Categorías de detalle de fatiga: la misma soldadura, dos categorías y una vida distinta

Dos soldaduras en el mismo plano de taller pueden verse idénticas: la misma garganta, el mismo electrodo, la misma viga debajo. Sin embargo, una le da a la viga vida a fatiga infinita, y la otra se agrieta en unos pocos cientos de miles de ciclos. El acero está bien. La sección está bien. Lo que decide el resultado es la categoría de detalle de fatiga: una letra o un número que clasifica cuán aguda es en realidad la concentración local de tensión en la junta.

Esta es la parte del diseño en acero que más sorprende, porque no obedece a la intuición que uno construyó con las verificaciones de resistencia. En una verificación de resistencia usted agranda el elemento o usa un acero más resistente y el problema desaparece. En una verificación de fatiga, un grado de acero más alto casi no le compra nada, y la geometría de la pequeña chapa que soldó al ala puede reducir la vida en un factor de cuatro, o pasarla de para siempre a finita.

Esta es una guía de nivel básico escrita para tres lectores: el estudiante de ingeniería que se encuentra con la fatiga por primera vez, el calculista en ejercicio que dimensiona elementos cada semana, y el ingeniero independiente que tiene que defender un detalle ante un cliente. Definimos cada término antes de usarlo, y anclamos toda la discusión a una viga real. Corrimos una IPE 360 simplemente apoyada en el motor de elementos finitos de CalcSteel, tomamos de ella un único rango de tensión nominal, y luego recorrimos la vida a fatiga del mismo detalle soldado desde infinita hasta 167.000 ciclos, sin cambiar más que la categoría. Una viga, una tensión, siete vidas muy distintas.

Una categoría de detalle de fatiga es una letra (AISC usa A, B, B', C, D, E, E') o un número (el Eurocódigo usa la tensión de referencia en MPa) que clasifica cuán severa es la concentración local de tensión de una junta soldada o atornillada. Fija la curva S-N de esa junta, y por lo tanto fija el rango de tensión admisible y la vida a fatiga para un número dado de ciclos.

Lea esa definición dos veces, porque la trampa está en lo que la categoría no es. La categoría es una propiedad del detalle, es decir, de la geometría de la conexión y de cómo se ejecutó e inspeccionó. No es una propiedad del grado del acero: una junta hecha en acero de 250 MPa y la misma junta hecha en acero de 690 MPa se ubican sobre la misma curva de fatiga. Y no es la tensión nominal: la tensión nominal es lo que usted calcula a partir del elemento y la carga, mientras que la categoría es el multiplicador que le dice cuán dañina es esa tensión en esta junta en particular.

¿Por qué una clasificación, para empezar? Porque una grieta de fatiga no arranca de la tensión media en la sección transversal. Arranca en una diminuta discontinuidad geométrica, casi siempre el pie de una soldadura, donde la tensión se dispara localmente muy por encima del valor nominal. Toda junta soldada tiene ese pico, pero algunas son mucho más agudas que otras. En lugar de pedirle a cada ingeniero que calcule ese pico local, los códigos hicieron el trabajo una vez, ensayaron cientos de detalles representativos hasta la rotura, y los ordenaron en categorías. La categoría ya lleva incorporada la concentración. Por eso, como veremos, la fatiga se verifica contra la tensión nominal y no contra el pico local.

Así, una viga laminada lisa sin accesorios es una categoría muy alta. Suelde una chapa a su ala y habrá introducido una discontinuidad nueva y más aguda, y la categoría baja. El resto de esta guía trata exactamente de cuánto baja, y de por qué la misma soldadura puede caer en dos categorías distintas.

La categoría es un nombre. Para convertirla en un rango de tensión admisible se usa la curva S-N, también llamada curva de Wöhler por el ingeniero que la graficó por primera vez en la década de 1860. En este gráfico el eje vertical es el rango de tensión aplicado al detalle, y el eje horizontal es el número de ciclos que el detalle sobrevive antes de agrietarse, ambos en escala logarítmica. Ensaye un detalle a un rango de tensión alto y falla tras pocos ciclos; ensáyelo bajo y dura mucho. Una esos puntos y obtiene una recta descendente.

