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Los puentes al sol

Para introducir el post de hoy, hay que empezar explicando qué es un esfuerzo a fatiga:

Una fuerza de estas características es una serie de esfuerzos repetidos que se aplican a cualquier estructura. Un ciclo de estas fuerzas por sí misma no va a colapsar la estructura, pero la repetición de una serie de esfuerzos (en ocasiones de distinto signo) termina por crear daños acumulados en una estructura, hasta que finalmente rompe.

Un ejemplo muy claro es cómo rompemos la anilla de las latas de refresco, donde se dobla la anilla atrás-adelante hasta que rompe. Sin embargo, uno solo de esas fuerzas no rompe la anilla, sino la serie de varios de ellos. 

Muchas estructuras sufren esfuerzos periódicos repetidos cada cierto tiempo, como por ejemplo el paso de los trenes por una vía. A los esfuerzo que sufre la vía se le llama esfuerzo a fatiga. Si la fuerza o esfuerzo es un poco grande, con el paso de las repeticiones puede terminar colapsando la estructura en un tiempo más o menos corto. Sin embargo, no sólo existe la fatiga mecánica, sino que también está la fatiga térmica, y es lo que quería explicar hoy. 

Fatiga térmica, como los lectores se podrán imaginar, son los esfuerzos periódicos que sufre un objeto por exposiciones periódicas a distintas temperaturas. Pero un momento, ¿un cambio de temperatura, sin que haya algo que toca el material, puede "hacer sufrir" al material? Pues sí! Concretamente, la fórmula que sigue es esta (dilatación térmica):



Alfa tiene unidades de 1/ºC o 1/K
L es una longitud
Delta de T es una diferencia de temperaturas (ºC ó K)

Si el lector opera con las unidades, pero fácilmente que el resultado es una longitud, es decir, cuánto se alarga o se reduce una estructura muy sencilla en una dimensión.

Por ejemplo, fatiga térmica sufre el hilo de las bombillas cada vez que se encienden y se apagan. O los quitamiedos de la carretera cuando pasa del día a la noche. O también los puentes! ¿Y qué pasa entonces con los puentes? PUES QUE SE LLEGAN A DILATAR, es decir, aumentan su longitud en sitios con grandes cambios de temperatura a lo largo del día.

Hagamos unos pequeños números para ver esto de manera muy simple. Pongamos un puente de 100m, que sufre una diferencia de 20ºC del día a la noche, y el coeficiente de dilatación del acero es 1.1 x 10-5 

Si hacemos números, veremos que la deformación es 0,022 m. ¡Que eso es 2,2 cm!

He aquí un nuevo criterio de diseño muy importante que ha de hacerse en las estructuras: ha de poder soportar los esfuerzos de fatiga térmica, si es que los va a sufrir (motores, bombillas, puentes metálicos...). Por ejemplo, el puente ha de tener juntas de dilatación que permiten absorber los aumentos y reducciones de su estructura sin que todo el puente cruja y colapse. Simplemente la junta permite que las uniones entre las barras que conforman un puente metálico puedan aumentar y reducirse. Aquí tenéis un artículo interesante al respecto.

De hecho, uno de los puentes más famosos de este fenómeno es uno de los pocos que hay en Calcuta: el puente Howrah, también llamado Rabindra Setu





Es un puente metálico, y según afirma un gran amigo (J.A.) sufre una dilatación térmica total a lo largo del año de 1,5m, siendo el puente que más sufre un fenómeno de estas características. Esta estructura de hecho soporta todos los días un auténtico shock de tests de esfuerzos de fatiga, ya que sobre él circulan al día 150.000 vehículos y hasta 4.000.000 de personas, lo cual le convierte en el puente más transitado del mundo. Además de la temperatura extrema que puede llegar a tener este país, con su correspondiente fatiga térmica. En la página oficial de este puente, en el apartado Maintenance podéis ver que sí hay que revisar frecuentemente estas juntas para el mantenimiento del puente.

