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~"'.~.ltfr~~CriandoSusarreyHuerta1AlfredoLpezLpez2LeobardoMoralesRuiz1
DidierSamayoaOchoa1Jos MartnezTrinidad1GabrielMontesdeOca3scarFloresMacas3
IvnCamposSilva4Jos SilvaLomelPAlexanderBalankin1
1 SeccindeEstudiosdePosgradoe Investigacin(SEPI),EscuelaSuperiorde IngenieraMecnicay Elctrica(ESIME),InstitutoPolitcnicoNacional.
2 InstitutoMexicanodelTransporte.3 InstitutoMexicanodelPetrleo.
4 InstitutoTecnolgicoy deEstudiosSuperioresdeMonterrey,CampusCiudadde Mxico.MXICO.
Recibidoel2 dediciembredel2002;aceptadoel5 dejuniodel2003.
1.Resumen
Esteartculopresentaunacortaapreciacinglobaldelahistoriadelamecnicadefractura,suactualestado,y losfuturosdesarrollosmsprometedores.EspecialmentesubrayamosalgunosdelosresultadosmsrecientesobtenidosporelGrupodeMecni
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4.1Antecedenteshistricosy galerade imgenes
El fenmenodela fracturahasidousadodesdela pocaNeolticacuandoelhombreinventydiselasprimerasherramientassencillasdepiedray posteriormentemssofisticadas.Es dudosoqueestosprimerosancestrosdelhombremodernohayanentendidolosmecanis-mosdeftactura.Encualquiercaso,desarrollarontcnicasmuyhbilesdecmomoldeary formarcuchillos,lanzasy otrasherramientasdepiedra.
El diseodeestructurasparaevitarlafractUranoestampocounaideanueva.El hechodequealgunasestructurascomisionadaspor losfaraonesdelantiguoEgiptoy duranteelImperioRomanopermanez-canenpie,sonuntestimoniodelahabilidaddelosprimerosarquitec-tose ingenieros.EnEuropa,numerososedificiosypuentesconstrui-dosduranteelperiodorenacentistatodavasonutilizadosparael finquefueronproyectados.Lasestructurasantiguasqueestnenpiehoyda,sonejemplosobviosdediseosexitosos.Sin embargo,dichosdiseosexitososfueronconseguidosprincipalmenteapruebayerror,porlotantoindudablementemuchomsdiseossinxitoresistieronunperiododevidamuchomscorto[2].
Variosincidentesrelacionadosconfractura,loscualesocurrieronenlos
siglosXII Y XIII en Europa,estndocumentadosen la literatura.Lasprimerastcnicasdecontroldecalidady ensayodecaonesdebronceserealizabancargandoy colocandoel canbocaabajo,permitiendoqueelbarrilfueradisparadohaciaelaire.Si despusdelacadadeltubonohabalapresenciadegrietaso noestabacompletamentefracturado,entoncesseconsiderabaqueelmaterialeralo suficientementetenazyelcanpodaserpuestoenserviciodemanerasegura.De otramane-ra,esteensayodefracturadinmicadabacomoresultadoun tubodecanrotoy eldispositivomilitarnecesitabavolveraserfundido[1].
Laspruebaso ensayosllevarona loscientficosaaproximarsea losproblemasderesistenciay fractura,siendolapuntadelanzapionerostalescomoLeonardodaVinci(verfigura1)YGalileoGalilei(verfigura2).LeonardodaVinci[3]fueelprimeroenrealizarexperimentosparadeterminarlacapacidaddecargadealambresdeacero.GalileoGalilei[4]fueelprimeroenformularquelacargadefracturadeunabarraentensinesdirectamenteproporcionalalreadesuseccintransversaleindependientedesulongitud.Lagranmayoradelossiguientesexplo-radoreshanaceptadolanocindeGalileodequelaresistenciaesunapropiedadintrnsecadelmaterial.
LaRevolucinIndustrialdelsigloXIXtrajoconsigounincrementoenlademandademetales,particularmentedelhierroy acero,paraserusadosen ingenieray en la construccina grandesescalas.Estagrandey ferozexpansindelmundodelaingenierafueacompaadaporunafrecuenciamayordefallasenestructurasdeingeniera.Dehecho,la fracturadevasdeferrocarrilfuealgocomn,tantoquealrededordelao1870larevistadeIngenieraBritnicareportesta-dsticassemanalesacercadeaccidentesferroviarios.Posteriormente,en1900,conlaaparicindelautomvil,seguidoporlosaeroplanos,seincrementlaprovisindefactoresdeseguridadadecuadosy lanecesidaddeentenderdemaneramsclarael fenmenoderuptura.Sinembargo,larespuestafuedirigidaprincipalmentea lamejorademateriales,perfeccionandolosprocesosdefabricaciny deinspec-cin.Conestasherramientas,la prcticadelcontroldefracturasebasprincipalmenteenlaexperienciadefallas,factoresdeseguridady deensayos,duranteelperiodode1900-1950.Comounamedidacontrael costodebidoa lasfallas,los segurosfueronunaopcindisponible.Sinembargo,duranteesteperiodofuerondesarrolladasdistintasinvestigacionessobrefractura,lascualesayudarona la in-troduccindelamecnicadefractura[2].
Los orgenesdelamecnicadeftacturapuedenremontarseaunartculo[3]publicadoporA.A. Griffith(1920)(verfigura3),enel cualdemostr
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porprimeravezquelaresistenciarealalatensindematerialesfrgileserasignificativamentemenorquela resistenciapredichatericamentedebidoa la presenciadegrietas.El artculofueesencialmentelatesisdoctoraldeGrit1thenelDepartamentodeIngenieradelaUniversidaddeCambridgebajolaasesoradesuprincipalconsejeroGI. Taylor.LacontribucinamenudoderivadadelartculodeGriffithhasidolaecua-
cinquerelacionaelesfuerzodefracturaconel tamaodelagrieta.
Paraderivarestaecuacin,Grit1thutiliza la ecuacindeesfuerzosde
Inglisparaunagujeroelpticoenunaplacagrandesujetaatensin.Inglis[6]proporcionunaexpresinsimpleparael esfuerzomximoparalapuntadela muesca(modeladacomola mitadde la elipse)la cualanpermaneceenuso.Posteriormente,Wiggleworth[7]demostrquehabanecesidaddeunacorreccindelbordelibrelacualincrementabaelesfuer-
zoenlapuntadelagrietaen10%.GriffithhizounarevisinalaecuacindeInglispararepresentarunagrietaplanaenunaplaca,y luegocalcularlarapidezdeprdidadecamposdeenergadedeformacinconelincremen-todeltamafodelagrieta,asumiendoquelasfronterasestnfijas.stafueunatareaformidableconlasherramientasdeanlisisdisponiblesenesapoca.
A pesarde que la aproximacinde Griffith estuvoapoyadapor losestudiosdeclivajeenmicadesarrolladosporObreimoff[8]en1930,eltrabajodeGrit1thpermaneciprcticamenteinadvertidoporalgunasdcadas.En el periodo(1920-1940)los problemasrelacionadosconfracturay resistenciafuerondeparticularintersparalaantiguaUninSovitica(ver[9-11D. Las escuelasmatemticasdeelasticidady plas-ticidadencabezadasporG V.Kolosovy NI. Muskhelishvili(verfigura4),A Yu. Ishlinsky,G.N. Savin,S.G.Lekhnitskyy LA. Galin contri-buyeronintrnsecamentealasolucinmatemticadeimportantespro-blemasde fracturay resistencia.A.F JojJe (1924)(ver figura5) fuepioneroenestudiosdefracturafrgilrelacionadosconlafisicadefrac-turadecristales.Por otraparte,N.N. Davidenkov(1928)realizestu-
diosenprobetasconmuescaenflexin,conla inf1uenciadebajastemperaturasyelefectodelavelocidadinducidaporimpactoenme-tales;estoconlafinalidaddemejorarelentendimientoy evaluarlasusceptibilidaddelosmetalesalafracturafrgil.Tambinrealizlosprimerosesfuerzosparatratardecaracterizarlaresistenciademateria-lesa la fracturafrgildebidoaunatemperaturacrtica.Problemasasociadosconlaaperturadegrietasporclivajeenmicasfueroninves-tigadosporPA RehbinderyYa.!.Fraenkel(1930).
Al mismotiempo,AP. Alexandrovy S.N. Zhurkov(1933)realizarontrabajospionerosenelestudiodelosefectosdeescalaenfracturas,as
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comolosefectosdelmedioambienteenconexinconlaresistenciayfracturadefibrasdevidrio[26].
