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MECANICA AVANZADA DE MATERIALES
Dr. Luis A. Godoy
2005
6. ANALISIS DE FALLAS ESTRUCTURALES
A los efectos de la mecánica de materiales, usaremos una definición funcional
de falla (Muchos autores prefieren hablar de estado limite).
Falla es una condición no deseada que hace que el elemento estructural no
desempeñe una función para la cual existe. Una falla no necesariamente
produce colapso o catástrofe.
• Mecanismo de falla, es el proceso o secuencia que ocurre en el
elemento estructural cuando falla. Puede haber un mecanismo de falla o
varios que se acoplan. Ejemplos: mecanismo de pandeo, mecanismo de
fractura.
• Modo de falla, es la configuración (geométrica) que adopta el elemento
estructural cuando falla. Ejemplos: Modo II de fractura, modo local de
pandeo.
• Parámetro crítico, es un indicador asociado a la falla. Se usan
indicadores, como tensión, deformación, desplazamiento, carga, número
de ciclos de carga, energía, etc. Ejemplo: carga critica de pandeo, número
de ciclos de fatiga.
• Criterios de falla, permiten predecir el modo de falla. Ejemplos: criterio
de plasticidad de von Mises, criterio energético de estabilidad.
La falla de un objeto estructural puede significar la falla del sistema al que
pertenece. Ejemplo: La falla de una tubería que pertenece al circuito primario
de refrigeración de una central nuclear puede detener la central, hacerla
fallar. Importancia de contar con redundancia en el desempeño de funciones.
Metodología de trabajo para tratar fallas:
¿Cuáles son las funciones a preservar?
¿Cuáles son las fallas funcionales?
¿Cuáles son los modos de falla?
¿Cuáles son los efectos de esos modos?
¿Cuáles son las consecuencias de los efectos?
¿Cuáles son las tareas que hay que aplicar para minimizar las consecuencias?
¿Cuáles son las frecuencias de esas tareas?
7. MODOS DE FALLA FRECUENTES EN ELEMENTOS ESTRUCTURALES
Los modos de falla más frecuentes son plasticidad, fractura, fatiga,
desplazamientos, creep y corrosión.

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Plasticidad
Manifestación: mecanismos, grandes
deformaciones son posibles.
Origen: estructura microscópica (i.e.
deslizamiento de cristales).
Plasticidad local >>> redistribución de
tensiones a zonas con menores
tensiones. Materiales dúctiles, capaces
de desarrollar deformaciones grandes.
Propagación de plasticidad: Fluencia de
una parte considerable del objeto
estructural.
Caracterización: Límite de fluencia,
superficies de fluencia, strain
hardening.
Factores que influyen: Procesos de
carga/descarga, ritmo de carga,
estados multiaxiales, temperaturas
altas.
Modelos: constitutivas no lineales,
cinemáticas lineales
Falla de una probeta por plasticidad.
Fractura
Manifestación: Se rompe el material
antes de tener deformaciones grandes.
Origen: Defectos locales en el material
a nivel microestructural.
Fractura repentina en materiales
“frágiles”: rocas, fundición, etc.
Fractura de materiales "dúctiles" con
defectos (fisuras, concentración de
tensiones, ranuras, etc.). En materiales
dúctiles puede haber rotura frágil.
Propagación de fisuras: extensión de
una fisura de manera continuada.
Inestabilidad de fisuras.
Modo de falla: Iniciación de superficies
interiores. Separación de la estructura
en partes.
Factores que influyen: bajas
temperaturas, cargas dinámicas,
habilidad del material para absorber
energía.
Caracterización: Resistencia a fractura
(fracture toughness), longitud critica.
Modelos: deformaciones plásticas
pequeñas.
Falla de un barco por fractura.
Grietas en una construcción antigua.

