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Mensaje: <blockquote data-quote="Derruido" data-source="post: 82558" data-attributes="member: 30">FRACTURA DE BUQUESRaúl Ortúzar Maturana *Introducción.La construcción de los primeros buques de acero soldados, después deuna época de cascos remachados, trajo consigo serios problemasestructurales por la aparición de grandes grietas que colapsaban laestructura, situaciones que fueron atribuibles a fractura frágil, oque simplemente agrietaban cubiertas, mamparos sin una explicaciónclara de lo ocurrido.Así veremos que el incremento del porcentaje de carbono en losaceros fue el más económico e importante elemento de aleaciónrequerido para alcanzar altas propiedades de resistencia en elacero. Sin embargo, éste aumento, como veremos más adelante, afectasensiblemente las propiedades de soldabilidad del acero y muyespecialmente la tenacidad del éste; o sea la capacidad para resistirmayor cantidad de esfuerzo sin deformarse plásticamente.Para entender con mayor profundidad el significado de lo que esuna fractura frágil, agrietamiento, tenacidad y otros términosasociados, se desarrollará a continuación una breve descripción deéstos. Para posteriormente, describir los desastrosos resultadosiniciales y los que aún se presentan en los buques de guerra, yfinalmente analizar las características de la fractura frágil de granocurrencia.Esfuerzo - Deformación.Existe una relación muy estrecha entre la deformación ( ) y elesfuerzo ( ) que soporta un determinado cuerpo, tal como muestra lafigura adjunta. Se define una deformación elástica cuando el cuerpoes sometido a un esfuerzo dado el punto de fluencia ( ), recuperandoposteriormente su forma inicial. La deformación plástica es cuandoal pasar el punto de fluencia ( ), este cuerpo al serle aliviada sucarga mantiene una deformación dada ( ).2Fractura.Se puede definir la fractura como la culminación del proceso dedeformación plástica. En general, se manifiesta como la separacióno fragmentación de un cuerpo sólido en dos o más partes bajo laacción de un estado de cargas.En particular, para diferenciar los tipos de fractura queexisten, se puede definir claramente, si consideramos el fenómeno enel extremo de la grieta que posea el cuerpo, en dos grupos:- Fractura Dúctil es aquella que progresa como consecuencia de unaintensa deformación plástica asociada al extremo de la grieta.- Fractura Frágil es aquella que se propaga con muy poca deformaciónplástica en el vértice de la grieta.Es obvio que en la práctica es muy difícil establecer un límitepreciso entre ambos tipos de fractura; sin embargo, desde le puntode vista ingenieríl es importante caracterizar si la fractura seproduce de manera rápida o lenta.La fractura rápida se caracteriza por la propagación inestablede una fisura en una estructura, pero este tipo de fractura puedeo no estar precedida de una propagación lenta de la fisura. Así enla mayoría de los casos de fallas de estructuras estas fueroniniciadas por esfuerzos aplicados inferiores a los de diseño. Estocontribuyó al carácter catastrófico de tales fallas y llevó a queellas fueran consideradas en general como fracturas frágiles.En cambio, la fractura lenta se caracteriza por una propagaciónestable de la fisura y que para su crecimiento requiere de unincremento continuo de las cargas aplicadas.Análisis de esfuerzos en Grietas.El estudio de fracturas en elementos estructurales ha sidorevolucionado en las últimas décadas con el análisis de lasensibilidad de los defectos de los extremos de las grietas ofisuras. Éstas, actúan como concentradores de esfuerzos, tal como3muestra la figura Nº2. Ya que al aplicarse un esfuerzo de tensión(S ) exterior a un cuerpo elástico que contiene a una grieta, el nmaterial justamente adelante de la grieta es sometido a esfuerzos detensión (S ) muy grandes. Esto, a su vez, equivale a un esfuerzo de tcorte (S ) sobre planos a 45º con el plano de la grieta. De modo que sel vértice de aquellas alcanza el valor de la tensión de diseño oteórica, aunque la tensión remota o media a que está sometido elcuerpo se mantenga en valores muy inferiores. Luego de acuerdo a esteconcepto la fractura se produce cuando se alcanza el valor delesfuerzo de diseño en el vértice de la fisura o grieta.Mecanismos de fallas.Existen una amplia clasificación de tipos de fallas queinvolucran la iniciación y propagación de fisuras o grietas, siendola siguiente la más general:Fractura frágilI. Fractura Dúctil.I. Fatiga.I. Corrosión.I. CreepI. Corrosión-Fatiga.I. Corrosión-Esfuerzo.I. Clivaje.El detalle de cada modo es interesante pero excede el tema deesta publicación.Fractura de Buques Soldados.Para satisfacer la urgente demanda de un gran número de buquesnecesarios para la guerra, en 1940, los Estados Unidos emprendió porprimera vez en la historia la construcción a gran escala de buquessoldados. En ese entones, la técnica de soldadura de planchas deacero había sido bien establecida, pero no se tenían suficientesconocimientos acerca del diseño y fabricación de