Comparación de las normas sobre fatiga de soldaduras: FEM 1.001 vs. Eurocódigo 3 mediante SDC Verifier
Yurii Shumak
La fatiga de la soldadura desempeña un papel fundamental en la integridad estructural de las grúas y las estructuras de acero en general. La selección de la norma de evaluación de la fatiga adecuada repercute directamente en la seguridad del diseño, la eficacia operativa y el cumplimiento de las normas. El FEM 1.001 y el Eurocódigo 3 son dos normas de fatiga de aplicación común, cada una con una metodología distinta para evaluar la resistencia de las soldaduras y la resistencia a la fatiga.
FE-Tech realizó un estudio utilizando el software de diseño y análisis estructural SDC Verifier para comparar FEM 1.001 y Eurocódigo 3 en la evaluación de la fatiga de las soldaduras. Este artículo presenta un desglose detallado del estudio, explicando cómo aborda cada norma la evaluación de la fatiga y qué deben tener en cuenta los ingenieros al elegir entre ellas.
FEM 1.001
La fatiga por estrés depende de:
- Tipo de soldadura (W0-W2, K0-K4);
- Grupo de elementos / Grupo de carga (E1-E8);
- Tipo de material ( St360/St37, St510/St52).
¿Cómo seleccionar el tipo de soldadura en SDC Verifier?
Tipo de Soldadura – también llamado Caso de Muesca, define qué elementos pertenecen a qué tipo de soldadura (K0-K4 – uniones afectadas por la soldadura, W0-W2 – elementos y uniones, no afectados por la soldadura). El Tipo de Soldadura depende de la forma, el diseño estructural, el patrón completo o el tipo y la calidad de las soldaduras.
Mientras que 𝜎𝑤 es el límite de tensión admisible y κ es la relación de tensiones (Factor Kappa).
Para determinar𝜎𝑤, puedes utilizar dos enfoques:
1. Utilizar el Diagrama MJK (Enfoque gráfico)
El diagrama de la derecha proporciona los valores de tensión admisibles en función de la relación entre tensiones extremas κ. Los pasos son
Identifica el valor κ dado (eje x).- Localiza la curva correspondiente en función del tipo de material y del caso constructivo (por ejemplo, W0, W1, K0, etc.).
- Lee la tensión admisible 𝜎𝑡 en el eje y.
- Utiliza la relación entre 𝜎𝑡 y 𝜎𝑤 para calcular 𝜎𝑤 si es necesario.
Identifica el valor κ dado (eje x).2. Utilización de ecuaciones (enfoque analítico)
a) κ ≤ 0
- Para la tensión: 𝜎𝑡 = 5 . 𝜎𝑤 / (3 – 2 . κ)
- Para la compresión: 𝜎𝑐=2. 𝜎𝑤/(1- κ)
b) κ > 0
- Para la tensión: 𝜎𝑡 = 𝜎0/[1- κ . (1 – 𝜎0/𝜎+1)].
- Para la compresión: 𝜎𝑐 = 1,2 . 𝜎𝑡
𝝈𝟎=1.66 .𝝈𝒘(para κ = 0).
𝝈+𝟏=0,75 . 𝜎𝑅 (para κ = +1).
𝝈𝑹 resistencia última.
𝜎𝑡 se limita en todos los casos a 0,75 .𝜎𝑅.
A modo de ilustración, la figura 1. muestra curvas que dan la tensión admisible en función de la relación κ para los casos siguientes:
- acero A.52;
- tensión de tracción predominante;
- grupo E6;
- casos de construcción W0, W1, W2 para componentes no soldados y casos de construcción para uniones K0 a K4.
Las tensiones admisibles se han limitado a 240 N/mm², a la tensión admisible adoptada para comprobar la resistencia última.
Factor de utilización combinado(tensiones calculadas divididas por la tensión admisible)
(𝜎𝑥 𝑚𝑎𝑥/𝜎𝑥𝑎)2 +(𝜎𝑦 𝑚𝑎𝑥 /𝜎𝑦𝑎 )2 –𝜎𝑥 𝑚𝑎𝑥.𝜎𝑦 𝑚𝑎𝑥 / (|𝜎𝑥𝑎 | . |𝜎𝑦𝑎 |) +(𝜏𝑥𝑦𝑚𝑎𝑥/𝜏𝑥𝑦𝑎 )2 ≤ 1
donde los valores de tensión 𝜎𝑥𝑎, 𝜎𝑦𝑎 y 𝜏𝑥𝑦𝑎 son los resultantes de la aplicación de las fórmulas (1), (2), (3) y (4) limitados a 0,75 ⋅ 𝜎𝑅
La Fatiga por Esfuerzo se utiliza en los cálculos de Esfuerzos Admisibles por Fatiga.
¿Cómo seleccionar un grupo de elementos en SDC Verifier?
