ANÁLISIS DE ROTURA DE TORNILLOS PERTENECIENTES A UN SISTEMA DE ANCLAJE.
Rubén RIVERA1*, Manuel LASPALAS1, Clarisa LÓPEZ1, Susana CALVO1
1 División de Materiales y Componentes
Instituto Tecnológico de Aragón, C/ María de Luna 8, 50018 Zaragoza, España.
* E-mail: [email protected]
RESUMEN
En el presente trabajo se describen los análisis efectuados para la identificación de las causas de la rotura prematura de los tornillos pertenecientes a un sistema de anclaje de una instalación metálica.
La sistemática empleada está basada en la metodología general aplicable a los estudios de análisis de fallo. Los resultados obtenidos en los análisis han revelado que las roturas de los tornillos son la consecuencia de la actuación de un mecanismo de fatiga mecánica cuyo origen más probable radica en un diseño ineficiente de la unión, coadyuvado por heterogeneidades en las calidades de los materiales involucrados.
ABSTRACT
In the present work, the analyses carried out for the identification of the causes of the premature facture of the bolts of a metallic installation anchorage are summarized.
The methodology employed in the study is based on the general methodology applicable to the failure analysis studies.
The results obtained in the analysis have revealed that the bolts fractures are the consequence of a mechanical fatigue mechanism of failure, whose most probably origin is related to an inefficient design of the joint, influenced by some heterogeneities detected in the quality of the materials involved.
PALABRAS CLAVE: Resistencia frente a cargas de viento, Diseño, Fatiga.
. .
1. INTRODUCCIÓN
En el siguiente trabajo se presentan los resultados obtenidos en el análisis de fallo llevado a cabo sobre unos tornillos fracturados pertenecientes a un sistema de anclaje de una estructura metálica modular ubicada en la intemperie, trascurridos tres meses desde su puesta en servicio.
La metodología empleada se basa principalmente en la utilización de técnicas experimentales de análisis de fallo y simulaciones numéricas para la comprobación resistente del sistema de anclaje de la estructura [1]. La primera etapa ha consistido en la recopilación de los antecedentes y de la documentación técnica disponible.
Posteriormente a la inspección visual efectuada sobre varios sistemas de anclaje, se han caracterizado las fracturas de varios tornillos a nivel macro y microscópico. A partir de estos análisis se ha identificado el mecanismo de rotura actuante, que junto a los resultados de la caracterización del material de fabricación, de las medidas extensiométricas realizadas en campo y de los cálculos estructurales efectuados para la comprobación resistente frente a cargas de viento del sistema, han proporcionado la información suficiente y necesaria para establecer las causas del fallo y clasificarlo en un fallo de diseño, uso/mantenimiento o fabricación.
El sistema de anclaje de la estructura objeto de estudio, descrito en la figura 1, está constituido por dos pletinas de acero galvanizado, una plana y otra en forma de V, y dos tornillos de métrica M10 recubiertos superficialmente por una capa protectora de cinc.
Dicho sistema permite la unión de perfiles metálicos secundarios en L a la estructura principal, consistente en perfiles tubulares de sección cuadrada con distintos grados de inclinación y orientación. Toda la estructura está fabricada en acero galvanizado en caliente.
Figura 1. Foto del sistema de anclaje.
El par de apriete especificado en las instrucciones de montaje de los tornillos es de 13,6 N·m. Se desconoce la calidad de los tornillos especificada por diseño.
En los siguientes apartados se describen las tareas llevadas a cabo y los resultados obtenidos en el estudio.
2. ANÁLISIS EXPERIMENTAL 2.1. Inspección visual de los tornillos.
Los tornillos analizados presentan un diámetro nominal de 10mm, ofrecen una longitud total de 165mm y un extremo roscado de 50mm, medidas determinadas mediante el uso de un calibre.
La inspección visual de varios sistemas de anclaje pone de manifiesto que las roturas de los tornillos se sitúan en la zona roscada de los vástagos, están contenidas en un plano transversal al eje de los mismos y presentan ausencia de estricción y deformación en el material.
Las roturas ofrecen múltiples inicios situados en el valle de la zona roscada del tornillo en dos sectores diametralmente opuestos.
Figura 2. Esquema de la localización de los macrocaracteres de las roturas.