Cada categoría es una de esas rectas. AISC 360-16, Apéndice 3, escribe la recta como una ley simple:

F_SR = (C_f / N)^1/3

Aquí F_SR es el rango de tensión admisible, N es el número de ciclos, y C_f es una constante que nombra la categoría. Una mejor categoría significa un C_f mayor, que eleva toda la recta, de modo que para el mismo número de ciclos permite un rango de tensión mayor. Invierta la ecuación y obtiene la vida directamente:

N = C_f / Δσ³

Lea ese cubo con cuidado, porque ahí está el drama. La vida escala con el cubo del rango de tensión. Reduzca el rango a la mitad y la vida sube ocho veces. Y como las categorías difieren solo por su C_f, la relación entre dos vidas a la misma tensión es simplemente la relación entre los dos valores de C_f. Ese único hecho produce el titular de este artículo más adelante.

Una característica más cierra la curva por la derecha. Cada categoría tiene un piso horizontal llamado umbral de fatiga de amplitud constante, escrito F_TH. Si el rango de tensión aplicado se mantiene por debajo de ese umbral, la recta descendente deja de descender: el detalle tiene en la práctica vida infinita y no se requiere verificación de fatiga. Por eso el mismo detalle puede ser finito a una tensión e inmortal a otra ligeramente menor. El umbral es una recta real en el gráfico, y cruzarlo es un cambio abrupto, no gradual.

Una nota sobre la constante C_f: la Tabla A-3.1 de AISC imprime literalmente números pequeños como 4,4 o 1,1, porque la ecuación impresa lleva un factor de 1000. Reformulados con claridad, son valores de C_f de 44×10⁸ y 11×10⁸. Las dos formas son algebraicamente idénticas; a lo largo de esta guía usamos la forma ×10⁸ para que la aritmética se verifique a mano.

Para que todo el artículo sea honesto, anclamos cada categoría a un resultado real del motor de elementos finitos de CalcSteel. El modelo es deliberadamente sencillo: una viga simplemente apoyada, luz L = 8,0 m, perfil laminado IPE 360. En el centro del vano se ubica una carga de servicio repetida, piense en un polipasto aéreo o en un equipo cuya reacción cae sobre esta viga. En cada ciclo de operación la carga sube desde cerca de cero hasta P = 40 kN y vuelve a cero.

El motor devuelve un momento máximo de M_max = 80,0 kN·m, y una reacción izquierda de 20,0 kN, que es exactamente P/2. Ambos coinciden con la forma cerrada hasta el dígito: para una carga puntual central, PL/4 = 40 × 8 / 4 = 80,0 kN·m. Cuando la máquina reproduce el valor de mano con exactitud, uno sabe que el modelo está limpio y que el número que lleva adelante es confiable.

Luego necesitamos la propiedad de sección que convierte el momento en tensión. El motor reporta el módulo elástico de sección de la IPE 360 como S_x = 873,77 cm³. La tensión de flexión en la fibra extrema del ala es M dividido por ese módulo.

Ahora el paso clave. A la fatiga no le importa la tensión pico, le importa el rango de tensión, es decir, la oscilación desde la tensión más baja hasta la más alta en un ciclo. Como nuestra carga cicla de 0 hasta P y de vuelta a 0, la tensión en el ala oscila desde 0 hasta la tensión de flexión completa y de vuelta. Así que el rango de tensión nominal es la tensión de flexión completa:

Δσ = M_max / S_x = 80,0 kN·m / 873,77 cm³ = 91,6 MPa

Retenga ese número. Es una tensión nominal: la tensión de flexión ordinaria que usted calcularía en cualquier primer curso, sin ningún factor de concentración de tensión aplicado, porque la categoría de detalle llevará la concentración por nosotros. Y son los mismos 91,6 MPa para cada categoría que estamos por ensayar. No cambiamos la viga, ni la carga, ni la tensión. Cambiamos solo qué detalle se suelda al ala, y observamos cómo se mueve la vida.

Aquí está la parte que sorprende la primera vez que uno se la encuentra. Tome un cordón de soldadura en filete que une una chapa, una cartela o un rigidizador al ala traccionada de nuestra viga. El metal de aporte es el mismo, la garganta es la misma, la viga es la misma, y el rango de tensión nominal es el mismo de 91,6 MPa que calculamos. Sin embargo, la categoría de fatiga, y por lo tanto la vida a fatiga, no queda fijada hasta que usted sepa una cosa más: cuán larga es la chapa unida.

En la Tabla A-3.1 de AISC 360-16, un accesorio soldado cargado en la dirección de la tensión aplicada se clasifica por dos longitudes. La primera es a, la longitud del accesorio medida paralela a la dirección de la tensión (cuánto se extiende la chapa a lo largo del ala). La segunda es b, el espesor de ese accesorio. Cuanto más se extiende la chapa junto al ala, más abruptamente tiene que fluir la tensión alrededor de su extremo soldado, y más baja cae la categoría.

