Derruido, los Type 42 cortos no tienen problemas estructurales, son los batch 3 estirados, que han recibido refuerzos longitudinales en el quiebre de la cubierta con el casco. Este defecto se replica en las OHP, las C70 y las Type 21, buques diseñados sobre la base de un modelo de carga longitudinal que no tomaba en cuenta ciertos elementos especificos de materiales no definidos en el estudio original.
Los Type 42 batch 1 y 2 , por toda la critica que han recibido, son estructuralmente solidos y han aguantado bastante bien los upgrades, mas alla de las restricciones y transacciones de diseño original.
Sobre las Olympus, claramente una Spey "C" esta a eones de mayor eficiencia...pero la moda va por diseños como las MR 21 o MT30....
Saludos,
Sut
Era al revés lo de las Type:banghead:, lo leí de un artículo de la ARCH, el autor si no me falla la memoria era del entonces Capitan Jordan?, ahora ascendido.
Salute
Derru
---------- Post added at 01:12 ---------- Previous post was at 12:58 ----------
Sut, que mal me trata el Alemán.
FRACTURA DE BUQUES
Raúl Ortúzar Maturana *
Introducción.
La construcción de los primeros buques de acero soldados, después de una época de cascos remachados, trajo consigo serios problemas estructurales por la aparición de grandes grietas que colapsaban la estructura, situaciones que fueron atribuibles a fractura frágil, o que simplemente agrietaban cubiertas, mamparos sin una explicación clara de lo ocurrido.
Así veremos que el incremento del porcentaje de carbono en los aceros fue el más económico e importante elemento de aleación requerido para alcanzar altas propiedades de resistencia en el acero. Sin embargo, éste aumento, como veremos más adelante, afecta sensiblemente las propiedades de soldabilidad del acero y muy especialmente la tenacidad del éste; o sea la capacidad para resistir mayor cantidad de esfuerzo sin deformarse plásticamente.
Para entender con mayor profundidad el significado de lo que es una fractura frágil, agrietamiento, tenacidad y otros términos asociados, se desarrollará a continuación una breve descripción de éstos. Para posteriormente, describir los desastrosos resultados iniciales y los que aún se presentan en los buques de guerra, y finalmente analizar las características de la fractura frágil de gran ocurrencia.
Esfuerzo - Deformación.
Existe una relación muy estrecha entre la deformación ( ) y el esfuerzo ( ) que soporta un determinado cuerpo, tal como muestra la figura adjunta. Se define una deformación elástica cuando el cuerpo es sometido a un esfuerzo dado el punto de fluencia ( ), recuperando
posteriormente su forma inicial. La deformación plástica es cuando al pasar el punto de fluencia ( ), este cuerpo al serle aliviada su carga mantiene una deformación dada ( ).
Fractura.
Se puede definir la fractura como la culminación del proceso de deformación plástica. En general, se manifiesta como la separación o fragmentación de un cuerpo sólido en dos o más partes bajo la acción de un estado de cargas.
En particular, para diferenciar los tipos de fractura que
existen, se puede definir claramente, si consideramos el fenómeno en el extremo de la grieta que posea el cuerpo, en dos grupos:
- Fractura Dúctil es aquella que progresa como consecuencia de una intensa deformación plástica asociada al extremo de la grieta.
- Fractura Frágil es aquella que se propaga con muy poca deformación plástica en el vértice de la grieta.
Es obvio que en la práctica es muy difícil establecer un límite preciso entre ambos tipos de fractura; sin embargo, desde le punto de vista ingenieríl es importante caracterizar si la fractura se produce de manera rápida o lenta.
La fractura rápida se caracteriza por la propagación inestable de una fisura en una estructura, pero este tipo de fractura puede o no estar precedida de una propagación lenta de la fisura. Así en la mayoría de los casos de fallas de estructuras estas fueron iniciadas por esfuerzos aplicados inferiores a los de diseño. Esto contribuyó al carácter catastrófico de tales fallas y llevó a que
ellas fueran consideradas en general como fracturas frágiles.
En cambio, la fractura lenta se caracteriza por una propagación estable de la fisura y que para su crecimiento requiere de un incremento continuo de las cargas aplicadas.
Análisis de esfuerzos en Grietas.
