones de fatiga en el proyecto (análisis, diseño y detallado) y la fabricación. Sin embargo, deberá hacerse un detallado cuidadoso para evitar el agrietamiento por fatiga y su propagación cuando estén presentes fuentes potenciales de fatiga, tales como las tensiones secundarias, las tensiones debidas a deformaciones, y las tensiones debidas a movimientos fuera de su plano, particularmente si este patrón de falla puede conducir a la falla catastrófica de toda la construcción.


Figura 1. Falla por fatiga. La fisura se originó por fatiga en el extremo de la plancha soldada en el ala a tracción de la viga, punto de concentración de tensiones, y se propagó al alma de la viga. Puente Yellow Mill Pond, Connecticut [internet]. Ver en la Tabla A-3.1 del Anexo 3 de AISC 360-16 la descripción, punto probable de inicio de fractura y ejemplo ilustrativo del caso 3.7.

Los puentes carreteros y ferroviarios[1], los puentes grúas y otras estructuras de movilización de materiales y productos terminados, incluyendo las correspondientes estructuras de soporte de estos equipos[2]; las chimeneas de acero[3]; y las estructuras de soporte de señalización de tránsito[4] son ejemplos de estructuras de acero en las que se ha comprobado que materiales dúctiles que soportaban tensiones cíclicas mucho menores que el nivel de su resistencia estática fallaron por fatiga. La fatiga también afecta a otros materiales no ferrosos. Ver Figura 8 y el Anexo Fatiga en estructuras de concreto.

Son potencialmente susceptibles a la fatiga las construcciones en las que las acciones variables son un porcentaje importante de la combinación de acciones. Y como se explica en la siguiente sección siguiente (Fatiga), en la fabricación concurren muchos factores que incrementan ese potencial de falla por fatiga. Para evitar detalles con una baja resistencia a la fatiga, las especificaciones para estructuras de acero (AISC, AASHTO, Eurocódigos, entre otras), facilitan su identificación para que el proyectista pueda sustituirlos o controlar el recorrido de tensiones. Estos detalles están documentados en bancos de datos de ensayos de laboratorio de materiales y en muchos informes de patología e ingeniería forense. Ver los Anexos Ensayos de fatiga de perfiles electrosoldados, Bridge Fatigue Guide. Design and Details y en los documentos de la sección Ejemplos.

FATIGA

La Asociación Americana de Ensayo de Materiales, ASTM por las siglas en inglés de American Society for Testing and Materials, define la fatiga como “el proceso de un localizado, permanente y progresivo cambio estructural sufrido por un material sujeto a condiciones que le producen tensiones y deformaciones en uno o varios puntos y que puede conducir a la producción de fisuras o a la rotura después de un número suficiente de fluctuaciones”.[5]

La Fatiga y la Mecánica de Fractura son especializaciones de las Ingenierías Mecánica y de Materiales, por lo que la información entregada en el presente Cuaderno está dirigida a los ingenieros estructurales que necesitan manejar cabalmente el Anexo 3 del AISC 360-16 (Ver Anexo Cambios de AISC 360-16 respecto a AISC 360-10). Al seleccionar los materiales para el proyecto y la construcción, el ingeniero verificará que se satisfacen los requisitos para evitar fallas por impacto y bajas temperaturas, tal como los valores mínimos CVN [6]de tenacidad de la Sección A3. Material de AISC 360-16.

Las fallas por fatiga siempre empiezan con una fisura. Los investigadores Fischer y Yen han demostrado que en casi todos los miembros estructurales existen discontinuidades desde microscópicas (< 0.025 mm) hasta macroscópicas que pudieran haberse producido en la laminación del acero o inducidas posteriormente en el proceso de fabricación o en el tiempo por causa de las deformaciones cíclicas cerca de las concentraciones de tensiones. Las grietas por fatigas se iniciarán en cualquier contorno geométrico, como las muescas y las entalladuras, que incremente las tensiones locales.

Se identifican tres etapas en la falla por fatiga: 1) el inicio de la fisuración, 2) la propagación y ensanchamiento en la cual la grieta es visualmente reconocible y 3) finalmente se produce la fractura súbita causada por el crecimiento inestable de la grieta. En las Figuras 2a y 2b se aprecia a simple vista el patrón característico de una falla por fatiga. La región donde se formó la microgrieta inicial (concentración de tensiones), aparece bruñida, brillante y lisa, y la zona donde se produce la falla repentina, frágil, cuando la grieta alcanza su tamaño límite, de aspecto mate y áspero. La sección neta es tan reducida que no tiene capacidad resistente. La zona intermedia de propagación y crecimiento de la grieta, ciclo a ciclo, se puede seguir observando las llamadas marcas de playa (por la similitud de cómo queda la playa cuando se retira la marea). La Mecánica de Fractura muestra que, para un mismo recorrido y concentración de tensiones, la velocidad de crecimiento de una fisura es proporcional a la raíz cuadrada de su longitud. Esto plantea un reto para la inspección de estructuras en servicio, porque las fisuras de fatiga pasan la mayor parte de su vida en forma de fisuras muy pequeñas difíciles de detectar. Tan sólo en las últimas etapas de su vida comienza la fisura a causar una pérdida significativa del área resistente.  



Figura 2.  Superficie característica de una sección que ha fallado por fatiga. (www.aero.ing.unlp.edu.ar)

Independientemente del régimen de fatiga (alto o bajo ciclaje) es importante tener presente en el detallado, la fabricación y la inspección de estructuras de acero que la falla por fatiga se producirá cuando concurran algunas de las siguientes condiciones (Ver el Anexo 3 de la Especificación AISC 360-16):

  1. Tensiones elevadas. Las tensiones de tracción disminuyen la resistencia a fatiga.

  2. Elevado número de ciclos de carga, generalmente mayor de 2 x 106.

  3. Presencia de tensiones residuales.

  4. Concentración local de tensiones debido a cambios bruscos de secciones, entalladuras (Ver la Figura 3), hendimientos, falta de homogeneidad y defectos en el material como las inclusiones de impurezas, socavación, desgarramiento laminar, defectos macroscópicos, burbujas de gas, defectos superficiales, presencia de poros, inclusiones de escoria, burbujas de gas en el metal de aporte, fusión incompleta, falta de penetración de la soldadura.

