Dónde se aplica: AS 4100:2020 fatiga (Sección 11) cubre puentes de acero, grúas, marcos, cerchas CHS/RHS y cubiertas sometidas a muchos ciclos de tensión.
Método resumido: se clasifican los detalles (tabla 11.5.1), se aplican βᵗᶠ y φ, se comprueban las excepciones y, a continuación, se utilizan las curvas S-N para convertir los rangos de tensión en ciclos y daños admisibles.
Qué hace SDC Verifier: Usted proporciona los datos del material, el espesor del elemento, la categoría del detalle, el tipo de soldadura, φ y los grupos de carga; SDC Verifier se encarga de los rangos de tensión, las excepciones, el flujo de lluvia y la suma de daños por detalle.
Nivel de confianza: Una prueba comparativa con chaqueta muestra que SDC Verifier reproduce los cálculos manuales de fatiga AS 4100 1:1 (daño total ≈ 3,22 → fallo).
La norma AS 4100:2020 trata la fatiga de una forma muy específica: asume que usted conoce los rangos de tensión en sus detalles, clasifica dichos detalles mediante croquis y tablas y, a continuación, calcula los ciclos y daños admisibles a partir de las curvas S-N de la sección 11.
Eso es manejable para una sola junta soldada en una hoja de cálculo. No es manejable para un modelo completo de AEF con miles de soldaduras, juntas CHS y grupos de carga.
Este artículo explica cómo se implementa la fatiga AS 4100:2020 en SDC Verifier, para que pueda entender exactamente qué está comprobando el software, cómo se corresponde con el código y qué significan realmente los resultados.
Pruebe la fatiga AS 4100 en su propio modelo
Ejecute la comprobación de fatiga AS 4100:2020 directamente dentro de su modelo de AEF. Descargue SDC Verifier, importe su estructura y vea los daños por fatiga basados en cláusulas para cada detalle crítico.
Dónde encaja la fatiga AS 4100 en el diseño estructural
Las disposiciones sobre fatiga de la norma AS 4100 están pensadas para estructuras de acero en las que los mismos detalles ven pasar muchos ciclos de tensión a lo largo de su vida útil. Eso incluye cosas como
miembros del puente que transportan tráfico,
vigas y bastidores del puente grúa sometidos a levantamientos repetidos,
bastidores industriales con maquinaria vibratoria,
En todos esos casos, el detalle rector no suele ser el que tiene la tensión estática más alta, sino el que se sitúa en medio de millones de ciclos con un rango de tensión moderado. La sección 11 ofrece las reglas de diseño para esa situación: cómo clasificar el detalle, cómo obtener un rango de tensiones de diseño, cuándo puede omitir las comprobaciones posteriores y cómo calcular los daños por fatiga cuando no puede hacerlo.
SDC Verifier toma esa lógica y la ejecuta automáticamente en sus resultados de AEF. Sigue teniendo que tomar decisiones de ingeniería – categorías de detalle, factor de capacidad, qué tensiones utilizar – pero no tiene que pasar cada ecuación por Excel.
Sección 11: Método abreviado
La sección 11 es un método basado en S-N como se define en AS 4100:2020 – Estructuras de acerocon algunas puertas que debe pasar antes de hablar siquiera de daños por fatiga.
En primer lugar, el código comprueba la aplicabilidad:
El espesor debe ser de al menos 3 mm y el límite elástico no superior a 690 MPa (Sección 1 / 1.1.2),
La tensión máxima en cualquier ciclo no debe superar el límite elástico,
El rango de tensión no debe superar 1,5 veces el límite elástico (Sección 11 / 11.1.3).
Si se violan, se está fuera del alcance previsto del método.
En segundo lugar, clasifique el detalle utilizando la tabla 11.5.1:
detalles no soldados (Grupo 1),
detalles soldados no en secciones huecas (Grupo 2),
pernos (Grupo 3),
Detalles soldados en secciones huecas (Grupo 4).
Cada categoría corresponde a una curva S-N. Para el esfuerzo normal, las curvas se dan en la figura 11.6.1; para el esfuerzo cortante, en la figura 11.6.2. La fatiga por esfuerzo cortante se limita a las categorías 80 y 100.
Para algunos detalles soldados, la resistencia a la fatiga se ajusta en función del espesor mediante un factor βtf de la Sección 11 / 11.1.6. Esto penaliza efectivamente las chapas y soldaduras gruesas.
Además, tiene el factor de capacidad φ de la sección 11 / 11.1.5 En el caso de diseño de referencia φ = 1,0. Para trayectorias de carga no redundantes, φ debe reducirse (hasta 0,7 o menos). φ aparece tanto en las comprobaciones de excepciones como en las expresiones para los ciclos permitidos.
