Por el cual se establecen los requisitos de carácter técnico y científico para construcciones sismorresistentes NSR-98

• (e) Esfuerzo combinado axial y de flexión - Al aplicar las disposiciones de F.4.7 a miembros sometidos a esfuerzos combinados axiales y de tensión y que contengan elementos atiesados cuya relación ancho­espesor exceda el limite aplicable de secciones no compactas dado en F.4.2.1, los esfuerzos Fa, fbx y fby, se deben calcular con base en las propiedades de la sección estipuladas en F.4.11.1.1.3. Para miembros que contengan elementos no atiesados cuya relación ancho-espesor exceda el límite de secciones no compactas, el esfuerzo flector admisible, Fb, será el valor más pequeño dado por 0.60FyQs, o el provisto en F.4.5.1.3. El término fa/0.60Fy de las fórmulas F.4-32 y F.4-86 será reemplazado por fa/0.60FyQ.

F.4.12 - VIGAS Y OTROS MIEMBROS A TENSION

F.4.12.1 - MIEMBROS DE ALMA ACARTELADA - El diseño de miembros acartelados que cumplen con los requisitos dados a continuación estará regido por las estipulaciones de F.4.5, salvo las modificaciones dadas en este numeral.

F.4.12.1.1 - Requísitos generales - La presente especificación se aplica a miembros acartelados siempre y cuando que cumplan con los requisitos de F.2.16.2.1.

F.4.12.1.2 - Esfuerzo admisible de tensión - El esfuerzo admisible para elementos acartelados a tensión se determinará de acuerdo con F.4.3.1.

F.4.12.1.3 - Esfuerzo admisible de compresiór, El esfuerzo admisible en la sección total de elementos acartelados a compresión cargados axialmente, no debe exceder lo siguiente:

Cuando la relación de esbeltez efectiva S es menor que Cc:

Cuando la relación de esbeltez efectiva S excede de Cc:

en donde.

S = Kl/roy para la flexión con respecto al eje menor y Kyl/ rox para la flexión con respecto al eje mayor.

K = coeficiente de longitud efectiva para un miembro prismático

Ky = coeficiente de longitud efectiva para un miembro acartelado, determinado analíticamente

rox = radio de giro con respecto al eje mayor en el extremo más pequeño de un miembro acartelado, mm

roy = radio de giro con respecto al eje menor en el extremo más pequeño de un miembro acartelado, mm

l = longitud real sin arriostramientos del miembro, mm

F.4.12.1.4 - Esfuerzos admisibles en flexíón - Los esfuerzos de tensión y compresión (kgf/mm2) en las fibras extremas de miembros acartelados en flexión no deben exceder los valores de las ecuaciones F.2-108 a F.2-­115.

F.4.12.1.5 - Esfuerzo admisible por cortante - El esfuerzo admisible por cortante en miembros acartelados se calculará de acuerdo con F.4.5.4.

F.4.12.1.6- Esfuerzos combinados de flexión y fuerza axial - Los miembros acartelados y segmentos no arriostrados de éstos sometidos a esfuerzos combinados de flexión y comprensión axial se diseñarán para satisfacer el requisito siguiente:

Cuando fao /Fa 0. 15, se permite la fórmula F.4-78 en lugar de las fórmulas F.4-76 y F.4-77:

en donde

FY = esfuerzo de comprensión axial permitido cuando no hay momento flector, kgf/MM2

Fby = esfuerzo rip flexión permitido cuando no hay fuerza axial, kgf/mm2

F'cy = esfuerzo crítico de Euler dividido por un factor de seguridad, kgf/mm2

en donde:

lb = longitud real no soportada en el plano de flexión

rbo = radio de giro correspondiente en su extremo menor

fao = esfuerzo axial calculado en el extremo menor del miembro o segmento no arriostrado, según el caso, kgf/mm2

fbl = esfuerzo de flexión calculado en el extremo mayor del miembro o segmento no arriostrado, según el caso, kgf/mm1

c'm = coeficiente utilizado en el término de las ecuaciones de interacción aplicado a flexión

cuando el miembro está sometido a momentos extremos que producen flexión de curvatura simple y esfuerzos de flexión, calculados en los extremos, aproximadamente iguales:

cuando el esfuerzo de flexión calculado en el extremo menor de la longitud no arriostrada es igual a cero.

Cuando Kl/r Ce, y los esfuerzos combinados se verifican a intervalos a lo largo de la longitud, f., puede reemplazarse por f. y f,, por f, en las fórmulas F4-76 y FA-78.

F.4.13 - CONSIDERACIONES ESPECIALES DE DISEÑO

F.4.13.1 - FATIGA - Los miembros y las conexiones sujetas a esfuerzos de fatiga se deben diseñar de acuerdo con lo estdulecido en F.2.19.2, salvo lo siguiente.

F.4.13.1.1 - Fatiga de tensión en pemos - El esfuerzo de tensión en pernos Grado 5 o Grado 8 ASTM A325 y NTC 4028 (ASTM A490) sometidos a cargas de fatiga por tensión, producido por la combinación de la carga aplicada y las fuerzas de tensión resultantes de la acción de tenaza no debe exceder los siguientes valores. Las fuerzas de tensión resultantes por la acción de tenaza no deben exceder el 60% de la fuerza aplicada externamente.

Número de ciclos	Grado 5 ASTM A325 Kgf/mm2	Grado 8 NTC 4028 (ASTM A490) Kgf/mm2
Hasta 20 000	31	38
De 20 000 a 500 000	28	34
Más de 500 000	22	27

CAPÍTULO F.5

PROVISIONES SISMICAS PARA EDIFICACIONES HECHAS CON PERFILES LAMINADOS O MIEMBROS ARMADOS DE ACERO ESTRUCTURAL; DISEÑO PARA ESFUERZOS ADMISIBLES

F.5.0 - GENERALIDADES

Como alternativa a los procedimientos de diseño sísmico con coeficientes de carga yde resistencia dados en el capítulo F.3, se permiten los establecidos en el Capítulo F.4, con las modificaciones indicadas a continuación. Al utilizar el Diseño para Esfuerzos Admisibles, se aplicarán las provisiones del Capítulo F.3, exceptuando aquellos numerales en donde se indiquen las substituciones o adiciones siguientes.

F.5.0.1 - ALCANCE - Estos requisitos especiales se aplicarán junto con los establecidos en el Capítulo F.4. Estar dirigidos al diseño y construcción de miembros de acero estructural en edificios para los cuales las fuerzas de diseño que resultan de movimientos sísmicos se han determinado con base en la disipación de energía en el rango no lineal de respuesta.

Contenido en construcción

F.7.6.7.8 -Soldaduras de filete - Soldaduras de filete en un solo lado no deben usarse para transmitir momentos respecto de sus propios ejes. Pueden usarse soldaduras de filete intermitentes sólo si la distancia entre los extremos de soldaduras adyacentes, en línea o escalonadas sobre lados alternos de la pieza, no excede lo menor de lo siguiente:

• a) 10 veces el espesor del material base más delgado o 300 mm, si está en compresión o cortante.

• b) 24 veces ese espesor o 300 mm, si está a tensión.

En una línea de soldaduras intermitentes debe haber una soldadura en cada extremo de la pieza conectada. La resistencia de diseño de una unión con soldadura de filete se da en F.7.6.9.2.

Una soldadura de filete debe ser continua alrededor de la esquina en el extremo o lado de una pieza, con una longitud más allá de la esquina de no menos dos veces la longitud del lado de la soldadura. Véase el literal (f) de F.7.4.4.3 para el efecto de traslapar zonas afectadas por el calor.

Si se usan dos soldaduras de filete longitudinales solas en una conexión de extremo traslapada, la longitud de cada una no debe ser menor que la distancia entre ellas.

La garganta de una soldadura de filete (gt), véase la figura F.7.6.2 (a), es la altura de un triángulo que puede ser inscrito dentro de la soldadura y medida perpendicular a su lado exterior. Excepcionalmente, la garganta de una soldadura de filete puede ser tomada incluyendo cualquier penetración especificada, pt siempre que los tanteos demuestren satisfactoriamente al diseñador que dicha penetración puede ser lograda consistentemente. Se puede suponer una garganta grande si los tanteos durante el procedimiento muestran que la penetración necesaria más allá de la raíz nominal puede ser consistentemente obtenida, por ejemplo, mediante soldadura automática (véase la figura F.7.6.2 (b)).

El área efectiva de una soldadura de filete es su dimensión de garganta (gt) multiplicada por su longitud efectiva, excepto que, para soldaduras de filete en agujeros o ranuras, el área efectiva no debe ser mayor que el área del agujero o ranura. La longitud efectiva se define en F.7.6.9.2.