Los puntos de quiebre exactos:

• a < 50 mm (2 in): Categoría C.
• 50 mm ≤ a ≤ el menor entre 12b o 100 mm (4 in): Categoría D.
• a mayor que el menor entre (12b, 100 mm), con un accesorio delgado b ≤ 20 mm (0,8 in): Categoría E.
• a > 100 mm (4 in), con un accesorio grueso b > 20 mm (0,8 in): Categoría E', el más severo de los casos de accesorio soldado.

Imagine entonces dos vigas en el taller. En la primera, alguien suelda una escuadra de 40 mm de largo al ala traccionada: a = 40 mm está por debajo de 50 mm, así que es Categoría C. En la segunda, alguien suelda una chapa de 150 mm de largo exactamente en la misma posición, con el mismo filete: a = 150 mm superó el límite, así que es Categoría E. Metal de aporte idéntico, garganta idéntica, viga idéntica, tensión nominal idéntica de 91,6 MPa. Lo único que cambió es la longitud de la chapa que soldó. Esa única decisión geométrica, tomada sin pensarlo dos veces en la mesa de dibujo, está por convertirse en un factor de cuatro en la vida a fatiga.

Ahora inserte el único rango de tensión nominal, Δσ = 91,6 MPa, en la ley S-N N = C_f / Δσ³ para cada una de esas dos categorías.

• Categoría C (C_f = 44×10⁸): vida N = 1.879.000 ciclos.
• Categoría E (C_f = 11×10⁸): vida N = 469.759 ciclos.

Esa es una relación de exactamente 4,0. No es una coincidencia y no es una aproximación: como ambos detalles ven el mismo rango de tensión, el término al cubo se cancela, y la relación de vidas es solo la relación entre las dos constantes de categoría, 44 / 11 = 4,0. La chapa corta de 40 mm le compra casi 1,9 millones de ciclos; la chapa larga de 150 mm gasta la mayor parte de eso y lo deja por debajo de medio millón. La misma soldadura, cuatro veces la vida. Si el polipasto corre unos cientos de ciclos por día, esa es la diferencia entre un detalle que sobrevive al edificio y uno que se agrieta en unos pocos años.

El salto del umbral: un régimen más severo. El factor de cuatro es dramático, pero hay un segundo efecto que es aún más absoluto, y aparece en el instante en que su rango de tensión cae cerca de un umbral de categoría. Suponga que aliviamos un poco la carga, o subimos a una sección algo más peraltada, de modo que el rango nominal cae a Δσ = 60 MPa.

Para la Categoría C, el umbral de amplitud constante es F_TH = 69 MPa. Nuestros 60 MPa están ahora por debajo de ese umbral, así que el detalle de Categoría C tiene vida infinita: sin grieta de fatiga, sin conteo finito, listo. Para la Categoría E, el umbral es de apenas 31 MPa, y 60 MPa está todavía muy por encima, así que el detalle de Categoría E está firmemente en el régimen finito: N = C_f / Δσ³ = 1.669.000 ciclos.

Léalo de nuevo. La misma soldadura, la misma viga, el mismo rango de tensión de 60 MPa. Un detalle dura para siempre. El otro se agrieta a los 1,67 millones de ciclos. No hay aquí un intercambio suave, ni una penalización porcentual que uno pueda absorber: cruzar un umbral convierte una junta de vida infinita en una de vida finita. Esa es la "vida distinta" del título llevada a lo absoluto, y por eso la decisión de clasificación importa tanto como el cálculo de tensión que la alimenta.

Toda la historia de arriba cuelga de un número que usted puede calcular para su propia viga: el rango de tensión nominal Δσ. Todo lo que viene después es consulta de tabla. Así que antes de dejar esta página, arme su caso y lea el momento directamente del motor.

La calculadora de viga en vivo de abajo se monta aquí mismo. Úsela para fijar su luz, colocar la carga repetida donde realmente se ubica (centro del vano, posición de una rueda, reacción de un equipo), y leer el momento máximo que ve la viga. Para nuestro ejemplo resuelto ese momento fue M_max = 80,0 kN·m en una luz de 8,0 m con 40 kN en el centro del vano, que el motor de EF de CalcSteel hizo coincidir con la forma cerrada PL/4 hasta el dígito.

