El fallo por fractura en el Eurocódigo 3

INGENIERÍA CIVIL FORENSE 09/10
Máster Universitario en INGENIERÍA de ESTRUCTURAS, CIMENTACIONES Y MATERIALES
Andrés Valiente Cancho
Departamento de Ciencia de Materiales
Escuela de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos
Universidad Politécnica de Madrid
1
El fallo por fractura en el Eurocódigo 3
El programa de eurocódigos estructurales
• Normas europeas para regular y armonizar el diseño técnico en ámbitos relevantes de la
construcción
• Programa contemplado en el Tratado de la Unión
• Desarrollado por el CEN desde 1989 por encargo de la Comisión Europea
• Diez eurocódigos (0 a 9):
0: Cálculo de estructuras
1: Acciones
2: Estructuras de hormigón
3: Estructuras de acero
4: Estructuras mixtas
5: Estructuras de madera
6: Estructuras de fábrica
9: Estructuras de aluminio
7: Estructuras geotécnicas
8: Estructuras sismorresistentes
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El fallo por fractura en el Eurocódigo 3
El programa de eurocódigos estructurales
• El eurocódigo EC3-1993 Design of steel structures se compone de 20 euronormas
1–1: Reglas generales y
de edificación (91)
1–2: Fuego (78)
1–3: Chapas y perfiles
delgados (130)
1–4: Aceros inoxidables (35)
1–5: Placas con carga
en su plano (53)
1–6: Láminas (94)
1–7: Placas con carga transversal (36)
1–8: Uniones (133)
1–9: Fatiga (34)
1–10: Tenacidad de fractura y
resistencia transversal (16)
1–11: Cables y
tirantes (34)
1–12: Extensión a
aceros hasta S-700 (9)
2: Puentes (102)
3–1:Torres y mástiles (79)
3–2: Chimeneas (30)
4–1: Silos (114)
4–2: Depósitos (55)
4–3: Conducciones (40)
5: Pilotes y tablestacas (94)
6:Vigas-carril (37)
1294 páginas
• El Subcomité de AENOR AEN/CTN140/SC3 es el interlocutor técnico del CEN para
el eurocódigo EC3 y redacta la versión española
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El fallo por fractura en el Eurocódigo 3
Objetivos de la parte 1–10 de EC3 y de la presentación
• Prevenir la fractura no dúctil (rotura por propagación inestable de una fisura)
• Análisis de las especificaciones EC3-1993 1–10 y 1-12 en el marco de la Mecánica de Fractura
Inclusión en códigos técnicos de ingenierías
•
•
•
•
Ingeniería aeronáutica (fallos Comet 1, 1954: normativa militar, 1972)
Ingeniería naval (fallos Liberty, 1940: normativa civil, 1974)
Ingeniería nuclear (normativa civil, 1972)
Ingeniería civil (fallo puente Point Pleasant, 1967: normativa AASHTO, 1973)
El fallo por fractura en la normativa española
• Estructuras de acero en la edificación MV-103–1972 y NBE-EA–1995
•
•
(recomendaciones cualitativas)
Recomendaciones para el diseño de puentes metálicos de carreteras RPM-95
(con aportaciones UPM, UNICAN y UNIOVI)
Nueva Instrucción de Acero Estructural EAEv.0–2004 y Código Técnico de la Edificación CTE-2006
contienen especificaciones para prevenir la rotura frágil limitando el espesor de acero;
Design of steel structures EC3-1993, 1–10 (2005), 1-12(2007) es la fuente común
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El fallo por fractura en el Eurocódigo 3
Fundamentos de Mecánica de Fractura de las especificaciones EC3-1-10
• Fundamentos de fractura elastoplástica con formulación de fractura elástico-lineal
Factor de intensidad de tensiones
K ≤ Kc
Tenacidad de fractura
• Detalle constructivos fisurados
• Tamaños relativos de fisura
P
B, t
a= a
W
!= a
B
W
a
• Factor de intensidad de tensiones de detalles fisurados
K = P BF(! )
BW
W ! a f (a )
K = P W ! a B F a W = P BW
BW 1! a W
B
" #
( F(•) y f(•) dependen también de las dimensiones relativas del detalle)
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Tensión
!=
• Fundamentos de fractura elastoplástica: Integral J
• Campo de tensiones
en el frente de fisura
bajo dominio de J
/n
Material de Il’yushin
Material hookeano
1
E"
!
!=
r
R
"1
0
E
Material de
Ramberg-Osgood
n
"= ! + !
E R0
( )
Deformación
• Material hookeano
• Material de Il’yushin (incluye al hookeano)
2
P
W
a
!
K
W!a " P # 2 f 2 (a )
K=
f (a ) J e =
J p = R 0 (W ! a) j(a, n) P
=
BW
BWR 0
E
E BW
W!a ! P " 2 f 2 (a ) = J = E (W ! a) j(a,1)! P " 2
e
E BW
BWE
(
)
n +1
• Material elastoplástico, según EPRI
2
"
J = J e + J p = (W ! a)$Ej(a,1)( P ) + R 0 j(a, n) P
#
BWE
BWR 0
(
)
n +1
! E j(a, n)
%
P
=
J
1+
e#
'&
" R 0 j(a,1) BWR 0
(
)
n '1
$
&%
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• Fundamentos de fractura elastoplástica: Integral J
• Acero de construcción, según EC3
PY
B, t
PY =R p0.2 WB˜p 0 (a )
W
R p0.
2
a
Lr = P
PY
2
J = J e(1+ 0,5L ) = KE (1+ 0,5L2r )
2
r
J≤ Jc
EJ c ! EJ = K 1+ 0,5L2r
K!