Sinembargo,enloscuarentalasideasdeGriffithseconvirtieronenlapiedraangularparaeldesarrollodelamecnicadefracturalinealels-tica(LEFM,porsussiglaseningls),estimuladaporalgunasfallassinsolucindeestructurasmetlicas,porejemplolaseparacinporfrac-turadeloscascosenlosbarcosLibertydelaArmadadelosEstadosUnidosdurantelaSegundaGuerraMundial.Durantelosprimerosdasdelaguerra,cuandolaArmadaAlemanaestabahundiendobarcosdecargaenemigosaunavelocidadtresvecesmsrpidadelo quelosreemplazaban,lanecesidadmsgrandedelosbritnicoseranbuquesdecargaparatransportarsuministros.Bajola accindeprstamo-arrendamiento,losEstadosUnidossuministraronbarcosyaeroplanosalReinoUnido.El famosoconstructoramericano,Kaiser,dirigiunatcnicarpiday revolucionaria'parafabricarbarcos,la cualfueimplementadarpidamente.Conestanuevatcnicaseconstruyerondurantelosaosdelaguerra2700buquesconelcascounidocomple-tamenteconsoldadura.Deestenmeroenormedebuques,unodecadasietepresentabafracturas,90estabanencondicionesserias,20total-mentefracturadosy alrededorde10sehabanpartidoendos[12].
Enelperiodocomprendidode1937-1954,lrwin(verfigura6)estuvoalfrentedelNavalResearchLaboratoryBallisticBranch(Washing-ton,D.C.).En 1945,comounaguaparaunnuevoestudiodefractura,supusoquelateoradeGriffithde1920podasermodificadadealgunamaneraparapredecirel iniciodelafracturadebidoalagrietamientoinicialenmaterialesdeingeniera.Losresultadosdeunestudiodelespesordela deformacinplsticaobtenidosusandodispersinderayosX apartirdelplanodeclivaje(cleavage)enunaceroestructuraldebajaresistencia(acerodebajocarbn),reportadosporOrowan(1945)fuerondeespecialintersparaestepropsito.Irwinobservqueestaestimacindeprdidadeenergadebidoa la deformacinplsticaporunidaddereadeclivajepodaser()btenidautilizandolosresultadosdeOrowan.El resultadofueunaindicacindeque,inclusoparalafracturafrgilporclivaje,laprdidadeenergadelcampodeesfuerzosparaganarenergadesuperficiefuetrivialencomparacinalarapidezdeprdidadebidaaladeformacinplstica.Dehecho,esosresultadoscorrespondena unarapidezdeprdidadeenergaenelcampodedeformacinmuchasvecesmayorquelaenergadesuperfi-ciedelaferrita.SeconcluyqueelconceptousadoporGriffithpodasertily conservadoparacuestionesdeanlisis,al menosparaelcomportamientodelafracturarelativamentefrgil,si enlugardelaenergadesuperficiedeGriffithsesustituyeporlaprdidadeenergaportrabajodebidoaladeformacinplsticaocurridacercadelapuntadelagrieta.EstaideafuepresentadaporIrwinenunCongresodelaASM en1947.Lasilustracionesexperimentalesdisponiblesfuerondelimitadovalordebidoalaexcesivaductilidaddelmaterialdelasprobetas.Orowanpresentla mismaideaen1949,peroconsiderpocoprobabledequefueratilparamaterialesestructurales.As,elartculodeOrowanen1945alentlaseleccindeunconceptomodi-ficadodeGriffithcomounpuntodeinicioprometedorparanuevosprogramasdeinvestigacindelafractura.
AunqueexisteunacuerdocuantitativoexcepcionalentrelosdatostericosyexperimentalesreportadosporGriffithen1920,pareceseralgofortuitoalaluzdealgunasimprecisionescontenidaseneldesarro-llotericooriginal(corregidosporlmismoen1924)ascomoenlos
datosexperimentalesreportados(loscualesnuncafueronreproduci-dosenexperimentossimilaressubsecuentes),deberreconocersequelafamosaecuacindeGriffithy supremisafundamental,sonbsica-mentelegtimosy representanlaprincipalcontribucinala literaturadelafractura.ActualmentelascitasdeGriffithsonsuperioresalasdeEinstein.
El segundologromsimportanteenlosfundamentosdelamecnicadefracturafueen 1957debidoa Irwin [13],quienintrodujoe!conceptodel factorde intensidaddeesfuerzosK, comoun parmetroparalaintensidaddeesfuerzoscercadelapuntadelagrieta.DebemencionarsequeelenfoquedeIrwin sebasenelanlisismatemticodelosesfuer-zos y desplazamientosalrededorde la puntade grietas,anlisisqueprovienedeltrabajollevadoacaboenpresionesasociadasconsuperfi-ciesonduladasencontactoy modeladascomopresionesengrietas,porWestergaard(1939).
Posteriormente,Irwin[14]relacionK conlarazndeliberacindeenerga.Irwinsupusoquelaenerganecesariaparalacreacindenuevassuperficiesdurantelaextensindelagrietaprovenadelaprdidadeenergadedeformacindelslidoelsticocompleto.IrwindefiniestarapidezdeliberacindeenergacomoG enhonoraGriffith,y luegodemostrquestapodaserdeterminadadelcarnpodeesfuerzosydesplazamientosenunaregincercanaalapuntadelagrieta.DeclarqueelsimpleparmetroG,fuerzadeextensindelagrieta,medalaintensi-daddelcampodeesfuerzosenlapuntadelagrieta,mientrasladeforma-
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cinplsticaestlimitadaa unapequearegincercadelapuntadelagrieta.Irwinestablecielcriteriodetenacidadalafracturacrtica(Ge)'elcualespecificaquelapropagacindelagrietaocurrecuandoG alcanzaunvalorigualaGe l tambindiscutielefectodelespesor(restriccin)ylarazndedeformacinsobreGe Planteabatresideasfundamentales:
1.Un movimientoprogresivoadelantedelfrentedelagrieta(bordeprincipalopuntadelagrieta);
2.La fuerzadeextensindelagrieta,G,eralarapidezdeprdidadeenergadelcampodeesfuerzosenelfrentedelagrietaporincremen-todeextensindegrieta;
3.Laresistenciaalaextensindelagrietaeralarapidezdedisipacindeenergaenladeformacinno-elsticacercanaalfrentedelagrieta.Estasideasformaronlasbasesdelamecnicadefracturalinealels-tica(MFLE).
El desarrollodelateoramodificadadeGriffith,realizadaporIrwinyOrowan,no fue completamenteindependienteya quchabanintercambiadoideasdeinvestigacinen1946,cuando,despusdelafamosaConferenciadeMecnicaAplicadaenPars,IrwinvisitaOrowanenlaUniversidaddeCambridge.Sinembargo,tenanmetasdiferentes.Orowantenalaideaderelacionarsusestudiosde1945utili-zandorayosX conlateoradeGriffith,peropensquedichotrabajoseraslodeintersacadmicoy noaplicablea lafracturadctil.Encontrasteconesto,Irwintenamayorintersenaplicacionesprcticas,enparticularalproblemadefallasdelosbuquesLiberty.
LasinvestigacionesrevelaronquelasfallasdelosbarcosLibertyerancausadasporla accinconjuntadetrescausas:1)Lassoldadurasfueronproducidasporungrannmerodetrabajadoresinexpertosypresentabanimperfeccionestipogrietas;2)lamayoradelasfractu-rasseiniciaronenlasesquinasdelasescotillasdelacubiertadondehabaconcentracindeesfuerzo;3)elaceroutilizadoparalacons-truccintenaunatenacidada la fracturapobreobtenidamediantepruebasdeimpactoCharpy;porlo tanto,algunosdelosbuquesserompieronaunantesdequefueranenviadosaS'ervicioenlasaguasfrasdelazonadecombate.
Tanprontofueronidentificadaslasrazonesqu'eocasionabanlasfa-llas,pudierondisearsesoluciones,lascualesconsistanenreforzarlasesquinasdelasescotillasy remacharplacasdeacerodealtatena-cidadenlasposicionesdepeligro.Estasaccionesprevenanfallasmsseriasenlosbarcos.El impactoa largoplazodelasfallasenlosbuquesLibertyfueeldesarrollodeaceroestructuralconunatenaci-dada lafracturamejoraday estndaresdecontroldecalidaddelasoldadura.As, lasfallasfrgilesdelosbarcosLibertypopularizarondemaneraenormealamecnicadefractura,detalmaneraqueestajovendisciplinapasdesermeracuriosidadcientficaaunadisciplinadeusoenlaingeniera.
En 1958Irwinpublicunresumencompletodelestadodelamecnicadefractura[16].En esteartculoseencuentranincluidasexpresionesconve-nientesparaesfuerzosy desplazamientoscercadela puntadela grietabajolos tresmodosclsicosdecarga(tensin,deslizamientodecorte,desgarramientodecorte)mostradosenlafigura7(vertambin[15]).Sediscutentambinaspectostericosy experimentalesde mecnicadefractura.El artculofuetancomprensiblequeporalgntiemposeemplecomolibrodetextodeloscursosdemecnicadefracturaimpartidosen
Europa.
