Aceros 3º parte

FUERZAS ACTUANTES

Los tubos de nuestro flamante fuselaje se verán sometidos a diversos esfuerzos debidos varios factores, algunos de ellos inherentes al propio avión (por efecto del giro de la hélice, por el carreteo, etc.) y otros externos a él (por efecto de las ráfagas, de los virajes escarpados, etc.).

Estos esfuerzos se denominan factor de carga y producen un aumento en el peso del avión.

Esto pasa con los aviones en vuelo mientras realizan maniobras, sufren el impacto de ráfagas, aterrizan, etc. Por tanto las estructuras deben tener que estar preparadas para soportar la cantidad de "ges" ("G") necesarias de acuerdo a la categoría del avión.

Hablamos de cuatro fuerzas específicas:

TRACCIÓN: Tomo el tubo por los extremos y lo estiro

• COMPRESIÓN: Tomo el tubo por los extremos y lo comprimo

• CORTE: Tomo el tubo con ambas manos, una junto a la otra, dirigiendo una mano hacia mí y la otra hacia el lado opuesto

• TORSIÓN: De igual modo que para el "corte" pero esta vez en vez de dirigir las manos, las giro en sentido opuesto una de otra

Esfuerzos combinados

FLEXIÓN: Tomo el tubo por sus extremos y dirijo las dos manos hacia abajo o arriba simultáneamente como queriendo curvar el tubo. Cabe recalcar que la "Flexión" muchas veces mencionada como una fuerza independiente, en realidad es una composición de la fuerza de tracción y de compresión. La parte superior quedará sometida a tracción mientras que la parte inferior quedará sometida a tracción.

Finalmente el PANDEO es también un esfuerzo compuesto, similar a la flexión. Este fenómeno se produce cuando un tubo es demasiado "esbelto" (léase largo y fino) y se producen esfuerzos de compresión en sus extremos. El tubo en vez de comprimir, se pandea (se curva, se flexiona) generando una deformación elástica.

El Pandeo se puede calcular (y lo haremos) para verificar la sección de los montantes del ala.

Cada parte de la estructura puede o estará sometida a varias o todas estas fuerzas.

Lo importante es conocer al menos de nombre estos esfuerzos producidos y entender que no es viable reemplazar un tubo con liviandad, corresponde respetar la resistencia de ese tubo puesto por el diseñador en el plano, y si vamos a reemplazarlo, lo haremos verificando que su reemplazante será capaz de soportar la misma carga.

Dicho lo mismo de otro modo:

Vamos desde el inicio a suponer que el diseñador proyectó y calculó el avión con cuyos planos contamos y por tanto podremos tener la capacidad de modificar la aleación original por otra, habiendo realizado cálculos y por ende respetando la resistencia original del tubo con el cual el diseñador eligió construir.

Ahora bien, me he tomado el trabajo (aparte de revisar las normas de los aceros) de realizar ensayos de tracción para asegurarme que estos datos son correctos, no por que considerar que IRAM o SAE van a equivocarse sino porque son datos extraídos de internet y si se toman el trabajo de averiguar por la net, por ejemplo, la resistencia a tracción del acero 1025 podrán hallar 10 valores diferentes y será complicado determinar con cuál contar o cual es el más cercana a la realidad.

Estos valores también difieren (aparte de depender de la fuente) de acuerdo al tratamiento térmico que posee el acero en cuestión.

Es importante saber que un acero 1025 tratado térmicamente de manera adecuada, puede resistir más que un acero 4130 sin ningún tratamiento.

Veamos muy rápidamente este tema de los tratamientos térmicos, solo mención:

TRATAMIENTOS TÉRMICOS AL ACERO

Veamos un poco de que trata este gráfico; Yo tomo un tubo, lo monto en una máquina especial que lo agarra de los dos extremos y lo estira realizando un esfuerzo para traccionarlo.

El estiramiento se expresa en el eje “X” (horizontal) y el esfuerzo en el eje “Y” (vertical).

Supongamos que la máquina realizó una fuerza equivalente a 3000 Kg y yo detengo la máquina.

El tubo vuelve a su posición original, estaba un poquito estirado por la carga aplicada, luego, como si fuera un resorte, retoma a su forma original.

En la entrada sobre como calcular los resortes para el tren de aterrizaje menciono la ley de Hooke sobre elasticidad. El acero obedece a esta ley, por lo que se comporta como un resorte.

Estamos en la ZONA ELÁSTICA. Cada vez que aplique una carga menor a 3000 Kg el acero se estirará para luego volver a su misma forma, cuando la carga cese. No debo pasarme de los 3000 Kg y ese es el LIMITE ELÁSTICO.

Pero ¿Qué pasa si la solicitación de esfuerzo es mayor?. Si yo me llegara a pasar de esos 3000 Kg entraría en la ZONA PLÁSTICA. Aquí el acero se deformará y no volverá a su forma original, never. Nunca más.

Si sigo haciendo fuerza con la máquina que me está traccionando el tubo, habiendo pasado los 3000 Kg y con el tubo estirado y deformado, al llegar a los 5000 Kg, se partirá, romperá, quebrará o como quieran decirlo y ese es el LIMITE DE TRACCIÓN O DE ROTURA.

