
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2019, No. 1, pp. 154-262
232 Picón y col.
Las estructuras pueden estar sometidas a acciones
cíclicas, generando un efecto de fatiga del material. El
deterioro físico que genera la fatiga es la presencia de
grietas, fisuras y pérdida de rigidez en la estructura. Según
S. Oller [1], se pueden clasificar los rangos de fatiga, desde
“Fatiga Ultra-Bajo Ciclaje” (FUBC), pasando por “Fatiga de
Bajo Ciclaje” (FBC) hasta llegar a “Fatiga de Alto Ciclaje”
(FAC). Algunas estructuras pueden estar sometidas a
FAC, como por ejemplo los puentes y estructuras costa
afuera. Estas estructuras se caracterizan por soportar
cargas repetitivas con un número mayor de 105 ciclos y
sus esfuerzos siempre varían en el rango elástico [1,2].
Mientras que la FBC se presenta con ciclos de cargas entre
102 y 105 y los esfuerzos se encuentran entre el esfuerzo
máximo elástico y el esfuerzo último. La fatiga ultra-bajo
ciclaje se caracteriza por que la estructura pierde rigidez
con esfuerzos aplicados entre el máximo elástico y el
último, con cargas repetitivas menores de 102 ciclos.
Existen varios modelos que se han usado en el
mundo de la ingeniería para representar el deterioro de
las capacidades estructurales de las estructuras, tomando
gran importancia durante la década del 50, uno de estos
modelos que fue propuesto en investigaciones como las
de Kachanov [3] donde tomaba en cuenta el daño del
elemento a escala microscópica y a escala macroscópica.
A escala microscópica el daño se puede definir como
la rotura de ligaduras atómicas y el agrandamiento
irreversible de micro-cavidades. A escala macroscópica
se puede tomar un elemento representativo de volumen
en donde esté contenido el plano de falla de estas micro-
cavidades. Basados en este modelo siguieron un número
considerable de investigaciones como las de Lemaitre
[4], en donde el autor propuso que cuando se produce
una rotura de ligaduras atómicas comienza el proceso de
daño y se crean micro-deformaciones plásticas.
Varios modelos numéricos se han desarrollado
para simular este fenómeno de fatiga. Algunos modelos
puede describir el comportamiento cíclico de los
materiales metálicos bajo rutas de cargas proporcionales
y no proporcionales, descuidando el efecto cuasi
unilateral, así como la localización del daño por fatiga
en la superficie libre de la muestra [5]. Otros modelos
consideran el endurecimiento o ablandamiento isotrópico
y cinemático en relación con el daño material [6,7]. Y
modelos propuestos totalmente tridimensional también
son implementados en un código de elementos finitos
[8–11].
En este artículo se realiza un estudio experimental
[12] y numérico del comportamiento de estructuras de
acero conformadas con perfiles HSS bajo cargas cíclicas
sujeto a fatiga ultra-bajo cilaje. Los perfiles HSS proviene
del nombre en inglés de estos perfiles (Hollow Structural
Sections). Y son tubos estructurales de acero formados
en frío huecos, con secciones transversales diferentes
(cuadrados, redondos y rectangulares). Es importante
conocer el comportamiento de los materiales y uso
de las estructuras sujetas a fatiga y los daños físicos
que pueden presentarse [13–15]. El modelo de daño
concentrado (MDC) para análisis de estructuras de acero
con perfiles HSS es usado en este trabajo. Este modelo
fue implementado como un elemento finito de usuario en
ABAQUS. Dicho modelo se basa en la teoría de plasticidad
y la mecánica de la fractura [7]. El MDC es un modelo
simple y a la vez complejo, ya que permite modelar
diferentes fenómenos físicos como la plasticidad con
endurecimiento cinemático e isotrópico y el pandeo local
(daño) que sufren este tipo de perfiles. Los resultados
numéricos obtenidos reflejan una buena correlación
con los resultados experimentales. Pudiendo validar los
parámetros del modelo numérico usados.
Modelo de daño concentrado (MDC) para estructuras
El modelo numérico desarrollado en base a la
mecánica de la fractura y la teoría de plasticidad [7,15]
fue tomado en cuenta en este trabajo. Se considera
uno de los modelos simples y a la vez completos para
modelar diferentes fenómenos físicos en estructuras
con perfiles HSS. El MDC desarrollado como un elemento
finito, maneja las ecuaciones cinemáticas, ecuaciones de
equilibrio y la ley de comportamiento para su análisis
[15]. Considerando un elemento “b” de acero tipo HSS, las
siguientes variables se incorporan en el MDC (figura 1):
a) Deformaciones generalizadas. b)
Esfuerzos generalizados