El desarrollodelos objetivos,logradoalrededordelafo 1960,fueelsuficientetantoparagarantizarla aceptaciny continuidaddel creci-mientodela'tecnologadelamecnicadefractura.Principalmentelostresproblemasprincipalesdefallaporfracturaqueocurrierondurantelosaos50y laaplicacinexitosadelosprincipiosdemecnicadelafracturaadichosproblemas,contribuyerona laaceptacindelamec-nicadefracturaporlacomunidaddeingeniera.Dichoseventosfueronla explosinagranaltituddelavindereaccinHavilland Cometen1955,las fracturasde rotoresde 3 600 rpmen grandesturbinasdevapordegeneradoreselctricosen1955-1956,y lafalladelosmotoresdelcohetedecombustibleslidoPolaris yMinutemanen1957.Todasestasfallasestuvieronrelacionadasconla introduccindenuevosme-talesdealtaresistenciaalacedenciaenestructurasdealtodesempeo
[12].Estoscasosproporcionaronejemplosdefallasdondelacobertu-ra del seguroresultserdemasiadocostosa.Ms importantequelassancionesimpuestasdebidoa la falla,no resolvercadauno deestosproblemasdeunamaneraoportunaerainaceptable.Los nuevosmto-dosdeanlisispermitieronquelamecnicadefracturafueraun ele-mentoimportanteen la solucinde cadauno de los problemas.Acambio,cadaunadeestasinvestigacionesdefracturallevconsigocontribucionesentrminosdenuevosavancescon respectoal com-portamientodela fractura,mtodosdeanlisis,y tcnicasdeensayo.
La fallademisilesy cmarasdecohetesimpulsa oficialesdelaSecretaradeDefensadelosEstadosUnidosabuscarayudadelaSociedadAmericanadePruebasdeMateriales(ASTM, siglaseningls).En respuesta,en 1959la ASTM formcomitstcnicosespeciales(STC,siglaseningls)paraestudiarlaaplicacindenue-vospuntosdevistadelamecnicadefracturaparamaterialesdealtaresistenciaendetalley paradesarrollarmtodosdepruebaparadeterminarlaresistenciaa la fracturafrgildedichosmetales.ElpresidentedelComit,J.R. Low,y susmiembros(alrededorde15)eranrespetadosporsuexperienciay entendimientodelafractura.Eltrabajodeestecomitproporcionunmpetuparaelrpidodesarrollotecnolgicoenlamecnicadelafractura,enelcuallaASTM SCTyelsiguientecomitASTMComitE-24,asumieronelpapeldedireccin.
El siguientegranpasoenel desarrollodela mecnicadefracturadeterministacontempornea(MFLE y laMF elastoplstica)fuehe-
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chodemaneraindependienteporG Cherepanov[17]en1967y JRice[18]en1968,desarrollandounaaproximacinenergticabasadaenelconceptodeunaintegralinvariante,tambinllamadaintegral-J.Dehecho,dichaintegralfueintroducidaporEshelby[19]en1951paraunasingularidaddeesfuerzosenunslidoelstico,peronopudoaplicarlaaproblemascongrietas.Laintegral9~lneaindependientedetrayectoriacerrada,encamposmuygenerales,describeuncrculoquerela~ionalarazndeenergialiberadaconelesfuerzoyloscamposdedeformacionescercanosa lapuntadelagrietaparaalgnmaterialelstico,linealono,yproporcionaunaherramientalgicaparaanali-zarlafracturaparauncomportamientonolinealmsgeneral.Actual-menteesunade la piedrasangularesde la mecnicadefracturaelastoplstica,queeslaramadelamecnicadefracturaqueabordalafracturadematerialesdctiles.
El primerreporterealizadoporel ComitTcnicoEspecialdelaASTM enenerode1960,declarque:"...Iosprincipiosdemecnicadela fracturaeranbienentendidosparapermitirsuusotantoenensayosdefracturacomoenlainterpretacindelosresultados"[2].
La metaprincipaldecualquieranlisisdemecnicadefracturaesprevenirlafalla.Paraconseguiresto;"lafuerzadecrecimientodela
. grietadebesermenorquelaresistenciitdelmaterialalagrietamiento,comoseilustraenlafigura\O[20].
En retrospectiva,msde200aosde.estudioderesistenciademateria-lestrajeronconsigoungrannmefdecriteriosdefalla.Dichoscrite-riosfuerondesarrolladosdelosconceptosdelaexistenciay singulari-daddeunasuperficiedetracturaenel espacio,independientedelos
parmetrosdecarga.Dichasuperficiedivideelltimoespacioendosdiferentesdominios,unoenelcuallafallanuncapuedeocurriryenelotroningnpuntoesposibleconexcepcindelafrontera,dondelafallaocurre.El propioprocesodelafracturaseignoraenestaaproximacin.En estesentido,loscriteriosdefallasonformuladoscomovalorescrticosdevariosinvariantesdelostensoresdeesfuerzos,deforma-cin,deladensidaddeenergao suscombinaciones.El nmerodecriteriospropuestoshastaahoraessuperiora 100.staesunaclaraindicacindelalimitadaviabilidaddelaaproximacindelcriteriodeesfuerzosparaelanlisisdefalla.
La fuerzadecrecimientodela grietay la resistenciadelmaterialdependendelrgimendemecnicadefractura.Bajoundeterminadojuegodeesfuerzos,el tamaodeldefectoparael cualla fuerzade
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crecimientodelagrietaesiguala laresistenciadelmaterialqueesllamadotamaocrticodegrieta.Lanocinrecientementedesarrolla-dadelosmapasdemecanismosdefractura(MMF) ponenelrestodelascreenciassencillasenlaexistenciadeuncriteriouniversaldefallaentrminosdelamecnicaclsicadelmediocontinuo.LosMMF separecenaundiagramadefase,sugiriendoquediferentescriteriosdefallapuedenserempleadosparavariosesfuerzosycondicionesdetempera-tura.Aunqueladiversidaddecomportamientodefallaesenorme,existenpocoselementosgenticos,portanto,enlamayoradeloscasosocurrenslomodelosestndar.Estoexplicaloslogrosespectacularesdelamec-nicadefracturaenelanlisisdefallas.
El desarrolloy usodelmtododeelementofinitoenlosanlisisdemecnicadefracturaesahoraunprocedimientoderutina.Generalmen-tesehaencontradoqueeseficienteyfiable,yparamuchasaplicacionesdeingenieraeselnicomtodoparaobtenerun;;olucin.
Perounodelosgrandesproblemasestenelhe~hodequeunaasigna-cin de la fiabilidadde la solucinpor elementofinito deberestarbasadaenel claroentendimientodelos mecanismosdefractura.Sin
embargo,actualmenteesreconocidoquenohayunamplioentendimien-todelfenmenoderuptura,sinosolamenteunaclasificacinparcial ensituacionesrestringidasy relativamentesimples.Estafaltadelentendi-mientofundamentalesreflejadaenla ausenciadeapropiadosmtodosdeprediccinparafiacturay fatiga,loscualespuedenserbasadosenunconvenientemonitoreodelsistemadeesfuerzos[22].
El enfoqueprobabilistadelamecnicadefracturafueiniciadoporWWeibull[23]en 1939(verfigura12).La nuevaideapropuestaporWeibullinmediatamenteatrajoelintersyeradevalorparaelentendi-mientodelefectodeltamaodela fractura.La teoraestadsticaderesistenciadeWeibullseasemejaalateoradefracturadeGriffith.lconsiderquelosensayosdeprobetassecomportabancomosi estu-vierancompuestsdemuchasunidadespequeasconigualvolumen,dondecadaunaposeeunaresistenciaintrnsecaalafiactura,af' lacualvariaba.Laresistenciadecadaunidadindividualdevolumenactainde-pendientementedelaresistenciadelvolumentotal,lacualproporcionaseriesdemodelos.weakestlink.Asumiendola probabilidaddealgn
\
valorarcomoproporcionala(a/an,)",dondeameslaresistenciamxi-maconsiderada,y haciendousodeclculosestadsticossepuedeob-
tenerun segundoparmetro(n y am)querepresentala dispersindelos resultadosdelos ensayos.