Su superficie de rotura está caracterizada por la presencia de marcas elípticas de parada asociadas a ciclos de aplicación de carga, alineadas perpendicularmente en la dirección de propagación de la rotura y concéntricas a las zonas de inicio de las mismas. Estos macrocaracteres son coherentes con la actuación de un mecanismo de fatiga mecánica bajo la actuación de esfuerzos de flexión bilateral. [2]
De manera coincidente con las generatrices donde se localizan los inicios de la rotura se observan marcas mecánicas en la zona no roscada del vástago del tornillo, de aspecto y tamaño variable, que se relacionan con el contacto físico del tornillo con los perfiles de la estructura
2.2 Análisis por Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) y Energía Dispersada de Rayos X (EDS)
El análisis microfractográfico de las superficies de rotura se ha realizado mediante el uso de un microscopio electrónico SEM EDX Hitachi S-3400 N de presión variable con analizador EDX Röntec XFlash de Si(Li).
Las zonas de inicio y progresión de la rotura están caracterizadas por la presencia de plataformas irregulares y estrías de fatiga, perpendiculares a la dirección de progresión de la rotura características de la actuación de un mecanismo de rotura por fatiga mecánica de alto número de ciclos. [3]
Figura 3. Micrografía electrónica zona de inicio y progresión de la rotura de tornillos
Asociado al inicio de la rotura, se detecta la presencia de productos superficiales en un sector de la periferia del material, cuya naturaleza elemental determinada mediante energía dispersada de rayos X (EDS) tiene como componentes principales hierro y cinc.
La superficie correspondiente a la zona de rotura mecánica final ofrece una micromorfología de rotura por coalescencia de microvacíos o “dimples” de carácter dúctil, micromorfología característica de una rotura por sobrecarga. [4]
Figura 4. Micrografía electrónica zona de rotura mecánica final
2.3 Análisis por Microscopía Óptica
Se preparan probetas metalográficas a partir de secciones diametrales a varios tornillos rotos coincidentes con los inicios, secciones equivalentes a tornillo sanos y una sección transversal a las pletinas del sistema de anclaje [5].
La superficie de los tornillos ofrecen una capa de galvanizado de aproximadamente 40 micras de espesor medio y su material de fabricación presenta en todos los casos una microestructura en el núcleo del material de ferrita con porcentajes variables de perlita.
Figura 5. Micrografía óptica de la microestructura del núcleo de diferentes tornillos
En las secciones analizadas de los tornillos (fracturados y no fracturados) se detecta la presencia de agrietamientos/pliegues en los valles de la zona roscada, rellenos de productos cuya naturaleza química determinada por energía dispersada de rayos X (EDS) revela la presencia de cinc, que llegan a alcanzar aproximadamente las 100 micras de extensión y una zona de extensión media de 200 micras en la cual la microestructura está deformada, ofreciendo un menor tamaño de grano respecto al núcleo del material.
Figura 6. Micrografía óptica de agrietamientos/pliegues en los valles de la zona roscada
El material de fabricación de las pletinas presenta una estructura formada por ferrita perlita propia de un acero al carbono no aleado en estado de tratamiento térmico de normalizado.
2.4 Caracterización mecánica del perfil en L de la estructura, de los tornillos y las pletinas.
Se realiza una caracterización mecánica del material de fabricación del perfil en L de la estructura de la instalación basada en un ensayo de tracción a temperatura ambiente efectuado sobre una probeta mecanizada a partir de la muestra de perfil de la estructura disponible. [6]
Las características mecánicas a tracción del material de fabricación del perfil se encuentran en el rango especificado para un acero de calidad S355 [7].
Tabla 1.- Resultados del ensayo de tracción a temperatura ambiente del perfil en L
Referencia
Límite elástico (MPa)
Resistencia a la tracción
(MPa)
Alargamiento (%)
Perfil L 510 431 29,50
S355 UNE EN 10025-2:2006
470-630 (≤16mm)
Min 355(≥3mm
≤100mm)
Min 22
La caracterización mecánica de los tornillos, fracturados y sanos, llevada a cabo mediante ensayos de tracción y medidas de dureza ponen de manifiesto que los tornillos ofrecen diferentes calidades, desde la calidad 5.8 a la calidad 8.8. [8] y [9]
Tabla 2.- Resultados del ensayo de tracción a temperatura ambiente de un tornillo sano
Referencia
Límite elástico (MPa)
Resistencia a la tracción
(MPa)
Alargamiento (%)
Tornillo sano 969 838 13,50
Calidad 8.8 s/norma UNE-
EN ISO 898- 1:2000 (d≤16mm)
Min 800 Min 640 Min 12
Tabla 3.- Resultados de los ensayos de Dureza sobre secciones de tornillos rotos y sanos
Referencia
Dureza Vickers HV10
Promedio HV10
Calidad Tornillo s/UNE-EN ISO 898-1:2000 Tornillo roto 171
175 5.8 (160-
220HV10) 179
Tornillo sano 1
249 248 6.8 (190-
250HV10) 248
Tornillo sano 2
281 265 8.8 (250-
320HV10) 249
Tornillo sano 3
171 180 5.8 (160-
220HV10) 189
La resistencia mecánica equivalente determinada según la referencia [10] (en torno a 385MPa) en función de la dureza media de las pletinas obtenida a partir de las medidas efectuadas, es acorde con el rango especificado para un acero no aleado en estado de tratamiento térmico de normalizado de designación S235. Ver tabla 4.