Por último, la sección 11 define:
excepciones en las que no se requiere una evaluación adicional de la fatiga (11.4 y 11.7),
y, cuando éstas no sean aplicables, la comprobación de todo el rango de tensiones variables (11.8.2), en la que los ciclos admisibles se calculan a partir de las curvas S-N y se comparan con el número de ciclos que usted espera.
SDC Verifier sigue este orden. El software no está inventando un método diferente; está implementando las mismas compuertas y ecuaciones que usted aplicaría manualmente.
Preparación del modelo de elementos finitos para la fatiga AS 4100
La comprobación de la fatiga sólo es tan buena como el modelo y las entradas que usted le dé. En la práctica, necesita cuatro cosas.
Datos del material
Para cada material utilizado en el modelo, deben definirse los límites elásticos y de tracción. El asistente de fatiga AS 4100 comprueba esto. Si falta el límite elástico, la aplicación no podrá verificar las condiciones básicas (1.1.2 y 11.1.3) y no obtendrá resultados fiables.
Longitud de las vigas
Según el procedimiento de cálculo de la norma, se requiere la longitud de la viga en las direcciones Y y Z. SDC Verifier utiliza automáticamente los datos del Beam Member Finder. Si no se han reconocido los miembros de la viga, deberá ejecutar Beam Member Finder antes de ejecutar la verificación de fatiga.
Si no se utiliza el buscador de barras y el modelo se basa en gran medida en vigas, espere problemas en cualquier cálculo que suponga una longitud de barra.
Cargas y grupos de carga
Los controles de fatiga dependen de dos cosas:
los rangos de tensión,
y el número de ciclos en cada intervalo.
En SDC Verifier, los rangos de tensiones proceden de sus casos de carga, combinaciones de cargay grupos de carga. Una configuración típica para la fatiga podría ser:
varios casos de carga base (carga muerta, carga viva, viento, temperatura, etc.),
Grupos de cargas globales que las combinan en «bloques de ciclos» realistas (por ejemplo, ciclo de funcionamiento de la grúa, patrón de tráfico, condición del viento),
número de ciclos asignados por grupo de carga.
Debe pensar en estos grupos de la misma forma que lo haría para los cálculos manuales; el software no sabe lo que representa realmente su «millón de ciclos» a menos que usted se lo diga.
o tensiones por puntos calientes en los cordones de soldadura.
SDC Verifier puede utilizar los tres. Cuál es el apropiado depende de lo cerca que se ajuste su geometría a los croquis de detalle de la norma. Para detalles de chapas regulares y soldaduras sencillas, las tensiones nominales suelen estar bien. Para geometrías de soldadura complejas y uniones tubulares, la tensión de punto caliente suele ser más realista.
Configuración de la fatiga AS 4100 (2020) en SDC Verifier
La norma se añade desde la cinta:
Estándares → Principal → AS → AS 4100 Fatiga (2020)
Se accede a los ajustes personalizados a través de:
AS 4100 Fatiga (2020) → Ayuda
Se abre la ventana de configuración del control. Las entradas principales corresponden directamente al código.
Figura 1 – Ventana de ajustes de fatiga AS 4100 (2020) en SDC Verifier (tipo de soldadura, categoría de detalle, φ, tensión de punto caliente y flujo de lluvia opciones).
Categoría detallada
«Categoría de detalle» es la clasificación de la tabla 11.5.1, primera columna. Se asigna a cada miembro estructural, conexión o detalle relevante.
Para la tensión normal, puede utilizarse cualquier categoría de la tabla. Para el esfuerzo cortante, sólo son válidas las categorías 80 y 100, lo que coincide con la norma.
Figura 2 – Ejemplo de detalle AS 4100 categoría 160: productos laminados y extruidos (chapas, perfiles laminados, tubos sin soldadura) con la dirección de la tensión aplicada.
Una vez elegida una categoría, SDC Verifier:
la vincula a la curva S-N apropiada de la figura 11.6.1 (normal) o de la figura 11.6.2 (cizalladura),
aplica la corrección de espesor βtf cuando sea necesario,
y utiliza los parámetros resultantes en las ecuaciones de ciclos permitidos de la Sección 11 / 11.8.2.
Los grupos (1-4) no son entradas, sólo organizan las categorías. Al software le importa el número real de la categoría.
Espesor del elemento
El «grosor del elemento» es una característica elemental.