Como se imaginarán, el tubo no se estira como un elástico de tela, el estiramiento depende de la aleación pero está en el orden de los 0,3 mm o menos.

Obviamente no es muy apreciable a la vista.

• EL LIMITE ELÁSTICO SIEMPRE ES MENOR AL LIMITE DE TRACCIÓN O DE ROTURA

• Como imaginarán, cualquier cuerpo se deforma antes de romperse.

Ahora las preguntas por el millón:

¿Cabe realizar cálculos considerando el LIMITE DE TRACCIÓN que es aquel punto donde el acero se rompe?

¿O habrá que hacer los cálculos considerando el LIMITE ELÁSTICO que es aquel punto a partir del cual el acero se deforma sin poder volver a su forma original?

Lamentablemente, el punto que hay que tomar para los cálculos es el LIMITE ELÁSTICO, que es un valor de resistencia menor y por tanto recomendaría se olviden del famoso límite de rotura o de tracción del que tanto escucho hablar, cuando en realidad es el que menos importa.

No me interesa demasiado construir para que no se rompa, me interesa más construir para que no se rompa ni se deforme, ya que de deformarse, estaría en la misma situación crítica que si se hubiera roto.

Dato importante:

Puede que se pregunten por que hablamos tanto de “tracción”, que pasó con la compresión.

Gracias a Dios, para el acero al menos, los límites son casi los mismos si se lo somete a tracción que si se lo somete a compresión.

Por ende cuando nos referimos a propiedades mecánicas y tracción, también nos estamos refiriendo a la compresión.

Dijimos ya que la Flexión es una combinación de las dos fuerzas anteriores, por tanto también la incluye.

Veamos este grafico que lo demuestra y obsérvese qué le sucede a una viga en su parte superior e inferior cuando se la flexiona:

Llegó el momento del segundo resumen:

• Las propiedades mecánicas de un acero se refieren a sus límites de tracción o rotura y a su límite elástico, también escucharán o leerán "Rp 0,2" y entonces nosotros consideraremos este valor como límite elástico. O leerán carga de fluencia (no nos interesa) o "Rm" (equivalente a límite de tracción) y otros a los que no daremos importancia (estricción, etc.).

• El límite elástico expresado en general en mega pascales es el que debemos considerar, es siempre menor al límite de tracción o rotura.

• Los límites de los esfuerzos de tracción o compresión para un acero son los mismos.

Hasta aquí llegamos en este apartado, a continuación, para aquellos interesados, algo de física para facilitar futuros cálculos.

UN ÁPICE DE FÍSICA

Si me siguieron hasta acá, no me abandonen ahora!

Que esto me está costando y se me inflamaron los dedos de tanto tipear.

Espero que la mayoría tenga al menos unos vagos conocimientos de física (si, la del secundario o la de la facultad) por que la vamos a necesitar y vamos agradecer haberla aprendido.

FUERZA

La carga de las fuerzas se puede expresar en kilogramos fuerza “Kgf” o newtons “N” y utilizaré la que me resulte conveniente en el momento.

Sus unidades son: 1 Kgf son 9,8 N

SUPERFICIE

Para el caso que nos ocupa, con conocer solamente la de la circunferencia (la sección de un tubo) nos alcanza:

Sup: Pi x r² (Pi: 3,14159 y r² es el radio de la circunferencia al cuadrado, el radio a su vez es la mitad del diámetro)

Cabe aclarar que la sección de un tubo no es más que sacar la superficie de la parte sombreada de éste, como se ve en el gráfico:

Es ni mas ni menos que sacar la superficie del radio mayor y restarle la del radio menor, lo cual nos quedará todo lo sombreado menos el agujero.

Para esto usaremos la siguiente fórmula:

Sec: Pi x (R² - r²) en donde “Sec” es la sección, “R” es el radio mayor y “r” es el radio menor

VOLUMEN

El volumen se mide, para nuestro caso en mm³ y será multiplicar la sección por el largo del tubo:

V = Sec x h (donde “V” es volumen y “h” es la altura o largo del tubo)

PRESION

P = F/S (Presión es igual a fuerza sobre superficie)

La superficie la expresaremos preferentemente en milímetros al cuadrado y la fuerza en “N” para este caso.

Por tanto las unidades de presión serán: 1 N/mm² que es el equivalente a 1 Mpa.

Existen como 10 unidades más en las que se puede medir la presión. Pero estas son las que mas utilizaremos.

PESO ESPECÍFICO

El peso específico se mide en unidades de peso (el peso es una fuerza) sobre volumen. Este valor será dato en nuestro problema a resolver ya que utilizaremos el peso específico del acero, que indistintamente de la aleación, es igual a 7,85 grf/cm³

Pes = P/V (donde “Pes” es peso específico, “P” es peso y “V” es volumen)

Yo creo que conviene descansar, esto se hizo un poco largo y corresponde una cuarta y (ahora si) última parte donde nos metemos de lleno en el cálculo y determinar por medio de él, como intercambiar aleaciones en un fuselaje sin perder resistencia y ganando o disminuyendo peso, sin perder de vista el aspecto tanto económico como el aspecto de las performances del avión.

Ver en definitiva para que estructuras es factible utilizar un determinado tipo de acero y la pregunta por el oro:

¿Será posible la construcción de partes estructurales en acero inoxidable?