F.7.6.8- RESISTENCIA DE DISEÑO DE UNIONES SOLDADAS - En el diseño de uniones soldadas se deben considerar la resistencia del metal de aporte y la resistencia del material en la zona afectada por el calor adyacente a la frontera de fusión de la soldadura (véase F.7.4.4 y la figura F.7.6.3). Los esfuerzos límites para el material de la zona afectada por el calor se tratan en F.7.6.9. La capacidad de deformación de la unión se mejora cuando la resistencia de diseño de la soldadura es mayor que la del material adyacente en la zona afectada por el calor.

F.7.6.8.1 - Grupos de soldaduras Una unión soldada consistente de un grupo de soldaduras debe diseñarse sobre la base de una distribución realista de esfuerzos entre las soldaduras relacionada con su rigidez relativa es esencial mantener el equilibrio con las cargas externas mayoradas.

F.7.6.8.2 -Esfuerzo límite del metal de aporte - El alambre de metal de aportación para uso en construcción soldada debe ser escogido de acuerdo con la tabla F.7.2.8.

Los valores del esfuerzo límite del metal de aporte pw (en kgf/mm2) para las combinaciones permitidas de material base y de aportación mostradas en la tabla F.7.2.8, se dan en la tabla F.7.6.2.

F.7.6.8.3-Esfuerzo límite en la zona afectada por el calor - Los esfuerzos límite paz., y pvz para el material en la zona afectada por el calor se dan en la tabla F.7.6.3, donde paz., y pvz son, respectivamente, el esfuerzo límite directo y de cortante.

Pueden necesitarse valores más altos de esfuerzo límite para materiales de aporte particulares (véase apéndice F.7.C).

F.7.6.9-RESISTENCIA DE DISEÑO DE SOLDADURAS

F.7.6.9.1-Metal de soldadura a tope - Unasoldadura a tope sometida a cortante y carga axial debe proporcionarse de modo que:

Para una soldadura a tope con una carga de tensión oblicua (véase la figura F.7.6.4), la resistencia de diseño PBR está dada por:

donde

Ie - longitud efectiva de la soldadura

La longitud efectiva de la soldadura es la longitud total de la soldadura cuando se evitan las imperfecciones en los extremos mediante el uso de platinas de arranque y terminación. De otro modo, es la longitud total menos dos veces el ancho de soldadura (véase la figura F.7.6.4).

El esfuerzo de diseño del metal de aporte a compresión puede ser tomado igual al de tensión, excepto cuando pueda ocurrir pandeo.

Cuando el material base es de diferente espesor en cada lado de la soldadura, se debe investigar la posibilidad de un efecto de concentración de esfuerzos.

Cuando la soldadura está sometida a flexión en su plano, la resistencia de diseño por unidad de longitud puede encontrarse omitiendo le, en la expresión para PRB.

Para una unión sin fuerzas de cortante externas y con la línea de la soldadura a tope perpendicular a la línea de acción de la carga externa, =90###, t2= 0 y la resistencia de diseño será:

Para una fuerza cortante externa paralela a la línea de la soldadura a tope, la resistencia de diseño será:

F.7.6.9.2-Metal de soldadura de filete -Una soldadura de filete debe proporcionarse de modo que se satisfaga la siguiente expresión:

donde le es la longitud efectiva de la soldadura (igual que en soldaduras a tope).

Para una soldadura de filete longitudinal simple (carga aplicada paralelamente a la longitud de la soldadura), o1=t1= 0 y la resistencia de diseño depende sólo de y2:

donde lf, es la longitud efectiva de la soldadura de filete.

El valor de lf, está influenciado por la longitud total de la soldadura, como se indica en la figura F.7.6.6, la queda una guía sobre la variación de lf,con L, donde L es la longitud total de soldadura. La figura F.7.6.6 se basa en resultados experimentales.

Cuando la distribución de esfuerzos a lo largo de la soldadura corresponde a la de¡ material base adyacente como, por ejemplo, en el caso de una soldadura que conecta la aleta y el alma de una viga ensamblada, la longitud efectiva se toma como si fuera una soldadura a tope. Si la soldadura está sometida a flexión en su plano, la resistencia de diseño por unidad de longitud puede ser encontrada omitiendo le. o lf, en la expresión de PRF.

F.7.6.9.3 - Zonas afectadas por el calor - La resistencia de diseño de una zona afectada por el calor adyacente a una soldadura (véanse las figuras F.7.6.1, F.7.6.2 y F.7.6.3) está dada por:

• (a) fuerza de tensión directa normal al plano de falla (véase la figura F.7.6.3):

(1) soldadura a tope:

PRFB = pazLte (en la frontera de fusión) (F.7-121)

PRTB = pazLte (en el borde de la soldadura, véase la figura F.7.6.3) (F.7-122)

donde

PRFB Y PRTB= resistencias directas de diseño de la zona afectada por el calor adyacente a una soldadura a tope

Paz= esfuerzo directo límite en la zona afectada por el calor

L = longitud total de la soldadura

(2) soldadura de filete:

PRFF = pazLg1(en la frontera de fusión) (F.7-123)

PRTF = pazLt (en el borde de la soldadura, véase la figura F.7.6.3 y F.7.6.9.3 (d)) (F.7-124)

Donde

PRTF , PRTF = resistencias directas de diseño de la zona afectada por el calor adyacente a una soldadura de filete

• (b) Fuerza cortante en el plano de falla:

(1) soldadura a tope:

VRFB =pVZLt(en la frontera de fusión) (F.7-125)

VRTB=pV ZLt (en el borde de la soldadura, véase la figura F.7.6.3) (F.7- 126)

donde

VRFB ,VRTB= resistencias de diseño a cortante de la zona afectada por el calor adyacente a una soldadura a tope

(2) soldadura de filete:

VRFF = pvzLg1(en la frontera de fusión) (F.7- 127)

VRTF = pVZLt(en el borde de la soldadura, véase la figura F.7.6.3 y F.7.6.9.3 (d)) (F-7-128)

donde

VRFF , VRTF= resistencias de diseño a cortante de la zona afectada por el calor adyacente a una soldadura de filete

• (c) cuando hay una combinación de cortante y fuerza directa sobre la zona afectada por el calor, estas fuerzas deben limitarse de acuerdo con la siguiente ecuación:

Sa , Sb = acciones de carga externas de cargas mayoradas directa y cortante, sobre la zona afectada por el calor

PRZ, VRZ = resistencias de diseño de carga directa y cortante de la zona afectada por el calor

• (d) Cuando se revisa la resistencia de diseño de una soldadura de filete en el borde de la soldadura, se debe tener en cuenta que, para secciones más gruesas, la zona afectada por el calor no se extiende en todo el espesor y debe tomarse un valor de t más pequeño (véase la figura F.7.4.6 (i) y el literal (a) de F.7.4.4.3).

• (e) Cuando el plano de falla está sometido a flexión en su plano, la resistencia de diseño puede expresarse en términos de resistencia por unidad de longitud, omitiendo L en las anteriores ecuaciones.

• (f) Cuando el plano de falla está sometido a flexión en su plano y cortante, la resistencia de diseño por unidad de longitud debe reducirse para tener en cuenta los efectos combinados de cortante y esfuerzo directo (véase F. 7.6.9.3 (c).

F.7.6.10 UNIONES PEGADAS

F.7.6.10.1- Generalidades - Sepueden lograr uniones estructurales en aluminio utilizando adhesivos. El procedimiento requiere una técnica experta y debe ser usado con gran cuidado. Siempre se requerirá contar con el aval del Comité Permanente del Reglamento.

Las uniones pegadas son apropiadas para soportar cargas de cortante pero no deben ser usadas a tensión o cuando la carga pueda causar descascaramiento u otras fuerzas que traten de abrir la unión.

Las cargas deben estar soportadas por un área tan grande como sea posible. Incrementando el ancho de las uniones usualmente se incrementa la tasa proresistencia. Incrementar la longitud sólo es benéfico para traslados muy cortos.

El comportamiento de uniones pegadas grandes puede mejorarse reduciendo los esfuerzos por descascaramiento y separación en capas y reduciendo las concentraciones de esfuerzo en el extremo de los traslapos. Es útil redondear los extremos de los traslapos e introducir piezas de compensación.

Las uniones pegadas deben tener soporte adicional después de ensambladas durante un período necesario para permitir el desarrollo de la resistencia óptima de¡ adhesivo. Se deben evitar las bolsas de aire atrapado.