  5. El terremoto de Northridge de 1994, como ejemplo de régimen de fatiga de bajo ciclaje, demostró que la rotura en las conexiones empezó a propagarse a partir de las soldaduras debido a que la mayoría de los procesos de soldadura dejan discontinuidades a partir de las que pueden propagarse las fisuras. La mayor parte de las soldaduras estructurales presentan un perfil sin pulir. Los cambios acusados de dirección se localizan en los bordes de las soldaduras a tope y en los bordes y primeros cordones de las soldaduras en ángulo.

    a) Rugosidad de la superficie de soldaduras a tope y de filete. En las soldaduras a tope con ranura deben esmerilarse cuidadosamente los bordes de preparación de las soldaduras.
    b) En las juntas con conectores mecánicos, además del número de ciclos de carga, la sensibilidad a la falla por fatiga depende también del tipo de conectores y las formas de trabajo (no se permiten pernos A307 y en las conexiones tipo fricción no se permite deslizamiento), fuerzas de apriete, longitud de agarre, distribución de los conectores en la conexión.
    c) Temperaturas extremas, frías o calientes. A bajas temperaturas los metales suelen incrementar su resistencia a fatiga aunque por otro lado se hacen más sensibles a la rotura frágil por impacto.

  6. El exceso de calor al depositar el cordón de soldadura causa cambios cristalográficos en la composición del metal base. Los tratamientos térmicos mejoran el comportamiento a fatiga.

    a) Tratamientos superficiales: Algunos tratamientos como el martilleado, el granallado o el laminado en frío generan tensiones de compresión que incrementan la resistencia a fatiga.
    b) Las piezas de mayor tamaño son más sensibles al efecto entalla debido a la mayor probabilidad de que existan puntos débiles o defectos.
    c) Cuanto más rugosas son los acabados superficiales mayor sensibilidad a la fatiga.

  7. Los defectos y entallas superficiales son más perjudiciales que los internos.

    a) La corrosión progresa más rápidamente con cargas de amplitud variable. La presencia de corrosión provoca entallas y mordeduras. En la Sección 3.1 del Anexo 3 AISC 360-16 se especifica que éste es sólo aplicable a estructuras con protección adecuada a la corrosión.
    b) Los aceros de alta resistencia son más sensibles al efecto entalla por lo que en términos relativos su resistencia a fatiga es menor.
    c) La resistencia a la fatiga es independiente de la frecuencia de la carga cíclica. La existencia de periodos de reposo entre los ciclos de carga incrementa la resistencia a la fatiga.


Figura 3. Curvas S-N experimental y calculada para un espécimen con entalladura (notched). Universidad de Lovaina (2004). ESDEP Course.

CRITERIOS PARA EL PROYECTO POR FATIGA

Estado Límite de Servicio

Cuando Hardy Cross [1952] escribió que “la resistencia es esencial, pero no importante” se refería a que realmente son las condiciones de servicio el baremo del éxito en la práctica de la ingeniería. El uso cada vez más frecuente de aceros de alta resistencia se refleja también en el desarrollo de modelos probabilísticos para el Estado Límite de Servicio [Ellingwood, B.R, 1999], que de una manera muy sencilla puede expresarse como:

Demanda en condiciones de servicio < Límite de Servicio

El criterio del Estado Límite de Servicio es prevenir la interrupción en el uso funcional y daños a las estructuras durante su utilización normal diaria. Si bien un mal funcionamiento no resulta en la ruina catastrófica de la estructura o en la afectación a la vida, puede ser un serio perjuicio o menoscabo al usufructo de la estructura y conducir a reparaciones costosas. En estructuras flexibles es inaceptable despreciar las condiciones de servicio, por lo que sus miembros, juntas y conexiones sometidos a variaciones repetidas de tensiones dentro del rango elástico de tensiones de frecuencia y magnitud suficiente para iniciar la fisuración y falla progresiva, se proyectarán (análisis y diseño), fabricarán y montarán de manera que satisfagan los requisitos de las Especificaciones, como AISC 360, AASHTO LRFD 2007 [7], entre otras. (Ver el Alcance del Apéndice 3 de AISC 360-16). En estructuras solicitadas por un número elevado de repeticiones de cargas no puede efectuarse una redistribución de tensiones y por lo tanto no pueden aplicarse los métodos de análisis y diseño plásticos.

Solicitaciones

Las cargas variables generadoras de fatiga son de uno de los siguientes tipos (Ver Figura 4)[8]:

  • Cargas pulsantes cuando en un mismo ciclo actúan en el mismo sentido, con variaciones de cero a un máximo.

  • Cargas fluctuantes cuando las tensiones máximas y mínimas no alcanzan valores nulos y no se produce inversión de signo en las tensiones.

  • Alternantes, cuando en un mismo ciclo se produce la inversión completa de tensiones


    Figura 4. Tipo de solicitaciones repetidas. Gutierrez (1983), Manual SIDOR tomo III

Cualquiera sea el tipo de solicitaciones, la forma más sencilla de caracterizar el espectro de tensiones es suponer que la historia tensión-tiempo mantiene una amplitud constante (Figura 5), por la facilidad de reproducirla en el laboratorio de ensayo de materiales. En la Figura 6 se identifican los seis parámetros que se utilizan para caracterizar un ciclo de tensiones de amplitud constante[9]. Delta sigma representa el recorrido de tensiones ("stress range") como la diferencia algebraica entre los valores máximos y mínimos de las tensiones en el punto probable de iniciación de grieta de un miembro sometido a solicitaciones variables repetitivas sin mayorar.