Para elementos de placa, dejarlo a cero indica a SDC Verifier que utilice el grosor reconocido por la herramienta de reconocimiento de placas. Para los elementos que no son placas, se especifica un grosor manualmente.
El grosor del elemento se utiliza dos veces:
para comprobar el requisito básico t ≥ 3 mm de la Sección 1 / 1.1.2,
y calcular βtf para determinados detalles de soldadura en la sección 11 / 11.1.6.
Si el espesor es incorrecto o falta, βtf será incorrecto y la capacidad de fatiga dejará de coincidir con la norma.
Tipo de soldadura
«Tipo de soldadura» distingue entre:
soldaduras transversales de filete o a tope,
y otros tipos de soldadura.
Esta opción determina cómo se calcula βtf. En el caso de las soldaduras transversales en ángulo y a tope, la sección 11 / 11.1.6 permite aplicar una regla de corrección del espesor específica.
En la aplicación, el tipo de soldadura no cambia la tensión en sí, sino la intensidad con la que el grosor penaliza la resistencia a la fatiga para ese detalle.
Factor multiplicador para uniones de cerchas
Para las uniones de cerchas con secciones huecas circulares o rectangulares, la norma utiliza los factores multiplicadores de las tablas 11.3.1(A) y (B) para ajustar los rangos de tensión.
En SDC Verifier, se introduce como característica «Factor multiplicador» para la conexión correspondiente. El valor por defecto es 1,0.
Para cerchas CHS y RHS debe ajustar este factor según:
Tipo de conexión (K, N, hueco, solapamiento),
si el elemento es cordal, vertical o diagonal.
A continuación, el factor se aplica directamente al intervalo de tensiones antes de calcular los ciclos y los daños.
Figura 3 – AS 4100 Tablas 11.3.1(A) y 11.3.1(B): factores multiplicadores para el rango de tensión calculado en uniones de cerchas de sección hueca circular y rectangular (cordones, verticales, diagonales).
Factor de capacidad φ
El factor de capacidad φ procede de la sección 11 / 11.1.5.
Para las condiciones de diseño de referencia, φ = 1,0. Para trayectorias de carga no redundantes, φ se reduce y no debe superar 0,7. Cualquier desviación del caso de referencia debe justificarse como lo haría en un diseño manual.
En la aplicación aparece φ:
en las comprobaciones de excepciones de las secciones 11 / 11.4 y 11.7,
y como multiplicador en las ecuaciones basadas en S-N para los ciclos permitidos (11.8.2).
Introducir φ = 1,0 cuando la trayectoria de la carga es claramente no redundante producirá vidas de fatiga optimistas. El software no cuestionará esa elección por usted.
Utilizar el estrés de los puntos calientes
La casilla de verificación «Utilizar tensiones de puntos calientes» cambia el cálculo de fatiga para utilizar tensiones de puntos calientes para las ubicaciones definidas en la herramienta de búsqueda de soldaduras.
Esta opción está destinada a:
complejos detalles de soldadura a base de cáscaras,
placas gruesas con concentraciones locales de tensiones,
uniones tubulares y conexiones similares en las que la tensión nominal es difícil de definir.
El método de fatiga subyacente y las referencias del código no cambian; sólo la entrada de tensión es diferente. Los detalles de la metodología de tensiones en puntos calientes se documentan en una página de ayuda aparte.
Incluir el recuento de flujos de lluvia
La casilla de verificación «Incluir herramienta de recuento de flujos de lluvia» habilita una variante de la comprobación de fatiga basada en el recuento de ciclos de flujo de lluvia.
La idea es sencilla:
en lugar de asumir un rango de tensión de amplitud constante para cada grupo, se utiliza un historial tensión-tiempo,
la comprobación de fatiga utiliza esos rangos y recuentos de ciclos en las mismas ecuaciones de daños que la comprobación de fatiga principal de la AS 4100.
Se utilizan internamente dos parámetros adicionales:
«Requisitos y limitaciones»: si se cumplen los requisitos básicos del código,
«Resultados de las excepciones»: si se aplica alguna de las excepciones de las secciones 11 / 11.4 y 11.7.
A continuación, estos indicadores se utilizan en los cálculos de ciclos y daños del mismo modo que en el caso de amplitud constante.
Algoritmo: Cómo se ejecuta el control
La implementación consiste en una única comprobación de fatiga que ejecuta una secuencia fija de operaciones. En otras palabras, hace exactamente lo que prescribe el código.
