El desgaste de los materiales es una de las causas por la que edificios e infraestructuras pueden llegar a colapsar y derrumbarse. Un proceso de deterioro paulatino de los elementos de sujeción que, sometidos a cargas cíclicas, puede degenerar en pequeñas fisuras que a la larga terminan en quiebra. El conocimiento en profundidad de los componentes, los pesos que deberán soportar y la geometría de la construcción son factores imprescindibles para prevenir posibles siniestros desde el mismo diseño de la obra.
Los fallos prematuros en los mecanismos y una reducción de la vida esperada son las consecuencias más inmediatas de la fatiga en los materiales de construcción. “En función de cómo esté diseñado el componente y cuál sea el material empleado se pueden llegar a producir roturas súbitas, lo que puede ocasionar graves incidentes materiales y personales”, resalta Isidoro Iván Cuesta Segura, responsable del Grupo de Integridad Estructural (GIE) de la Universidad de Burgos (UBU).
Se trata de un proceso en el que se producen cambios estructurales en los materiales de forma permanente, progresiva y localizada, en el punto concreto que está sometido a tensiones y deformaciones fluctuantes. Estos suelen derivar en una rotura producida “súbitamente después de que la fisura generada haya crecido hasta alcanzar unas dimensiones tales que la sección remanente no es capaz de soportar los esfuerzos requeridos”. Este desenlace puede ocasionarse por la acción de una carga constante o por cargas variables.
Los fallos por fatiga de los materiales ocurren en numerosos sistemas mecánicos de diversos sectores, como la automoción, la maquinaria industrial o los equipos electrónicos. En las últimas décadas se han dado siniestros que han puesto de relieve la importancia de este factor en el diseño industrial.
Los factores que condicionan la vulnerabilidad de los materiales son, según el experto de la UBU:
- Los concentradores de tensiones (como soldaduras, taladros, etc.)
- Las cargas -estáticas o cíclicas- aplicadas sobre la estructura (por ejemplo, el viento o el oleaje)
- Los fenómenos desgastantes, como la corrosión o la fragilización por hidrógeno, siendo este último fenómeno de alto interés en la actualidad debido a la necesidad de implementar el hidrógeno renovable como fuente de energía alternativa.
Prevención desde la fase de diseño
Para minimizar los efectos del desgaste en los componentes de una infraestructura, Cuesta Segura considera esencial tener un conocimiento exhaustivo de los diferentes aspectos que intervienen en el proceso de la fatiga, tales como los materiales empleados, las cargas aplicadas o la geometría. Además, “en la actualidad existen diversas herramientas informáticas que permiten predecir la alteración de la materia y, por consiguiente, modificar el componente en los estadios iniciales del diseño”. Es el caso del análisis por elementos finitos, una técnica de simulación por computadora usada en ingeniería, que puede predecir la aparición de fisuras, o el análisis dinámico por elementos finitos no lineal, que estudia los problemas de deformación unitaria en la propagación.
En la actualidad existen diversas herramientas informáticas que permiten predecir la vida a fatiga y modificar el componente en los esta-dios iniciales del diseño
Precisamente como factor de prevención, las empresas del sector tratan de realizar diseños teniendo en cuenta este potencial fatiga, e integrando diferentes tipos de tratamientos para mejorar la vida de sus materiales. “Algunos de los más habituales son aquellos que introducen tensiones residuales en el componente, con el objetivo de eliminar o retardar la aparición de grietas que generen una rotura”, asegura. Un diseño con esta premisa reduce los fallos estructurales, de modo que los ingenieros pueden concentrarse en la creación de nuevos elementos en vez de corregir errores heredados.
De hecho, es muy importante establecer una adecuada planificación del mantenimiento preventivo, ya que actualmente se emplea el concepto de “tolerancia al daño”, que ha supuesto un aumento de la seguridad de los componentes ante la fatiga. Como explica el responsable del GIE “consiste básicamente en asumir que en nuestro componente van a aparecer grietas, pero si somos capaces de cuantificar cómo van a crecer y el tiempo que van a tardar hasta alcanzar la grieta crítica, podremos seguir empleándolo”. Para ello se requiere un análisis previo de la velocidad de crecimiento de la grieta, para establecer una planificación adecuada de los periodos de revisión, para detectar posibles roturas y tener la capacidad de hallar pequeñas fisuras durante el mantenimiento.