Hay muchos adhesivos disponibles siendo, generalmente, cada uno apropiado para un solo rango específico de aplicaciones y condiciones de servicio. Las cualidades de¡ adhesivo en todo lo que respecta a su uso en una estructura particular durante su vida, deben ser demostradas a satisfacción por el diseñador, quien debe asesorarse de especialistas durante todas las fases de¡ diseño y la construcción.

La especificación de un sistema de unión debe comprender la preparación de las superficies a adherir, el adhesivo, los procesos de aplicación y curado y debe ser seguida estrictamente ya que cualquier variación en cualquier paso puede afectar severamente el comportamiento de la unión.

F.7.6.10.2 -Resistencia de diseño - La resistencia de diseño de una unión pegada está influenciada por los siguientes factores:

• (a) los procedimientos de preparación de la superficie antes de pegar

• (b) la dirección de los esfuerzos en la unión

• (c) el tamaño y la forma de los componentes a unir

• (d) el espesor de la línea de pegante

• (e) losprocedimientos de ensamblaje y curado

• (f) la temperatura y el ambiente de servicio

• (g) la vida de diseño

A menos que se disponga de datos de ensayos válidos, la resistencia de la unión debe establecerse experimentalmente. Generalmente, se deben hacer uniones de muestra a escala natural usando los mismos procedimientos de fabricación empleados en las uniones reales. La prueba debe realizarse con una construcción similar de la unión y con una carga como la que soporta la estructura real. Se deben hacer, como mínimo, cinco ensayos para establecer la media y la desviación estándar de las cargas de falla. La resistencia de diseño de una unión pegada, PRG, está entonces dada por:

PRG = Rm.-2Sd

donde

Rm.= media de las cargas de falla

Sd = desviación estándar de las cargas de falla

-coeficiente de reducción de capacidad para uniones pegadas (véase la tabla F.7.3.1), es igual a 0.3

El factor debe incrementarse con relación a la pérdida de calidad de desempeño del adhesivo en condiciones extremas de temperatura y ambiente de operación.

F.7.6.10.3 -Ensayos- Los datos de ensayos del fabricante pueden ser usados como los valores más optimistas para el diseño inicial. Generalmente, estos datos son dados para probetas de ensayo al corte unidas con una capa gruesa de adhesivo tal como se muestra en la figura F.7.6.7. Cuando sólo están citadas las resistencias medias, Sd, debe tomarse como 0.1 Rm.

Los ensayos con láminas delgadas traslapadas (como los descritos en la norma inglesa BS 5350: Parte C5) pueden usarse con el propósito de hacer comparaciones, estudios de durabilidad, determinar el tratamiento de la superficie, condiciones de curado, etc. Los valores de la resistencia serán bajos debido a la tendencia de esta unión a descascararse y serán conservadores si se usan para cálculos de diseño estructural (véase la figura F.7.6.8).

F.7.7- FATIGA

F.7.7.1- GENERALIDADES - Esta sección contiene condiciones específicas para la valoración de la fatiga. Los datos se aplican a elementos formados con extrusiones, planchas, láminas delgadas y tiras, no deben usarse para piezas coladas o forjadas en caliente. Los diseñadores que deseen emplear piezas coladas o forjadas en caliente bajo condiciones de fatiga, deberán consultar con los fabricantes y seguir un procedimiento apropiado expedido por entidades de reconocida autoridad.

Esta sección da recomendaciones para la evaluación analítica. Como los datos suministrados pueden no ser adecuados para todas las aplicaciones, en este caso, se pueden obtener datos adicionales mediante ensayos (Véase F.7.8). Los datos obtenidos de acuerdo con F.7.8 pueden usarse sustituyendo los datos de diseño dados en F.7.7.

F.7.7.1.1-Influencia de la fatiga en el diseño- Las estructuras sujetas a cargas de servicio fluctuantes pueden resultar propensas a fallar por fatiga. El grado de cumplimiento con los criterios de estado límite estático dados en F.7.3 y F.7.4 puede no ser suficiente para controlar el riesgo de falla por fatiga.

Es necesario establecer, tan pronto como sea posible, el límite para el cual la fatiga controla el diseño. Para hacer ésto, los siguientes factores son importantes.

• (a) Debe existir una predicción exacta de la secuencia de carga de servicio completa a lo largo de la vida de diseño.

• (b) Debe estimarse con exactitud la respuesta elástica de la estructura bajo esas cargas.

(c ) El diseño de detalles, los métodos de fabricación y el grado de control de calidad pueden tener una gran influencia en la resistencia a la fatiga y se deben definir con mayor precisión que como se requiere para miembros estáticamente controlados. Esto puede tener una influencia significativa sobre los costos de diseño y construcción.

F.7.7.1.2- Mecanismo de falla - La falla por fatiga usualmente se inicia en un punto de alta concentración de esfuerzo, particularmente donde existen discontinuidades repentinas. Las grietas de fatiga se extienden incremental mente bajo la acción del cambio cíclico de esfuerzos. Normalmente, permanecen estables bajo carga constante. La falla última ocurre cuando la sección transversal restante es insuficiente para soportar la carga pico de tensión aplicada en todas partes.

Las grietas de fatiga se propagan, aproximadamente en ángulos rectos, en la dirección del rango máximo de esfuerzo principal. La tasa de propagación es proporcional a, por lo menos, la tercera potencia del producto del rango de esfuerzo y la raíz cuadrada de la longitud total de la grieta. Por esta razón, el crecimiento de las grietas es lento en las fases tempranas y las grietas por fatiga tienden a ser poco llamativas durante la mayor parte de su vida. Esto puede generar problemas para su detección durante el servicio.

F.7.7.1.3 -Sitios potenciales para grietas de fatiga - Los sitios de inicio más comunes para grietas de fatiga son los siguientes:

• (a) bordes y raíces de soldaduras de fusión

• (b) esquinas acabadas a máquina y agujeros taladrados

(c ) superficies bajo alta presión de contacto (desgaste)

• (d) raíces de roscas de conectores

F.7.7.1.4-Condiciones de susceptibilidad a la fatiga - Las principales condiciones que afectan el comportamiento ante fatiga son las siguientes:

• (a) Relación alta entre carga dinámica y carga estática. Las estructuras móviles o de levante, tales como vehículos de transporte terrestre o marino, grúas, etc, son más propensas a problemas de fatiga que las estructuras fijas, a menos que estas últimas soporten predominantemente cargas móviles, como en el caso de puentes.

(b)Frecuentes aplicaciones de carga. Esto tiene como resultado un alto número de ciclos durante la vida de diseño. Las estructuras esbeltas y los miembros con bajas frecuencias naturales están particularmente predispuestos a resonancia y, por consiguiente, a magnificación del esfuerzo dinámico, aunque los esfuerzos estáticos de diseño son bajos. Las estructuras sometidas predominantemente a cargas de fluidos tales como el viento y las estructuras que soportan maquinaria, deben ser revisadas cuidadosamente para efectos de resonancia.

(c )Uso de soldadura. Algunos detalles soldados comúnmente usados tienen baja resistencia a la fatiga. Esto es aplicable no sólo a uniones entre miembros sino también a cualquier accesorio de un miembro cargado, sea o no considerada la conexión resultante como estructural

• (d) Complejidad del detalle de la unión. Las uniones complejas frecuentemente conllevan altas concentraciones de esfuerzos debidas a variaciones locales de rigidez en el camino de la carga. Mientras que ésto puede tener poco efecto en la capacidad estática última de la unión, puede tener un efecto severo en la resistencia a la fatiga. Si la fatiga es dominante, la forma de la sección transversal del miembro debe ser seleccionada para asegurar la uniformidad y simplicidad del diseño de la unión de modo que los esfuerzos puedan ser calculados y se puedan asegurar las normas adecuadas de fabricación e inspección.

(e)Ambiente. En ciertos ambientes térmicos y químicos, puede haber reducción de la resistencia a la fatiga.

F.7.7.2 - CRITERIOS DE DISEÑO POR FATIGA- Se recomienda que, en lo posible, las estructuras de aluminio sean diseñadas sobre la base de brindar una vida segura. El método de evaluación dado en este numeral está diseñado para asegurar que la probabilidad de falla por fatiga durante la vida de la estructura sea comparable con la de otros modos de falla para estado límite último.

Pueden haber circunstancias en las que la severidad de la carga, el grado de redundancia y la facilidad de inspección y reparación sean tales que un acercamiento de seguridad en la falla o tolerancia de daño pueda justificarse en términos económicos. En este caso, los márgenes de seguridad pueden reducirse respecto a los requeridos para un diseño de vida segura. En F.7.3 se da una guía sobre ésto.