Controles de aplicabilidad
En primer lugar, la comprobación verifica si la norma se aplica al detalle:
1. El grosor es de al menos 3 mm y el límite elástico no supera los 690 MPa (Sección 1 / 1.1.2).
2. La magnitud de la tensión máxima en todos los ciclos no supera el límite elástico y el rango de tensión máxima no supera 1,5 veces el límite elástico (Sección 11 / 11.1.3).
Si se incumple alguna de estas condiciones, el detalle se marca como fuera de los requisitos básicos de la norma. Podrá seguir viendo los resultados de las tensiones, pero los valores de los daños por fatiga no deben tratarse como conformes al código.
Corrección del espesor y rango de tensión de diseño
Para los detalles que superen las comprobaciones básicas, la aplicación:
3. Determina el grosor del elemento, ya sea a partir del reconocimiento de la chapa o de la entrada Grosor del elemento.
4. Calcula el factor de corrección del espesor βtf cuando proceda (soldaduras transversales en ángulo o a tope, Sección 11 / 11.1.6), utilizando este espesor y el tipo de soldadura.
5. Obtiene los rangos de tensión de diseño en las direcciones normal y de cizalladura. Estos son Δσ y Δτ derivados del resultado de tensión elegido (elemento, soldadura o punto caliente) y de los grupos de carga definidos. Para las uniones de celosía que implican CHS o RHS, se aplica el factor multiplicador en esta etapa.
Los rangos de tensión de diseño son los valores f* que aparecen en las ecuaciones del código y las comprobaciones de excepción.
Excepciones de la evaluación posterior
A continuación, la aplicación comprueba las excepciones definidas por el código.
6. El primer conjunto de excepciones procede de la sección 11 / 11.4. Éstas vinculan el mayor rango de tensión y el número de ciclos con el factor de capacidad φ. Si el rango de tensión es suficientemente bajo, o el número de ciclos suficientemente pequeño, no se requiere una evaluación adicional de la fatiga.
7. El segundo criterio de excepción procede de la sección 11 / 11.7. Aquí se compara el mayor rango de tensión con un umbral dependiente de la categoría derivado de los parámetros S-N y βtf.
Si se cumple alguna de las dos excepciones, SDC Verifier registra que el detalle está exento de la evaluación completa de la fatiga. El informe muestra qué condición se cumplió. No se realiza ninguna suma de daños para ese detalle, porque el código dice que puede detenerse en la excepción.
Evaluación completa del rango de tensión variable (Sección 11 / 11.8.2)
Para los detalles en los que no se cumplen las excepciones, se lleva a cabo la evaluación completa del rango de tensión variable.
8. La categoría de detalle se utiliza para leer los parámetros S-N de base de las figuras 11.6.1 (normal) y 11.6.2 (cizalladura).
9. Estos parámetros se ajustan con βtf y el factor de capacidad φ, produciendo las constantes que aparecen en las expresiones de ciclos permitidos en la Sección 11 / 11.8.2.
10. Para cada dirección (normal y cortante), se calcula el número de ciclos admisible para el rango de tensión dado. Estos se implementan directamente como se ha escrito.
11. Se determina el número de ciclos realmente presentes en su historial de carga.
12. Los daños por fatiga se calculan para cada grupo y dirección de carga como la relación entre los ciclos reales y los ciclos admisibles. Se suman los daños de todos los grupos y se identifica la dirección gobernante.
Si el daño por fatiga sumado FdSummed es superior a 1,0, el detalle no satisface el requisito de fatiga para los rangos de tensión, recuentos de ciclos, φ y categoría de detalle dados.
Ejemplo: Placa soldada con filete en un modelo de camisa
Chaqueta Modelo FEA y propiedades del acero estructural utilizados para la prueba de fatiga AS 4100.
El modelo:
Base fijada en los bordes de la concha.
Las cargas incluían la gravedad, las cargas concentradas en la parte superior e inferior de la cubierta y la presión del viento que varía linealmente con la altura, aplicadas a las vigas.
Se definieron varios casos de carga y se combinaron en dos grupos de carga: uno con viento y otro sin viento.
Se creó un grupo de fatiga con 250.000 ciclos para cada grupo de carga (0,5 millones de ciclos en total).
El detalle gobernante era una placa soldada en ángulo (elemento 23475) en el armazón base:
Diagrama de etiqueta de propiedades: secciones de viga y espesores de placa en el modelo de camisa, incluidas las placas base gruesas donde se encuentra la soldadura rectora situada.
Placa base soldada con filete gobernante (T = 120 mm) seleccionada para cálculos manuales y verificación de fatiga AS 4100 en SDC Verifier.
Acero con E = 200 GPa, relación de Poisson 0,3, límite elástico 235 MPa.