De ahí, el rango de tensión nominal es una sola división. Tome el momento, divídalo por el módulo elástico de sección de su perfil, y (porque la carga cicla desde cerca de cero hasta el pico y de vuelta) esa tensión de flexión es su rango de tensión:

Δσ = M_max / S_x. Para la IPE 360, con S_x = 873,77 cm³, eso dio 80,0 kN·m / 873,77 cm³ = 91,6 MPa. Lleve su propio Δσ a la tabla de categorías de la siguiente sección, elija la fila que corresponde a su detalle, y tendrá la vida a fatiga.

Es genuinamente gratis, y no hay inicio de sesión para la matemática: abra la calculadora de viga, o entre directamente al editor 3D completo cuando quiera el perfil real, los apoyos reales, y el motor de EF detrás de ellos. Los estudiantes pueden desbloquear todo gratis a través de la oferta educativa.

Aquí está cada categoría de detalle de fatiga de AISC en una sola escala, verificada contra el único rango de tensión nominal de nuestra viga resuelta, Δσ = 91,6 MPa. Léala de arriba abajo y estará viendo caer la vida a fatiga desde infinita hasta 167.000 ciclos, sin que el acero, la sección o la tensión cambien nunca. Solo cambia el detalle.

La columna de admisible es el rango de tensión que cada categoría permite en la vida de referencia de 2 millones de ciclos, tomada directamente de AISC 360-16 Apéndice 3, Tabla A-3.1. La columna de vida es lo que nuestro detalle realmente obtiene a 91,6 MPa, a partir de N = C_f / Δσ³. Donde 91,6 MPa queda por debajo del umbral de categoría F_TH, la vida es infinita y no se necesita verificación de fatiga.

Vale la pena detenerse en dos cosas. Primero, los valores de C_f están impresos en la Tabla A-3.1 como 250, 120, 61, 44, 22, 11 y 3,9 una vez que los reformula como la forma × 10⁸. La ecuación del código lleva un factor de 1000, así que la tabla imprime literalmente 25, 12, 6.1, 4.4, 2.2, 1.1 y 0.39, que son algebraicamente los mismos números. De un modo u otro, la relación entre categorías es lo que gobierna la vida.

Segundo, mire juntas las dos columnas de centro a derecha. Los rangos de tensión admisibles de AISC a 2 millones de ciclos se alinean casi uno a uno con las categorías de detalle del Eurocódigo EN 1993-1-9, que se nombran directamente por el rango de referencia Δσ_c a 2M en MPa: 125 es categoría B, 100 es B', 90 es C, 71 es D, 56 es E y 40 es E'. Las letras y los números son dos rótulos para la misma escala S-N, y la ABNT NBR 8800 de Brasil usa el mismo marco alineado con AISC. Aprenda uno y podrá leer los tres.

Para convertir cualquiera de estos en una vida para su propia viga, solo necesita su propio rango de tensión nominal. Arme la luz en la calculadora de viga gratuita, lea el momento, divídalo por el módulo de sección, y coloque el resultado en esta tabla.

La categoría no se la entrega el destino. La fijan decisiones que toman el proyectista y el fabricante, y la mayoría son gratis o casi gratis. Aquí están las palancas que mueven un detalle hacia arriba o hacia abajo en la escala:

• La dirección de la tensión respecto al eje de la soldadura. Una soldadura cargada a lo largo de su longitud es mucho más benévola que la misma soldadura con la tensión cruzándola. Los detalles se clasifican por cómo la tensión fluctuante atraviesa la junta, no por el tamaño de la soldadura.
• Cómo termina la soldadura, y si envuelve. Una soldadura que se detiene abruptamente en un extremo agudo deja el peor concentrador de tensión posible exactamente donde la grieta quiere arrancar. Envolver la soldadura alrededor del extremo, o retornarla, suaviza esa terminación.
• Esmerilar liso el pie de la soldadura o el refuerzo. La grieta arranca en el pie. Esmerilar el pie o el refuerzo a ras, en línea con la tensión, elimina la geometría aguda y sube la categoría, a veces un paso entero.
• Retirar las barras de respaldo. Una barra de respaldo dejada en su lugar crea una grieta incorporada en la raíz, un iniciador de grieta ideal. Retirarla y, donde se requiera, ranurar por detrás y resoldar la raíz eleva el detalle.
• La longitud del accesorio. Como mostró el nudo de este artículo, un accesorio de 40 mm es Categoría C y un accesorio de 150 mm sobre la misma ala es Categoría E. Los accesorios paralelos más largos concentran la tensión con más fuerza, así que mantenga cortos los accesorios soldados donde pueda.
• Mantener las soldaduras fuera del ala traccionada. El ala traccionada soporta el mayor rango de tensión en flexión, así que cualquier accesorio soldado allí se verifica al Δσ más alto. Mueva los accesorios discrecionales al alma o a una zona de baja tensión y la misma categoría de detalle le compra mucha más vida.
• El nivel de inspección. Algunas categorías altas solo están disponibles si la soldadura se comprueba por ensayo radiográfico o ultrasónico. Sin esa inspección, el código no le permitirá reclamar la mejor recta.

