¿Qué es la fatiga en los barcos?

Jul 17, 2023

Antes de construir un buque, es necesario comprobarlo analíticamente desde varias perspectivas desde el punto de vista estructural.

Esto es para validar numéricamente el diseño de la embarcación y verificar discrepancias o deficiencias que puedan provocar fallas estructurales, pérdidas, eslabones débiles o incumplimientos en diferentes escalas. Al variar las escalas, todas estas cosas pueden localizarse en una única región de pequeña escala o tal vez a nivel global, lo que puede comprometer la estructura del buque en su conjunto o causar daños en gran medida.

Por lo tanto, para cada barco, es necesario realizar un análisis para verificar la integridad estructural e identificar y evaluar los riesgos asociados al diseño del barco.

Anteriormente, la mayoría de los análisis se realizaban a partir de primeros principios y técnicas numéricas. Sin embargo, con el avance del tiempo, todas las formas de análisis ahora se basan en elementos finitos y se integran aún más en métodos computacionales ejecutados a través de recursos de software.

Los tipos de análisis estructurales que se realizan principalmente en embarcaciones son:

El análisis de resistencia directa y de viga del casco último se ocupa principalmente del análisis estructural del buque y sus componentes a nivel global y local.

El análisis de vibraciones libres y forzadas se ocupa de la respuesta estructural con respecto a los modos de vibración bajo el peso ligero, el peso muerto, las operaciones de maquinaria y equipos y la carga externa a niveles global y local.

Al igual que los seres vivos, los seres no vivos también se cansan después de cierto momento.

Fatiga significa los efectos estructurales en un cuerpo debido a cargas repetitivas o cíclicas. En otras palabras simples, las cargas de fatiga surgen del "desgaste" o "cansancio" de un material durante un período de tiempo.

En términos físicos, los efectos de las cargas de fatiga parten de grietas o deformidades en el cuerpo u objeto debido a las cargas cíclicas aplicadas.

Cuando la carga continúa influyendo, el problema se agrava aún más y finalmente culmina en una falla grave de la estructura o miembro.

Entonces, en otro sentido, las cargas de fatiga también pueden definirse como las cargas a largo plazo variables en el tiempo que se acumulan con el tiempo e influyen en la capacidad de resistencia de un material, manifestándose en fallas.

A diferencia de otras cargas, no son de corta duración y no afectan inmediatamente a la estructura. Es la forma más lenta de efecto de carga, a diferencia de las cargas de impacto que provocan fallas estructurales en el menor tiempo posible (en unos pocos segundos).

A todos los efectos prácticos, la influencia de las cargas cíclicas o repetitivas sobre una estructura puede provocar su fallo en un periodo que va desde unos pocos meses hasta unos pocos años.

Como ejemplo simplificado, si consideramos una pieza de maquinaria, como el cojinete del motor o engranaje de un automóvil o bicicleta, sufre una cantidad repetida de carga durante su período de uso, también dependiendo de la intensidad.

En un momento dado, después de diez o quince años, dependiendo de su uso o mantenimiento, se enfrentará a una avería completa de su vehículo más allá de cualquier forma de reparación asequible.

Nuevamente, si vive en un lugar lluvioso y el cristal de su ventana se rompe, un arreglo temporal improvisado solo durará unos días o meses, y deberá buscar un arreglo mucho más estable. Todos estos son ejemplos simples de carga por fatiga.

Como el tiempo es el factor principal en la carga de fatiga, desde el punto de vista de la fatiga, para una estructura, es importante ver "cuánto tiempo sobrevive la estructura o el cuerpo". En términos técnicos, esto se conoce como vida de fatiga. Entonces, para los ejemplos anteriores, los 10, 15 o 20 años de un vehículo, o los pocos meses o días del panel de ventana temporal, no son más que la vida a fatiga.

A diferencia de otras formas de análisis estructural, no existe una forma directa o probada de estimar exactamente el punto de falla de la estructura.

A diferencia de un análisis de resistencia directo, donde se puede predecir el nivel exacto de tensiones para una falla de una estructura o un análisis vibratorio y se pueden capturar los modos exactos para las deformaciones a nivel local y global y los valores de resonancia en las condiciones dadas, no es factible decir con seguridad después de cuánto tiempo una estructura puede fallar bajo carga de fatiga.

Nuevamente, volviendo al ejemplo anterior, si compra un automóvil hoy y lo usa regularmente, se averiará sin posibilidad de reparación en una fecha específica en 2035 o 2040. Puede ser más; puede ser menos; puede estar en algún lugar dentro de su longevidad esperada.

La falla por fatiga de una estructura general ocurre debido a la concentración de tensiones locales que inician deformidades/discontinuidades o crecimiento y propagación de grietas durante un lapso de tiempo y una cierta cantidad de ciclos de tensiones.

En un sentido físico, los métodos para la falla por fatiga se pueden resumir en los siguientes pasos generales:

Por lo tanto, para el análisis de fatiga, uno puede simplemente predecir o aproximar la vida en fatiga. Y gracias a los métodos numéricos, hemos desarrollado formas de predecir al menos de forma aproximada la vida a fatiga de una estructura en determinadas condiciones de carga y uso. Para todos los efectos prácticos, la vida a fatiga de un material se puede deducir aproximadamente a partir de los siguientes métodos:

No entramos en los complejos detalles de lo anterior y solo los abordamos brevemente. Sin embargo, es justo saber que los métodos estrés-vida y deformación-vida son los métodos simplistas utilizados clásicamente y se basan en primeros principios.

