340
A
vances
en
la
hidráulica
de
redes
de
distribución
de
agua
potable
La manera de proteger una tubería contra fatiga del material es diseñarla con un espesor
lo suficientemente grande, que asegure que los esfuerzos que se produzcan en la vida del
acueducto no sobrepasen ciertos límites, arriba de los cuales puede producirse la fatiga del
material. Este capítulo explica la importancia de la fatiga de material en los transitorios hi-
dráulicos y la forma de protegerse contra ella en acueductos de diferentes materiales, como
acero, hierro dúctil, concreto presforzado y PVC.
5.1.2 F
atiga
del material
en
tuberías
de
acero
y
hierro
ductil
La fatiga del material se refiere al deterioro gradual de un material que está sometido a un
gran número de esfuerzos variables cíclicos de cierta magnitud. Los daños por fatiga del
material inician con grietas superficiales microscópicas no perceptibles, que se van abriendo
lentamente ante la acción de los esfuerzos cíclicos hasta ocurrir bruscamente una falla total.
En resultado, la pieza o tubería llega a romperse con una presión mucho menor, comparada
con la presión que puede soportar sin fatiga. De acuerdo con el manual de diseño de la
Ductile Iron Society
(referencia accesible en
/) y otras fuentes biblio-
gráficas, la fatiga del material es la causa más probable de entre 75% y 90% de las fallas en
diferentes máquinas y estructuras. Se reproduce a continuación, en traducción de inglés, un
pequeño abstracto del citado manual:
• “La fatiga es probablemente la causa primaria de 75% de las fallas de servicio que
ocurren en máquinas.
• Las fallas por fatiga pueden ocurrir a esfuerzos considerablemente inferiores al es-
fuerzo de cedencia.
• Las grietas por fatiga pueden crecer lentamente y sin un cambio fácilmente detectable
en la dimensión o en el funcionamiento. Al llegar a un tamaño crítico, sucede una
falla catastrófica.
• Los esfuerzos de diseño basados en criterios de fatiga serán más bajos que aquellos
definidos por los valores de diseño a tensión monótona, y serán reducidos más to-
davía por la concentración de esfuerzos causada por imperfecciones del material o
diseño de componentes.”
El fenómeno de fatiga de material está bien estudiado y documentado en la literatura es-
pecializada, en particular se tienen curvas experimentalmente obtenidas del esfuerzo de
tensión que rompe una muestra de material para diferentes números de ciclos aplicados
de tensión variable. En inglés este tipo de curvas se conoce con el nombre
S-N curves
(de
Stress – Number of cicles
). La Figura 5.1.1 muestra curvas
S-N
típicas para varios materiales
incluyendo metales ferrosos de resistencia mediana, como lo son el acero y el hierro dúctil.
En esta curva, el eje vertical representa el esfuerzo de ruptura. Aun cuando la resistencia
contra tensión del metal es mucho más alta, éste llega a romperse ante esfuerzos considera-
blemente más bajos, cuando éstos se presentan cíclicamente un gran número de veces. Como
un ejemplo, la resistencia de tensión del acero es del orden de los 60,000 psi y su límite de
cedencia es de 42,000 psi, pero la pieza llega a romperse con un esfuerzo de 30,000 psi, para