La ilustración más clara es una soldadura de ranura transversal de penetración completa (CJP), una soldadura a tope de espesor total con la tensión cruzándola. Si su refuerzo se esmerila esencialmente paralelo a la tensión y la soldadura se inspecciona por RT o UT, es Categoría B, admisible 125 MPa a 2 millones de ciclos. Deje esa misma junta tal como se soldó, con el refuerzo sin retirar, y cae a Categoría C, 89,7 MPa. Metal de aporte idéntico, geometría de junta idéntica: la amoladora y la radiografía la mueven una categoría. En nuestro rango nominal de 91,6 MPa esa única categoría es la diferencia entre vida infinita como detalle de Categoría B y 1.879.000 ciclos como detalle de Categoría C. Una operación de acabado, no un rediseño, compra vida ilimitada.

El admisible de Categoría C a 2 millones de ciclos es 89,7 MPa (13,0 ksi). Para un acero ordinario con una fluencia en torno a 345 MPa, eso es aproximadamente un cuarto de la fluencia. Parece alarmantemente bajo hasta que uno ve contra qué protege el número. La resistencia estática pregunta si toda la sección transversal puede soportar la carga una vez. La fatiga pregunta algo más estrecho y más despiadado: si una grieta microscópica arrancará en un concentrador de tensión y crecerá, ciclo a ciclo, hasta que se propague. Esas grietas comienzan en la concentración de tensión en el pie de la soldadura, donde la tensión pico local es varias veces el valor nominal aunque el elemento en su conjunto esté muy lejos de la fluencia.

La categoría de detalle es, en efecto, una clasificación de cuán severa es esa concentración local. Como la categoría ya lleva la concentración, la verificación de fatiga se corre sobre el rango de tensión nominal, la simple tensión de flexión M sobre S, no sobre el pico local. Por eso el admisible tiene que estar tan por debajo de la fluencia: está haciendo el trabajo del factor de concentración de tensión por usted, para que nunca calcule el pico usted mismo. Aliméntelo con el rango nominal y la categoría ya habrá tenido en cuenta la geometría.

Dos hechos del Comentario de AISC se derivan de esto, y ambos sorprenden la primera vez:

• La resistencia a fatiga es esencialmente independiente del grado del acero. A lo largo de fluencias desde unos 250 hasta 690 MPa, un detalle dado tiene la misma vida a fatiga. El acero de grado más alto le compra más resistencia estática, no más vida a fatiga. Si la fatiga gobierna, especificar un acero más resistente no cambia nada, tiene que cambiar el detalle.
• Solo importa el rango de tensión, no la media, ni la mínima ni la máxima. Un ciclo de 10 a 100 MPa y un ciclo de menos 40 a más 50 MPa hacen el mismo daño, porque comparten el mismo rango de 90 MPa. La razón es la tensión residual: los detalles soldados fijan una tensión residual de tracción cercana a la fluencia, así que sin importar dónde se ubique nominalmente el ciclo aplicado, el metal en el pie de la soldadura ya está traccionado cerca de la fluencia y todo el rango aplicado es dañino. Esto es exactamente por qué nuestra carga que oscila de 0 a 40 kN y de vuelta da un rango de tensión completo de 91,6 MPa, y por qué ese rango, no un pico o un promedio, es el número contra el que se verifica toda la escala.

Así que el admisible bajo no es conservadurismo por el conservadurismo mismo. Es el precio honesto de soldar a un elemento que será ciclado millones de veces, y la manera de pagar menos es elegir un mejor detalle, no un acero más resistente.

Tres familias de códigos describen la misma física con una contabilidad ligeramente distinta. Si puede leer una, puede leer las otras, porque todas descansan sobre la misma ley S-N y la misma idea de categoría de detalle.