Seasumeahoraunadistribucindefrecuenciadelaresistenciaintrn-
seca,
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Sindudaalguna,lafatigaesunprocesoesencialmenteprobabilstic.Lametodologageneralparafatigaestbasadaenlarelacinempricaentrelavelocidaddecrecimientodelagrieta,da/dI,oelincrementodecrecimientodegrietaporciclo,da/dN,yelincrementodelfactordeintensidaddeesfuerzos,tJ.K,
da =C(!J.K)"',dN
dondee ymsonconstantes.EstaecuacinempricafuesugeridaporParis[26]en1963(verfigura13)Y ahorafrecuentementedemaneraincorrectaesconocidacomolaleydeParis.ActualmentehansidosugeridasmsdeveintevariantesdelaecuacinpropuestaporParis,conlafinalidaddeajustarmejorlosdatosexperimentales.Unenfoquemsapropiadoparafatigaestbasdodemaneraexplcitaenlateoradelamecnicadefracturaprobabilstica.
La mecnicadefracturacontemporneaestbasadaenelconceptodetenacidadalafracturaenlugardelcriteriodeesfuerzo.Inicialmente,lafuncindedistribucindeesfuerzosdeWeibulltambinfueusadapara
ajustardatosdetenacidadde materiales,porquestaofreceformasapropiadaspositivassesgadas.Sin embargo,esteajustenoeraexacto,msbienmostrabaunadespreciableperosignificativadesviacinsis-temtica,porquelas basestericasde la funcin de Weibull no sesatisfacencompletamenteen la puntade la grieta.Una funcindedistribucinestadsticaalternativaparalatenacidaddefracturahasidosugeridaporNeville [28]sobrelabasededospremisasfundamentales:1) ]afalla dealgunapartedel materialcercadela puntade la grietaconducea la falJa totala lo largodetodoel frentedela grieta;2) ]avariabilidadde]aresistenciaenmaterialesesdebidoalamicroestructura
.nohomognea.Recientemente,sinembargo,sepusoenclaroqueelcriteriodetenacidadtieneunlimitadodominodevalidez.
Parasimplificarelanlisis,sepuedendistinguirdoscasosextremosdefractura,deacuerdoalpapelquejueganlosdefectosenelproceso[29].La modelacinde dichoscasosrequiereesencialmentedediferentesconceptosy formalismos.
Un casoesla llamadafracturacooperativa,puestoque la fracturaesprincipalmentecontroladaporel daoformadoenlapuntadelagrietaquesepropaga,enrespuestaalaconcentracindeesfuerzos.La propa-gacindelagrietaesentoncesinseparabledelaevolucindeldaoqueacompaalagrieta,apesardeque,enlaformacindedaroalrededorde
,lafractura
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lapuntadelagrieta,la localizacindedefectos,tamaosy orientacio-nessonestocsticos.La naturalezaprobabilsticadela fracturaenestecasoescausadaporelcorrespondienteprincipiodeincertidumbre[22].
En otroextremoestlapropagacindelagrietaatravsdecamposdedefectospreexistentes,cuandoel cambioenlapoblacinesdesprecia-ble. Es decir, las estadsticasde defectospreexistentesjunto con el
campodeesfuerzos,elcontroldelatrayectoriadefractura,ascomolavelocidaddecrecimientodelagrieta.En estecaso,lafluctuacinespa-cialdelapoblacindemicrodefectosestdirectamentereflejadaenlascaractersticasestocsticasdelassuperficiesdefractura.
Los clculosdemecnicadelafracturaprobabilsticasonesencialmenteunaseriedeclculosdemecnicadefracturadeterministica,realizados
conciertosparmetrosdeentradaevaluadosdeacuerdoalassimulacio-nesdeMonteCaria o LatinHypercube.En estesentido,lamecnicadefracturaprobabilsticareemplazael clsicofactordeseguridadpor laprobabilidadde falla. staesunamedidaracionaldefiabilidad(verfigura15). "
Estopermitelaevaluacinsimultneadetodoslosposiblestiposdefalla(defrgiladctil)ycombinatodaslasposiblesinfluencias(desdegrietasgrandeshastapequeosesfuerzos)enunamedicin.Al mismotiempoquelaprobabilidaddefallaescalculada,sepuedencalcularfactoresdesensibilidad,especificandoqutansensiblelafiabilidadpuedeserincrementadaoreducidaporlosfactoresindividualesefecti-vos,paraque,porejemplo,puedanserevaluadasmedidasparaelaseguramientodecalidadoprolongacindeltiempodevida
4.2Anlisisdemecnicadefracturaprobabilsticade la integridaddeductos
Desde199O,elnmerodederramesdeoleogasoductosy otrosinci-dentesreportadosenlabasededatosdelaOficinadeSeguridaddeDuctos(OPS,siglaseningls)hapromediado1999anualmente,utili-zandolosdatosquehansidoenviadosporcorreoelectrnico,hastamarzode2000,asupginaenInternet:http://ops.dotgov.El nmerodeincidenteshadisminuidoenlosltimosaos,con149incidentesreportadosen1998,un25%demejoraconrespectoalpromediodediezaos.El petrleoperdidoenaccidentespromediaalrededorde6.1millonesdegalonesanualmente[21].
Las fallaspuedenserprevenidasaldesarrollarinspeccionesqueconsi-derenaspectosdemecnicade la fracturadel ductoqueestsiendoevaluado(verfigura17).Los recienteslogrosenlaevaluacindeprue-basno destructivas,principalmenteenla reconstruccinnumricadedatosultrasnicosenlasimgenesdedefectos,hapermitidola integra-cin de conceptosdemecnicadela fracturaenel marcoglobaldemtodosdeintegridaddeductos.
Cuandolasgrietassondetectadas,stasdebenevaluarseparadetermi-nar la convenienciadequeel oleogasoductocontineoperandoo lanecesidaddereparacindelmismo.La mecnicadelafracturaproveeunametodologaparaevaluarlaseveridaddelasgrietasdetectadas.
El objetivobsicoencualquieranlisisdemecnicadelafracturaesprevenirlafalla.Losmtodosdemecnicadelafracturadeterminista(MFD) sonutilizadostpicamenteparadeterminareltamaoper-misibledelasgrietas.Bajounestadodeesfuerzosdado,eltamaodelagrieta(L),alcuallafuerzadecrecimientodelagrietaesigualalaresistenciadelmaterial,esdenominadotamaocrticodegrieta,Ler(verfigura1O).
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Lafuerzadecrecimientodelagrietapuedeserdeterminadaemplean-doelmtododeelementofinitoparamodelareltuboenpresenciadelagrieta(verfigura19).Estosclculosrequierendelconocimientoprecisodelageometray lasdimensionesdelagrieta,ascomolosvaloresexactosdelaspropiedadesmecnicasdelmaterialdeltuboylos esfuerzosgeneradosen el duetoen servicio.Si todosestosparmetrossonestablecidoscongranprecisin,lamecnicadelafracturadeterministapermitepredecirelcomportamientodelagrie-ta.Desafortunadamentenoesasenlavidareal.Primero,laspropie-dadesmecnicasdelosmaterialesingenieriles,especficamenteace-ros,nosonconstantesbienestablecidas,sinoquemuestranunava-riacinestadsticasignificativadebidoalaheterogeneidaddelmate-rial.El rangodeestavariacinseaumentadrsticamenteenelcasodeductosenservicioamargo,graciasalfenmenodefragilizacinporhidrgeno.Estudiosexperimentalesmuestrangrandispersinenvalo-resdetenacidadalafractura,auncuandolasprobetasestnhechasdelmaterialdelmismodueto[22].Segundo,losmtodosnodestructivosdedeteccindegrietasenunoleogasoductoenserviciosecaracterizanporunsignificativogradodeincertidumbreenladeterminacintantodelasdimensionescomodelageometradelosdefectosdetectados.Tercero,lasmedicionesrealesmuestranunadispersinsignificativaenlosesfuerzosgeneradosenun oleogasoductoenservicio,sobretodoesfuerzosresidualesporsoldadura,ascomoesfuerzosproducidosporefectoshidrodinmicosencasodelneassubmarinas.Finalmen-te,cabemencionarquerecientementehasidodemostrado[22,30-34]quecualquierfracturaesunprocesoesencialmenteprobabilsticoporsunaturaleza.Dtalmodoquebajounestadodeesfuerzosdado,siempreexisteunconjuntoinfinitoderutasdepropagacinequiva-lentespermisiblesdelagrietaanalizada.Comoresultado,enunaseriedeexperimentosconprobetasmacroscpicamenteidnticasysuje-tasalmismoestadodeesfuerzos,lasgrietasnuncasiguenlamismatrayectoria.Y, porsupuesto,todaslastrayectoriasobservadassedes-vandelatrayect9riaesperadabasndoseenlosanlisisdelaMFD.Porlo tanto,enlaprediccindeposiblesfallasdeunduetoseestmuylimitadoporlatrayectoriadegrietaintrnsecaimpredecible.Unorigenimpredecibleesequivalentealorigendelainformacin:impredeciblesignificanosaberculdeunconjuntodealternativaseslareal,determi-nandoelrendimientorealdelainformacindelaalternativa.Matemti-camente,algoimpredecibleesdescritoporlaasignacindeprobabi-
tacto,utilzandoIsiones[21].
lidadesalasalternativas.Porlotanto,lafuerzadecrecimientodelagrieta,ascomolaresistenciadelmaterialpresentarnunadispersindeacuerdoaciertasdistribucionesestadsticas,aunenelcasoquesetengala informacinmacros-cpicacompleta.Deestamanera,lasdecisionesbasadasenclculosdelaMFD estninfluidasfuertementeenunladoporlaincertidumbrequesurgedelaspruebasnodestructivasincluyendoalfactorhumano,yporotro,porlavariacinestadsticadelascaractersticasderesistenciadematerialesydelaintensidaddecargasexternas.