El estudio de fracturas en elementos estructurales ha sido
revolucionado en las últimas décadas con el análisis de la
sensibilidad de los defectos de los extremos de las grietas o
fisuras. Éstas, actúan como concentradores de esfuerzos, tal como muestra la figura Nº2. Ya que al aplicarse un esfuerzo de tensión (Sn) exterior a un cuerpo elástico que contiene a una grieta, el material justamente adelante de la grieta es sometido a esfuerzos de tensión (St) muy grandes. Esto, a su vez, equivale a un esfuerzo de
corte (Ss) sobre planos a 45º con el plano de la grieta. De modo que
el vértice de aquellas alcanza el valor de la tensión de diseño o
teórica, aunque la tensión remota o media a que está sometido el
cuerpo se mantenga en valores muy inferiores. Luego de acuerdo a este
concepto la fractura se produce cuando se alcanza el valor del
esfuerzo de diseño en el vértice de la fisura o grieta.
Mecanismos de fallas.
Existen una amplia clasificación de tipos de fallas que
involucran la iniciación y propagación de fisuras o grietas, siendo
la siguiente la más general:
Fractura frágil
I. Fractura Dúctil.
I. Fatiga.
I. Corrosión.
I. Creep
I. Corrosión-Fatiga.
I. Corrosión-Esfuerzo.
I. Clivaje.
El detalle de cada modo es interesante pero excede el tema de
esta publicación.
Fractura de Buques Soldados.
Para satisfacer la urgente demanda de un gran número de buques
necesarios para la guerra, en 1940, los Estados Unidos emprendió por
primera vez en la historia la construcción a gran escala de buques
soldados. En ese entones, la técnica de soldadura de planchas de
acero había sido bien establecida, pero no se tenían suficientes
conocimientos acerca del diseño y fabricación de grandes estructuras
soldadas y poco se sabía de las características de la fractura.
Las fallas de los buque empezaron en el invierno de 1942-43, ver
foto Nº3, el buque tanque T-2 Schenectady, navegando en mar calmado
se partió en dos en Portland, Oregon. El esfuerzo registrado en la
cubierta fue sólo de 9900 psi (7 Kg/mm2). La fractura se extendió a
través de la cubierta justo delante del puente y alrededor en la
mitad del buque.
Durante el período de la Segunda Guerra Mundial en que Estados
Unidos construyó más de 5000 buques, en alrededor de 1000 buques se
detectaron más de 1300 fallas estructurales de variada magnitud hasta
antes de Abril de 1946. Se debe considerar que muchos de los buques
no tenían más de tres años de servicio.
Serias fallas como la fractura completa de la cubierta y
planchaje de la quilla ocurrieron en alrededor de 250 buques. Este
número no incluye las causas como resultado de los daños de guerra
o causas externas como son varadas o colisiones. Alrededor de 20
buques se partieron en dos o debieron ser abandonados por haberse
encontrado una falla estructural masiva.
Los informes y textos que detallan y explican estos grandes
defectos son innumerables, concluyendo que las principales razones
fueron: Diseño inadecuado de uniones, lo que produjo concentradores
de esfuerzos.
Fracturas producidas por el comportamiento frágil del acero a
baja temperatura.
Defectos en la soldadura.
Geometría inadecuada de los entalles en el diseño de las
soldaduras.
El origen de las fallas de acuerdo con la investigación
estadística de fallas de buques americanos durante la Segunda Guerra
Mundial, alrededor del 50% de la fallas fueron originadas por
discontinuidades estructuras, incluyendo vértices en ángulo recto,
extremos de quillas laterales, etc. Alrededor del 40% de la fallas
comenzaron desde defectos de soldadura tales como grietas
superficiales del cordón, grietas bajo cordón y deficiente unión de
la soldadura con el metal base. El remanente 10% son atribuidos a defectos metalúrgicos del acero tales como zonas afectadas
térmicamente por la soldadura y ranuras en los extremos de los bordes
de planchas. En otras palabras todas las fallas originadas en ranuras
son causadas por concentraciones severas de esfuerzos.
Además, de que los factores de seguridad convencionales eran
basados en la propiedades del esfuerzo máximo UTS ( Ultimate tensile
strength) del acero, que el valor máximo en un ensayo de tracción
y que era hasta ese momento empleado satisfactoriamente. Luego, no
se consideraba los modos de fractura ni los concentradores de
esfuerzos.
