jueves, 5 de mayo de 2016
DISEÑO DE ELEMENTOS SOMETIDOS A CARGAS ESTÁTICAS
Los esfuerzos variables en un elemento tienden a
producir grietas que crecen a medida que éstos se repiten, hasta que se produce
la falla total; este fenómeno se denomina fatiga.
Por lo tanto, el diseño de elementos sometidos a cargas variables debe hacerse mediante una teoría que tenga en cuenta los factores que influyen en la aparición y desarrollo de las grietas, las cuales pueden producir la falla después de cierto número de repeticiones (ciclos) de esfuerzo.
Por lo tanto, el diseño de elementos sometidos a cargas variables debe hacerse mediante una teoría que tenga en cuenta los factores que influyen en la aparición y desarrollo de las grietas, las cuales pueden producir la falla después de cierto número de repeticiones (ciclos) de esfuerzo.
La teoría que estudia el comportamiento de los
materiales sometidos a cargas variables se conoce como teoría de fatiga.
DISEÑO DE ELEMENTOS SOMETIDOS
A CARGAS ESTÁTICAS
·
CARGA ESTÁTICA
Es aquella que no varía su magnitud ni dirección en
el tiempo.
·
TEORÍA DE FALLAS PARA MATERIALES
La falla es la pérdida de función de un elemento
tanto por deformación (fluencia) como por separación de sus partes (fractura).
Los mecanismos de falla dependen de la estructura microscópica
del material y de la forma de sus enlaces atómicos.
Para predecir la falla de materiales bajo cargas
estáticas y poder hacer diseños de elementos de máquinas confiables se han
desarrollado varias teorías para grupos de materiales, basándose en
observaciones experimentales.
Las teorías de
falla se dividen en dos grupos:
1)Materiales Dúctiles
Cuando se somete una pieza dúctil con un concentrador de esfuerzos a una carga estática,es posible que el punto de mayor esfuerzo, en las vecindades de la discontinuidad, alcance el esfuerzo de fluencia;por lo tanto, habrá flujo plástico. Las partes del material que alcanzan el valor de la resistencia de fluencia fluyen practicamente (véase la figura 3.29) haciendo que los cristales se reacomoden,produciéndose el fenómeno de endurecimiento por deformación.
2) Materiales Frágiles
En los materiales frágiles no ocurre flujo plástico (véase la figura 3.6) y, por lo tanto, no haymovimiento de cristales (al menos no es significativo), presentándose la falla si en algún punto se alcanza la resistencia a la rotura (tracción, compresión o cortante). Si en las vecindades de una discontinuidad de una pieza frágil sometida a una carga estática se alcanza dicha resistencia, aparecería allí una grieta, la cual debilita el resto de la sección y, peor aún, aumenta más el efecto de concentración de esfuerzos; la grieta se expande produciendo la rotura total de la pieza.
TEORÍA DE FALLA POR MATERIALES
DÚCTILES
Se considera dúctil a un material que en el ensayo
de tensión haya tenido más del 5% de deformación antes de la fractura.
En los materiales dúctiles se considera que la
falla se presenta cuando el material empieza a fluir (falla por
deformación).
Teoría
Del Esfuerzo Normal Máximo
Establece que la falla ocurrirá cuando el esfuerzo
normal en la probeta llegue a cierto límite de la resistencia normal, como
puede ser el límite de fluencia elástico a tensión o la resistencia máxima a
tensión del material. Para el caso de materiales dúctiles, el criterio deseado
es la resistencia límite.
Los experimentos muestran que los materiales
dúctiles fallan bajo carga estática cuando sus estados de esfuerzo quedan fuera
de la elipse, por lo tanto, los cuadrantes 2 y 4 es inseguro este criterio.
Teoría
Del Esfuerzo Cortante Máximo
También conocida como Teoría de Tresca. Establece
que la fluencia del material se produce por el esfuerzo cortante, surgió de la
observación de la astricción que se produce en una probeta cuando es sometida a
un ensayo de tensión.
La teoría dice: “La falla se producirá cuando
el esfuerzo cortante máximo absoluto en la pieza sea igual o mayor al esfuerzo
cortante máximo absoluto de una probeta sometida a un ensayo de tensión en el
momento que se produce la fluencia”
Teoría
De La Energía De Distorsión
Propuesta por R. Von Misses al observar que los
materiales bajo esfuerzos hidrostáticos soportan esfuerzos mucho mayores que
sus esfuerzos de fluencia bajo otros estados de carga.
La teoría establece: “La falla se producirá cuando
la energía de distorsión por unidad de volumen debida a los esfuerzos máximos
absolutos en el punto crítico sea igual o mayor a la energía de distorsión por
unidad de volumen de una probeta en el ensayo de tensión en el momento de
producirse la fluencia”.
TEORÍA DE FALLA POR
MATERIALES FRÁGILES
Se considera frágil a un material que en el ensayo
de tensión haya tenido menos del 5% de deformación antes de la fractura.
En los materiales frágiles se considera que la
falla se presenta cuando el material sufre de separación de sus partes (falla
por fractura).
Teoría De Coulomb-Mohr
La teoría se aplica a los materiales para los que
la resistencia a la compresión es muy superior a la resistencia a la tracción,
caso de los materiales cerámicos.
La teoría explica que el corte de un material se
produce para una combinación entre tensión normal y tensión tangencial, y que
cuanto mayor sea la tensión normal, mayor será la tensión tangencial necesaria
para cortar el material.
Se utiliza para determinar la carga de rotura, así
como el ángulo de la rotura de una fractura de desplazamiento en materiales
cerámicos y similares (como el hormigón).
La hipótesis de Coulomb se emplea para determinar
la combinación de esfuerzo cortante y normal que causa una fractura del
material.
El círculo de Mohr se utiliza para
determinar los ángulos donde esas tensiones sean máximas. Generalmente la
rotura se producirá para el caso de tensión principal máxima.
Modelo Mohr-Coulomb Modificado
El modelo requiere introducir los siguientes
parámetros de entrada: Módulo de elasticidad E, coeficiente de
Poisson, ángulo de fricción interna y cohesión. Los dos últimos
parámetros sirven para definir la condición de fluencia.
Aplicaciones Generales
Estás teorías son aplicables donde se trate de
diseñar una estructura que será sometida a esfuerzos, y se necesite trabajar
con un coeficiente de seguridad, siempre teniendo en cuenta por supuesto si el
material es dúctil o frágil
Aplicando las teorías podemos determinar si
determinado material soportará los esfuerzos a los que queremos someterlo.
Ejemplos: estructuras de casas, estructuras de barcos, diseño de
estructuras de máquinas, entre otros.
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