Comoconsecuenciadelosfactoresincertidumbre,losprogramasdeinspeccinbasadosenlaMFD sonmuyconservativosdebidoaquetodoslosanlisissehacenconsiderandoloslmitesmsdesfavorablesparalosdatosdeentrada.Especficamente,setomanlmitesbajosparalosparmetrosderesistenciadelmaterialdeldueto,porejemplolatenacidadalaftactura,cuandolafuerzadecrecimientodelagrietasecalculaconloslmitesmsaltosdeltamaodelagrietadetectadaydela intensidaddelasfuerzasexternas.Adems,demanerageneral,unfactordeseguridadesaplicadoalaresistenciadelmaterial,encompara-cinconlafuerzadecrecimientodelagrieta,paradeterminareltamaodegrietapermisibleparaunoleogasoductoenservicio.Deestemodo,elcriteriodelaintegridaddelduetoinspeccionadopuedeserpresentadoenformageneralcomo:
aF
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cedencia,loscualesdependendelmododefracturaascomodelatemperaturay presenciademediosactivosresponsablesporlacorro-sinofragilizacindelmaterial.
El enfoqueprobabilsticoproveeunamejoralternativaparalosanlisisdeterminsticos,loscualestpicamenteproporcionanunagrandiferen-cia enlos resultadosparael peorcasocontrasuposicionesmediasdedatos.Los resultadosdel peor caso, los cualesfrecuentementesonutilizadosporconservatismo,proporcionanresultadospocorealistaso demasiadopesimistaal ir acumulandoconservatismo.Sinembargo,esimprobablequetodaslaspeorescondicionespuedanocurrirsimult-neamente,y por lo tantoun anlisisprobabilsticoque incorporalavariabilidadestadsticadeparmetrosclavepuedep'roveerunaevalua-cinmsrealistadelaprobabilidaddeunresultado,esdecir,laprobabi-lidaddefallao delafiabilidad(verfigura20).
Lastcnicasdemecnicadelafracturaprobabilstica(MFP) sonunaaltemativa,lascualespermitendeterminarlosintervalosdeinspeccinenserviciodeunaformamsadecuada.LaMFP reemplazaelclsicofactordeseguridadporlaprobabilidaddefallaPr(F>R).Estopermitelaevaluacindesimulacionesdetodoslosposiblestiposdefalla(defrgiladctil)y combinatodaslasposiblesinfluencias(desdegrietasgrandeshastapequeosesfuerzos)enunamedida.Deestemodo,lafiabilidaddeloleogasoductosedefinecomo:
=Pr(F< R) =Pr(L R)
Al mismotiempoquelaprobabilidaddefallaescalculada,puedensercalculadoslosfactoresdesensibilidad,especificandoqutansensiblepuedelafiabilidadserincrementadaoreducidaporlosfactoresindivi-dualesefectivosparaque,porejemplo,puedanserevaluadasmedidasparaelaseguramientodecalidadoprolongacindeltiempodevida(verfigura20).Adems,alpermitirlatoleranciadedefectosconsideradoscomopeligrososenlaMFD, lafrecuenciadelmantenimientocorrectivopuedeserreducidaconsiderablemente.Estosignificaquegrancantidaddereparacionesprogramadasporelprogramadeinspeccionesbasada
~
.l\i_,,Vod,
."",...luP,"""""a
.P""'"
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Laspropiedadesdelosductos,incluyendoparmetrosdimensionalesydelaresistenciadelmaterial,dependendeltipodedueto(sincosturaoconcosturasoldada),tipodematerial(aceroalcarbno aceroduplex)ylasespecificacionesde fabricacin.Talespropiedadessonrelevantesparatodoslos lmitesdeestadoy paraambasaplicacionesdeductosmarinoso costeros.La medicindesusincertidumbrespuedeserobte-nidaporanlisisestadsticodemilesdedatos.Los siguientesparmetrosdebensercubiertos:espesordela pareddelacero,dimetrodeldueto,ovalidadinicialdeldueto,esfuerzodecedencia,esfuerzoltimodeten-sin,energadeimpactoCharpyconentallaenV, tenacidadalafractura
KC'desplazamientodeaperturaenlapuntadegrietacrtico(CTOD),Parmetrosdecrecimientodegrietaporfatigay curvasS-N.La figura22muestraeldiagramadeflujodelanlisisdefiabilidaddeldueto.
El espesordelaparedtieneefectosobremuchosdelosmodosdefallamsimportantes,incluyendointerferenciaexternay corrosin.Gene-ralmenteun valornominalescitado,por lo ~antono existeunainter-pretacinestadsticaprecisasobreestevalor,peroesusualmenteunaaproximacinrazonablealpromedioo lamedia.
El esfuerzodecedenciaesnonnalmentecaracterizadoporelesfuerzodecedenciamnimoespecificado(SMYS). El esfuerzodecedenciaessuje-toamedicionesestadsticasynaturalmentedeincertidumbre,yelvalortpicodeSMYS representaelvalorbajopercentildelafuncindeden-sidadde probabilidad,el cualdescribela incertidumbrenatural.(LasignificancaestadsticaexactadeSMYS noescomnmenteconocida.)
Parael espesordeparedy elesfuerzodecedencia,la funcindedensidaddeprobabilidadpuedeserconstruidaconlainformacincontenidaenloscertificadosdecalidad.La funcindedensidaddeprobabilidadserepresentausualmentepordistribucionesnor-maleso log-normalcaracterizadosporclculosdelosestimadoresdelamediaydeladesviacinestndar.Los lmitesdecertidum-bredeestosestadsticosdependerndelacantidadydelavaria-bilidaddelosdatos;conunmayornmerodedatosselograunamayorcertidumbre.Sin embargo,ensituacionesdondeexistenpocosdatos,lacertidumbreo confiabilidadenladistribucindelespesordeparedpuedesersignificativamenteaumentadautili-
zandoestadsticosdeBayesal actualizarladistribucinbasadosenlaspruebasdesupervivenciadepruebashidrulicas.
Lasmedicionesdirectasdecadaunadeestasdoscantidadesnoestnnormalmentedisponibles.Cuandolosdatosexisten,ellosdescribencomnmentelavariacinenlaenergaCharpycv. VariasrelacionesempricasentreCVyKCsonconocidasperostastambinestnsuje-tasaunmodelodeincertidumbre.Enestassituacionesexistenmedi-ciones,estadsticas,incertidumbresnaturalesymodeladas.
La tenacidada lafracturadelmaterialesgeneralmenteutilizadaparadeterminarlaresistenciaalainiciacindelafractura(frgilodctil)yalapropagacindelagrieta.Laresistenciaalainiciacindelagrietaesmejordescritaporlaspropiedadesdetenacidadalafracturamecnica(generalmenteel desplazamientodeaperturaen la puntadegrietaCTOD,medidoenmm)Losvaloresdelatenacidadalafracturamec-nicanoestnsiempredisponibles.En estoscasosstospuedenserestimadosmedianterelacionesentrelatenacidadalafracturaylaener-gadeimpacto.EstasrelacionesestndescritasenBS-7910:1999.
Laresistenciaa lapropagacindegrietaso lahabilidaddedetenerelefectodeagrietamientoesmejordescritaporlosresultadosenpruebasdeimpacto.LosrequerimientosmnimosparalaenergadeimpactoestndescritosenDNV OSF 101:2000ISO3183-2:1996.
Losductosestnsujetosavariostiposdecargasexternasincluyendocargasdebidasapresioneshidrostticasexternas,movimientosdetie-rra,corrientesmarinas,efectosdesupropiopesoenlostrechoslibresy entodalared.