Caso clásico de falla por concentradores de esfuerzo son los
buques clase "Liberty" producto de un diseño inadecuado de los
vértices de los cuarteles, en especial el Nº3, que estaba terminado
a 90 grados. Estos defectos fueron corregidos con un refuerzo
redondeado que redujo a una cuarta parte la energía absorbida por el
vértice original, tal como muestra la figura adjunta. En el caso de
los buques clase “Victory” el adecuado rediseño de los vértices
permitió reducir la energía absorbida en 20 veces que la original.
Un número de serias fallas partieron como una de sin
importancia; por ejemplo en diciembre de 1947 el buque tanque
Ponagansett se partió en dos en la bahía de Boston. La fractura
iniciada desde un cordón de soldadura de punto entre una pequeña
unión de la base de un guía espía y la plancha de cubierta. La
temperatura de transición dúctil frágil (TTDF) del material era de
10EC, mientras que la temperatura al ocurrir la falla era de 2EC.
En 1948, la American Bureau of Shipping especificó como
resultado de las primeras investigaciones requerimientos de pruebas
de impacto para aceros de buques y procedimientos de fabricación;
siendo las pruebas de impacto una medida de la capacidad de un
material para resistir un impacto que suele llamarse tenacidad. Al
mismo tiempo se especificaron técnicas de soldadura y
especificaciones para minimizar los defectos.
Como resultado de estas modificaciones en los diseños,
materiales y fabricación, el número de fracturas frágiles ocurridas en estructuras soldadas o parcialmente soldadas en la postguerra
disminuyó drásticamente, pero no desapareció completamente. Entre
1951 y 1953 dos buques cargueros relativamente nuevos y un buque
tanque se partieron en dos.
En el invierno de 1954, un buque tanque construido en astilleros
británicos en 1952 se partió en dos en el mar de Irlanda. Este buque
era soldado, espaciado longitudinalmente; el cual tenia un diseño
mejorado, soldadura de calidad y un acero que había sido usado
anteriormente; y que además había sido certificado por una gran
cantidad de expertos de la época. El buque tenía una eslora de 190
metros y que al momento del accidente desplazaba 35.000 Toneladas.
La fractura fue limpia en dos partes, ocurrida inmediatamente
adyacente al mamparo transversal de la cuaderna maestra. Lo curioso
es que ambas mitades del buque fueron salvadas, mostrando el
planchaje que la falla había ocurrido de manera frágil. La fractura
no era, excepto en una corta longitud (no de la posición de inicio),
coincidente con la soldadura a tope del planchaje del casco ; sino
que seguía la línea del mamparo. La falla fue atribuida a un mal
diseño de las uniones de los longitudinales con los mamparos que
generó una concentración local de esfuerzos.
En enero de 1972 un buque integrado barcaza-remolcador llamado
“Martha R. Ingram se partió en dos y se hundió en la bahía de Port
Jefferson, Long Island, New York, ver Figura 4. Este buque tenía 189
metros de eslora, había cruzado a través de dos huracanes y tenía
solo 9 meses de servicio cuando la falla ocurrió.
También se pueden citar agrietamientos presentados por diversas
causas en diferentes unidades de guerra de las últimas décadas como:
Unión de proa de la superestructura del puente con la cubierta
principal de las fragatas tipo 12, como lo indica la figura 5.
Unión del mamparo de la sala Ikara con la superestructura
principal en las fragatas clase Leander.
Unión entre los mamparos longitudinales y transversales en la
parte baja de la superestructura en los Destructores tipo 81, como
muestra la figura 6.
Parte superior de los mamparos de la cubierta inferior a la
principal en destructores clase County, como muestra la figura 7.
Falla en el extremo del mamparo de la superestructura en las
fragatas clase Leander, ver figura 8.
Fallas en la cubierta de la superestructura 02 de los
destructores tipo 21 y 42, ver figura 9 y 10, respectivamente.
Fallas en los vértices de las aberturas de la cubierta principal
de los buques Clase Whitby, ver figura 11.
Fallas en aberturas en la cubierta principal de los destructores
tipo 42, ver figura 12.
Fallas en costado superestructura de buques tipo Rothesay, ver
figura 13.
Además, de las fallas por fractura en los buques ocurridas en
cualquier condición de mar, se pueden citar otros múltiples casos de
estructuras soldadas que han sufrido daños irreparables como puentes,
aviones, rockets, chimeneas, estanques y recipientes de presión entre
otros.
