Clase 13 - Diseno de uniones.pdf
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Ing. Gastn Bonet - Ing. Cristian Bottero - Ing. Marco Fontana
Estructuras de
Materiales Compuestos
Diseo de uniones
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Introduccin
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Estructuras de Materiales Compuestos Diseo de uniones
La presencia de uniones de distintos componentes en unaestructura es virtualmente inevitable
La eficiencia del laminado se ve ampliamente reducida en laszonas de unin, de all la importancia del estudio de las
mismas
Al trabajar con un material de comportamiento frgil sepierde la capacidad de redistribuir esfuerzos mediantedeformaciones plsticas.
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Factores que influyen en el diseo
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Estructuras de Materiales Compuestos Diseo de uniones
Cargas a transferir mediante la unin Geometra de los componentes
rea disponible para llevar a cabo la unin
Costo, peso y facilidad de realizacin
Confiabilidad
Eficiencia de la unin (la relacin entre la carga que soporta la
unin y la carga ltima del laminado)
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Mtodos de unin
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Estructuras de Materiales Compuestos Diseo de uniones
Co - curado- Resinas termorrgidas (prepregs) y termoplsticas
- No se consideran discontinuidades en las juntas
- Si bien se considera la mejor solucin, no siempre es la
ms prctica
Unin de componentes
- Juntas mediante adhesivo
- Juntas mecnicas
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Comparacin
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Estructuras de Materiales Compuestos Diseo de uniones
Uniones mediante adhesivo
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Ventajas Desventajas
Baja concentracin de tensiones No permite un desacople simple
Compatibilidad de materialesSon necesarios tratamientos
superficialesGeneralmente ms livianas Herramental costoso en algunos casos
Es posible en laminados delgadosLa inspeccin de la junta presentamayores complicaciones
Terminaciones ms suaves
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Comparacin
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Estructuras de Materiales Compuestos Diseo de uniones
Uniones mecnicas
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Ventajas Desventajas
Son juntas de fcil inspeccin Grandes concentraciones de tensiones
Permiten ser desarmadasEl proceso de perforado puede daar
el laminado
Procesos generalmente ms simplesLas tensiones de aplastamiento sonrelativamente bajas
Tienen una alta confiabilidadPuede existir una incompatibilidad enlos materiales (corrosin)
Proveen refuerzo fuera del plano
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Uniones mediante adhesivo
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Estructuras de Materiales Compuestos Diseo de uniones
Se pretende transmitir las cargas entre los componentesmediante esfuerzos de corte
Se deben minimizar los efectos de peel stress
Para ciertas configuraciones la distribucin de tensiones en la
junta no es uniforme
No hay un criterio de falla ampliamente aceptado, por lo quese recomienda acompaar el diseo con un modelo deelementos finitos que, preferentemente, contemple el
comportamiento plstico del pegamento
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Uniones mediante adhesivo
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Estructuras de Materiales Compuestos Diseo de uniones
Algunos posibles modos de falla pueden ser:- Falla del laminado
- Falla del adhesivo por corte o porpeel stress
- Falla de las lminas en contacto con adhesivo por corte oporpeel stress
- Falla de la capa ms exterior del laminado (habitualmentems rica en resina) por corte o porpeel stress
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Tipo de uniones
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Estructuras de Materiales Compuestos Diseo de uniones
Solapado simple
Solapado doble
Empalmada
Escalonada
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Solapado simple
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Estructuras de Materiales Compuestos Diseo de uniones
Distribucin de tensiones nouniforme en la junta
Existe concentracin de tensionesen los extremos de la junta
Favorece el desarrollo detensiones fuera del plano debidoa la excentricidad de la carga
Preferentemente se utiliza enjuntas de bajo compromisoestructural