F.7.7.2.1-Criterio de falla por fatiga- La base del diseño por fatiga usada aquí es que la vida requerida será alcanzada siempre que

donde

N = número de ciclos de un rango de esfuerzo fr necesarios para la falla

K2 = constante que depende de la clase de detalle y busca asegurar una alta probabilidad de supervivencia (véase F.7.7.8.1)

fr = rango de esfuerzo principal del detalle, es constante para todos los ciclos

m = pendiente inversa de las curvas fr-N, es constante para la mayoría de las clases de detalle

En la mayoría de los propósitos estructurales prácticos, los detalles no experimentan historias de esfuerzo de amplitud constante. El tratamiento para carga general se da en F.7.7.3.

El método para derivar el rango, o rangos, de esfuerzo apropiado f, se da en F.7.7.4 y F.7.7.6. En F.7.7.7 se dan las clasificaciones para los tipos de detalle más comúnmente usados. Los valores de K2 y m están dados en F.7.7.8.

Si los datos de resistencia a la fatiga usados son los dados en F.7.7.8 y la carga cumple con F.7.7.4, entonces el valor del coeficiente general de carga yf, debe ser tomado como uno.

F.7.7.3 - PROCEDIMIENTO DE ESTIMACION DE LA FATIGA - Un miembro estructural puede contener varios sitios potenciales de iniciación de grietas por fatiga. Las regiones de la estructura que tienen las más altas fluctuaciones de esfuerzos y/o las más severas concentraciones de esfuerzos deben ser normalmente revisadas primero. El procedimiento básico es el siguiente (véase la figura F.7.7.1):

• (a) Se obtiene un estimativo de¡ límite superior de la secuencia de carga de servicio para la vida de diseño de la estructura (véase F.7.7.4 y apéndice F.7.13)

• (b) Se estima la historia de esfuerzo resultante para el detalle (véase F.7.7.5)

• (c) Se reduce la historia de esfuerzo a un número equivalente de ciclos (n) de diferentes rangos de esfuerzo fr, usando una técnica de conteo de ciclos (véase F.7.7.6.1)

• (d) Se ordenan los ciclos en orden descendente de amplitud, fr1, fr2, para formar un espectro de esfuerzo (véase F.7.7.6.2)

• (e) Se clasifica el detalle de acuerdo con las tablas F.7.7.1 a F.7.7.3 y, F.7.7.7. Para la clasificación apropiada y el rango de esfuerzo de diseño (fr1, etc.), encontrar la resistencia a la fatiga permisible N1, etc.) usando F.7.7.8.1.Cuando se haya decidido usar un valor de ymf., diferente de la unidad, ésto debe ser tomado en cuenta para fijar los valores de los rangos de esfuerzo de diseño (véase F.7.3.6.2).

• (f) Sumar el daño total para todos los ciclos usando el gran total de Miner:

F.7.7.4 - CARGA DE FATIGA - Todas las fuentes de esfuerzo fluctuante en la estructura deben ser identificadas:

• (a) cargas móviles superpuestas, incluyendo vibraciones de maquinaria en estructuras estacionarias

• (b) cargas ambientales tales como viento, olas, etc.

• (c) fuerzas de aceleración en estructuras móviles

• (d) cambios de temperatura

La carga para fatiga normalmente se describe en términos de un espectro de carga de diseño que define un rango de intensidades de un evento de carga viva específico y el número de veces que cada nivel de intensidad es aplicado durante la vida de diseño de la estructura. Si dos o más eventos de carga viva independientes son de probable ocurrencia entonces será necesario especificar el desfase entre ellos.

Una guía sobre la carga específica para el estimativo de la fatiga se puede obtener en normas expedidas porentidades de reconocida autoridad.

Un estimativo realista de la carga de fatiga es crucial para el cálculo de la vida de la estructura. Cuando no hayan datos publicados sobre la carga viva, hay que recurrir a obtener datos de estructuras existentes sujetas a efectos similares. Registrando la deformación contínua o midiendo la deflexión durante un período apropiado de tiempo, se pueden inferir los datos de carga mediante el análisis subsecuente de la respuesta. Se debe dar especial atención a determinar los efectos de magnificación dinámica cuando las frecuencias de carga son cercanas a una de las frecuencias naturales de la estructura (véase F.7.8.4.2).

El espectro de carga de diseño debe seleccionarse teniendo en cuenta que es un estimativo del límite superior de las condiciones de servicio acumuladas sobre la vida de diseño completa de la estructura, Se deben considerar todos los efectos ambientales y operacionales generados por el uso previsto de la estructura durante ese período. El límite de confianza del espectro de carga de diseño debe basarse en la media menos 2 límites de desviación estándar tanto para amplitud como para frecuencia.

F.7.7.5-ESFUERZOS

F.7.7.5.1-Derivación de esfuerzos- Se debe usar la teoría elástica para modelar la estructura cuando se desea calcular la respuesta de esfuerzo a partir de eventos de carga específicos. Las propiedades de la sección no se deben reducir por efectos de la zona afectada por el calor o de pandeo local (pero véase F.7.7.5.2 (a) (4). La modelación de la rigidez elástica de miembros y uniones debe ser exacta e incluir los efectos de cualquier material no estructural permanente que pueda modificarla. No se debe permitir la redistribución plástica de esfuerzos.

Cuando los datos de respuesta de esfuerzo van a ser obtenidos por medidas de deformación de una estructura similar, se debe poner cuidado especial para situar los transductores de deformación para asegurar que el parámetro de esfuerzo correcto está siendo medido (véase F.7.7.5.2). En F.7.8.4 se amplía la información sobre medida de datos de deformación.

F.7.7.5.2 -Parámetros de esfuerzo- El esfuerzo a usar en los procedimientos de estimar la fatiga en F.7.7.3 depende del sitio de iniciación de la grieta y de¡ camino de propagación, así:

(a)Material base y soldaduras a tope de penetración total - Las grietas se inician en la intersección de la soldadura con el metal de base, en los agujeros para los sujetadores, en las superficies de empalme o traslapo, etc. y se propagan a través de¡ material base o del metal completamente penetrado de la soldadura y deben ser evaluadas usando el rango nominal de esfuerzo principal en el miembro en ese punto.

Los efectos de concentración local de esfuerzos de¡ perfil de soldadura, de los agujeros de remaches y tornillos, etc. deben ignorarse ya que ellos son tomados en cuenta en los datos de resistencia fr,-N para la clase de detalle apropiada y por lo tanto no necesitan ser calculados (véanse las tablas F.7.7.1 a F.7.7.3). Si se utilizan modelos detallados con elementos finitos de las uniones, la malla no debe ser más fina que los esfuerzos locales usados (véase también el literal (a) de F.7.8.4.4).

Se deben tomar en cuenta otros efectos geométricos mayores que pueden generar distribuciones no lineales de esfuerzos en ciertas circunstancias (véase la figura F.7.7.2). Esta situación se presenta en:

(1) cambios bruscos en la forma de la sección transversal, por ejemplo en destijeres

(2) cambios bruscos en la rigidez de la sección transversal, por ejemplo en uniones en ángulo entre miembros de pared delgada

(3) cambios en dirección o alineamiento más allá de lo permitido en las tablas F.7.7.1 a F.7.7.3

(4) esfuerzos de flexión secundarios generados por la rigidez de uniones en estructuras en celosía

(5) ineficiencia de transmisión de esfuerzos por cortante, distorsión y alabeo en miembros anchos formados con láminas y miembros huecos

(6) efectos de flexión no lineal fuera del plano en componentes esbeltos tales como láminas planas donde el esfuerzo estático es cercano al esfuerzo crítico elástico, por ejemplo el campo tensionado en almas

La presencia de esfuerzos residuales en uniones soldadas puede ignorarse ya que éstos están ya incluidos en los datos fr - N. En uniones mecánicas, siempre que cualquier esfuerzo residual de tensión sea tenido en cuenta, esa parte del rango de esfuerzos que está en compresión general puede reducirse un 40%.

• (b) Soldaduras de filete y a tope de penetración parcial- Las grietas se inician en la raíz de la soldadura y se propagan a través de la garganta. Deben ser estimadas usando la suma vectorial de los esfuerzos de corte en el metal de aporte de la soldadura basándose en las dimensión de garganta efectiva (véase la figura F.7.7.3).

En uniones traslapadas en un plano, el esfuerzo por unidad de longitud de soldadura puede calcularse con base en el área promedio para fuerzas axiales y un módulo elástico polar de¡ grupo de soldaduras para momentos en el plano (véase la figura F.7.7.4).

En uniones en T, cualquier efecto de rigidez axial diferente a lo largo de la unión debe ser considerado.

Cuando filetes simples o soldaduras a tope de penetración incompleta están sujetos a momentos de flexión fuera de su plano, los esfuerzos en la raíz deben calcularse usando una distribución lineal de esfuerzos a través de la garganta (véase la figura F.7.7.5).