No sólo este puente arroja un dato curioso, sino que la misma Torre Eiffel es más alta en verano que en invierno por el mismo fenómeno. O el puente colgante de Verrazano es 3,66m más bajo en verano que en invierno, simplemente por la dilatación térmica de los cables. Esto no es ninguna tontería, sino que tiene que cumplir el criterio de diseño con tanto rigor como la tensión máxima, y si no, véase que un Boeing 737 causó decenas de víctimas por explotar la cámara de compresión de su motor (fatiga térmica)

Por cierto, la fatiga térmica también tiene mucho que ver con la incansable bombilla de Livermoore, sobre la cual podéis leer un interesante artículo de por qué dura tanto aquí.

3 comentarios :

Anónimo dijo...

Estás confundiendo el fenómeno de fatiga con el de dilatación térmica.

1- La fatiga se produce para un número muy elevado de ciclos, del orden de los 2 millones de ciclos.

2- Por lo tanto, un puente con una vida útil de 100 años estaría sometido a 365*100 = 36500 ciclos de origen térmico, muchos menos que los que producen fatiga.

3- Es verdad que los ciclos térmicos entre el día y la noche se notan, pero en puentes (y obra civil en general) la mayor carrera de temperatura es la que se produce entre el invierno y el verano.

4- No todas las deformaciones debidas a variación de la temperatura produce esfuerzos (y por lo tanto tensiones). Únicamente producen esfuerzos en aquellos elementos que tienen restringidos los movimientos longitudinales, como por ejemplo el del puente en celosía que has puesto en la foto. En particular, en un puente clásico de hormigón o acero de los que ves en cualquier carretera, la deformación longitudinal no tiene ningún impacto.

5- Sin embargo sí que tiene importancia la diferencia de temperatura (gradiente térmico) que hay por ejemplo entre la cara superior del puente (donde atiza el Sol) y la inferior que está en sombra. Esta diferencia de temperatura hace que se dilate la cara superior y se contraiga la inferior, obligando al puente a curvarse en alzado e introduciendo momentos flectores de origen térmico en el tablero.

De cualquier manera, me parece fenomenal que alguien de a conocer algo de los fenómenos que afectan a los puentes, así que muchas gracias por el post.

Jbros dijo...

Gracias, Anónimo. Tu explicación queda muy claro, te respondo punto a punto por si en alguno he fallado más de lo que pensaba.

1- Soy consciente de que la fatiga son millones de ciclos, sobre todo viendo cómo en automoción hay elementos que se prueban en bancos de ensayo a estos niveles. Sin embargo, no conocía que la fatiga térmica también se contase por millones.

2- Doy por hecho que la fatiga térmica es menor que la mecánica en cualquier puente

3- Cierto, lo tenía en la cabeza, no correctamente expresado.

4- Sí que he intentado explicar que no ocurre esto con los puentes de hormigón, quizás no muy bien, pero en la frase "Simplemente la junta permite que las uniones entre las barras que conforman un puente metálico puedan aumentar y reducirse", incluí la palabra metálico queriendo. Cierto es que no es muy contundente.

5- De nuevo cierto, no he comentado este fenómeno. Podría haber dado más juego al post.

Gracias por la opinión con la que cierras el comentario. Próximamente estoy pensando en hacer algún otro artículo que demuestre que el puente absorbe las vibraciones y que no es un sólido rígido. Intentaré hablar un poco de eso.

CECILIA ARACELI GUERRERO RAMIREZ dijo...

hola , podrian ayudarme en esto por favor.
Calcula una estimación de la dilatación térmica que habría sufrido el alambre, si la temperatura máxima alcanzada fuese de 96°C. Para esto deberás emplear la formula de la dilatación térmica de tu programa desarrollado, así como consultar en un libro o manual, el valor del coeficiente de expansión térmica para este material.
gracias !

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