grandes estructurassoldadas y poco se sabía de las características de la fractura.4Las fallas de los buque empezaron en el invierno de 1942-43, verfoto Nº3, el buque tanque T-2 Schenectady, navegando en mar calmadose partió en dos en Portland, Oregon. El esfuerzo registrado en lacubierta fue sólo de 9900 psi (7 Kg/mm ). La fractura se extendió a 2través de la cubierta justo delante del puente y alrededor en lamitad del buque.Durante el período de la Segunda Guerra Mundial en que EstadosUnidos construyó más de 5000 buques, en alrededor de 1000 buques sedetectaron más de 1300 fallas estructurales de variada magnitud hastaantes de Abril de 1946. Se debe considerar que muchos de los buquesno tenían más de tres años de servicio.Serias fallas como la fractura completa de la cubierta yplanchaje de la quilla ocurrieron en alrededor de 250 buques. Estenúmero no incluye las causas como resultado de los daños de guerrao causas externas como son varadas o colisiones. Alrededor de 20buques se partieron en dos o debieron ser abandonados por haberseencontrado una falla estructural masiva.Los informes y textos que detallan y explican estos grandesdefectos son innumerables, concluyendo que las principales razonesfueron: Diseño inadecuado de uniones, lo que produjo concentradoresde esfuerzos.Fracturas producidas por el comportamiento frágil del acero abaja temperatura.Defectos en la soldadura.Geometría inadecuada de los entalles en el diseño de lassoldaduras.El origen de las fallas de acuerdo con la investigaciónestadística de fallas de buques americanos durante la Segunda GuerraMundial, alrededor del 50% de la fallas fueron originadas pordiscontinuidades estructuras, incluyendo vértices en ángulo recto,extremos de quillas laterales, etc. Alrededor del 40% de la fallascomenzaron desde defectos de soldadura tales como grietassuperficiales del cordón, grietas bajo cordón y deficiente unión dela soldadura con el metal base. El remanente 10% son atribuidos a5defectos metalúrgicos del acero tales como zonas afectadastérmicamente por la soldadura y ranuras en los extremos de los bordesde planchas. En otras palabras todas las fallas originadas en ranurasson causadas por concentraciones severas de esfuerzos.Además, de que los factores de seguridad convencionales eranbasados en la propiedades del esfuerzo máximo UTS ( Ultimate tensilestrength) del acero, que el valor máximo en un ensayo de traccióny que era hasta ese momento empleado satisfactoriamente. Luego, nose consideraba los modos de fractura ni los concentradores deesfuerzos.Caso clásico de falla por concentradores de esfuerzo son losbuques clase "Liberty" producto de un diseño inadecuado de losvértices de los cuarteles, en especial el Nº3, que estaba terminadoa 90 grados. Estos defectos fueron corregidos con un refuerzoredondeado que redujo a una cuarta parte la energía absorbida por elvértice original, tal como muestra la figura adjunta. En el caso delos buques clase “Victory” el adecuado rediseño de los vérticespermitió reducir la energía absorbida en 20 veces que la original.Un número de serias fallas partieron como una de sinimportancia; por ejemplo en diciembre de 1947 el buque tanquePonagansett se partió en dos en la bahía de Boston. La fracturainiciada desde un cordón de soldadura de punto entre una pequeñaunión de la base de un guía espía y la plancha de cubierta. Latemperatura de transición dúctil frágil (TTDF) del material era de10EC, mientras que la temperatura al ocurrir la falla era de 2EC.En 1948, la American Bureau of Shipping especificó comoresultado de las primeras investigaciones requerimientos de pruebasde impacto para aceros de buques y procedimientos de fabricación;siendo las pruebas de impacto una medida de la capacidad de unmaterial para resistir un impacto que suele llamarse tenacidad. Almismo tiempo se especificaron técnicas de soldadura yespecificaciones para minimizar los defectos.Como resultado de estas modificaciones en los diseños,materiales y fabricación, el número de fracturas frágiles ocurridas6en estructuras soldadas o parcialmente soldadas en la postguerradisminuyó drásticamente, pero no desapareció completamente. Entre1951 y 1953 dos buques cargueros relativamente nuevos y un buquetanque se partieron en dos.En el invierno de 1954, un buque tanque construido en astillerosbritánicos en 1952 se partió en dos en el mar de Irlanda. Este buqueera soldado, espaciado longitudinalmente; el cual tenia un diseñomejorado, soldadura de calidad y un acero que había sido usadoanteriormente; y que además había sido certificado por una grancantidad de expertos de la época. El buque tenía una eslora de 190metros y que al momento del accidente desplazaba 35.000 Toneladas.La fractura fue limpia en dos partes, ocurrida inmediatamenteadyacente al mamparo transversal de la cuaderna maestra. Lo curiosoes que ambas mitades del buque fueron salvadas, mostrando elplanchaje que la falla había ocurrido de manera frágil. La fracturano era, excepto en una corta longitud (no de la posición de inicio),coincidente