Categorías detalladas elegidas según la tabla 11.5.1:
90 para la tensión normal,
80 para el esfuerzo cortante.
Factor de capacidad φ = 0,7.
Factor de corrección del espesor βtf calculado a partir de la sección 11 / 11.1.6, que da aproximadamente 0,676.
Se realizó un cálculo manual siguiendo paso a paso la sección 11:
Se cumplieron las comprobaciones básicas de aplicabilidad (t ≥ 3 mm, fy ≤ 690 MPa).
Tanto la magnitud de la tensión máxima como el rango de tensión estaban por debajo de los límites fy y 1,5 fy, respectivamente.
Las excepciones de las secciones 11 / 11.4 y 11.7 se evaluaron con el rango de tensión real y el recuento de ciclos y se consideró que no eran aplicables para este detalle, lo que significa que se requería una evaluación completa de la fatiga.
Utilizando los parámetros S-N para la categoría 90 (normal) y 80 (cizalladura), ajustados por βtf y φ, se calcularon los números admisibles de ciclos para los rangos de tensión de cada grupo de carga.
Para las tensiones normales, los ciclos admisibles resultantes fueron de unos 217.619 para el grupo «sin viento» y de 120.953 para el grupo «con viento». La tensión de cizallamiento dio lugar a ciclos admisibles mucho más elevados y, por tanto, no fue gobernante.
El daño por fatiga de cada grupo se calculó como nsc / nallowed, dando aproximadamente 1,15 para «sin viento» y 2,07 para «viento», y un daño sumado de aproximadamente 3,22. Por lo tanto, la soldadura no superó la comprobación de fatiga.
Resultados de fatiga AS 4100 en SDC Verifier para la placa de gobierno: requeridos ciclos y daños por fatiga por grupo de carga y daños totales sumados. D≈3,22D ≈ 3,22D≈3,22, coincidiendo con el cálculo manual.
A continuación, se comprobaron el mismo detalle y la misma configuración de carga en SDC Verifier con AS 4100 Fatigue (2020) utilizando las opciones descritas anteriormente. El software reprodujo la ruta de cálculo manual: los ciclos requeridos, el daño por grupo y el daño total coincidieron con los valores manuales con precisión de ingeniería.
La evaluación comparativa confirma que la implementación en SDC Verifier sigue las mismas cláusulas y ecuaciones que un diseño manual según AS 4100:2020. La diferencia es que el software aplica esta ruta a todos los detalles relevantes, no sólo a una soldadura que tenga tiempo de analizar en una hoja de cálculo.
Interpretación y utilización de los resultados
La comprobación de fatiga AS 4100 en SDC Verifier produce, para cada detalle o elemento evaluado:
la categoría de detalle aplicada, el espesor, el tipo de soldadura y el factor de capacidad,
el mayor rango de tensión en dirección normal y de cizalladura,
Indica si se cumplen los requisitos básicos (grosor, fy, límites de tensión),
indica si se aplica una excepción de las secciones 11 / 11.4 o 11.7,
número permitido de ciclos en cada dirección,
Daños por fatiga por grupo de carga y daños totales sumados,
y, cuando se utiliza el flujo de lluvia, la misma información basada en los ciclos y rangos de tensión derivados del flujo de lluvia.
Una forma práctica de utilizar estos resultados es:
Filtre los detalles en los que no se cumplan los requisitos básicos o las limitaciones; éstos podrían requerir un enfoque diferente o una reformulación del diseño.
Entre los detalles restantes, ordene por daño total por fatiga y revise aquellos con el FdSummed más alto.
Para cualquier detalle con FdSummed cercano o superior a 1,0, compruebe:
si la categoría de detalle elegida coincide realmente con el detalle físico,
si el espesor y el tipo de soldadura están ajustados correctamente,
si el factor multiplicador es adecuado para la conexión de la cercha (si procede),
si φ refleja correctamente la redundancia,
y si la tensión nominal es la adecuada o, en su lugar, debe utilizarse la tensión de punto caliente.
Una vez que esté satisfecho con esas entradas, los valores de los daños por fatiga pueden utilizarse como parte de su verificación general -junto con la resistencia, la capacidad de servicio y la estabilidad- para juzgar si la estructura es aceptable para el número previsto de ciclos de carga.
Sustituir el manual AS 4100 Comprobaciones de fatiga
SDC Verifier automatiza la fatiga AS 4100:2020 para cubiertas, puentes, marcos y cerchas – categorías de detalle, βᵗᶠ, φ, flujo de lluvia y suma de daños incluidos. Descargue el software y valídelo con sus hojas de cálculo actuales.