Figura 5. Historia de tensiones de amplitud constante. Universidad de Lovaina (2004). ESDEP Course.
En la Figura, tensiones (stress), máximas, mínimas y media (mean), y el recorrido de tensiones (stress range). N es el número de ciclos. 


Figura 6. Parámetros usados para definir el espectro de amplitud constante, Universidad de Lovaina (2004). ESDEP Course.
Ver Figura 5. El eje horizontal corresponde al número de ciclos y el eje vertical a las tensiones, s. Un ciclo es la distancia medida entre crestas o valles adyacentes. 

Modelos de falla por Fatiga

Cuando se trata de tensiones cíclicas se menciona el régimen de fatiga: fatiga de bajo ciclaje o fatiga de alto ciclaje. Esta clasificación es conveniente desde el punto de vista de la aplicación de los modelos de falla por fatiga. Determina el régimen de fatiga el número de veces que se repiten las tensiones en una pieza o componente. Aunque no existen límites divisorios exactos, se aceptan los límites mostrados en la Figura 7.

La fatiga de bajo ciclaje es un fenómeno inelástico donde, al igual que en el proyecto sismorresistente, el parámetro clave es el recorrido de deformación en lugar del recorrido de tensiones. Se espera que en el régimen de bajo ciclaje en la estructura se mantengan ciclos plásticos de deformación sin agrietamiento, contrariamente a lo que se produjo en el terremoto de Northridge 1994. La fatiga de bajo ciclaje ha sido muy estudiada en los recipientes a presión y otras estructuras que proyectan los ingenieros mecánicos. El detallado usado para prevenir la fatiga de alto ciclaje, como por ejemplo la eliminación de concentración de tensiones y efectos de entalladura, son aplicables para prevenir la fractura frágil en régimen de bajo ciclaje. Ver el Anexo Fatiga de bajo ciclaje.

Se define la vida de proyecto como el período de tiempo de referencia para el que se requiere que la estructura se comporte de modo seguro y con una probabilidad aceptable de que no se produzca rotura por fatiga. Las piezas solicitadas por cargas variables pueden diseñarse para un número de ciclos determinado, dependiendo de la vida requerida. Los materiales que no poseen límite de fatiga no se pueden diseñar para vida infinita, sino que deben diseñarse para una duración determinada, como se muestra comparativamente en el diagrama S-N o de Wöhler, S-N de la Figura 8. Se proyecta entonces con una resistencia a fatiga para vida finita. Actualmente se cuenta con tres modelos de falla por fatiga:

a) Vida-tensión,

b) Vida-deformación

c) Mecánica de fractura elástica lineal.

Cada uno de ellos con ventajas y desventajas, según la aplicación. Ver Anexo Fatigue Life Approaches.


Figura 7. Zonas en una curva S-N. Universidad de Lovaina (2004). ESDEP Course


Figura 8. Zonas en una curva S-N. Universidad de Lovaina (2004). ESDEP Course

La teoría de fatiga tratada en el presente Cuaderno corresponde al modelo de vida-tensión, y que por la sencillez en su aplicación y por la enorme data experimental disponible es la que usan las Especificaciones para estructuras de acero y lo empleó por primera vez August Wöhler (1819-1914) al publicar los resultados de sus ensayos en la llamada curva de Wöhler o curva S-N. Es un procedimiento muy apropiado en régimen de alto ciclaje en el que se conoce la variación de las tensiones y porque el ingeniero puede limitar las tensiones de proyecto a valores menores que los críticos. Ver Anexo Diseño por Fatiga con Excel.

El método de las curvas S-N está basado en ensayos de fatiga sobre probetas que reproducen los detalles constructivos a tamaño real e incluyen el efecto de las imperfecciones geométricas y de las tensiones residuales debidas a la fabricación y montaje de la estructura. Se reducirá la probabilidad de iniciación y propagación de fisuras por fatiga con los detalles constructivos que permitan el flujo de tensiones sin originar fuertes gradientes, así como una ejecución cuidadosa.

En las situaciones de bajo ciclaje se requiere predecir la iniciación de grietas y es cuando es más conveniente el empleo del método de vida-deformación, basado en las deformaciones de la pieza, pero su complejidad obliga al uso del computador.

Para el estudio de la propagación de grietas, se recurre al modelo de mecánica de fractura elástica lineal. Muy útil para predecir la vida de bajo ciclaje en piezas ya agrietadas, como es el caso de estructuras o en las que ocurren grandes sobrecargas muy pocas veces durante la vida esperada.

COMPROBACIÓN DE LA RESISTENCIA A FATIGA

La resistencia a la fatiga se define como el recorrido de tensiones (stress range, rango de tensiones) que fluctuando a una amplitud constante origina el agotamiento tras un número especificado de ciclos. Para mayor comodidad la curva S-N (Figura 9) suele representarse en escalas logarítmicas en ambos ejes para que resulte una línea recta. El recorrido de tensiones es la diferencia algebraica entre los puntos máximo y mínimo del ciclo. El número de ciclos hasta la rotura se denomina resistencia o vida a la fatiga. El punto en que la curva S-N se hace horizontal se llama límite de endurecimiento.


Figura 9. Curva S-N para calcular la resistencia a fatiga

La vida por fatiga se predice mediante un modelo lineal que relaciona las tensiones y el número de ciclos a la falla según la fórmula:

log N = log C m log S

donde N es el número de ciclos a la falla, C es una constante dependiente de la categoría del detalle y S una constante aplicada a la amplitud de recorrido de tensiones. La pendiente de la recta es m. Las curvas S-N están basadas en un límite inferior con un 97.5 % de límite de sobrevivencia. La pendiente de la recta de regresión para los ensayos de detalles soldados varía entre 2.9 y 3.1 en las Especificaciones norteamericanas y en el Eurocódigo 3, más conservador, se ha estandarizado en 3.0. Ver Figuras 10 y 11.