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Fatiga
Manifestación: Fractura progresiva.
Causa: Estados tensionales repetidos o
cíclicos.
Falla sin aviso previo visual.
Factores que influyen: concentración de
tensiones, cambios abruptos de sección,
fisuras, etc.
Caracterización: Número de ciclos límite,
resistencia a la fatiga.
Falla por fatiga de un eje.
Desplazamientos instantáneos
Origen: esbeltez del objeto
estructural.
Modo 1: Desplazamientos grandes
con equilibrio estable.
Modo 2: Pandeo (equilibrio
inestable), falla en la forma
estructural. No se consideran aquí
fallas por modos de pandeo, que
están dominados por la geometría y
no por el material. Esas fallas se
tratan en un curso especial.
Modo 3: Vibraciones. Consecuencias:
ruido, golpes entre partes que se
mueven, grandes desplazamientos
transitorios.
Modelos: constitutivas elásticas,
cinemáticas no lineales
Reducción de desplazamientos:
modificación de la forma,
redimensionar secciones. No influye
tanto cambiar el material.
Factores que influyen: relaciones
geométricas.
Consecuencias: problemas
operativos, colapso, inseguridad del
usuario.
Grandes desplazamientos (estables) en una
placa de un compuesto cementicio flexible.
Falla de un tanque por pandeo.
Creep
Manifestación: Desplazamientos
diferidos en el tiempo.
Origen: en metales y cerámicos ocurre
una difusión de vacancias, con cambio
de forma en los granos. Deslizamiento
de granos, formación de cavidades a
lo largo de los bordes de granos.
Causa: tensiones actuando durante
tiempos largos.
Factores que influyen: temperaturas,
Problemas de material. Falla por creep de una construcción histórica

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en madera.
Corrosión
Manifestación: Pérdida de material en
el espesor de un elemento.
Reducción de dimensiones de una
sección.
Origen: acción química o ambiental.
Factores que influyen: agresividad
del medio.
Falla por corrosión de un bulón en un puente.
Cambios en el material pueden modificar el modo de falla. Ejemplo: reforzar
un puente con material compuesto reforzado con fibras puede cambiar un
modo de falla flexional por uno en compresión, que es mas frágil.
8. ESCALAS EN EL ESTUDIO EN FALLAS EN MATERIALES
Este curso trata de fallas en el nivel de macro estructura y en algunos casos
debe referirse a la micro estructura del material.
Surgen interrogantes sobre
o ¿Hasta dónde se puede considerar que la materia es un medio continuo,
siendo que varios órdenes de magnitud por debajo de las medidas de una
macro estructura hay granos del material, fibras, etc.?
o ¿Cómo se compatibiliza la idea de tensor de tensiones, para el que se
toma limite en un medio continuo, con la de un objeto que en cada nivel
de consideración presenta aspectos diferentes?
Macro estructura:
estructuras y componentes
estructurales. Entre 10 m y
10-1
m >>> (automóviles,
aviones, edificios,
infraestructura civil, etc.).
Relaciones debidas a
elasticidad, plasticidad.
Tubo de hormigón en una estación de tratamiento de
residuos cloacales, atacado por corrosión inducida por
agentes biológicos. Tomado de: “Biodeterioration and
rehabilitation of sewage treatment station”, L. C. Mendes
et al. (2005), Damstruc, pp. 256-271.

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Micro estructura: entre 10-5
m y 10-3
m (micrones),
Formaciones características
del material que lo definen en
escalas de 50 a 250 µm:
granos en aleaciones
metálicas, fibras de
compuestos. Relaciones
fenomenológicas, actualmente
modelación de la micro
estructura.
Orígenes de fisuración por fatiga en un acero. Tomado de
Dowling, 1999.
Nano estructura, 10-9
m,
átomos. El nivel de nano-
estructura es estudiado
mayormente por físicos y
químicos. La nano-tecnología
intenta diseñar materiales en
el nivel atómico.
Mecanismo de deformación de un cristal perfecto en nivel
atómico.