No se puede permitir el contacto de apoyo sobre la cara de la raíz en uniones soldadas con penetración parcial.

(c ) Sujetadores roscados bajo carga axial.- Las grietas se inician en las raíces de las roscas y deben ser evaluadas usando el esfuerzo medio axial en el área del núcleo de la rosca. Cuando hay también presencia de flexión, se debe usar el esfuerzo pico calculado sobre el módulo elástico del núcleo.

F.7.7.6- DERIVACION DE LOS ESPECTROS DE ESFUERZOS

F.7.7.6.1 -Conteo de ciclos- El conteo de ciclos es un procedimiento para convertir una historia de esfuerzo compleja en un espectro de ciclos conveniente en términos de amplitud fr y frecuencia n (véase la figura F.7.7.1). Hay varios métodos en uso, para historias de esfuerzo cortas en las que eventos simples de carga se repiten varias veces se recomienda el método del embalse que es simple de visualizar y simple de usar (véase la figura F.7.7.6). Cuando se tienen que usar historias de esfuerzo largas, tales como las obtenidas con las deformaciones medidas en estructuras reales (véase F.7.8.4), se recomienda el método de la escorrentía. Ambos métodos son apropiados para el análisis con computador.

F.7.7.6.2-Derivación de/ espectro de esfuerzos-El listado de los ciclos en orden descendente de amplitud f, da como resultado el espectro de esfuerzos. Por facilidad de cálculo puede ser necesario simplificar el espectro con una menor cantidad de bandas; un método conservador consiste en agrupar las bandas en grupos mayores que contienen el mismo número total de ciclos pero cuya amplitud es igual a la de la mayor banda en el grupo. Con mayor exactitud, puede calcularse el promedio ponderado de todas las bandas en un grupo usando la potencia m, donde m es la pendiente inversa de la curva fr- N más apropiada (véase la figura F.7.7.7). El uso del valor de la media aritmética siempre da resultados no conservadores.

F.7.7.7- CLASIFICACION DE DETALLES - La resistencia a la fatiga de un detalle siempre depende de los siguientes factores:

(a) la dirección del esfuerzo fluctuante con relación al detalle

(b) la localización del agrietamiento inicial en el detalle

(c) la distribución geométrica y la proporción relativa del detalle

Puede depender también de:

• (a) la forma del producto

• (b) el material (a menos que sea soldado)

• (c) el método de fabricación

• (d) el grado de inspección después de la fabricación

Las tablas F.7.7.1 a F.7.7.3 muestran la clasificación de los detalles más frecuentemente usados. Por conveniencia han sido divididos en tres grupos básicos, a saben

• (i) tipo 1, detalles no soldados, véase la tabla F.7.7.1

(ii) tipo 2, detalles soldados sobre la superficie de un miembro cargado, véase la tabla F.7.7.2

(iii) tipo 3, detalles soldados en conexiones de extremo, véase la tabla F.7.7.3

Las tablas se usan para identificar el detalle en la figura más cercano al de la estructura que se está evaluando. Luego las clases de sitios particulares de iniciación de agrietamiento asociadas con ellos, se revisan en la tabla apropiada. En algunos casos, se pueden necesitar operaciones particulares de inspección y fabricación.

F.7.7.8 - DATOS DE RESISTENCIA A LA FATIGA

F.7.7.8.1 -Detalles clasificados- Laforma generalizada de la relación fr,-N se muestra en la figura F.7.7.8, graficada en escala logarítmica. La curva de diseño representa la media menos 2 desviaciones estándar, ubicada por debajo de la línea media obtenida con datos experimentales.

El esfuerzo límite de amplitud constante foc., ocurre a 107 ciclos, por debajo de este valor, los ciclos de esfuerzo de amplitud constante se supone que no son dañinos. Sin embargo, aunque los ciclos por encima de este nivel sean ocasionales, causarán propagación y, al extenderse la grieta, ciclos de menor amplitud se vuelven nocivos. Por esta razón, la pendiente de las curvas fr-N (véase la figura F.7.7.8) se cambia por 1/(m + 2) entre 5x106 y 5x108 ciclos para condiciones de carga de espectro general. Cualquier ciclo de esfuerzo por debajo del esfuerzo límite de amplitud variable fov, que ocurre a 108 ciclos, se supone que no es dañino. Debe notarse que el uso de la pendiente 1/(m + 2) puede ser conservador para algunos espectros. Cuando un diseño es críticamente dependiente de esta región y se busca la máxima economía puede ser apropiado considerar el uso de ensayos de los componentes (véase el literal (a) de F.7.8.4.4) o aplicar análisis de mecánica de fracturas. Los valores de K2 y m están dados en la tabla F.7.7.4 para cada clase de detalle. Las curvas de diseño fr-N se dan en la figura F.7.7.9.

F.7.7.8.2- Detalles no clasíficados- Los detalles no totalmente cubiertos por las tablas F.7.7.11 a F.7.7.3, deben evaluarse consultando los datos publicados por entidades de reconocida trayectoria. Como alternativa, se pueden hacer ensayos de aceptación por fatiga de acuerdo con el literal (a) de F.7.8.4.4.

En el apéndice F.7.J se da una guía para la derivación de los datos fr,-N y sobre las condiciones en las que se pueden esperar resistencias mayores.

F.7.7.8.3-Rango de baja resistencia a la fatiga- En el rango de resistencia a la fatiga entre 103 y 105, debe hacerse una revisión para ver que el rango de esfuerzos de diseño de la figura F.7.7.9 no conlleve un esfuerzo a tensión máximo que exceda el esfuerzo estático de diseño del detalle. Esta posibilidad está indicada por una nota en la figura F.7.7.9.

F.7.7.8.4-Técnicas de mejoramiento-La resistencia a la fatiga de ciertos tipos de detalle mostrados en las tablas F.7.7.1 a F.7.7.3, puede ser mejorada mediante la aplicación de técnicas especiales de fabricación que son generalmente costosas y presentan dificultades para el control de calidad. No deben ser utilizadas para propósitos generales de diseño a menos que la fatiga sea particularmente crítica para la economía global de la estructura en cuyo caso debe buscarse ayuda especializada. Estas técnicas son más comúnmente usadas para superar deficiencias existentes en el diseño.

Las siguientes técnicas han sido usadas con aleaciones de aluminio y son más efectivas para aplicaciones con alto número de ciclos.

• (a) Introducción de esfuerzos compresivos residuales en el punto de iniciación del agrietamiento. Esto puede hacerse en el borde de las soldaduras transversales mediante repujado o martillado. En los agujeros de los tornillos se puede utilizar el método de expansión en frío.

• (b) Reducción del efecto de concentración de esfuerzos en el punto de iniciación de la grieta. Se puede lograr puliendo el borde de las soldaduras transversales hasta lograr un perfil uniforme.

F.7.7.8.5- Mano de obra - La clase máxima permitida para los detalles clasificados en las tablas F.7.7.1 a F.7.7.3 representa la resistencia máxima a la fatiga permitida por estas normas para el detalle en cuestión, sin sustentación adicional mediante ensayos (véase F.7.8). Cuando el esfuerzo por fatiga en un detalle clasificado es signifícativamente menor al permitido, la clase requerida será menor que la clase máxima permitida. Esto siempre ocurre cuando detalles de alta clase están localizados cerca de detalles de baja clase y ambosexperimentan fluctuaciones similares de esfuerzo.

Los detalles de más alta clase a menudo requieren inspección adicional y demandan estándares de mano de obra más altos. Es importante para la economía de la fabricación que los estándares de inspección y mano de obra no estén gobernados por la clase máxima permitida de cada detalle sino por la clase requerida. La clase requerida en un detalle se obtiene determinando las curvas fr,-N más bajas en la figura F.7.7.9 en las que el gran total de Miner es menor que la unidad (véase F.7.7.3 (9).Cuando las fluctuaciones de esfuerzos en un detalle ocurren en más de una dirección, se pueden tener diferentes clases de requisitos para cada dirección.

Para que la inspección pueda concentrarse en aquellas partes de la estructura que son críticas por fatiga, se deben tomar la siguientes acciones.

(a) Determinar analíticamente aquellas regiones de la estructura donde la clase de requisitos excede la clase 20.

• (b) Indicar sobre los planos detallados, en todos los detalles en estas regiones, la clase requerida y la dirección de la fluctuación de esfuerzo como se muestra en la figura F.7.7.10.

• (c) Cualquier plano que contenga un detalle con una clase de fatiga requerida mayor de 20 debe contener la siguiente nota general:

Los detalles que requieren calidad por encima de la normal se indican con un número "Fat" y una flecha.