con la soldadura a tope del planchaje del casco ; sinoque seguía la línea del mamparo. La falla fue atribuida a un maldiseño de las uniones de los longitudinales con los mamparos quegeneró 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 PortJefferson, Long Island, New York, ver Figura 4. Este buque tenía 189metros de eslora, había cruzado a través de dos huracanes y teníasolo 9 meses de servicio cuando la falla ocurrió.También se pueden citar agrietamientos presentados por diversascausas en diferentes unidades de guerra de las últimas décadas como:Unión de proa de la superestructura del puente con la cubiertaprincipal de las fragatas tipo 12, como lo indica la figura 5.Unión del mamparo de la sala Ikara con la superestructuraprincipal en las fragatas clase Leander.Unión entre los mamparos longitudinales y transversales en laparte baja de la superestructura en los Destructores tipo 81, comomuestra la figura 6.7Parte superior de los mamparos de la cubierta inferior a laprincipal en destructores clase County, como muestra la figura 7.Falla en el extremo del mamparo de la superestructura en lasfragatas clase Leander, ver figura 8.Fallas en la cubierta de la superestructura 02 de losdestructores tipo 21 y 42, ver figura 9 y 10, respectivamente.Fallas en los vértices de las aberturas de la cubierta principalde los buques Clase Whitby, ver figura 11.Fallas en aberturas en la cubierta principal de los destructorestipo 42, ver figura 12.Fallas en costado superestructura de buques tipo Rothesay, verfigura 13.Además, de las fallas por fractura en los buques ocurridas encualquier condición de mar, se pueden citar otros múltiples casos deestructuras soldadas que han sufrido daños irreparables como puentes,aviones, rockets, chimeneas, estanques y recipientes de presión entreotros.Características de la Fractura Frágil.La fractura frágil se caracteriza por:La grieta se propaga con muy poca deformación plástica en el vérticede ésta.Dos factores siempre necesarios para que ocurra la iniciaciónde la fractura frágil son bajas temperaturas y esfuerzos.El inicio de la inestabilidad se inicia con esfuerzos nominalesmenores a los de fluencia.El efecto del mayor espesor del planchaje es generalmente peorque en las planchas delgadas. Porque la temperatura de transicióndúctil frágil TTDF se incrementa para planchas trabajadas como porejemplo : Soldadura, Corte, Doblado o Curvado, Calentamiento.La fractura frágil en la cubierta o planchaje de buques, acerosal carbono, es perpendicular al plano de la fisura o sea se propagaen la dirección transversal porque los mayores esfuerzos en el cascode un buque son longitudinales. En cambio, la fractura dúctil ocurre8normalmente a un ángulo de 45 grados, tal como lo indica la figurade análisis de esfuerzos en grietas.La falla se caracteriza en lazona fracturada por tener un aspecto brilloso y granular con unatípica 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 enel desarrollo de la fractura frágil es muy importante, siendo laprueba o ensayo de impacto la medida cuantitativa de tal efecto. Esteensayo se realiza con probetas entalladas, proveyendo información dela resistencia de un material a la fractura repentina. O sea mide latenacidad al determinar la cantidad de energía absorbida por unaprobeta entallada, cuando la energía de la masa W de un martillo depéndulo cae libremente, es transferida a la probeta para romperla,tal como lo muestra la figura Nº14. Los tipos de ensayos másconocidos son los de Charpy en entalla en V, el ensayo Izod.Si se analiza el gráfico representativo Charpy, figura 15, quepara cada material es característico, se debería utilizar un acerocuya Temperatura de Transición Dúctil Frágil, TTDF, sea lo más bajaposible de manera de garantizar un comportamiento "no frágil" en elrango de temperatura de operación del buque.La composición química del acero tiene una influencia definidasobre la temperatura de transición. En los aceros comunes, unincremento del contenido de carbono elevará apreciablemente dichatemperatura. El manganeso es el elemento de aleación que más ayudaa bajar esa temperatura en el acero estructural. Luego, estos acerostendrán un relativo bajo contenido de carbono con un relativo altocontenido de manganesoConclusiones.A partir de los trágicos hechos marítimos y al gran incrementotecnológico en el desarrollo de nuevos materiales, especialmente parala industria de la aviación y la aerospacial, es que el incrementodel estudio de la Mecánica de Fractura que presentan los materiales9sólidos, ha contribuido grandemente a mejorar los diseños, preveniry disminuir las fallas, y a incorporar nuevas aleaciones ymateriales a equipos y sistemas. Es así como esta disciplina hapermitido considerar cuantitativamente el riesgo de tener una grietaen un material, cuyas propiedades fractomecánicas deben serconocidas.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-Weldtreatment 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</blockquote>

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