Kc
EJ c
=
1! 0,5L2r
1! 0,5L2r
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• Factores de intensidad de tensiones para 96 detalles estructurales tipificados
Detalles sin uniones o con
uniones mecánicas
Piezas armadas soldadas
Empalmes soldados
Cartelas y rigidizadores soldados
Uniones soldadas transmisoras
de fuerza
Perfiles huecos delgados
Nudos de vigas en
celosía
Tableros ortótropos con largueros
cerrados
Tableros ortótropos con
largueros abiertos
Uniones ala superior-alma Uniones soldadas transmisoras de carga con gradientes
de vigas carril
de tensión favorecedores de la fisuración de pié de cordón
• Solución de Raju–Newman para placa
traccionada con correcciones de
Hobbacher por el resto del detalle
P
2c
a
B, t
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Rotura frágil
• Tenacidad de fractura de los aceros estructurales de construcción
• Curva patrón mediana de los aceros ferríticos en el régimen de transición (ASTM E1921)
• Efecto de la temperatura y el espesor
1200
Zona frágil
Zona de transición
Cuantil 0,95 0,5
Tenacidad (MPa√m)
1000
800
Zona dúctil
[ (
K c = 1+ 1 + 7 e c(T −T 0 )
2 2
)
4
PF = 1! 2
0,05
K T = (1,5+3,5e c(T -T0 ) )K m
t0
t Km
]
t 0 = 25 mm
600
K m =20 MPa m
400
c= 0,019 (°C) −1
T0
200
0
-200°C+T0 -150°C+T0 -100°C+T0 -50°C+T0
( K !K m )4
!t
t 0 ( K T !K m )4
0°C+T0
50°C+T0 100°C+T0 150°C+T0 200°C+T0
Temperatura
temperatura
de referencia
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• Tenacidad de fractura de los aceros estructurales de construcción
• Efecto de la calidad del acero, la velocidad de carga, y el grado de conformado en frío
T0 = T27J −18°C+ ΔTε˙ + ΔTcf
1.5
( )
ΔTε˙ = (C1 −C 2R eH +C 3t) ln ε˙ε˙
ΔTcf = ε cf × 300°C
0
°
°C
C1 = 1440 °C
C2 = 1 C
C 3 = 1 mm
ε˙ 0 = 4⋅10 −4 1s
550
550 MPa
2200
c(T −ΔT r −T 27 +18°C−ΔT ε˙ −ΔT cf ) t
4 0
1+
7e
K c = 1+
Km
t
2
[
]
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Rotura frágil
• Criterio de rotura
• El límite de la carga σ del detalle estructural es la carga σY de agotamiento plástico de la
sección neta suponiendo el acero un material idealmente plástico
• La tenacidad de fractura Kc es el límite del factor de intensidad de tensiones kK corregido
por la plastificación local del frente de fisura
σ ≤ σY
K 1! 0,5L2r = 1! 0,5L2r $ tF(% ) ! K c = 1! 1 ! 7 e c( T "#Tr "T27 !18' C"#T&˙ "#Tcf )
2 2
% #
1" 0,5L2r
k=
1! " 1" 0,5L2r
$
4
(CEB6-R6-Failure Assessment Diagram)
factor determinado por las tensiones residuales
t0
t Km
&
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Rotura frágil
• Fisura de diseño crítica
P
2c
a
B, t
a = 0,4
c
detalles sin soldaduras o con
implantes longitudinales
a = 0,15
c
detalles con implantes
transversales
a =a 0 +
crecimiento por fatiga
 t 0 ln 1+ t

t0
a0 =  2 t
 0 lntt
2 0
( )
αd
−m
1 = N dN =
1
(
)
F
α
dα
[
]
4 ∫0 Ñ(N) SmC 2⋅10 6 Ct (m/2−1) ∫α 0
para t < 15t 0
para t ≥ 15t 0
αd
t 0 =1 mm
a = tα d
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Rotura frágil
• Limitación de espesores
Configuración del detalle
Acero
Velocidad de carga
Conformado en frío
T !"T r !T 27 +18° C!"T %˙ !"T cf )
23
1+ 0,5L # tF($ d ) = 1+ 1 + 7 e c(1
2 2
2
r
[ (
Temperatura
Carga
Espesor
)
4
t0
t Km
]
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Rotura frágil
• Tabla de limitación de espesores
Temperatura
Tabla
Temperatura
Velocidad de carga
Velocidad de carga
Resistencia (TIPO)
Resistencia (TIPO)
Resiliencia (GRADO)
Resiliencia (GRADO)
Carga
Carga
Conformado en frío
Conformado en frío
Espesor máximo
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Rotura frágil
250
S275
S460
S690
200
σ = 0,50ReH
S275
S460
S690
250
200
150
150
150
100
100
100
50
50
50
0
0
-50 -40 -30 -20 -10 0
10
TEMPERATURA (°C)
ESPESOR (mm)
200
σ = 0,75ReH
ESPESOR (mm)
250
ESPESOR (mm)
• Limitación de espesores
σ = 0,25ReH
S275
S460
S690
0
-50 -40 -30 -20 -10 0
10
TEMPERATURA (°C)
-50 -40 -30 -20 -10 0
10
TEMPERATURA (°C)
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Rotura frágil
• Fundamentos de Mecánica de Fractura
• Postulación de la fisura crítica de diseño para cada detalle
• Percentil 50 de la tenacidad de los aceros ferríticos
• Criterio de rotura frágil con corrección por plasticidad
• Procedimiento operativo
• Acorde con los procedimientos de diseño en ingeniería civil
• Enmascara la contribución de la Mecánica de Fractura