Lasincertidumbresdelascargasy losefectosdelascargassoncasosespecficosparacadacategoradecargasylosefectosdeestascargas(funcionaloambiental).Sinembargo,lavariabilidaddeunrangodecargasparaescenariostpicospuedenserencontradosparadesarro-llaranlisisanalticoso simulacionesnumricas,lascualespuedenabarcarlossiguientesaspectos:1)presininterna;2)efectosdelascargasfuncionalesrelevantesparalasinstalacionesy parael fondodeldueto;3) efectosdelascargasambientalesrelevantesparalasinstalacionesy lapartebajadelosductos.
Unmodelodeincertidumbreesexcepcionalmenterelacionadoalmodelodeestimacinaplicado,similaraunaecuacinanalticaparacalcularlaresis-tenciadeexplosindeundueto.stepuedeserestimadoporelanlisisdelosdatosdepruebaodesarrollandoclculosnumricosavanzados(anlisisdeelementofinito).Las medicionesdeun modelodeincertidumbresondirigidasconjuntamenteconellmitedeestadoindividual.
Impactosexternospormquinasdeexcavacinesprobablementelara-zn principaldemuchasde las fallasenductosterrestres.El impactogeneralmentetienecomoresultadounaabolladuraconteniendouncanal.La incertidumbreexisteenlaprofundidaddelaabolladura(D), lalongituddelcanal(L), laprofundidaddelcanal(d)y lafrecuenciadeocurrenciadelos impactos(f). A menosquesepuedademostrarqueel duetobajoconsideracinno esto noestarsusceptiblea impactos,esimportantecuantificarla incertidumbredeestoscuatroparmetros.Paraestassitua-cionesexistenbasesdedatosquedescribenlasincertidumbresenductosy puedenserconstruidosporlosoperadoresdelosductosatravsdelosdatosdelasinspecciones.
IPN ESIME192
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Cuandoseconsidereel diseodenuevosductosesapropiadoutilizarbasesdedatosexistentessi sepuededemostrarqueel nuevoductonoestarsujetoamayorescargasambientalesqueelquesetomaencuen-ta. En situacionesdondeestono puedeserdemostradoo dondenoexistendatosdisponibles,sepuedenutilizarestimacionesapropiadasconservadoras de la incertidumbre. Una estimacin del valor
determinsticodef es normalmenteadecuadoparael anlisisde laconfiabilidadestructural.
Cualquierdefectopresenteenel iniciodelavidaenserviciodelducto,tantoenlacircunferenciaoenlasunionessoldadaspuedenaumentareltamaodebidoalcrecimientodelagrietaenfatiga.Por consiguiente,a
penosqueseconozcao seasegurequeel ductonoesto estarsujetoa cualquiercargacclica significante,es importantequesetomenencuentalosefectossobrelaconfiabilidadestructuraltantoparalacircun-
ferenciacomoparala unin soldada(ver figura24). En estoscasosexistelaincertidumbreporcausasnaturales,estadsticas,demedicinydemodelacin(crecimientodegrieta).
El tipo,tamaoynmerodedefectosquepuedenestarpresentesenel iniciodelavidadeserviciodependedevariosfactores,comolatcnicadesoldadurautilizada,losparmetrosdesoldado,laorien-tacindelosdefectos,laconfiabilidady laprecisindelastcnicasdeinspeccin,lapresindelaspruebashidrostticas,ascomolaresistenciay latenacidadalafracturadelasoldadura.Si lasmemo-riasdelasinspeccionesestndisponibles,esposibleconstruirdis-tribucionesquedescripanlaincertidumbreenla longituddeldefecto[L(O)]y laprofundidaddeldefecto[d(O)]al iniciodelavidaenservicio,directamentedeestasmemorias.Estasdistribucionespue-densermejoradas(actualizacinestadstica)conbaseenelconoci-mientoadicionaldelaspruebashidrostticasenductos.Cuandolasmemoriasdelasinspeccionesnoestndisponibles(lo cualesco-mn)unaaproximacinvlidaesconstruirdistribucionesde[L(O)]y [d(O)]conbaseenlaspruebashidrostticasyelconocimientodelasdistribucionesderesistenciay tenacidada la fractura.En estecasotantoladistribucinde[L(O)]essupuesta"yladistribucin[d(O)]esdeterminadaoviceversa.Esimportantenotarquelasdis-tribucionesobtenidassondistribucionesaliniciodelavidadeservi-cio.El crecimientodegrietaporfatigaesunprocesodependientedeltiempoy,porlo tanto,esimportantehacerunatransformacinadecuadadependiendodeltiempodeestasdistribucioneso deles-paciodefallainvolucrado(funcionesdeestadolimite).
Variostiposdecorrosin,incluyendola interna,externay lacorro-sinbajoesfuerzos,puedenafectarlaconfiabilidadestructuraldeunducto.Paraqueocurracualquiertipodecorrosinexternadebeexist.irunarupturadelrecubrimientoexternoyunaanomaladelsistemadeproteccincatdicacercadelaruptura.La tasadecrecimientodeldefectodecorrosin,elcualsiguealaocurrenciadeestosdoseven-tos,esdependientedelascondicionesambientaleslocalesy depen-dendeltiempo.Estosucedeencualquiertiempot, incertidumbresconsiderablesexistenenelnmerodedefectospresentes[n(t)],y lalongitud[L(t)],profundidad[del)]y razndecrecimiento[r(t)]decadadefecto.Cuandoestndisponibleslasmemoriasdelasinspec-cionesdeunnmerodeinspeccionesrealizadasatravsdeundeter-minadonmerodeaosdelductoenconsideracin,esposiblecons-truirdistribucionesquedescribanlasvariacioneseneltamaodelosdefectosporcorrosindadosentiempo.Losefectossobreestasdis-
tribucionesde las reparacioneshechasde acuerdoa un apropiadocriterio,puedensertambintomadosencuenta.Cuandolasmemoriasdelasinspeccionesnoestndisponibles,losdatosobtenidosdeductossimilarespuedenserutilizados.La distribucindeWeibull,caracteriza-daporparmetrosdependientesdeltiempo,puedeserutilizadaenunmodelodeincertidumbredeL(t)ydel).Elnmerodedefectospresentesdependedelarazndeocurrenciay deloscriteriosdereparacin.
Unaconfiabilidadbasadaenel diseoy unanlisisdelsistemadeductospuedeserdesarrolladocomo:
.Verificacincompletadeldisefoprobabilstico;porejemplo,lapro-babildaddefallaestexplicitamentedadayverificaparaelcriteriodeaceptacinPF, objetivo.
. CalibracinparcialdelosfactoresdediseoparautilizarloconunformatoseleccionadoLRFD; porejemplo,desarrollarel formatoLRFDydeterminarlosfactoresdeseguridad.
.Recalibracindelos factoresdeseguridadenel formatoLRFD, porejemplo,laprobabilidaddefallaestimplicitaenel criteriodeacep-tacinpormediodelosfactoresdeseguridady losvalorescaracters-ticos.Un rediseoo recalit1cacindebidoaldeteriorodelmaterialyotroscambiosenel tiempodevidadelasbasesdediseosonpartedeestegrupo.
Paraunlimitedeestado,undiseoconbaseenlaconfiabilidadesunmodelodelascargasestocsticasgeneralizadas(S)y laresistenciaestocsticageneralizada(R).Comounaideageneral,lafuncindellimitedeestadocorrespondientepuedeserexpresadadelasiguienteforma:
g(x)=R-S
CuandolasfuncionesdedistribucinparaRy paraS estnestablecidasa travsde los anlisisde incertidumbres,la probabilidadde fallaescalculadapor:
PF = ffR...;(R,S)dRdSg(x)~O
IPN ESIME193
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Sloexistenpocassolucionesanalticasdela integralanteriory tradi-cionalmentela integracinnumricaconsumemuchotiempoy escos-tosodebidoaqueconcurrenungrannmerodevariablesestocsticasenaplicacionesdeconfiabilidad.Las estimacionesdelaprobabilidadde fallapuedenserobtenidaspor aproximacionescomplementarias:aproximacindemtodosanalticos,simulacionesMonteCarlo,mto-dosdeconfiabilidadanidados.
4.2.1Anlisisdemecnicadefracturaprobabilsticalinealelsticadeintegridaddeoleoductos[35]
Senecesitaconocerla probabilidaddequeocurraalgunafallaenunoleoductoconundimetroexteriorD y unespesort,quecontieneunagrietainternaelpticaenla direccinlongtudinal(figura24),y estsometidoaunapresininternaP. El anlisisseefectaconlosprinci-piosdelamecnicadefracturaprobabilsticalinealelstica,MFPLE,usandoal factordeintensidaddeesfuerzos,K, comovariablealeatoria,el duetoesmostradoenlafigura24.El espesort delduetodisminuyedurantesus aosde servicio,lo mismosucedecon el tamaode la
grieta,por lo quelarelacinentrelaprofundidada y la longitudedelagrietaa/c,vara,losanlisisselimitanaunarelacinde0.1:':::a/c :':::1.2.Las caractersticasy condicionesdeoperacindelduetosepresentanenlatabla2.
