¿Por qué se puede descuidar el ‘factor de concentración de tensión’ para materiales dúctiles bajo carga estática?

En un material dúctil en condiciones de carga de corte, el material se deforma reduciendo el impacto de la concentración de tensiones. Tenga en cuenta que si el esfuerzo es un esfuerzo de tensión de presión uniforme y uniforme, incluso los materiales dúctiles pueden fallar en un modo “frágil”, sin embargo, para los geómetras complejos, esto también es un desafío.

Los materiales frágiles fallan debido a la fractura. Por lo tanto, hay poca deformación para relajar la concentración de estrés, y el factor de concentración de estrés es importante.

El factor de concentración de estrés también puede ser importante en la fatiga de alto ciclo tanto para materiales dúctiles como frágiles.

El factor de concentración de tensión es la relación de tensión máxima experimentada por la fibra más estresada dentro de una sección transversal y la tensión promedio dentro de esa sección transversal.

En materiales dúctiles como el acero, la siguiente curva de tensión-deformación es seguida por fibras.

• FIGURA: Curva de tensión-deformación de acero dulce.

Los factores de concentración de estrés se descuidan en el diseño debido a las siguientes dos condiciones:

• Ductilidad de acero estructural.
• Filosofía del estado límite de diseño.

La razón de este enfoque se explica aquí:

La concentración de estrés ocurre en lugares que generalmente son responsables de la transferencia de cargas o tensiones. En el diseño de acero estructural, la concentración de tensiones a menudo se encuentra en los bordes de los agujeros de los pernos. La concentración de tensión también ocurre en conexiones excéntricas de ángulo o sección de canal donde solo se usa una pata para hacer conexiones que transfieren la carga.

En materiales dúctiles, a medida que aumenta la carga, las tensiones concentradas localizadas también aumentan en lugares sujetos a la concentración de tensiones. Aquí el valor del estrés alcanza el valor del límite elástico antes que el estrés en lugares circundantes o adyacentes a estos lugares de concentración de estrés.

Después de que las áreas que experimentan la concentración de tensión hayan alcanzado la tensión de fluencia, ningún aumento adicional en la carga causará ningún aumento en la tensión en estos puntos, mientras que la tensión continuará aumentando a una tensión constante. (a partir de la curva de tensión-deformación).

Mientras que en las fibras adyacentes a las fibras producidas, todavía no se alcanza el límite elástico. Por lo tanto, continuarán experimentando un aumento del estrés con una carga creciente. (a partir de la curva de tensión-deformación). De hecho, soportarán un estrés adicional para compensar la pérdida de capacidad de carga en la región de concentración de estrés. En otras palabras, las fibras adyacentes soportarán las fibras en la región de concentración de tensión después de que haya ocurrido el rendimiento en la región de concentración de tensión. Esto hará que las tensiones se igualen con el aumento de la carga y el rendimiento ocurrirá pronto en todas las fibras dentro de la sección transversal.

• FIGURA: Distribución de tensiones en una sección transversal con agujeros para pernos.

Este suele ser el estado límite para el que está diseñada la estructura. Si la estructura está diseñada para fallar solo en el estado límite, los factores de seguridad parciales considerados en la filosofía de diseño basados ​​en análisis probabilístico restringirán la probabilidad de que ocurra el estado límite a un valor aceptable. Por lo tanto, en el diseño de estado límite con material dúctil como el acero estructural, el factor de concentración de tensión puede descuidarse porque no existe (o su valor es 1) en el estado límite para el que está diseñada la estructura.

Cuando el material cambia del régimen elástico al plástico, el rendimiento provoca la redistribución de los esfuerzos a causa de la deformación y el SCF ya no es relevante debido a la caída en el esfuerzo máximo visto debido a la concentración del esfuerzo. SCF disminuye debido al flujo de plástico. Luego, en tales casos, entra en juego un SCF de plástico.

Kp = 1 + (Kt – 1) (Es / E) donde Es es el módulo secante, y Kt es teóricamente determinado SCF.

Los materiales dúctiles generalmente tienen cadenas moleculares largas presentes en él. Luego, si se aplica tensión, largas cadenas de moléculas dispersan la carga de un lugar a otro, lo que evita la concentración de tensión para la carga estática.

El material dúctil da una advertencia antes de su falla. Significa que la tensión de fluencia es la tensión de advertencia y la tensión final es la tensión de falla. Entonces el material está más o menos en una región segura.

También en la carga estática, la condición es mejor que en la carga dinámica. Además, durante el diseño también tomó algún factor de seguridad, además de utilizar el factor de fatiga que hace que nuestro material esté a salvo de fallas. Por lo tanto, la concentración de estrés puede ignorarse en tales casos.