¿Qué es el análisis experimental de tensiones?

El análisis experimental de tensiones (ESA) es el estudio del estado de tensión mecánica de los materiales y se lleva a cabo mediante experimentos en los que se hacen medidas con galgas extensométricas. Esta página explica los distintos tipos de tensión, su origen y estados, y cómo determinar la tensión a partir de medidas de deformación.

Determinación de la tensión mecánica 

La tensión se define como la respuesta física de un material (deformación) cuando se somete a una fuerza. Suele producirse como resultado de la aplicación de una fuerza (tensión mecánica), que hace que el material se deforme, pero con frecuencia también se debe a los efectos de fuerzas internas dentro de un material o un sistema de mayor tamaño.

Las tensiones pueden subdividirse del modo siguiente:

  1. Según el tipo: tensiones normales y tensiones de cizallamiento.
  2. Según el origen: tracción, compresión, flexión, torsión, tensiones residuales y térmicas.
  3. Según el estado: uniaxial, biaxial, triaxial o espacial.

Por otro lado, atendiendo al origen las tensiones también se categorizan entre normales y de cizalladura (cuando se estudia la resistencia de un material, interesan todos los tipos de tensión con independencia de su causa). También se clasifican según los estados anteriores.

Definición de tensiones según su tipo y origen

A diferencia de las tensiones con un origen externo, como las tensiones de flexión, torsión, etc., la tensión de tracción (positiva) y la tensión de compresión (negativa) se producen sin intervención de fuerzas externas. También pueden ser normales o de cizallamiento.

Tensión residual (o interna) se puede producir por efectos internos de fuerza; por ejemplo:

  • cambios de volumen no uniformes en piezas sometidas a tratamiento térmico durante el endurecimiento o la cementación del acero;
  • enfriamiento no uniforme de componentes de fundición y metales o plásticos moldeados por inyección;
  • piezas soldadas o forjadas a lo largo de su procesamiento mecánico;
  • en el caso de objetos grandes, simplemente por el efecto de su propio peso.

La tensión térmica es un tipo de tensión residual que se produce en un sistema cuando se unen entre sí piezas con distintos coeficientes de dilatación, de una forma que impide que se dilaten libremente. También se puede producir como resultado de un calentamiento no uniforme.

Las tensiones residuales y térmicas afectan al material de manera similar a las tensiones de carga. Reducen la capacidad del material para soportar cargas debidas a la aplicación de fuerzas externas. Por lo tanto, la seguridad operativa de los elementos estructurales solo se puede garantizar adecuadamente si se conocen sus tensiones residuales de forma cuantitativa y cualitativa. Estas tensiones solo se pueden medir empleando métodos prácticos que las “liberan” y que permiten medir el grado de relajación flexible que exhibe el material en su estado sin tensión. Las tensiones se pueden liberar de varias formas; por ejemplo, empleando los métodos de taladro o del núcleo anular.

Definición de tensiones según su estado

Los estados de tensión se subdividen del modo siguiente:

1. Estado de tensión uniaxial: solo se produce en barras de tracción y compresión.

2. Estado de tensión biaxial o planar: se produce cuando las fuerzas causantes de las tensiones actúan en dos ejes perpendiculares entre sí. Las resolución de las direcciones efectivas de las fuerzas en dos ejes a 90° entre sí se lleva a cabo de forma teórica. Las direcciones efectivas de las distintas fuerzas que actúan sobre un mismo plano, pero con ángulos diferentes, pueden ser muy distintas. Sin embargo, siempre pueden asimilarse a dos direcciones principales.

3. Estado de tensión triaxial o tridimensional: se produce cuando las fuerzas pueden actuar en cualquier dirección. De forma análoga al estado de tensión planar, se definen tres ejes principales perpendiculares entre sí.

 

Las mediciones de deformación están restringidas —por razones de necesidad— a las superficies accesibles de los elementos estructurales; por tanto, solo proporcionan información acerca del estado de tensión de la superficie del componente.

Los estados de tensión uniaxial y planar se pueden analizar de forma relativamente sencilla empleando técnicas de medición de deformaciones; en especial, mediante galgas extensométricas. Los estados de tensión tridimensionales plantean problemas porque las mediciones a lo largo del tercer eje (es decir, en el interior del objeto) no suelen ser posibles. No obstante, en un cuerpo tridimensional sometido a fuerzas externas, las tensiones máximas se encuentran en la superficie (excepción: los problemas de efecto Hertz).

Para un diseñador que, en general, solo está interesado en las tensiones máximas, es suficiente con determinar las tensiones en la superficie. Los procesos internos tienen una importancia secundaria.

Los estados de tensión tridimensionales solo se pueden analizar empleando mediciones de deformación si existe la posibilidad de obtener medidas a lo largo del tercer eje, es decir, en el interior del objeto). Un ejemplo de ello son las técnicas de medición en modelos, en las que se integran galgas extensométricas en modelos de plástico. También es posible en aplicaciones de ingeniería civil, cuando se incrustan equipos de medida durante el vertido del hormigón.

Determinación de la tensión a partir de las deformaciones medidas

Las tensiones mecánicas no se pueden medir directamente. Una excepción a lo anterior son las técnicas de rayos X, que permiten determinar tensiones en materiales a escala microscópica a partir de distorsiones en la estructura de su red cristalina; por ejemplo, estudiando los cambios relativos en las distancias interatómicas. Con todo, este procedimiento está limitado a las capas más cercanas a la superficie, con una profundidad máxima de entre 5 y 15 μm.

Las tensiones se calculan utilizando la teoría de resistencia de materiales o haciendo mediciones con galgas extensométricas. Este segundo método se basa en la ley de Hooke.

La tensión mecánica se expresa como el cociente entre la fuerza F y la superficie A de la sección transversal del material sometido a tensión:

              

Más información acerca de la ley de Hooke aquí.


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