Figura 10. Curva S-N AASHTO-AISC para diferentes Categorías de detalles. La línea punteada representa el límite para una amplitud constante.


Figura 11. Curva S-N del Eurocódigo 3 para diferentes Categorías de Detalles. Universidad de Lovaina (2004). ESDEP Course.

 

El texto que sigue y las Figuras 12 solo son para indicarle al interesado que existe otra forma más completa de tratar la fatiga. Como no hay espacio para entrar en detalles, se señala en la Bibliografia comentada donde recurrir para construirlos, como el texto de la Prof. Fratelli.

Cada curva S-N representa un solo tipo de ciclo de tensiones, por lo que para conocer el comportamiento de un miembro o conexión se requiere la construcción de múltiples curvas S-N. El docente e investigador inglés Goodman [1930] consiguió sintetizar en un solo diagrama los datos de varias curvas S-N que no excedían el límite de fatiga, como se muestra en la Figura 12a. Este gráfico fue modificado (figura 12b) por la Sociedad Americana de la Soldadura, AWS por sus siglas en inglés de American Welding Society y el Consejo de Investigación de Soldadura, WRC por sus siglas en ingles de Welding Research Council, WRC. Ver Anexo Uso de los diagramas de Goodman.

En el alcance del Anexo 3 de AISC 360 no se contempla la fatiga de los pernos de anclaje porque se comportan de manera diferente a los pernos estructurales de las conexiones, de allí que algunos parámetros sean diferentes. Pero al igual que con los pernos estructurales, el uso de doble tuerca incrementa la resistencia a la fatiga [Universidad de Lovaina (2004). ESDEP Course].


a) Diagrama de Goodman en función de la resistencia de agotamiento del acero, fu.


b) 
Diagrama de Goodman en función de la resistencia de agotamiento del acero, fu.

Figura 12. Ejemplos de la construcción  de  los diagramas de Goodman. Ver detalles y ejemplos en Fratelli  (1991)]. R = fmax / fmin , siendo f la tensión en la pieza; ver Figura 6. Prefiérase el uso de tensión a esfuerzo. 

CONSIDERACIONES DE FATIGA EN LA FABRICACIÓN, EL MONTAJE Y LA INSPECCIÓN DE ESTRUCTURAS DE ACERO

La Sección 3.1 del Anexo 3 AISC 360-16 establece que “El ingeniero estructural responsable del proyecto debe entregar un detalle completo que incluya el tamaño de las soldaduras o bien especificar la vida cíclica programada y el rango máximo de momentos, cortes y reacciones para las conexiones” Ver el Anexo Guía ITEA Diseño por Fatiga, y las referencias Universidad de Lovaina (2004), Rea del Gatto, Luciano (2011) y García Pemán, T. (2015).

En la selección de los detalles estructurales de un proyecto además de los ejemplos ilustrativos se observarán las siguientes recomendaciones de la Tabla A-3.1 del Anexo 3 AISC 360, para asignar la letra identificadora de la Categoría:

El tipo de miembro, por ejemplos una plancha, un perfil, etc.

Localización anticipada del inicio de la fisura o grieta.

La localización deberá ser definida respecto a la dirección de la fluctuación de las tensiones. Cuando exista más de un punto potencial de iniciación, la junta puede clasificarse en dos o más Categorías.

Dimensiones principales

Tamaño de los componentes, soldaduras, proximidad a los bordes, cambios abruptos de secciones.

Categoria del detalle

Con la Categoría del detalle se establecen los siguientes requisitos (Ver Capitulo N Control de Calidad y Aseguramiento de la Calidad en la Especificación AISC 360-16 y los Anexos Unión soldada a solape y Fractura crítica y la referencia Universidad de Lovaina (2004). ESDEP Course.

Requisitos de fabricación

La fatiga exige la mayor calidad en todos y cada uno de los procesos de fabricación, y por tanto tiene una importante incidencia económica en las obras. Ver las referencias Rea del Gatto (2011) y García Pemán (2015).

Requisitos de inspección

La resistencia a la fatiga está muy influenciada por la calidad en la etapa de fabricación y la inspección debe ser igualmente consecuente con las Categorías asignadas a los detalles. Los procedimientos de inspección deben ser continuos y rigurosos para asegurar que no estén presentes defectos perjudiciales de soldadura. Todas las juntas de son potenciales puntos debilidad de una estructura.

BIBLIOGRAFÍA comentada

Chimeneas

  • Tranvik, P y Alpsten, G. (2002). Dynamic behaviour under wind loading of a 90m steel chimney. Marzo, 159 p. Ver Anexo Comportamiento dinámico de chimeneas de acero.

  • Visentini, Giovanni (2014). Acciones del viento sobre las obras de infraestructuras civil y de servicio: Estudio de los efectos de la vorticidad de von Karman. Tesis de grado, Universidad Católica Andrés Bello, UCAB, Caracas, junio, 103 p. Incluye ejemplos aplicando de la publicación ASME STS-1:2006 Steel Stacks,2006. New York. 98 pp. Ver tesis en el Anexo Acción del viento en chimeneas.


    Figura 13. Chimeneas con paletas helicoidales para controlar efecto de la vorticidad de 
    von Karman. El Nacional 13 julio de 2011, Hemeroteca A. Gutiérrez

  • Cuando el viento incide normalmente sobre una torre a velocidades relativamente bajas, se pueden producir efectos de turbulencia y de vorticidad de von Karman, tal como se trató en Gutiérrez, A. (2003). Manual de Estructuras de Acero, SIDETUR, Cuaderno L1 Perfiles L de alas iguales, SIDETUR, Caracas, septiembre, 44 p.  