Son generalmente las mseconmicas y fciles de realizar
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Solapado doble
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Estructuras de Materiales Compuestos Diseo de uniones
Distribucin de tensiones nouniforme en la junta
Existe concentracin de tensionesen los extremos de la junta
Se disminuye el desarrollo detensiones fuera del plano debidoa una reduccin en laexcentricidad pero se mantiene elriesgo de falla porpeel stress
Prestar atencin en las unionesdesbalanceadas
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Empalmado
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Estructuras de Materiales Compuestos Diseo de uniones
Se uniformizan las tensiones en eladhesivo
Se pierde el efecto de falla porpeel stress
Se anula la excentricidad de lacarga, por lo cual no se presentanesfuerzos fuera del plano
Buena eficiencia para pequeosngulos de empalme (con q < 10se puede suponer que la falla no ser
en la unin)
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Escalonado
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Estructuras de Materiales Compuestos Diseo de uniones
Se puede considerar como una combinacin de los casos desolapado doble y empalmado
No aparecen efectos debido a la excentricidad de las cargas
Cuanto mayor es el escalonamiento mayor es la eficienciade la unin
Dado que el escalonamiento se logra mediante unply drop,el nmero de escalones est limitado por la cantidad de
lminas
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Comparacin de eficiencias
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Lineamientos de diseo
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Minimizar los efectos depeel stress eligiendo algunaconfiguracin adecuada o suavizando los extremos de la junta
Evitar que las lminas en contacto con el adhesivo tengan unaorientacin perpendicular a la direccin de transmisin de
carga Realizar un buen tratamiento superficial ya sea mediante la
incorporacin de una tela de arranque o mediante el uso deabrasivos
Utilizar un factor de seguridad elevado para el clculo demanera de contemplar la variacin de tensiones
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Uniones mecnicas
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Elemento representativo d dimetro del agujero
e distancia del agujero alfinal del laminado
w ancho del elemento.(puede ser la separacinentre agujeros en unafila de remaches)
t
espesor del laminado
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Tipos de falla
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Fallas en el plano del laminado
Fallas fuera del plano
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Falla por arrancamiento
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La carga que puede transmitir la unin antes de presentareste tipo de falla se calcula simplemente con la siguienteexpresin
uteP 2
donde u es la tensin de corte que es capaz de soportar ellaminado
El valor de u disminuye cuanto mayor es la proporcin defibras a 0 en el laminado
Se recomienda una proporcin de 40 - 50% de lminas a 45para evitar este modo de falla
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Falla por aplastamiento
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La expresin que predice la carga que puede transmitirseantes de presenciar esta falla es
butdP
donde
bu es la tensin de aplastamiento P aumenta con la tensin normal sobre la junta (z) producida
por el ajuste del elemento mecnico. Se adopta que P semantiene constante para z > 20 Mpa
Calculando la eficiencia de la unin y haciendo lt= bu
w
d
tw
Pef
lt
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Falla por tensin
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La expresin que predice la tensin mxima presente en elelemento representativo es
)( dwt
Pkmx
donde kes un factor de concentracin de tensiones del quehablaremos posteriormente
Calculando la eficiencia de la unin y haciendo que mxseaigual a la tensin ltima del laminado
k
wd
tw
Pef
lt
)(1
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Consideraciones
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De acuerdo con los resultados de ensayos se pueden adoptarlos siguientes lineamientos:
Trabajar con laminados cuasi istropos en la zona de uniones
Utilizar una relacin e/d> 3
Bajo estas condiciones se puedeafirmar que no tendremos falla porarrancamiento y la eficiencia de launin se calcular mediante loscasos de aplastamiento y tensin.