F.7.8-ENSAYOS

F.7.8.1-GENERALIDADES- Una estructura o componente estructural diseñado de acuerdo con F.7.2 a F.7.7 de estas normas no necesita ser verificado mediante ensayo pero puede ser verificado a discreción de¡ fabricante, calculista o interventor. Tales pruebas pueden hacerse bajo carga estática (véase F.7.8.3), carga de fatiga (véase F.7.8.4) o ambas.

La verificación mediante ensayo es apropiada cuando ocurre lo siguiente:

• (a) La estructura o componente no es susceptible de verificación mediante análisis o tal procedimiento es juzgado impracticable

• (b) Los materiales o los procedimientos de diseño usados fueron distintos a los presentados en F.7.2 a F.7.7

• (c) Hay duda o desacuerdo sobre la validez de¡ método de diseño, la calidad del material o la calidad de la mano de obra.

El método y el alcance de los ensayos debe ser acordado por el calculista, el fabricante y el interventor responsable de la aceptación. El método de ensayo debe ser consistente con las condiciones de servicio de la estructura o componente y puede comprender una prueba de resistencia con carga estática o dinámica y/o una prueba de resistencia a la fatiga. Los ensayos deben hacerce en instalaciones competentes aceptables para todas las partes interesadas.

El número de muestras a ensayar debe ser acordado entre las partes teniendo en cuenta el número de componentes a fabricar. Cuando el número de muestras es grande, debe ensayarse un número suficiente de muestras para permitir el análisis estadístico de la resistencia media y la desviación estándar para cada condición de carga.

Cuando la aceptación de¡ diseño depende de la verificación mediante ensayos, el comprador o su agente debe tener la posibilidad de presenciar cada ensayo.

Cuando la verificación del diseño depende de ensayos, se debe realizar un informe describiendo en detalle (haciendo referencia a la norma utilizada) el método de prueba y dando todas las resistencias medidas, en la forma de un certificado de ensayo típico que contenga al menos la información enumerada en F.7.8.5.

F.7.8.2-PREPARACION PARA ENSAYO- La muestra a ensayar, si no es la estructura o el componente real que se destinará al servicio, debe representar tan precisamente como sea posible el diseño en términos de propiedades del material, dimensiones, métodos de unión y acabados (cuando sean susceptibles a los efectos de la deformación).

La muestra de prueba debe colocarse en su posición normal de modo que las cargas muertas debidas al peso propio actúen normalmente. Cuando ésto no sea posible, los efectos de la carga muerta pueden representarse mediante cargas impuestas equivalentes.

Cuando los ensayos se realicen sobre una simulación de la estructura o sobre un componente, la muestra se debe montar en forma tal que experimente las restricciones normales ante los efectos de la combinación de cargas aplicadas.

En circunstancias en las que la combinación de cargas aplicadas, sus direcciones y la orientación de la muestra puedan producir cambios en la resistencia de la muestra, se debe usar la combinación que se espera que dé la menor resistencia.

F.7.8.3-ENSAYOS ESTATICOS- Los ensayos estáticos estarán dirigidos a demostrar si una estructura o componente puede soportar las cargas no mayoradas (conocidas como cargas nominales) sin exceder el estado límite de servicio y, también, si puede soportar las cargas mayoradas sin exceder el estado límite último. A veces es apropiado realizar una prueba de resistencia última (véase F.7.8.3.4).

F.7.8.3.1-Aplicación de cargas- La aplicación de carga debe hacerse por medio de pesos muertos, dispositivos generadores de fuerza o dispositivos generadores de desplazamiento. El método debe incluir dispositivos de medida de fuerza de precisión conocida.

Antes de aplicar cada combinación de cargas nominales, la muestra puede ser cargada y descargada una vez.

La carga a aplicar para este ciclo de ajuste opcional, no debe exceder las cargas nominales ni cualquier otro nivel inferior de carga relacionado con un criterio de deformación límite por aceptar. La carga debe ser mantenida por lo menos durante 15 min. Se recomienda medir los desplazamientos durante el ciclo de ajuste.

No se debe hacer una recarga antes de 15 min después de suspender la carga de ajuste. Debe revisarse la fijación de los anclajes antes de adelantar la prueba principal.

El procedimiento de aplicación de carga debe constar de cinco incrementos aproximadamente iguales hasta alcanzar las cargas nominales. Cada incremento debe ser mantenido mientras que se obtienen las lecturas de deflexión y/o deformación y se examina la muestra para observar signos de alteración. En el quinto incremento (límite de servicio), las deflexiones y/o deformaciones deben ser registradas inmediatamente después de la aplicación de la carga o cargas y otra vez cuando este nivel de carga se haya mantenido por 15 min.

Las cargas nominales deben retirarse y debe inspeccionarse la estructura antes de aplicar las cargas mayoradas. El proceso de carga debe ser, nuevamente, incremental hasta llegar a la carga mayorada (algunas veces llamada carga de "prueba"), registrando las deflexiones y el comportamiento como se hizo antes. El incremento desde carga nominal hasta carga mayorada debe hacerse, al menos, en cinco etapas. La carga mayorada debe ser mantenida durante 15 min, tiempo durante el cual la deflexión o deflexiones deben ser monitoreadas y la muestra debe ser examinada buscando signos de alteración.

En esta condición, las consecuencias para el personal de una falla súbita deben considerarse y se deben tomar las precauciones adecuadas.

La carga mayorada debe removerse después de 15 min y la deflexión residual debe ser registrada después de otros 15 min.

La deflexión puede ser medida con instrumentos o registrada automáticamente mediante sistemas de conocida precisión. Se deben graficar las curvas de deflexión por carga.

F.7.8.3.2- Criterios de aceptación- Puede considerarse que la estructura cumple con las recomendaciones de estado límite de servicio y último, si todas las siguientes condiciones se cumplen:

(a) Las deflexiones registradas bajo la influencia de las cargas nominales no deben exceder aquellas permitidas para el límite de servicio

(b) No debe haber evidencia visible de deformación no elástica, inestabilidad u otra alteración bajo la influencia de cargas nominales

(c) La muestra no debe mostrar excesiva deformación, inestabilidad o signos de colapso inminente bajo las cargas mayoradas

(d) La deflexión, o deflexiones, residual medida 15 min después de quitar todas las cargas no debe exceder el 5% de la deflexión, o deflexiones, bajo carga

17.7.8.3.3- Reensayo- Cuando la muestra ensayada no cumple el criterio (d) de F.7.8.3.2, la prueba puede ser repetida. Si, después de un máximo de 10 aplicaciones de la carga mayorada, el criterio no se ha cumplido, la muestra debe ser rechazada y el rechazo debe ser registrado en el informe con cualquier observación adicional sobre la causa del rechazo.

F.7.8.3.4- Medida de la resistencia última - El ensayo de resistencia última es apropiado cuando se construye un gran número de estructuras similares. No forma parte de un procedimiento de ensayos de aceptación.

Cuando la muestra de prueba es sacrificable, se puede obtener la resistencia última reaplicando las cargas mayoradas en un único incremento de carga y luego incrementando gradualmente todas las cargas impuestas proporcionalmente hasta que la muestra sea incapaz de soportar carga adicional.

Se debe registrar la carga, o cargas, última y el modo de falla.

El valor de la resistencia última medido en el ensayo debe ajustarse para tener en cuenta la diferencia entre las propiedades mecánicas y la geometría del especimen de prueba y las propiedades mínimas especificadas y la geometría nominal. Los resultados deben ajustarse usando la fórmula de estado límite apropiada en F.7.4, F.7.5 y F.7.6 para el modo de falla particular en cuestión.

La resistencia última no debe ser menor que 1/veces la carga mayorada. El valor de fdebe ser el valor relacionado con el elemento de la estructura donde ocurre primero la falla.

F.7.8.4-ENSAYOS DE ACEPTACION PARA FATIGA

F.7.8.4.1- Objetivos del ensayo- Cuando hay datos insuficientes para verificar un diseño mediante cálculo únicamente de acuerdo con F.7.7, se puede conseguir evidencia suplementaria mediante un programa de ensayo específico. Los datos de ensayos pueden necesitarse por una o más de las siguientes razones adicionales.

(a) La historia de carga aplicada o el espectro, para carga única o cargas múltiples, no está disponible y los cálculos teóricos están más allá de los métodos prácticos (véase F.7.7.4). Esto puede aplicarse particularmente a estructuras móviles o cargadas con fluidos donde los efectos dinámicos o de resonancia pueden tener lugar. En F.7.8.4.2 se da información sobre los métodos de prueba.