Clasificación por Fatiga

  • Gutiérrez, A. (1997). Estudios experimentales sobre Fatiga y comportamiento a la corrosión ambiental de perfiles electrosoldados y comportamiento estático de sistemas de piso con encofrados metálicos. II Encuentro Latinoamericano de las Construcciones Metálicas. Bogotá, 3 y 4 de septiembre de 1997. Fedestructuras, 14 págs. Incluido como Anexo Ensayos de fatiga de perfiles electrosoldados. Se han extractado las páginas 1-1 a 1-6 Introducción a la electrosoldadura por alta frecuencia de Gutiérrez, A. (1997). Manual de Estructuras de Acero. Parte 1. Diseño de Miembros. PROPERCA. 1997, 364 págs.

  • Gutiérrez, A (1998a). Experimental Studies on Fatigue and Behavior to Corrosion of High Frequency (400 kHz) Welded beams and Columns. 2nd World Conference on Steel in Construction, San Sebastian, España, 11-13 Mayo, 1998. Abstract en Journal of Constructional Steel Research, Vol. 46, 1998. page. 398. Ver Anexo Ensayos de fatiga de perfiles electrosoldados.

  • Gutiérrez, A. (1998b). Venezuelan Experience in the Promotion, Standarization and Use of Structural Steel. 2nd World Conference on Steel in Construction, San Sebastian, Espuma, 11-13 Mayo, 1998. Abstract en Journal of Constructional Steel Research, Vol. 46, 1998. pág. 424. Versión resumida de Gutiérrez, A. (1993b). Experiencia Venezolana en el uso de perfiles electrosoldados por alta frecuencia. Conferencia invitada del Seminario "La Arquitectura y la Ingeniería en las Estructuras de Acero". Fedestructura, Bogotá, agosto 1993.

Estructuras soportes de señalización

Se entregan ejemplos completos de proyectos por fatiga, desde la adquisición y tratamiento de los datos, la selección de los detalles y las especificaciones para la fabricación, la construcción y la inspección, en el Anexo de Estructuras para soporte de señalización.

  • Diekfuss, Joseph (2013). Reliability –based fatigue assessment of mast-arm sign support structure. Tesis doctoral. Marquette Universito, 424 p. May. Centrada en la cuantificación de las incertidumbres asociadas con la resistencia, la demanda y errores en el modelado. La resistencia se define como la vida por fatiga de la conexión. La demanda corresponde a las acciones del viento, y los resultados de los modelos con elementos finitos se comparan con los datos medidos en campo. El riesgo de la estructura depende de su ubicación geográfica, el tipo de conexión, la orientación del brazo del mástil, y los años de servicio.

  • Hosch, Ian (2009). Design of highway overhead cantilever type sign support structures for fatigue loads. Tesis doctoral, The University of Alabama at Birmingham, 426 p. Aplicaciones de la AASHTO 2009 Standard Specification for structural supports for highway luminaires and traffic signals. Guía metodológica sobre la adquisición la información en campo y su uso en modelos estructurales para el análisis. Ver Anexo Fatiga de estructuras de señalización en voladizos.

  • Kacin, Jennifer A. (2009). Fatigue life estimation of a highway sign structure. Master thesis, University of Pittsburgh, 144 p. La fatiga producida por el viento analizada mediante modelos estructurales. Ver Anexo Fatiga de estructuras de señalización en autopistas.

  • Li, X., Whalen, T and Bowman, M (2006). Fatigue strength and evaluation of sign structures. Vol. 1: Analysis and evaluation. Vol.2 Final Volume 2: Sign Structure Inspection Manual. Report FHWA/IN/JTRP-2006/16, Vol 1. 145 p. School of Civil Engineering, Purdue University. Se presentan los resultados de las investigaciones sobre fatiga en las estructuras de soporte de señales de tránsito más utilizadas en Indiana.Ver Anexo Análisis y evaluación por fatiga de estructuras de señalización.

Fatiga

  • Aviles González, Rafael (2015). Métodos de cálculo de fatiga para ingeniería. Metales. Editorial Paraninfo, Madrid, 592 p. La obra presenta, analizar y comparar, a través de sus 11 capítulos, los principales métodos de cálculo de fatiga para su utilización de forma eficaz en tareas de ingeniería. Puede utilizarse como texto en asignaturas de cálculo resistente, elementos de máquinas, diseño mecánico y estructural y de fatiga y fractura en general, en los cursos de pregrado, maestría y doctorado de diferentes especializaciones de ingeniería. También como libro de consulta para cálculo y diseño de fatiga de componentes mecánicos y estructurales en la industria, incluyendo aplicaciones avanzadas útiles para el desarrollo y la investigación.

  • Bangoura, Amara (2007). Metodología para la optimización de análisis de esfuerzos por fatiga de alto ciclaje en componentes de máquinas. Tesis Maestría Ingeniería Mecánica, Instituto Politécnico Nacional, México D.F., 202 p. Además de dar a conocer los fundamentos de la fatiga (incluye una cronología sobre estudios de fatiga es citada por Gustavo Jiménez en su Monografía sobre fatiga) y particularmente del modelo vida- tensiones en ciclos de vida infinita utilizando el método analítico. Ventajas del uso de los gráficos de Goodman.

  • Fratelli, María G. (1991). Proyectos estructurales de acero. Caracas, 612 p. En el Capítulo 10 Fatiga, se tiene una amplia explicación y ejemplos del Diagrama de Goodman.