PararealizarunsimuladordeintegridaddeduetoscongrietaselpticasMFPLE, se utiliz el paqueteNasgro, querealizaanlisisdetermi-nsticosparaobtenerlos coeficientesnecesariosparaencontrarunaecuacinparamtricaprobabilsticaqueresuelvemltiplessimulacio-nesdelosposiblesescenariosdefallautilizandosimulacionesMonteCarlo, con los resultadosobtenidosseencuentraunaexpresinquedefinelaprobabilidaddefalla,PF, enestetipodeduetos,ascomolainfluenciaquetienenenlafallalasdimensionesdelagrieta.El proced-mientoeselsiguiente:
1)SerealizananlisisdeterminsticosdeK,conNasgro,afinobtenerlosdatossuficientesparadeterminarunaecuacinparamtrica,demaneraque:
K =f(t, a/c)
2) Con elmtodoMonteCarloserealizunsimuladorparaobtenerlaPF delduetoparatodaslaslongitudesdelagrieta.
3)Serealizunanlisisdeconvergencia(figura25)delasolucindelassimulacionesrealizadasparaconocerelnmeroptimodesi-mulaciones.
4) SeobtuvoK paradiferentespresionesdeoperacin,conelobjetodededucirunaexpresinquedeterminelaPF enlosductos(figura26).
El factordeintensidaddeesfuerzos,representadopor la ecuacin(1),esdirectamenteproporcionalalapresindeoperacindebidoaqueesunanlisisdemecnicadefracturalinealelstica.Sinembargo,laPF enel dueto,parapresionesdeoperacindiferentesaP, tieneuncompor-tamientono lineal.El crecimientodelaPF paratodaslaspresionesdeoperacinesexponencial(figura26). La expresinquedeterminaelcomportamientodel crecimientogeneralde la PF deldueto,quevaadependerdela longituddelagrietac,elptica,y delapresindeopera-cindelmismoestdadapor:
PF = KP a exp(e/ ca) (2)
dondeelcoeficienteK, elexponenteexyelparmetroc",dependendelarelacinentreelespesoryeldimetrodeldueto,enelcasoquenosocupaestosparmetrotienenlossiguientesvalores:
K=6xIO-6, ca=I.45mm, 0.=2 (3)
Seencontrquelasgrietaselpticasconlongitudmenorqueelespesordeldueto(c
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gituddelagrietac,comolomuestralaecuacin(2),dondeK, a yc"dependendelarelacinentreelespesoryeldimetrodeldueto,delaspropiedadesmecnicasdelmaterialdeldueto,ascomodeltipodedistribucionesestadsticasdeestosparmetros.Cuandoelduetocon-tienegrietaselpticascuyasrelacionesentrelongitudyprofundidadtienenunadistribucinnormal,laPF dependedelapresiny delalongituddelagrieta,ecuacin(3).
La PFE delductoanalizadoesde 16%.Comola probabilidadesmayorde 10%,serequieredarlemantenimientoy porlo tantoesnecesarialasuspensindelserviciodelductoencuestin,hastacon-cluirconlareparacindelostramosmsdafados.
4.2.2Anlisisdemecnicadefracturaprobabilsticaelastoplsticade integridaddeoleoductos[36]
Conla finalidaddetenerinformacinquepermitatomardecisionesadecuadas,esconvenienteconocerlaprobabilidaddequeocurraalgunafallaenunsistema,enelpresentetrabajoserealizaelanlisisdeunoleogasoductoelcualestafectadoconunagrietainternaenladireccin
longitudinalconunaprofundidadc,y estsometidoa unapresininternaP; elanlisisseefectuarutilizandoparaellolamecnicadelafracturaprobabilstica,usandoalaintegralJ comovariablealeatoria,enelestudiosehaconsideradoquelalongituddelagrietaesinfinita,figura27.
El InstitutoMexicanodelPetrleohaproporcionadounasmuestrasdeloleoducto.Enlatabla4sepresentanlascaractersticasgeomtricasascomolascondicionesdeoperacin.
Paraefectuarelanlisisprobabilsticosepresentademaneraesquem-ticaenlafigura28.Parael clculodela integralJ sehanutilizadoloscdigosPc-Crack for Windows,sonnecesariosporquecon ellos seobtienenlas ecuacionesdeJ enfuncindelaprofundidaddelagrieta,posteriormenteseencontrarnlasfuncionesdedistribucindeproba-bilidaddela integralJ paraprofundidadesdegrietadadas.Con estasdistribuciones,y utilizandoelmtodoMonteCarlo,sedeterminarlaprobabilidaddefallaparaestapresin.
1)Sehadesarrolladounametodologabasadaenlamecnicadelafracturaprobabilstica,lacualhaceusodelateoradelamecnicadelafracturay delateoradelaprobabilidad,desarrollndoseunpro-gramadesimulacinMonteCarlo,paraanlisisdeductoscongrietaslongitudinales.
2)Seanalizlaprobabilidaddefalladeunoleoducto,elcualhasidomanufacturadoconaceroalcarbonoAPI-5LGr.X52,conun~=O.762m,yunt=0.00874m.Llegndosealassiguientesconclusiones:
IPN ESIME195
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.La curvaesfuerzo-deformacindelaceroAPI-5L Gr. X52, materialconelcualestnmanufacturadosalgunosoleoductos,muestraquesetratadeunmaterialdctilyaqueexperimentaunagrandeformacinplsticaantesde la ruptura,razn por la cual si stostienenundefectotipogrieta,esapropiadousarenelanlisisdesuintegridadalamecnicadelafracturaelastoplstica.
.El parmetroquesehausadodentrodelaMFEP hasidola integralJ, deacuerdoal procedimientoGE/EPRI, medianteloscdigosPc-Crack,yaqueproveenunmediodecalcularla,paraunductoconunagrietainfinitalongitudinal.p'ararealizarelclculodela integralJ, hasidonecesarioencontrarlosparmetrosa y n deRamberg-Osgood.
.Sehaencontradoquela integralJ paraunoleogasoductoconunagrietainfinitalongitudinal,aumentaexponencialmenteconelcreci-mientodelaprofundidaddelagrietasegn:
J =Aelialolal
. Los valoresencontradosparala integralJ, conlosvaloresdeE, 1:0,CJ",a, n, F y H decadaexperimentoy unaprofundidaddegrietadada,muestranquesondenaturalezaaleatoria,debidoaestopararepresen-tarsucomportamientoesnecesariousarlateoradelaprobabilidad.
.Lasfuncionesdedistribucinacumulativasestablecidasenestetraba-jo, quedescribenelcomportamientodelaintegralJ son:
DistrbucinExtremeValue
J Icar=a - b In[ In(~)]DistribucinLogistic
J Icar=a - In[~- 1rDistribucinLog-logistic
I
(F
)a
- +/3 -JIu". - r 1- F
Lasexpresionesparalasprobabilidadesdefallaenfuncindelapro-fundidaddelagrieta,obtenidasmedianteelmtodoMonteCarlo,paraeloleoductoenestudio,ascomoel intervalodelaprofundidaddelagrietaparauna0.01
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Log-logistic:
PF = 11+(
0.017160
)46.467
e+0.015176
c=0.00037m-0.001]9m
4.3Unenfoqueprobabilsticoparala prediccindelcrecimientodegrietascortasenaleacionesaluminio-silicioconprecipitadosglobulares[37]
La aleacionesdealuminioconpropiedadesmecnicasmejoradassonempleadascadavezmsen]aindustriaautomotrizparaaumentar]aeficienciaenergticayreducirlasemisionescontaminantes,principal-menteseestnutilizandoparasustituiramaterialescomoel acero,fundicionesdehierroy magnesio[38,39](figura29).Dentrodelasvariadasaplicacionesdelasaleacionesdealuminio,destacalafabrica-cindepartesdemotoresdecombustininterna(pistones,bloquedelcilindrosuperiore inferiorycabezadeloscilindros[38-40]),siendostaunadelasaplicacionesmsseverasdelasaleacionesdealuminio,debidoaqueelmaterialseencuentrasometidoaprocesosdefatiga,corrosin,desgaste,deformacionesmecnicasy trmicas[4]].Ade-ms,debensercapacesdesoportarpresionesenlacmaradecombus-tinquevandesde5MPa hasta]2MPa(725-]740psi)convariacio-nesde2000a6000RPM enpromedio[42].