(b) La geometría de la estructura es suficientemente compleja para que los estimativos de las fuerzas en los miembros o los campos de esfuerzo locales estén más allá de los métodos prácticos de cálculo (véase F.7.7.5). En F.7.8.4.3 se da información sobre los métodos de ensayo.

(c) Los materiales, detalles dimensionales o métodos de fabricación de miembros o uniones son diferentes de aquellos dados en las tablas F.7.7.1 a F.7.7.3. En F.7.8.4.4 se da información sobre los métodos de ensayo.

Los ensayos pueden ser llevados a cabo sobre un prototipo completo o estructuras reales o sobre partes componentes de estas estructuras. El grado en el que la estructura de prueba debe reproducir los materiales, detalles dimensionales y métodos de fabricación de la estructura final dependerá de la información a ser derivada del ensayo (véanse F.7.8.4.2 a 17.7.8.4.4).

F.7.8.4.2- Derivación de datos de carga- El método para obtener los datos de carga dependerá del tipo de estructura. Se consideran los siguientes tres tipos básicos:

(a)Estructuras fijas sometidas a carga mecánica, por ejemplo puentes, puente grúas y soportes de maquinaria. Se pueden usar estructuras similares existentes sujetas a las mismas fuentes de carga para obtener la amplitud, desfase y frecuencia de las cargas aplicadas. Mediante transductores de deformación, deflexión o aceleración fijados a componentes seleccionados, calibrados bajo cargas aplicadas conocidas, se puede registrar el patrón de fuerza en un período típico de trabajo de la estructura usando equipo de adquisición de datos análogo o digital. Los componentes deben ser seleccionados de modo que los componentes más cargados pueden ser deducidos independientemente usando los coeficientes de influencia obtenidos con las cargas de calibración.

Alternativamente, se pueden montar celdas de carga en las interfaces entre la carga aplicada y la estructura y se puede obtener un registro continuo usando el mismo equipo.

La masa, rigidez y decremento logarítmico de la estructura de prueba debe estar dentro del 30% del que tiene el diseño final y la frecuencia natural de los modos que generan las más grandes fluctuaciones de deformación deben estar dentro del10%. Si ésto no ocurre, la respuesta de carga debe ser verificada subsecuentemente sobre una estructura hecha de acuerdo con el diseño final.

La componente de frecuencia del espectro de carga obtenido con el período de trabajo debe multiplicarse por la relación de la vida de diseño y el período de trabajo para obtener el espectro final de diseño. Se debe tener en cuenta el crecimiento en amplitud o frecuencia durante la vida de diseño cuando se requiera.

• (b) Estructuras fijas sometidas a carga ambiental, por ejemplo mástiles, chimeneas y estructuras mar adentro sobre cubierta.

Los métodos de derivación del espectro de carga son básicamente los mismos descritos en F.7.8.4.2 (a) excepto que el período de trabajo generalmente necesitará ser más largo debido a la necesidad de obtener un espectro representativo de las cargas ambientales tales como viento y olas. El daño por fatiga tiende a estar confinado a una banda específica en el espectro global de carga debido a efectos de resonancia inducidos por el flujo del fluido. Todo esto tiende a ser muy específico en dirección, frecuencia y amortiguamiento y por esta razón se necesita mayor precisión para simular las propiedades estructurales (masa, rigidez y amortiguamiento) y las propiedades aerodinámicas (geometría de la sección transversal).

Se recomienda que la carga sea verificada subsecuentemente sobre una estructura con el diseño final si los datos de carga originales son obtenidos de estructuras con una frecuencia natural o un amortiguamiento que difieran en más del 10%, o si la forma de la sección transversal no es idéntica.

Se puede obtener un espectro de diseño final en términos de dirección, amplitud y frecuencia de carga, apropiadamente modificado comparando los datos de carga obtenidos durante el período de recolección de datos con los registros meteorológicos obtenidos para un período igual a la vida de diseño típica de la estructura.

(c ) Estructuras móviles, por ejemplo vehículos de carretera y sobre rieles y botes.

En estos tipos de estructura, la geometría de la superficie sobre la que se mueve la estructura debe definirse adecuadamente en términos de forma y amplitud de ondulaciones y frecuencia porque ésto tendrá un efecto significativo en la carga dinámica sobre la estructura. Otros efectos de carga tales como cargas de cargue y descargue pueden medirse usando los principios presentados en F.7.8.4.2 (a).

Las superficies sobre las que se mueve la estructura tales como pistas construidas con el propósito de ensayo, pueden usarse para obtener historias de carga para diseños prototipo. Se deben usar con precaución los datos de carga de estructuras previas ya que pequeñas diferencias pueden alterar su bsta ncial mente la respuesta dinámica. Se recomienda que esa carga se verifique en el diseño final si no se adopta un ensayo de fatiga a escala natural (véase F.7.8.4.4).

F.7.8.4.3- Derivación de los datos de esfuerzo

• (a) Datos de ensayo de componentes - Cuando hay miembros simples tales que las principales componentes de fuerza en el miembro pueden ser calculadas o medidas fácilmente, es apropiado probar componentes que contengan la unión o detalle que debe ser analizado.

Un especimen apropiado de idénticas dimensiones al usado en el diseño final debe ser calibrado usando un método conveniente tal como deformímetros eléctricos, patrones con borde de moiré o técnicas elásticas térmicas. Los extremos del componente deben estar suficientemente alejados del área local de interés para que los efectos locales en el punto de aplicación de las cargas no afecten la distribución de esfuerzos en ese punto. Las componentes de fuerza y los gradientes de esfuerzos en la región de interés deben ser idénticos a los que tendría en la estructura completa.

Se pueden obtener coeficientes de influencia a partir de cargas Estáticamente aplicadas que permitirán determinar el patrón de esfuerzos para cualquier combinación deseada de componentes de carga. Los coeficientes pueden ser obtenidos, si se requiere, a partir de especímenes a escala siempre que el componente total se escale igualmente.

• (b) Datos de ensayo de estructuras-En ciertos tipos de estructura tales como estructuras de cascarones, la continuidad del material estructural puede hacer impracticable el aislar componentes con fuerzas simples aplicadas. En este caso los datos de esfuerzo deben obtenerse a partir de prototipos o estructuras de producción.

Para la medición, se pueden usar métodos similares a los de ensayos de componentes. Para el uso más general, se recomienda que las cargas estáticas se apliquen como componentes individuales de modo que los esfuerzos puedan combinarse usando los coeficientes de influencia individuales para el punto de interés. La carga debe pasar por un ciclo de prueba antes de obtener los datos de coeficientes de influencia.

• (c) Verificación de la historia de esfuerzos- El mismo método descrito en F.7.8.4.3 (b) puede ser usado para verificar lahistoria de esfuerzos en un punto durante la prueba de¡ prototipo bajo una carga específica. En este caso, el equipo para la adquisición de datos usado en F.7.8.4.2 (a) debe ser usado para registrar la historia de esfuerzo total o para realizar una operación de conteo de ciclos. El conteo de ciclos puede ser usado para predecir la vida una vez que la curva fr N apropiada haya sido escogida.

Otra opción, que puede ser usada en el caso de historias de carga sobre las que se tenga incertidumbre, es mantener el dispositivo de conteo de ciclos permanentemente fijado a la estructura en servicio.

F.7.8.4.4 -Derivación de los datos de resistencia a la fatiga

• (a) Ensayo de componentes-Siempre que los espectros de fuerza o los datos de historia de esfuerzo sean conocidos, se puede hacer el ensayo de componentes para verificar el diseño de partes críticas de la estructura. El componente a ensayar debe ser fabricado con exactamente las mismas dimensiones y procedimientos que se intenta usar en el diseño final. Todos estos aspectos deben estar completamente documentados antes de fabricar el componente de prueba. Adicionalmente, cualquier método de ensayo no destructivo y los criterios de aceptación deben estar documentados en el informe conjuntamente con el informe del inspector sobre la calidad de las uniones a ensayar.

Los especímenes de prueba deben ser cargados de manera similar a la descrita en F.7.8.4.2 (a). Se deben usar medidores de deformación para verificar que las fluctuaciones de esfuerzo son las requeridas. La localización de estos medidores debe ser tal que ellos estén registrando el parámetro de esfuerzo correcto (véase F.7.7.5). Si se está registrando el esfuerzo nominal, el medidor debe estar por lo menos a 10 mm de cualquier borde de la soldadura. Cuando el gradiente de esfuerzos es alto se deben usar tres medidores para permitir la Interpolación.