  • Marco Esteban, Eva (2010). Metodología para el análisis a fatiga mediante el código Pro Engineer: aplicación a un eje ferroviario. Trabajo de Grado, Universidad Carlos III, Madrid, octubre, 143 p. Fundamentos de Mecánica de la Fractura y la Fatiga. Comparación de resultados de análisis de tensiones y fatiga de una viga empotrada analíticamente y mediante los programas ANSYS y Pro Engineer. Rediseño de un eje ferroviario la geometría y con la simulación de una fisura en el eje, con objeto de estudiar su influencia en la vida a fatiga: Descargar

  • Goodman, John (1930). Mechanics applied to engineering. Vol. 1, 9th edn, Longmans, Green &. Co, Inc, New York, 634 p. Exitoso libro de texto con muchas ediciones (la primera en 1904; Descargar. Goodman fue Profesor de la Universidad de Leeds Inglaterra. Experto en Tribología, la ciencia y tecnología de la interacción entre superficies en movimiento relativo e involucra el estudio de la fricción, el desgaste y la lubricación. En 1920 publicó su célebre trabajo sobre la fractura frágil por fatiga.

  • Gutiérrez, A et al (1983). Manual de Proyecto de Estructuras de Acero. Tres Tomos, Caracas. C.V.G. Siderúrgica del Orinoco, C.A, SIDOR. La Fatiga se trata en el Tomo I que incluye las Normas AISC y AASHTO, y en el Tomo III dedicado s la teoría.

  • Jiménez, Gustavo (2011). Ver. Incluye cronología sobre estudios de fatiga, tomada de Bangoura (2007) y algunos interesantes gráficos e interpretaciones propios, además de interesantes referencias.

  • McCullin, Paul (2016, 2017). Fundamentos de Fatiga y Fractura. Tres artículos de Structural Magazine, agosto y noviembre 2016 y febrero 2017. 

  • Rolfe, Stanley T, (1972). Fracture and fatiga control in steel structures. AISC   NASCC 2007, 14p. Caso de la barcaza Ingram y del Puente Bryte Bend. Ver la figura de una pieza diseñada y construida, fracturada y reparada.

  • Universidad de Lovaina (2004). ESDEP Course. WG12 Fatigue: bwk.kuleuven.be/English/department-of-civil-engineering. Muy completa revisión de los fundamentos de las especificaciones del Eurocódigo EC3 Parte 1:1. También de la mecánica de fractura. Se recomienda muy especialmente revisar la Lectura 12.9 en la que se desarrolla un ejemplo de una estructura de puente en todo su conjunto y que se reproduce en el Anexo Guía ITEA Diseño por Fatiga.

  • Vanegas, L (2011). Cargas variables – teoría de fatiga. Capítulo 5. Universidad Tecnológica de Pereira, Colombia. Apuntes destinados a estudiantes de ingeniería mecánica. blog.utp.edu.co/lvanegas/files/2011/08/Cap5.pdf

Fatiga de bajo ciclaje

  • Nastar, N., Anderson, J.C. Brandow, G.E and Nigbor, R. Effect of low- cycle fatigue on a ten-story steel building. Daño en conexiones analizadas mediante los métodos de las curvas S-N y Palmgren-Miner.

  • Porras N. G, D.; López K, A y Rosado T, E (2014). Análisis de estructuras de concreto reforzado considerando fatiga de bajos ciclos. XIX Congreso Nacional de Ingeniería Estructural, Puerto Vallarta, Jalisco, México, 15 p. Ver Fatiga de bajo ciclaje.

  • El objetivo es estudiar el comportamiento estructural en estructuras de concreto reforzado ante fatiga de bajos ciclos inducidos por efectos sísmicos. Como alcance de este trabajo se estudia una estructura de concreto reforzado con el fin de encontrar su curva de desempeño mediante un análisis pushover y así conocer el límite de deformación elástico y la fuerza cortante para incursionar en un comportamiento no lineal. Se construyen las curvas de desempeño necesarias para el estudio de la fatiga. Se presenta un ejemplo de aplicación considerando diferentes condiciones de carga y empleando el módulo ANSYS Design Life Code para fatiga y se discuten los resultados del ejemplo de aplicación presentado.

  • SAC (1997). Background Reports: Metallurgy, Fracture Mechanics, Welding, Moment Connections and Frame Systems Behavior. Originalmente publicado como SAC 95-09 y ahora como FEMA-288/March 1997, 368 p.

  • FEMA fundó el SAC Steel Project para resolver el comportamiento frágil de las conexiones en los edificios de acero afectados en el terremoto de Northridge, California, 17 enero de 1994, integrando la Structural Engineers Association of California, el Applied Technology Council y el Consortium of Universities for Research in Earthquake Engineering. Información y publicaciones en www.sacsteel.org

Fatiga en pernos estructurales

  • Ver en el Anexo Guía ITEA Diseño por Fatiga, el capítulo dedicado a los pernos estructurales.

  • Kulak, G. (2002). High strength bols. A primer for structural engineers. AISC Design Guide 17, 61 p. El Capítulo 7 está dedicado a la fatiga en los pernos y es citada en el Comentario del Anexo 3 de AISC 360. Las disposiciones AISC y RCSC se aplican en forma diferente, pero producen resultados similares. [10]

  • Maximov, J.T., Duncheva, G.V. (2012). Enhancement of fatigue life of net section in fitted bolt connection. Journal of Constructional Steel Research, Volume 74, July, pages 37-48. Ventajas de la redistribución de las tensiones de tracción.

Fatiga en soldaduras

  • Rea del Gatto, Luciano (2011). Estudio del comportamiento a fatiga de una unión soldada a solape de láminas de acero A36. Tesis de Maestría, Universidad Simón Bolívar, Caracas, 157 p. Mediante ensayos de probetas soldadas y modelos de elementos finitos se establece una metodología para este tipo de uniones. La zona de fractura de las probetas soldadas está determinada por un estado de triaxialidad de tensiones en el pie de la soldadura: En el metal base la fractura a tracción se produce en una zona alejada del cordón de soldadura, y la fractura por fatiga, también en el metal base, a partir del pie de la soldadura.