Los métodos de tensión-vida implican técnicas numéricas y físicas en las que se deriva una curva SN específica a partir de pruebas experimentales de materiales.

Aquí, S representa las tensiones máximas aplicadas al material y N representa el número total de ciclos hasta la falla. Por lo tanto, para conocer la vida promedio o número de ciclos hasta la falla, se identifican las tensiones máximas factibles aplicadas al material.

El valor N correspondiente a esa coordenada da el resultado deseado. Como es obvio, la curva tiene una proporcionalidad inversa (de naturaleza logarítmicamente decreciente); es decir, cuanto menor sea el rango de tensiones aplicadas, mayor será la vida a fatiga.

Matemáticamente, existe otra relación simplificada que expresa la vida en fatiga en términos de tiempo o años de fatiga. Esto se llama formulación de Miner y se expresa como el número de ciclos en un nivel de tensión definido (n) dividido por el número total de ciclos hasta la falla (N). Esto se basa en una combinación de formulaciones mecánicas y estadísticas.

El método de vida-deformación es similar al de vida-esfuerzo, pero utiliza la deformación como parámetro cuantitativo en lugar del estrés. Esto se usa comúnmente para materiales que no exhiben propiedades elásticas y, por lo tanto, los valores de tensión no se pueden medir correctamente ni son exactos.

El método de crecimiento de grietas emplea una relación física directa entre el material y la vida a fatiga correspondiente mediante el análisis del crecimiento de grietas o, en otras palabras, el grado de formación de grietas y el incremento de una región seleccionada bajo la influencia de un ciclo de tensión o carga. Los detalles de esta metodología están más allá de nuestro alcance de discusión.

Los métodos probabilísticos se basan en relaciones empíricas utilizando técnicas de estimación de probabilidades y datos estadísticos.

El análisis de fatiga en barcos se lleva a cabo principalmente utilizando los métodos simplistas discutidos anteriormente y, a veces, métodos probabilísticos basados ​​en datos anteriores de barcos similares.

Todas las pautas de clasificación exigen el análisis de fatiga como una parte crucial de los análisis estructurales y especifican pautas y relaciones empíricas como parte del planteamiento del problema 'Análisis de daños por fatiga'. La curva SN o la fórmula de Miner suelen actuar como principio rector de los procesos.

Aquí, esencialmente, como práctica común, se eligen algunas cuadernas específicas del barco y el análisis de fatiga se lleva a cabo utilizando solo los miembros longitudinales, es decir, miembros profundos/miembros primarios y miembros secundarios como refuerzos, que contribuyen principalmente al casco longitudinal. Resistencia de la viga del buque.

Es redundante elegir otras cuadernas, ya que algunas cuadernas críticas suelen mostrar la "capacidad de fatiga de todo el buque".

Como la región media de cualquier embarcación es la región más susceptible a los momentos de flexión, inevitablemente se elige la región central. A menudo se eligen otros marcos en las regiones delantera y trasera según se considere adecuado.

Para barcos más largos, el número de fotogramas suele aumentar para analizar una mejor imagen. Para la resistencia a la fatiga de un buque, los siguientes factores juegan un papel vital:

Como regla general, la vida a fatiga de todos los miembros relevantes se compara con un criterio de referencia que puede depender del tipo, tamaño, servicios públicos y una variedad de otros factores del barco.

Sin embargo, a todos los efectos prácticos, el punto de referencia para la vida a fatiga establecido para la estructura de un barco es un promedio de 25 a 30 años. Este valor puede excederlo y tener un máximo de 30+ años o incluso 35 para barcos grandes y costosos. Nuevamente, este valor puede ser incluso de 15 a 20 años para embarcaciones más pequeñas o fluviales.

A menudo el análisis se lleva a cabo para los peores escenarios. Por ejemplo, para una cuaderna elegida, si la siguiente cuaderna o mamparo está más lejos en su proa que en popa, la luz para un refuerzo longitudinal generalmente se elige como la distancia entre la cuaderna dada y el mamparo o cuaderna delantera que es el distancia máxima.

En caso de incumplimiento de los criterios preestablecidos, incluso para un miembro estructural, hay que volver a trabajar en el diseño, como cambiar los escantillones o aumentar la disposición de refuerzo. Por ejemplo, si un refuerzo muestra una vida a fatiga de 25 años frente a un requisito de referencia de 30, los escantillones se modifican antes de la construcción o se cambia su luz longitudinal.

Hoy en día, en lugar de cálculos manuales, a menudo se utilizan herramientas y software dedicados para el análisis de fatiga utilizando entradas como escantillones, luces, espaciamientos de rigidizadores, etc.

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Subhodeep es graduado en Arquitectura Naval e Ingeniería Oceánica. Interesado en las complejidades de las estructuras marinas y los aspectos del diseño basado en objetivos, se dedica a compartir y difundir conocimientos técnicos comunes dentro de este sector que, en este mismo momento, requiere un cambio para volver a florecer y recuperar su antigua gloria.