Tabla 4.- Resultados de los ensayos de Dureza sobre las pletinas
2.5 Medidas extensiométicas realizadas en campo
Se lleva a cabo un análisis por extensiometría para la determinación, en condiciones de montaje real, de los esfuerzos axiales existentes en los tornillos de las uniones embridadas entre las estructuras secundarias y el perfil estructural portante de la principal derivados del par de apriete establecido por el fabricante de 13,6 N·m.
La disposición de las bandas se presenta en la figura 7.
Figura 7. Esquema de la disposición de las bandas
La diferencia en cuanto a los valores de deformación obtenidos en las bandas pegadas sobre cada tornillo pone de manifiesto la existencia de momentos flectores sobre el mismo.
Tabla 5. Medidas de deformación de las bandas Tornillo Banda Deformación (μm/m)
Par: 13,6 N·m.
1
1 -541
2 30
3 846
2
4 855
5 -319
6 -536
En la siguiente tabla se recogen los valores de fuerza axial sobre cada tornillo, obtenidos a partir de los valores de deformación de cada una de las tres bandas pegadas sobre cada tornillo y la configuración de medida empleada.
Tabla 6. Resultados de fuerza axial en los tornillos
Par Fuerza axial (N)
Tornillo 1 Tornillo 2
13,6 N·m 3177 4251
3. COMPROBACIÓN RESISTENTE FRENTE A CARGAS DE VIENTO DE LA ESTRUCTURA Y UNIONES ATORNILLADAS.
Con el objeto de evaluar el diseño de la unión atornillada se lleva a cabo una comprobación resistente de la estructura y de las uniones atornilladas.
3.1-Modelo global de la estructura
Se ha realizado un cálculo estructural para determinar los esfuerzos a los que están sometidas las uniones atornilladas de la estructura durante el servicio. Para ello, se han determinado las acciones de viento sobre la estructura en función de su localización (altura, velocidad viento, categoría de terreno, etc.). La tipología estructural considerada para el cálculo de las acciones es la de marquesina a un solo agua. [11]
Se han considerado dos casos de carga para comprobar la estructura: a) efecto de una fuerza resultante sobre la estructura y b) efecto de la presión máxima local. En cada caso de carga se han considerado 6 análisis diferentes: tres inclinaciones de la estructura x 2 direcciones del viento.
A partir de las solicitaciones globales sobre la estructura se han determinado los esfuerzos sobre las uniones.
3.2-Cálculo de detalle de la unión atornillada.
A partir de los esfuerzos en las uniones se utiliza un modelo de elementos finitos detallado de la unión tipo para obtener los esfuerzos presentes en los tornillos para los diferentes casos de carga considerados. Ver Figura 8.
Figura 8. Modelo MEF detalle de la unión atornillada.
Las principales hipótesis empleadas en el análisis se enumeran a continuación:
Referencia Dureza HV10 Dureza media HV10
Pletina en V
116
120 125
120
Pletina plana
118
121 122
123
i) El análisis se ha efectuado bajo las hipótesis de un proceso cuasiestático empleando la teoría de pequeños desplazamientos y deformaciones.
ii) Se considera un comportamiento del material elástico, lineal, homogéneo e isótropo.
iii) La única no linealidad presente en el análisis corresponde a las condiciones de contacto entre diferentes partes (tubo principal, perfil metálico, tornillos y pletinas).
El proceso de carga de la unión atornillada se lleva a cabo en dos fases: (1) precarga de los tornillos, en la que se introduce el efecto del par de apriete en la unión y (2) aplicación de la fuerza externa correspondiente a la acción del viento para cada uno de los estados considerados.