Fatiga por corte térmico

  • García Pemán, T. (2015). Comportamiento en fatiga de componentes estructurales obtenidos mediante oxicorte, corte por plasma y corte por láser: Comparativa y definición de curvas S-N de diseño. Universidad de Cantabria, 116 p.

Los procesos de corte térmico para la fabricación de componentes producen cambios micro-estructurales que aparecen en la región anexa al borde de corte, los cuales pueden afectar al comportamiento del componente en servicio, especialmente si está sometido a cargas cíclicas. Esta Tesis doctoral evalúa la influencia de los métodos de corte térmico en el comportamiento en fatiga de aceros estructurales y la idoneidad de las normativas actuales para el diseño en fatiga de componentes cortados térmicamente.

Se han considerado dos geometrías con una importante presencia en las estructuras reales: bordes de corte rectos y orificios circulares, habiendo realizado un total de 300 ensayos de fatiga.

Ingeniería Forense

Posiblemente los ingenieros aprendemos más de las fallas que de los éxitos de los proyectos. De hecho, son estas fallas las que permiten ir mejorando las Normas, Especificaciones, Códigos, Manuales y Guías. Por eso se comparten y discuten con la profesión en las diferentes reuniones (Congresos, Simposios, Seminarios, Jornadas, Talleres, Webinar, etc).

  • Huckelbridge, A. and Metzger, A (2007). Investigation if the Dayton IR 75 sign truss failure 2006. Ver Anexo Investigación de la falla del Bayton Box Truss. Ejemplo de estudio de ingeniería forense. Las conexiones con tubulares son muy susceptibles a la fatiga como se aprecia en la siguiente fotografía del New Zealand Welding Centre (Figura 14), publicada en el HERA News de agosto 2009, por lo que se recomienda, consultar, adicionalmente al Anexo 3 de AISC 360, el Design for circular and rectangular hollow section welded joints under fatigue. CIDECT Design Guide 8 (2016), 122 p.


    Figura 14. Ejemplo de fractura por fatiga en la base de un poste. HERA News, agosto 2009

  • Sherman, R.J; Hebdon, M.H; Connor, R.J (2016). Fatigue testing and retrofit details of high-mast lighting towers. AISC Engineering Journal, 1Q, 12p. Casos forenses de iniciación de grietas y su propagación principalmente en la conexión de la plancha base a la pared del tubo.

Normas generales para proyectos de acero

  • ANSI/AISC 360-16. Specification for Structural Steel Buildings. American Institute of Steel Buildings. Chicago, 2016 July 7, 676 p. Alacero adelanta una versión en español del Articulado. En el Cuaderno 35, Boletín No. 90, abril, 2017, se entregaron las versiones en inglés identificando todos los cambios con respecto a AISC 360-10. Ver Anexo Cambios de AISC 360-16 respecto a AISC 360-10, y particularmente el Anexo 3 Diseño por Fatiga. En particular revísense las formulas (A3-3: A-3-3M a A3-6: A-3-6M).

  • COVENIN (1995). Acero. Perfiles estructurales electro soldados por alta frecuencia. Norma Covenin 2897:1995. En la Sección 8.1.2 Comportamiento a la fatiga, los perfiles electrosoldados por alta frecuencia pertenecen a la Categoría B de comportamiento a la fatiga según las Normas AISC-ASD, AISC –LRFD, y COVENIN –MINDUR 1618.

  • Las Euronormas para fatiga son (ver Anexo Guía ITEA Diseño por Fatiga):

  • EN 1993-1-1: Eurocode 3: Design of steel structures – Part 1.1 General Rules and Rules for Buildings

  • EN 1993-2: Eurocode 3: Design of steel structures - Part 2: Steel bridges

  • EN1993-1-9: Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1-9: Fatigue

  • EN1993-1-10: Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1-10: Material toughness and through-thickness properties

  • BS 7910:2013 Guide to methods for assessing the acceptability of flaws in metallic structures

  • BS 7608:2014 + A1:2015 Guide to fatigue design and assessment of steel products  

  • Cross, Hardy (1952). Ingenieros y torres de marfil. Edición bilingüe realizada por el Instituto de Materiales de Construcciones, INTEMAC, Navidad de 1997, 191 p. Lectura obligatoria para todos los estudiantes de Ingeniería porque contiene una cantidad de definiciones y opiniones acerca de la profesión, de la relación entre capacidad creativa y reglamentos, de los caminos de los ingenieros para resolver los problemas que se les presentan, en particular para el proyecto diseño de estructuras. Cómo ve la evolución de la ingeniería estructural, y el desarrollo de la enseñanza de la ingeniería; cuáles son las responsabilidades de los profesores universitarios y cómo pueden alcanzar los ingenieros su madurez profesional; cuál es la importancia de los trabajos de investigación en los laboratorios durante la formación de los ingenieros, cómo puede armonizarse la formación teórica y la práctica, y cuál es la posición de los ingenieros en el ámbito de la cultura.

  • Ellingwood, B. R, 1999. A Comparison of General Design and Load Requirements in Building Codes in Canada, Mexico and the United States. Proceedings North American Steel Construction Conference, AISC, Chicago, Il.

Plataformas marinas

  • Silva González, F.L y Heredia Zavoni, E. (2007). Confiabilidad sísmica de plataformas marinas con daño por fatiga para la elaboración de planes de inspección basado en riesgo. Revista de Ingeniería Sísmica No. 77, 1-21 p. Sociedad Mexicana de Ingeniería Sísmica. Se propone un método para estimar la probabilidad de falla global de plataformas marinas con daño acumulado por fatiga y sometidas a cargas sísmicas. También entrega un modelo para la evaluación de la confiabilidad de las juntas del Jackes una función de estado límite expresada en términos del cortante basal resistente del Jackes y el actuante debido a las excitaciones sísmicas.