Período de vida de los materiales
Existen unos parámetros que hay que tener en cuenta para determinar la resistencia de los materiales y su seguridad, y que condicionan la fatiga de los materiales, que se puede dividir en tres fases:
– Iniciación. Empiezan a aparecer pequeñas grietas en el material, generalmente producidas alrededor de alguna fuente de concentración de tensiones o en la superficie exterior, donde las fluctuaciones de tracción son más elevadas. Esta fase suele ser la más prolongada del proceso de rotura.
– Propagación. Algunas de las grietas empiezan a crecer por efecto de la carga. En este momento, cambian las direcciones de las fisuras a las direcciones perpendiculares de las tensiones principales.
– Rotura. Se produce la fractura final cuando el componente no resiste el esfuerzo aplicado y las grietas han avanzado hasta tal punto que la sección neta del material es incapaz de soportar toda la carga.
Cuesta Segura vislumbra diferentes enfoques que determinan la rotura en función de los datos disponibles del material empleado y de las cargas a aplicar. El modelo más típico es la utilización de curvas S-N, que se basan en la vida media del elemento o en una probabilidad de fallo dada para una geometría o componente en concreto, que mediante ensayos que aplican cargas cíclicas sobre los componentes (flexión por rotación, tracción, ciclos de torsión, etc.) permite comprobar el nivel de tensión que puede soportar un material durante un número de ciclos.
Apuestas de futuro
Sin embargo, desde GIE apuestan por otro enfoque más avanzado que “es la utilización de leyes de propagación de fisura, donde es necesario realizar ensayos sobre el material para determinar una serie de parámetros clave que permiten predecir el número de ciclos de vida del componente”. En este campo, una de sus últimas aportaciones ha sido el desarrollo de un software basado en códigos de diseño capaz de predecir la rotura en componentes sometidos a cargas cíclicas.
Efectivamente, el uso de herramientas y métodos tecnológicos ayudarán a los ingenieros a mejorar la seguridad de los componentes y la selección de estos en concordancia al tipo de obra, simplificando y abaratando los diseños de ingeniería, que, junto a los avances en el conocimiento del proceso y análisis y en las capacidades de ensayo reducirán en gran cuantía las fracturas y, con ello, las probabilidades de catástrofe.
En los próximos años será clave conocer el comportamiento en materia de fatiga de los nuevos materiales, especialmente de aquellos provenientes de la fabricación aditiva
Aunque continuará el estudio y ensayos sobre los componentes más empleados en la construcción -como el hormigón-, en los próximos años será clave conocer el comportamiento de los nuevos materiales que se emplearán en diferentes sectores constructivos, tanto en edificación y obra pública, como en procesos de ingeniería civil e infraestructuras energéticas, especialmente “de aquellos provenientes de la fabricación aditiva, ya que en la mayoría de las técnicas de esta nueva tecnología se producen poros en el interior del componente que favorecen el crecimiento de grietas”, reconoce el experto. “Conocer cómo interactúan entre ellos y cómo se pueden prevenir o mitigar aplicando nuevas técnicas de postproceso será clave para obtener unas vidas a fatiga adecuadas”, concluye.
Fatigue of Structures and Materials. J. Schijve
Ha colaborado en este artículo
Isidoro Iván Cuesta Segura es catedrático en el área de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras de la Universidad de Burgos (UBU), dentro del Departamento de Ingeniería Civil.Es miembro de la Sociedad Española de Integridad Estructural y, desde su creación en 2001, del Grupo de Investigación de Integridad Estructural (GIE) de la UBU, el cual dirige en la actualidad. También, forma parte de la Unidad de Investigación Consolidada UIC163 de la Comunidad de Castilla y León. Su campo de investigación se centra en la mecánica de fractura, fatiga y simulación numérica de materiales y componentes, así como en la fabricación aditiva.
Se licenció en Ingeniería Técnica Industrial e Ingeniería en Organización Industrial por la UBU, donde asimismo obtuvo el doctorado en Ingeniería Civil e Industrial.