El esfuerzo de tracción sobre el perno debido al par de apriete establecido en las instrucciones de montaje, ha sido calculado a partir de la expresión dada en la referencia [12] Los valores geométricos de la rosca han sido extraídos de la referencia [13] considerando una rosca M10 de paso normal.
Figura 9. Postproceso de esfuerzos en los tornillos para caso de carga más desfavorable (Izda. precarga, dcha.
carga externa aplicada).
El análisis y postproceso llevado a cabo de los resultados se ha centrado en la evolución de los esfuerzos en los tornillos a lo largo de todo el proceso de carga, obtenidos como resultantes de las distribuciones tensionales en la sección más desfavorable del tornillo. A partir de dichos esfuerzos se calcula la tensión corregida utilizando la expresión clásica:
2 2
t b
x y
z
M M
F r
A I
En aquellos casos en que la acción del viento se considera uniformemente distribuida, el aumento de tensiones en los tornillos respecto al estado de precarga es apenas apreciable, mientras que en los casos en los que el centro de presiones se encuentra descentrado, el momento flector resultante puede llegar a causar la apertura parcial de la unión tal y como puede apreciarse en la Figura 10, lo que se refleja en un aumento muy elevado de las tensiones en uno de los tornillos.
Figura 10. Deformada para caso de carga más desfavorable.
Los resultados obtenidos permiten también concluir la decisiva influencia del ángulo de inclinación y cómo el efecto de la succión es más desfavorable que el de presión.
Figura 11. Evolución tensión longitudinal en el tornillo.
El valor máximo de tensión, 978 MPa, obtenido para el caso más desfavorable (centro de presiones descentrado, succión y 30º de inclinación) excede la resistencia correspondiente a las calidades del tornillo analizadas 5.8-8.8, lo que permite concluir que la unión atornillada analizada no satisface el requisito de Resistencia Mecánica establecido.
200 300 400 500 600 700 800 900 1000
0% 20% 40% 60% 80% 100%
Porcentaje de carga Tensión normal [MPa] Caso A1 (0º)
Caso A3 (15º) Caso A5 (30º)
4. CONCLUSIONES
En base a los resultados de las inspecciones, ensayos, cálculos y análisis llevados a cabo sobre los sistemas de anclaje analizados, se concluye que las roturas de los tornillos son la consecuencia de la actuación de un mecanismo de rotura por fatiga mecánica cuyo origen está relacionado con inadecuado diseño de la unión, habiéndose visto coadyuvado por heterogeneidades en las calidades de los materiales involucrados
AGRADECIMIENTOS
Los autores desean agradecer la colaboración del INSTITUTO DE CARBOQUÍMICA del CSIC de Zaragoza en la realización de la caracterización mediante microscopía electrónica.
REFERENCIAS
[1] ASM HANDBOOK. Failure Analysis and Prevention, vol 11, Metals Park (OH, USA):ASM International 2002.
[2] ASM HANDBOOK. Failure Analysis and Prevention 9th ed, vol 11, Metals Park (OH, USA):ASM International 1992.
[3] ASM HANDBOOK. Fractography 9th ed, vol 12, Metals Park (OH, USA):ASM International 1992.
[4] Pintado Fe, J. M. Fallos en servicio de los materiales metálicos, INTA 1992.
[5] ASM HANDBOOK. Metallography and Microstructures 9th ed, vol 9, Metals Park (OH, USA):ASM International 1995.
[6] UNE EN 10002-1: 2002. Materiales metálicos.
Ensayos de tracción. Parte 1: Método de ensayo a temperatura ambiente.
[7] UNE EN 10025-2:2006. Productos laminados en caliente de aceros para estructuras. Parte 2:
Condiciones técnicas de suministro de los aceros estructurales no aleados.
[8] UNE-EN ISO 6507-1:1998 Materiales metálicos.
Ensayo de dureza Vickers. Parte 1: Método de ensayo. (ISO 6507-1:1997).
[9] UNE EN ISO 898-1:2000. Características mecánicas de los elementos de fijación de acero al carbono y acero aleado. Parte 1: Pernos, tornillos y bulones con clases de calidad especificadas. Rosca de paso grueso y rosca de paso fino.
[10] UNE EN ISO 18265:2006 Materiales metálicos. Conversión de los valores de dureza
[11] UNE-EN 1991-1-4 “Eurocódigo 1 Parte 1-4:
Acciones en estructuras. Acciones de viento”
[12] UNE 17108:1981 “Tornillos y tuercas de acero. Momentos de apriete”
[13] UNE 17704:2002“Rosca métrica ISO de empleo general. Medidas básicas”