Puentes

En la bibliografía de fatiga en puentes, se recuperan documentos, que además de su interés histórico, todavía mantienen su validez, como Fischer (1977) y Fischer et al (1998).

  • Chamberlain Pravia, Zacarías M. (2008). Procedimentos para estimativa da vida útil em serviço de pontes metálicas usando espectro de tensão e curvas S-N. Construção Metálica, Edicio 87, pp. 22-24. Incluye un ejemplo de cálculo de un rigidizador según la norma BS 5400 (1980).

  • Fischer, J.W. (1977). Bridge Fatigue Guide. Design and details. AISC 65 p. Incluido como el Anexo Bridge Fatigue Guide. Design and Details. Design and details.

  • Fischer, J.W., Kulak, G.; Smith, I (1998). A fatigue primer for structural engineers. National Steel Bridge Alliance, 139 p. Mayo. Incluido como el Anexo A Fatigue Primer for Structural Engineers.

  • Fisher, J.W. and Yen, Ben T. (1977). Strenght of steel members with welded details. AISC Engineering Journal, 4Q, p.118-129. Revisión de los parámetros de diseño de rigidizadores soldados. Resultados experimentales.

  • Grubb, M. and Schmidt, R (2015). Steel bridge design handbook. Design example 1: Three -span continuous straight composite steel I-girder bridge. Report FHWA-HIF-16-002 Vol.20, December, 172 p. Aplicación de las Especificaciones AASHTO-LRFD verificación de contractibilidad, rigidizadores y conectores de corte.

  • Terón Torres, B.T (2011). Caracterización de los modelos de carga viva para la evaluación de la fatiga en puentes vehiculares de acero en México. Tesis de Maestría. Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería, 281 p. La línea de influencia de momentos se asemeja al régimen de amplitud variable por fatiga.

  • Zhou, Edward (2013). Bridge Fatigue. Structure Magazine, April. Revisión del NCHRP Report 721 Fatigue Evaluation of Steel Bridges.

Vigas carrileras

  • Bicket, Tim (2016). Crane runway and mill buildings design and issues. AISC North American Steel Construction Conference, NASCC 2016, Sesion N7. Aplicación de normas y guías para el diseño, fabricación, montaje, inspección y mantenimiento de todos los componentes y sus detalle: aisc.org/nascc/pastconferences

  • Bohm, Steve and Hodgins, Bill (2006). Crane runway loadings for industrial facilities. Vertical, lateral and longitudinal. A review of international codes and standards. AISC NASCC 2006, 15 p.

  • Huerta C., C.H; Jean P., R y Tavera M, M.A (2010). Propuesta para el diseño de trabes carril por fatiga. XVII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural, León, Guanajuato, México, 27 p. Ver Diseño de viga carrilera por fatiga. El efecto de fatiga no se encuentra considerado de forma explícita en las normas mexicanas vigentes, se presenta la propuesta de un procedimiento apoyándose en algunas normas extranjeras que permita considerarlos de forma compatible con los reglamentos nacionales.

  • Pachai, Luke (2017). Design of underhung hoist and crane girders. AISC NASCC 2017. Sesion E18 dedicada a los equipos de izamiento y movilización de materiales y productos utilizados en las plantas de manufactura y almacenamiento. Se trata la continuidad de los miembros, las alas no arriostradas lateralmente y los soportes laterales de la estructura, las conexiones entre los miembros soportes y la viga carrilera, los equipos de izamientos en sí mismos, incluyendo los monorrieles. Ejemplos: aisc.org/nascc/pastconferences

ANEXOS

Los Anexos están formados por los Documentos complementarios, las Ayudas para el Proyecto y los Ejemplos. Ver los comentarios en la Bibliografía.

Documentos complementarios

Incluye los documentos que por dificultades en su obtención, o por señalar futuras tendencias en el tema, o para facilitar la posterior lectura del artículo principal sin necesidad de recurrió a internet.  

Ayudas para el proyecto por fatiga

Esta sección del Anexo agrupa tanto los documentos que apoyan, teórica y prácticamente, los ejemplos como la práctica de un proyecto por Fatiga.

Ejemplos

Se entregan ejemplos que muestran la aplicación de los conceptos, las metodologías y las disposiciones normativas mencionadas en el texto principal del Cuaderno.

Estructuras para soporte de señalización. Contiene documentos que muestran la captura de los datos para el análisis y el diseño por fatiga:

 


[4] Ver Anexos Estructuras de señalización y el Anexo Structural Analysis of Sign Bridge Structures and Luminaries Support

[5] Una cronología de los estudios sobre fatiga, desde 1829 hasta 2006, se entrega en Bangura (2007) y fue reproducida por Gustavo Jiménez (sept. 2011)

[6] Indice del test de Resiliencia (Charpy V-notch test)

[7] Las especificaciones de la Asociación Americana de Oficiales de Carreteras Estatales y Transportes AASHTO por sus siglas en inglés de American Association of State Highway and Transportation Officials, están disponible en internet como por ejemplo inti.gob.ar/cirsoc. AASHTO para el diseño de puentes por el Método LRFD así como el Manual de Diseño de Puentes AASHTO.

[8] Jiménez (2011) tiene una interesante presentación de los tipos de solicitaciones repetidas.

[9] Ver en el Anexo Fatigue Life Approaches las fórmulas aplicables a las Figuras 4 a 6

[10] El autor destaca el trabajo del Dr. Geoffrey L. Kulak (1936-2017) quien desarrolló su labor docente y de investigación sobre soldaduras, pernos estructurales, y fatiga en la Universidad de Alberta, Canadá.

 

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