Necesidad de seleccionar el espectro de carga, es decir, según la norma, la estructura se carga repetidamente con la carga de trabajo, pero la carga media está entre A y B de la carga de trabajo, seleccionando un espectro de carga de 𝑃𝑖.
| Símbolo | Factor de espectro (𝑘𝑠𝑝) |
|---|---|
| P1 | 𝑘𝑠𝑝 ≤ 0,125 |
| P2 | 0,125 < 𝑘𝑠𝑝 ≤ 0,250 |
| P3 | 0,250 < 𝑘𝑠𝑝 ≤ 0,500 |
| P4 | 0,500 < 𝑘𝑠𝑝 ≤ 1,000 |
| Espectro de carga | Observaciones |
| P0 | Muy ligero | P=0 | Grúa por excepción cargada con la carga de trabajo, y por regla general, con cargas muy ligeras |
| P1 | Luz | P=1/3 | Grúa cargada a veces con la carga de trabajo, y por regla general con cargas de aproximadamente 1/3 de la carga de trabajo |
| P2 | Moderado | P=2/3 | Grúa cargada repetidamente con la carga de trabajo, y por regla general con cargas entre 1/3 y 2/3 de la carga de trabajo |
| P3 | Pesado | P=1 | Grúa cargada frecuentemente con la carga de trabajo |
Y número máximo de casos de carga de B, Clase de Utilización B7 (1,8 millones < 2 x106).
que da la clase de utilización E acabamos con el grupo de elementos de 𝐸𝑖.
Tenemos que seleccionar el tipo de soldadura o grupo de entalladura, y en nuestro modelo lo mantenemos sencillo, de 7 clasificaciones posibles sólo utilizamos 3 de ellas, tenemos piezas en las que no hay soldadura en absoluto, que es W0, que es la mejor categoría, y tenemos la tensión a lo largo de la soldadura definida como grupo de entalladura K1, y para la tensión perpendicular a la soldadura utilizamos un grupo de entalladura ligeramente más pesado K2.
Eurocódigo 03
Clase FAT: la resistencia a la fatiga para rangos de tensión nominales se representa mediante una serie de curvas(𝑙𝑜𝑔Δ𝜎𝑅)-(𝑙𝑜𝑔 𝑁) y curvas (𝑙𝑜𝑔Δ𝜏𝑅)-(𝑙𝑜𝑔 𝑁) (curvas S-N), que corresponden a categorías de detalle típicas. Cada categoría de detalle se designa con un número que representa, en N/mm2, el valor de referenciaΔ𝜎𝐶 yΔ𝜏𝐶 para la resistencia a la fatiga a 2 millones de ciclos.
¿Cómo seleccionar la clase FAT en SDC Verifier?
| Factor de seguridad | Consecuencia baja | Consecuencia alta |
| Tolerante a los daños | 1.0 | 1.15 |
| Vida segura | 1.15 | 1.35 |
Ejemplo
Este modelo de grúa se sometió a las cargas mecánicas que se muestran a continuación, y se utilizó SDC Verifier para evaluar la fatiga de las soldaduras según el FEM 1.001 y el Eurocódigo 3. A continuación se compararon los resultados obtenidos.
Tipo de soldadura:
| Perpendicular a la soldadura | Paralela a la soldadura | Cortante | |
| Soldar | K1 | K2 | K0 |
| Sin soldadura | W0 | 𝜏𝐷(-1) =𝜎𝐷(-1) / sqrt(3) | |
| Grado del acero | 𝜎𝐷(-1) para κ=-1s grupo de elementos 5 St 52-3 | |||||||
| Grupo Notch | W0 | W1 | W2 | K0 | K1 | K2 | K3 | K4 |
| Amplitud de la tensión | 163.8 | 130.3 | 104.2 | 118.8 | 106.1 | 89.1 | 63.6 | 38.2 |
Condiciones límite:
Resultados
Desplazamiento máximo(mm):
Esfuerzo máximo (Mpa):
Resultados del factor de utilización del FEM 1.001
Tabla:
Trama (sobre Todos los elementos):
Trama (Más de elementos soldados):
EUROCODE 03 Resultados sumados de la inflamación:
Conclusión
El estudio realizado por FE Tech pone de relieve las diferencias entre el FEM 1.001 y el Eurocódigo 3 en la evaluación de la fatiga. El FEM 1.001 resulta ser la opción superior para la evaluación de la fatiga de las grúas, ya que ofrece clasificaciones y criterios de tensión más precisos. Sin embargo, el Eurocódigo 3 sigue siendo una opción válida para las estructuras de acero en general, donde es necesario un enfoque más conservador.
Utilizando SDC Verifier, los ingenieros pueden comparar sin problemas ambas normas, automatizando los cálculos de fatiga y mejorando la toma de decisiones estructurales. Tanto si se trata de optimizar el diseño de una grúa como de evaluar componentes estructurales, SDC Verifier proporciona un conjunto completo de herramientas para la verificación de la fatiga.