Características de la Fractura Frágil.
La fractura frágil se caracteriza por:
La grieta se propaga con muy poca deformación plástica en el vértice
de ésta.
Dos factores siempre necesarios para que ocurra la iniciación
de la fractura frágil son bajas temperaturas y esfuerzos.
El inicio de la inestabilidad se inicia con esfuerzos nominales
menores a los de fluencia.
El efecto del mayor espesor del planchaje es generalmente peor
que en las planchas delgadas. Porque la temperatura de transición
dúctil frágil TTDF se incrementa para planchas trabajadas como por
ejemplo : Soldadura, Corte, Doblado o Curvado, Calentamiento.
La fractura frágil en la cubierta o planchaje de buques, aceros
al carbono, es perpendicular al plano de la fisura o sea se propaga
en la dirección transversal porque los mayores esfuerzos en el casco
de un buque son longitudinales. En cambio, la fractura dúctil ocurre normalmente a un ángulo de 45 grados, tal como lo indica la figura
de análisis de esfuerzos en grietas.La falla se caracteriza en la
zona fracturada por tener un aspecto brilloso y granular con una
típica forma de espina de pescado.
La velocidad de propagación de la grieta es de alrededor de 3000
[m/seg].
Como se mencionó anteriormente el efecto de la temperatura en
el desarrollo de la fractura frágil es muy importante, siendo la
prueba o ensayo de impacto la medida cuantitativa de tal efecto. Este
ensayo se realiza con probetas entalladas, proveyendo información de
la resistencia de un material a la fractura repentina. O sea mide la
tenacidad al determinar la cantidad de energía absorbida por una
probeta entallada, cuando la energía de la masa W de un martillo de
péndulo cae libremente, es transferida a la probeta para romperla,
tal como lo muestra la figura Nº14. Los tipos de ensayos más
conocidos son los de Charpy en entalla en V, el ensayo Izod.
Si se analiza el gráfico representativo Charpy, figura 15, que
para cada material es característico, se debería utilizar un acero
cuya Temperatura de Transición Dúctil Frágil, TTDF, sea lo más baja
posible de manera de garantizar un comportamiento "no frágil" en el
rango de temperatura de operación del buque.
La composición química del acero tiene una influencia definida
sobre la temperatura de transición. En los aceros comunes, un
incremento del contenido de carbono elevará apreciablemente dicha
temperatura. El manganeso es el elemento de aleación que más ayuda
a bajar esa temperatura en el acero estructural. Luego, estos aceros
tendrán un relativo bajo contenido de carbono con un relativo alto
contenido de manganeso
Conclusiones.
A partir de los trágicos hechos marítimos y al gran incremento
tecnológico en el desarrollo de nuevos materiales, especialmente para
la industria de la aviación y la aerospacial, es que el incremento
del estudio de la Mecánica de Fractura que presentan los materiales
9
sólidos, ha contribuido grandemente a mejorar los diseños, prevenir
y disminuir las fallas, y a incorporar nuevas aleaciones y
materiales a equipos y sistemas. Es así como esta disciplina ha
permitido considerar cuantitativamente el riesgo de tener una grieta
en un material, cuyas propiedades fractomecánicas deben ser
conocidas.
BIBLIOGRAFIA
- Mechanical Behavior of Materials, N. Dowling, USA, 1992.
- Fracture and Fatigue control in Structures, J. Barsom, S. Rolfe,
USA, 1990.
- Principios de Metalurgia Física. R. Reed-Hill, Florida, USA, 1978.
- Guía para Estructuras de Buques. A. D*Arcangelo, USA, 1979.
- Analysis of Welded Structures, K.Masubuchi, MIT, USA, 1980
- Apuntes Ship Technology Vol.1. Royal Navy, U.K.,1995.
- Apuntes “Comportamiento Mecánico de los Materiales” UTFSM,
Valparaíso, 1996.
A New Perpective on the Influence of thickness and Post-Weld
treatment for Large Scale Welded Joints. Hancok, Chubb, Spurrier.
Journal of Engineering Materials and Technology, U.K. 1995.
Diseño en Ingeniería Mecánica, J. Shigley, C. Mischke, USA. 1995
* Teniente 1º. Ingeniero Naval Mecánico, actualmente en Curso
Magister en Ingeniería Mecánica, Universidad Técnica Federico
Santa María.
http://www.revistamarina.cl/