Para obtener una curva fr-N que sirva para diseño, se debe ensayar un número mínimo de ocho especímenes idénticos que den resistencias a la fatiga en el rango de 103 a 108 ciclos. Se debe calcular una curva media y una curva de diseño que es paralela a la media pero separada no menos de 2 desviaciones Estandar y no mayor que el 80% del valor de la resistencia, lo que sea menor. Esto tiene en cuenta las amplias variaciones en la producción que normalmente se esperan en un único juego de especímenes para ensayo de fatiga.

Para diseños con tolerancia de daño se debe obtener un registro de¡ crecimiento de la grieta de fatiga con el número de ciclos.

Alternativamente, si se conoce la historia de esfuerzos de diseño y está disponible un equipo de amplitud variable, el Especimen puede ser ensayado bajo la historia de esfuerzos no mayorada.

• (b) Ensayos a escala natural-Se pueden hacer ensayos a escala natural bajo las condiciones de operación reales o en un equipo de ensayo con las componentes de carga de prueba aplicadas hidráulicamente o con otros métodos de control.

Las condiciones para la fabricación de la estructura deben ser las mismas que para en ensayo de componentes descritas en el literal (a) de este numeral.

Las cargas aplicadas no deben exceder las cargas nominales.

Cuando las cargas de servicio varían de una manera aleatoria entre límites, deben representarse mediante una serie equivalente de cargas acordada por las partes interesadas.

Alternativamente, la carga, o cargas, de prueba debe ser igual a la carga, o cargas, sin mayorar.

La aplicación de cargas a la muestra debe reproducir exactamente las condiciones de aplicación esperadas para la estructura o el componente en servicio.

El ensayo debe continuar hasta que ocurra la fractura o hasta que la muestra sea incapaz de responder a la carga total de prueba a causa del daño sufrido.

El número de aplicaciones de carga, o cargas, de prueba para la falla debe ser exactamente contado y registrado con observaciones sobre el desarrollo progresivo de defectos.

F.7.8.4.5-Aceptación-El criterio de aceptación depende de si la estructura es requerida para un comportamiento de vida segura o para un comportamiento de daño tolerable.

• (a) En un diseño de vida segura, el estado límite determinante es aquel definido en F.7.3.6.2. Para aceptación, la vida hasta la falla determinada mediante ensayo y ajustada para tener en cuenta el número de resultados deensayos disponible, no debe ser menor que la vida de diseño mayorada como se define en F.7.3.6.2.

• (b) En un diseño con tolerancia de daño, el estado límite determinante es aquel definido en F.7.3.6.3. La aceptación depende de la vida de una grieta que alcanza un tamaño que podría ser detectado por un método de inspección que puede ser aplicado en servicio. También depende de la tasa de crecimiento de la grieta, consideraciones de longitud crítica de grieta y las implicaciones para la seguridad residual de la estructura y el costo de reparación.

Los criterios para factorar la vida medida y para aceptación variarán de una aplicación a otra y deben ser acordados con el ingeniero responsable de la aceptación.

F.7.8.5- INFORME-Al concluir cualquier ensayo realizado de acuerdo con esta sección se debe redactar un certificado de prueba tipo que contenga la siguiente información:

• (a) nombre y dirección del laboratorio

• (b) referencia de acreditación del equipo de ensayo (cuando sea apropiado)

• (c) fecha del ensayo

• (d) nombre o nombres de los testigos

• (e) descripción de las muestras ensayadas mediante:

· número de serie (cuando sea apropiado), o

· número de plano o planos (cuando sea apropiado), o

· descripción con esquemas o diagramas, o

· fotografías

(f ) descripción de los sistemas de carga aplicados incluyendo referencias a las normas que sean necesarias

• (g) registro de las aplicaciones de carga y las reacciones a la carga medidas, esto es, deflexión, deformación, vida

• (h) resumen de cargas, deformaciones y esfuerzo en puntos de críticos de aceptación, correspondientes a los criterios de aceptación definidos en F.7.8.3.2

• (i) registro de la carga última y el modo de falla

• (j) registro de localización de observaciones mediante referencia a (e).

• (k) notas sobre cualquier comportamiento observado relevante para la seguridad o servicio del objeto ensayado, por ejemplo, naturaleza y localización del agrietamiento en un ensayo de fatiga

• (l) registro de las condiciones ambientales en el momento del ensayo cuando sea relevante

• (m) informe de validación por parte de la autoridad competente, de todo el equipo de medición usado

• (n) definición del propósito u objetivos del ensayo

• (o) informe de cumplimiento o no cumplimiento con los criterios de aceptación relevantes

• (p) registro de nombres y cargos de las personas responsables del ensayo y que elaboran el informe

• (q) número de serie del informe y fecha de expedición

APENDICE F.7- A

NOMENCLATURA DE PRODUCTOS DE ALUMINIO

F.7.A.1- INTRODUCCION

La información completa sobre la nomenclatura de las aleaciones de aluminio forjado y de fundición se consigue en las normas internacionales.

F.7.A.2- GRUPOS DE ALEACIONES

F.7.A.2-1- GENERALIDADES- La primera parte de la designación de una aleación de aluminio indica el grupo de aleación y consiste de cuatro dígitos así:

F.7.A.2.2- GRUPO 1- En el grupo 1**, para pureza mínima de aluminio del 99.00% (m/m) y mayor, los dos últimos de los cuatro dígitos en la designación indican el porcentaje mínimo de aluminio. Estos dígitos son los mismos dígitos que hay a la derecha del punto decimal en el porcentaje mínimo de aluminio cuando se expresa aproximado al 0.01% (m/m) más próximo.

El segundo dígito en la designación indica modificaciones en los límites de impurezas o elementos aleados. Si el segundo dígito es cero, indica un aluminio no aleado con límites de impureza naturales. Los números 1 a 9, que se asignan consecutivamente cuando se necesitan, indican control de una o más impurezas individuales o elementos aleados.

F.7.A.2.3-GRUPOS 2 a 8- En los grupos 2 a 8, los últimos dos de los cuatro dígitos de la designación no tienen significado especial sino que sirven únicamente para identificar las diferentes aleaciones de aluminio dentro del grupo. El segundo dígito indica modificaciones en la aleación. Si el segundo dígito es cero, indica la aleación original. Los números 1 a 9, que son asignados consecutivamente, indican modificaciones de la aleación.

F.7.A.2.4- VARIACIONES NACIONALES- Las variaciones nacionales de aluminio forjado y aleaciones de aluminio forjado registradas por diferentes países se identifican por una letra serial después de la designación numérica. Las letras seriales son asignadas en secuencia alfabética empezando por la A para la primera variación nacional registrada pero omitiendo la I, O y Q.

F.7.A.3-TEMPLE O CONDICION

F.7.A.3.1- GENERALIDADES- La designación para el temple o condición del aluminio o de la aleación de aluminio se indica con una letra que puede ir seguida por un número o números. Esta parte de la designación sigue a la designación del grupo de aleación y está separada por un guión.

F.7.A.3.2-ALEACIONES NO TRATADAS EN CALIENTE-Las aleaciones no tratadas en caliente (por ejemplo, 5083) son aquellas cuya resistencia sólo puede ser incrementada por endurecimiento por deformación. Este endurecimiento por deformación puede ser deliberado, como en el enderezamiento por estirado de una Extrusión, o debido a formado u otro trabajo en frío de un producto terminado. Los temples de los productos no tratados en caliente se identifican por sufijos con las siguientes letras y símbolos:

F Como fue fabricado. Esta designación de temple se aplica al material que adquiere algún temple con el proceso de formación en el que no hay control especial sobre el tratamiento térmico o el endurecimiento por deformación Para productos forjados sin límites de propiedades mecánicas.

O Recocido. Esta designación de temple se aplica al material que es totalmente recocido para obtener la más baja condición de resistencia.

H Endurecido por deformación. Esta designación de temple se aplica al material sometido a la aplicación de trabajo en frío y recocido parcial (o formado en caliente), o a una combinación de trabajo en frío y recocido parcial o estabilización, para lograr las propiedades mecánicas especificadas. La H va siempre seguida por dos o más dígitos que indican el grado final de endurecimiento por deformación.

El primer dígito que sigue la H indica la combinación específica de operaciones básicas como sigue:

H1 Endurecido por deformación únicamente. Esta designación de temple se aplica al material sometido a la aplicación de trabajo en frío después del recocido o formado en caliente.

H.2 Endurecido por deformación y parcialmente recocido. Esta designación de temple se aplica para conseguir las propiedades mecánicas especificadas.

H3 Endurecido por deformación y estabilizado.

El segundo dígito (2, 4, 6 u 8) que sigue la designación H1 o H2 indica el grado de endurecimiento por deformación en orden ascendente de temple.

El efecto de calentar estos materiales es reducir su resistencia. La resistencia sólo puede ser recuperada por más endurecimiento por deformación.