(Utilizar una relacin d/w que asegure lafalla por aplastamiento)
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Uniones de filas mltiples
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Las uniones simples pueden presentar esfuerzos de flexin debido a laexcentricidad de la carga, lo que se despreci para los clculos anteriores
Mltiples filas de tornillos pueden disminuir este efecto aumentando larigidez de la junta
Debido a la incapacidad del material para redistribuir esfuerzos no se
aconseja utilizar ms de dos filas de tornillos
Dos filas nos aseguran una distribucin equitativa de la carga mientrasque con un nmero mayor sabremos que las filas intermedias sernsometidas a menores esfuerzos
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Concentradores de tensin
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Son discontinuidades en el material y no deben confundirsecon lo visto anteriormente, que son agujeros que transmitencargas.
Pueden ser orificios, vacos, grietas, delaminaciones, etc.
Existen criterios de falla para laminados con concentradoresde tensin los cuales son basados en simplificaciones ypropiedades del material que definen su tenacidad.
Los criterios dan resultados aceptables pero deben ser
ajustados a resultados experimentales
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Placas con orificios circulares
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El comportamiento se describe mediante los lmites de unmaterial perfectamente frgil y un material elsticoperfectamente plstico
Para el caso de un material perfectamente frgil
El factor de concentracin de tensiones depende de las
propiedades elsticas del material kes independiente del tamao del agujero
k
ltfrac
k
factor de concentracin de tensiones
lt tensin mxima admisible del material
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Placas con orificios circulares
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Se demuestra que k= 3 para placas infinitas de materialistropo.
Para placas de laminados especialmente orttropos se puededemostrar que
xy
xxy
y
xmx
G
E
E
Ek
21
Donde
- es la tensin aplicada en un campo lejano- mx es la tensin mxima presente en la vecindad del orificio
- Ex, Ey, xyy Gxyson las propiedades elsticas equivalentes del laminado
d l d
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Placas con orificios circulares
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Una expresin alternativa para ken funcin de los elementosde la matriz A es la siguiente
6622
2
122211
22
12
22
1121AA
AAA
A
A
A
Ak mx
E d M i l C Di d i
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Placas con orificios circulares
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En el caso de un material elstico perfectamente plstico latensin cerca del orificio aumenta hasta el valor deplastificacin
A medida que se aumenta la carga la cantidad de material
sometido a ese nivel de tensin aumenta hasta que toda elrea queda plastificada
En placas de dimensiones infinitas ese valor de tensin defractura coincide con el valor de tensin de plastificacin
E t t d M t i l C t Di d i
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Placas con orificios circulares
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Los materiales compuestos tienen un comportamientoparticular ya que no son indiferentes al tamao del orificio
Puede ser caracterizado como
- Comportamiento dctil si el tamao del agujero es
pequeo
- Frgil si el tamao del agujero es grande
- Para valores intermedios la tensin de fractura dependedel tamao del orificio
E t t d M t i l C t Di d i
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Placas con orificios circulares
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Comparacin de la distribucin de tensiones en funcin deltamao del orificio
8642
752
3
2
3
2
11
),0(
R
y
R
yk
R
y
R
yyx
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Placas con orificios circulares
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Los criterios siguientes se basan en la hiptesis de que loslaminados son capaces de soportar tensiones mayores a lasde fractura en reas concentradas
Para grandes orificios las tensiones son elevadas en una
regin ms grande, lo cual hace ms probable el encuentrocon una discontinuidad que cause la falla
Los criterios presentados son los de tensin en un punto y lode tensin media
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Criterio de tensin en un punto
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El laminado falla cuando la tensin que acta en el laminadoa una distancia caracterstica d0 del borde del agujero, alcanzaun valor 0 que es el valor de resistencia del laminado sinentalla.
00,0 dRx
d0 es una propiedad del
material y un valor tpico
para laminados decarbono/epoxy es 1mm.
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Criterio de tensin media
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El laminado falla cuando la tensin media que acta en ellaminado a una distancia caracterstica a0 del borde delagujero, alcanza un valor 0 que es el valor de resistencia dellaminado sin entalla.
00
0
,01
dyya
aR
R
x
a0 es una propiedad del
material y un valor tpico
para laminados decarbono/epoxy es 3mm.