En elcampodeldesarrollodenuevosmaterialesaplicablesalaindustriaautomotriz,existendiversosestudiosqueseenfocana los materialesconprecipitadosnodulares(hierronodular,hierrodctil,etc.[43,44]),loscualessonunaalternativapor tenermejorresistenciaa la fatigay,por lo tanto,laspiezasfabricadasconestosmaterialessonmsligeras
y desimilarresistenciaal materialquehasustituido~,
En el casodela fabricacindepartesdelmotor(pistonesy monoblo-ques),seutilizanprincipalmentealeacionesdealuminio-siliciodebidoalafacilidadderealizarelformadoporfundicinapresin(casting)[45].En estetipodealeaciones,durantelafundicinseproducenmolculasdesiliciopuro(debidoa labajamiscibilidaddelsilicio enel aluminio[45]),elcualalsolidificarseformanprecipitadosconformatrapezoidalque generaconcentradoresde esfuerzosen las puntasdel trapecio.Existendiferentesmtodosparamejorarlas resistenciaa la fatigadeestetipodealeaciones,unadeellaseselcambiodelamorfologadelosprecipitadosdesilicio a unaformacasi-nodular(redondeodelaspun-tas),mediantela adicinde estroncioy con un tratamientotrmico[46,47],locualprovocaqueenlamicroestructuraseretardelaetapadeiniciacinygeneracindemicrogrietas.
El fenmenodelafracturaporfatigainvolucraunase;uenciadeeventosquedacomoresultadounaacumulacindedao,enlarelacinempricadeParissedivideal fenmenoentresetapas[48].
En laprimeraetapasegenerangrietaso propiamentenanogrietas,lascualescoalescenparaformarmicrogrietasy posteriormentegeneranmacrogrietas.Enlaetapadeiniciacindegrietas,staesfuertementeinfluidaporelniveldeesfuerzos,porloquelapropagacinesalolargodelosplanoscristalinosdelmaterial.Como lazonaplsticaespeque-
a,staquedacontenidadentrodelosgranosdelmaterial,porloqueseproducenprocesosdefracturantergranular,raznporlacualestaetapaesfuertementeinfluidaporlamicroestructuradelmaterial.
La segundaetapaesconocidacomodepropagacinestable,endondeestapropagacinesfuertementeinfluidaporelambientey esrelativa-menteindependientedelamicroestructura,siendolapropagacindelagrietaprincipalmentetransgranular(figura30).
El procesodeterceraetapatranscurrehastaqueel factordeintensidaddeesfuerzos(K) igualaalatenacidada lafracturadelmaterial(Kc) yocurrelafracturafinal.En lo queserefierealosestudiosdelasdiferen-tesetapas,existendistintosmodelosdecadaunadeellas.Con respec-toalaetapadeiniciacindegrietasy coalescenciademicrogrietas,steesunprocesoparticulardecadamaterialy desumicroestructura,estaetapaestinfluenciadapor lossiguientesparmetros:
.Tipo demicroestructuradela matriz..Tipodeinclusiones..Formadelasinclusiones..Distribucindelasinclusiones..Nmerodeinclusionesporrea.En lo querespectaa la iniciacindegrietasHu Y. M. etal. [49],demostraronqueenunaaleacindetitaniolasmicrogrietasseinicianendospuntospreferentes:enlasfronterasde losgranoso en lasbandasdedeslizamientocercanasalasfTonterasdegrano,ladireccindecrecimientodemicrogrietasenamboscasosescercanaa90conrespectoaladireccindelacarga.Unefectoimportantedelasbandasdedeslizamientoenlapuntadelagrieta,esqueaumentalavelocidaddelacoalescenciadegrietas,yporlotantoaumentalavelocidadenlageneracindegrietascortas.Tambinseencontrquelosngulosagudosenlafronteradelosgranossonlossitiosidealesparalainicia-cindegrietasintergranulares.Lacoalescenciadegrietasjuegaunpa-pelimportanteeneldesarrollodefracturasfatales,lacualesresponsa-bledelasfallasporfatiga;enestainvestigacinseobservquelafracturafatalenunaprobetafue resultadodelaunindedosmacro-
.--- - -- - ----de Ul)pistnporfatigaJlceleradacin:~luminio!$ilicio).~. '. 11
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I Fig.30..~.ad5n defavelociCJacldepropagaciridE!I grietasporcontroldecarga(gistanciarecorridapornmero
deciclos).
macrogrietasycadaunadeestasmacrogrietasfueronformadasporlacoalescenciadegrietascortas.
El desarrolloexperimentalparaesteproyectosehaplanteadodelasiguienteforma:
a) Obtencindelasmuestrasdelaaleacinaluminio-silicio,conysinestroncio.
b) Aplicacindetratamientostrmicos.e)Anlisisqumicos.ti) Determinacindelaspropiedadesmecnicas.e) Obtencindelamicroestructura.f) Determinacindelaspropiedadesdemecnicadelafractura.g) Determinacindelpatrndecrecimientodegrietasporfatigaen
flexin(verfiguras31y32). ,.h) Obtencindemodeloparaexplicarelpatrndecrecimientode
grietas.
5. Conclusiones
Enesteartculopresentamosalgunosresultadosdelanlisisdemecnicadefracturaprobabilstica.Lasventajasdelanlisisprobabilsticoson:
1.Permitelacuantificacindelriesgodediseoofiabilidad.Los anli-sisdeterminsticosclsicostomanencuentaparaeldiseolasincer-tidumbresva"unfactordeincertidumbreo seguridad"multiplicadoporel esfuerzomximoesperado.Los anlisisprobabilsticos,porotraparte,modelanla mayorao todoslosparmetroscomovaria-blesy loscombinanconanlisisestructuralesestablecidos,propor-cionandounamedicincuantitativadefiabilidad.Estoesevidente-
menteventajososi la fiabilidadesespecificadacomoun requeri-mientocontractualbsico.LosrequerimientosdediseodelaNASA,parafuturosvehculosy estructurasespaciales,seesperaestnes-pecificadosentrminosdefiabilidad.
2.Identificarregionesdealtoriesgoenundiseo.El riesgoestructu-ral totalestpicamenteunafuncindeunaseriesdevaloresde
J.. i~l!riJA
n1 1
I ;f~ ..I t tGreclilllento: :de la grietaI I
r -1 Apoycisik-
Zonade1+ MK1mo
Esfuerzo [Jt~
s
31.Pruetadeflexineotrespuntos.11
fiabilidadparalocalizacionesespecficasdentrodelaestructura.Puedeunareginparticularsermostradaparamanejarel riesgoglobal,puedentomarsemedidasparareducirelriesgovaelcambiodeldiseo,opuedenllevarseacaboprocedimientosdeinspeccinimplementadosparaminimizarlaocurrenciadedefectosenzonascrticas.
3. Permitela determinacindevariablesdediseoimportantesparalafiabilidad.Los reportesrevisadoshastael momentofueronunnimesenidentificarlosbeneficiosdelosanlisisprobabilsticos.Unatributopoderosodelosanlisisprobabilsticoseslainformacinobtenidaenel entendimientode las interacciones,efectosy sensibilidadde lasvariablesdediseo.Estainformacinpuedeserusadaparaoptimizarlaspruebasparadistintospropsitosy puedemarcarlanecesidaddeajustar(orelajar)eldiseootoleranciasdemanufactura.
4.Proveeunmedioparacomparardiseosqueseencuentrancompi-tiendo.Ademsdecompararlosvaloresdefiabilidadtotaldediseosquecompiten,losanlisisprobabilsticospuedensealarrasgoses-pecficoso localizacionesen las cualesla fiabilidaddifierasignificativamenteentrediseos.El anlisisprobabilsticopuedein-crementarel entendimientodelcomportamientodeestructurasyconduciramejoraseneldiseo.
5.Proporcionaunestndardemedicinparalaoptimizacindeldise-o. Estructurasaeroespacialesson operadasen ambientesrudoseinciertosy aunasdebedeencontrarseunpesomnimo,altodesem-peoyrequsitosdefiabilidadseveros.La seguridaddebesermante-nidaparaaltosniveles.La reduccinenel pesotiendea reducirlafiabilidady por lo tantodebeserimplementadadeunamaneramuyestricta.Los anlisisprobabilsiticosproveenlamedicindelafiabi-lidadestructural,la cualentoncespuedeseroptimizadaal cambiarciertasvariablesde diseo.Esto es, los parmetrosde diseosonvariadosparaminimizarel peso,perola fiabilidadglobaldebeserencontradaparaunnivelespecifico.
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Fig.32.Simulacinde .ximauna}prue fle~in
tracinde esfuerzos en
p~ptos.'i}
Agradecimientos
El gobiernomexicanohafinanciadoestetrabajomedianteelCONACyTcon los proyectos34951-U y J-31225-U, as como la COFAA delInstitutoPolitcnicoNacional,InstitutoMexicanodelPetrleoy Ins-titutoMexicanodel Transporte.
6.Referencias
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