Mecánica de fracturas en edificios - Jorge Bernal Capítulo 1: Historia

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WO MF INICIOS

Mecánica de fracturas. Capítulo 2: Inicios.

Mecánica de fracturas en edificios - Jorge Bernal Capítulo 1: Historia

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1. Inicios.

1.1. La tracción y asentamientos.

En la construcción muraría las fracturas solo entraban en escena

cuando se producían asentamientos diferenciales del suelo. Sólo en estos

casos las isostáticas de tracción (tensores) y las de compresión (bielas) se

alteraban de su secular orden, en su malestar mostraban las fracturas.

En los edificios o viviendas las fisuras no generan colapsos pueden

convivir con las paredes o pisos durante muchos años. Las fisuras en la ar-

quitectura es más una cuestión estética que estructural, se las analiza desde

las Patología de la Construcción para encontrar las fuerzas que las producen

y acercar algún procedimiento de reparación. En Arquitectura e Ingeniería se

analiza la fisura desde los datos que entrega el entorno que la rodea. Se in-

tenta interpretarlas desde las ciencias clásicas y eso no lleva a ningún resul-

tado.

1.2. Las disciplinas.

En las construcciones de viviendas o edificios se continúa con la in-

geniería tradicional, o mecánica clásica que utiliza para el diseño solo dos

parámetros: fuerza y distancia (estática) o fuerza y superficie (resistencia de

materiales). Aún no se han incorporado los conocimientos de la mecánica de

fractura.

Esta disciplina es la única que puede contestar o resolver las dudas

sobre las fisuras o fracturas que aparecen en edificios o viviendas termina-

dos, porque la ingeniería clásica no posee términos o ecuaciones para inter-

pretar el efecto de “disipación” de energía que representa una fisura.

Con esta nueva disciplina al edificio no hay que pensarlo en térmi-

nos de tensiones. A cada una de sus piezas estructuras y también en el todo

se debe analizarlo desde la energía que acumula y en especial los límites que

posee de guardar energía elástica o plástica. Pasado esa frontera aparece la

fisura.

2. Los científicos.

2.1. Introducción.

En los inicios del siglo XX ya habían transcurridos más de un siglo

del inicio de la revolución industrial, el crecimiento de las maquinarias, bar-

cos y edificios deslumbraba. Pero también había fallas que no eran posibles

explicarlas desde los conocimientos de la mecánica clásica, desde la tensión.

Surge así la necesidad de estudiar la relación entre las fuerzas y los

materiales, desde otros conocimientos. Esta es la historia. En la década del

1920 al 1930, se inician dos trabajos de interpretación de las conductas de

los sistemas estructurales de la época. Ya el hormigón armado daba sus pri-

meros pasos. Antes, es Ritter quien establece la imposibilidad de representar

mediante ecuaciones matemáticas el comportamiento en flexión del hormi-

gón armado, le sigue Morsch que lo intenta explicar desde su analogía del

reticulado. Ese es el origen del método de biela y tensor.

2.2. Inglis.

En la época surgen problemas tantos en edificios como en barcos: las

fisuras, las grietas. Quien primero las estudia es Inglis en 1913 y establece

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una ecuación empírica que establece la tensión en el extremo de la fisura. Si

bien trato de la historia de la MF, es interesante escribir esa fórmula. En el

dibujo muestro una placa con una muesca, donde la longitud de la misma es

igual al radio (una semicircunferencia).

( √

)

σ: tensión en el extremo de la fisura.

σ1: tensión en el resto de la placa.

l: longitud de fisura.

r: radio en el extremo de la fisura.

Esta ecuación tenía una singularidad. Cuando el radio se aproximaba

a cero, la tensión se disparaba hacia el infinito. Desde los ensayos y experi-

mentos algo sucedía en el extremo de la fisura para que ésta se controlara, se

estabilizara en algunos casos. Ella sola algo creaba en la masa próxima del

material para mitigar el efecto de Inglis. De eso se ocupa Griffith.

2.3. Griffith.

Años más tarde, en 1920, es Griffith quien permite establecer una

respuesta a la singularidad de Inglis; es la plastificación del material en el

extremo de fisura que se debe interpretar como un radio discreto, lejos del

infinitésimo o el cero, independiente de la forma y tamaño de la fisura.

La fisura hay que interpretarla ahora como un espacio con dos caras.

Así, de esta manera también existe un volumen, una masa de material un

poco más allá del final de fisura. Material que no posee las mismas caracte-

rísticas que el resto de la placa, allí en ese pequeño espacio los cristales ató-

micos se han acondicionado de otra manera. Allí el material se encuentra en

estado plastificado, en el resto de la placa el material en estado elástico.

Introduce el concepto de intercambios de energía. Analiza la exis-

tencia de tres tipos de energía que se intercambian en el proceso de la fractu-

ra: a) la elástica almacenada en toda la placa, b) la de plastificación en el

extremo y bordes de fractura, c) la de fractura, quien termina por separar las

caras. Tres tipos de energías que interactúan dentro de la pieza para la for-

mación de la fisura. También logra desde una sencilla ecuación, que la estu-

dio más adelante, predecir el largo de una fisura, según el tipo de material y

las fuerzas actuantes.

También introduce el concepto de la relación entre defecto y tamaño.

Trabajo publicado en 1920. De acuerdo a su teoría de intercambio de energía

un defeco, una imperfección podría transformarse en inestable para una de-

terminada energía mecánica elástica.

2.4. Irwin.

En 1957 transforma los estudios anteriores. Los establecidos desde

la energía los relaciona con una partícula cercana a la fisura (elementos fini-

tos) y obtiene ecuaciones de fractura desde el concepto de tensión superfi-

cial. También obtiene las constantes G, R y K de cada material y su configu-

ración para el avance de una grieta.

El estudio de las fracturas desde la plasticidad fue lo principal en

1960. Se adelanta unos pasos al incorporar el variable tiempo no lineal en la

conducta del material; aparece la visco plasticidad o visco elasticidad. Así,

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de manera lenta, pero firme, la mecánica de fractura dejó de ser una curiosi-

dad científica para posicionarse como una ciencia.

2.5. Una curiosidad: Leonardo.

A Leonardo da Vinci le alcanzó el tiempo para estudiar las fracturas

y llegó a una paradoja que se la pudo explicar muchos años después. Estaba

intrigado por la fractura y rotura de los materiales, además de dibujar los

esquemas de las grietas en el basalto de las montañas, realiza ensayos con

alambres de hierro de la época. Descubre que la resistencia de los alambres

disminuye con la longitud; parece un destino su afirmación. Pero desde hace

tiempo se sabe que los hierros de los años del Renacimiento eran de una

calidad muy inferior a los actuales. Esos antiguos hierros poseían imperfec-

ciones en su masa y cuanto más largas las piezas, mayores imperfecciones.

Desde la mecánica de fractura la grieta no se inicia por tensiones

elevadas, sino que son provocadas por las irregularidades que pueden existir

en los elementos estructurales. Leonardo tenía razón; la pieza más larga

rompía antes que la corta.