AISC 360-16, Apéndice 3, Tabla A-3.1. Esta es la referencia usada a lo largo de este artículo. A cada detalle se le asigna una categoría de la A hasta la E', y cada categoría lleva una constante Cf y un umbral de fatiga de amplitud constante FTH. El rango de tensión admisible es FSR = (Cf / N)^(1/3), nunca tomado por debajo de FTH. Por debajo del umbral la vida se trata como infinita y no se requiere verificación de fatiga. Como la ecuación del código lleva un factor de 1000, la tabla imprime literalmente los valores de Cf como 25, 12, 6.1, 4.4, 2.2, 1.1 y 0.39; reformulados como las constantes simples son 250, 120, 61, 44, 22, 11 y 3,9 por 10^8, que es lo que usamos para calcular cada vida en este artículo. A dos millones de ciclos esas categorías admiten 160, 125, 100, 89,7, 71,2, 56,5 y 40 MPa (23,2, 18,2, 14,5, 13,0, 10,3, 8,2 y 5,8 ksi).

Una advertencia sobre las grietas de raíz. La Tabla A-3.1 también lista un par de casos, C' y C'', que describen el agrietamiento desde la raíz de la soldadura en lugar del pie. Comparten la constante de Categoría C, Cf = 44 por 10^8, pero su umbral figura como "Ninguno". Un detalle sin umbral no puede recibir vida infinita a ningún rango de tensión, así que una junta que puede fallar desde la raíz siempre debe verificarse como vida finita. Mantenga estos fuera de su escala principal, pero recuerde que existen cuando el camino de carga pasa por la garganta de la soldadura.

Eurocódigo EN 1993-1-9. La norma europea nombra sus categorías de detalle por el rango de tensión de referencia a dos millones de ciclos, en MPa: 160, 140, 125, 112, 100, 90, 80, 71, 63, 56, 50, 45, 40, 36 y así sucesivamente. Su curva S-N es una pendiente de m = 3 hasta el límite de amplitud constante a cinco millones de ciclos, luego una pendiente más suave de m = 5, y después un corte en 10^8 ciclos. Los números mapean casi uno a uno sobre AISC: 125 se alinea con B, 100 con B', 90 con C, 71 con D, 56 con E y 40 con E'. La misma escala, distintos rótulos.

ABNT NBR 8800 (Brasil). La norma brasileña de acero lleva el mismo marco de categoría de detalle y S-N, alineado con AISC. Si ha trabajado la tabla de AISC, la tabla de la NBR le resultará familiar hasta la letra.

La conclusión práctica: elija un código para un proyecto dado y quédese en él, pero no se sorprenda cuando una "Categoría 90" del Eurocódigo y una "Categoría C" de AISC le den la misma vida. Son dos maneras de deletrear el mismo detalle.

La mayoría de los errores de fatiga no son errores de aritmética. Son errores de clasificación, cometidos antes de insertar cualquier número. Aquí está la lista corta que corremos antes de confiar en un resultado de fatiga.

• No recurra a un grado de acero más alto para arreglar la fatiga. El Comentario de AISC es explícito en que la resistencia a fatiga de un detalle dado es esencialmente independiente de la fluencia de 250 a 690 MPa. El acero de grado más alto compra resistencia estática, no vida a fatiga. La grieta no sabe por qué grado está creciendo.
• Use el rango de tensión nominal, no el pico local. La categoría de detalle ya lleva la concentración de tensión en el pie de la soldadura. Si le alimenta encima una tensión de punto caliente de elementos finitos, cuenta la concentración dos veces y la respuesta pierde sentido. Verifique los mismos 91,6 MPa nominales que calculamos con M sobre Sx contra cada categoría.
• Solo importa el rango, no la media. Como los detalles soldados fijan una tensión residual de tracción cercana a la fluencia, todo el rango aplicado es dañino sin importar dónde se ubique. No gaste esfuerzo persiguiendo una tensión mínima o media favorable; calcule el rango a partir de la carga que cicla, de 0 a P a 0 en nuestra viga, y pare.
• El metal base es una categoría alta; lo que le suelda es el problema. Una viga laminada limpia es Categoría A o B. Soldar una chapa, cartela o rigidizador a su ala traccionada es lo que la baja a C, D, E o E'. La degradación viaja con el accesorio, no con la viga.
• Clasifique por el detalle ilustrado, no por la palabra "filete". "Es una soldadura en filete" no es una categoría. El mismo filete es Categoría C con un accesorio de 40 mm y Categoría E con uno de 150 mm. Haga coincidir su junta con el dibujo de la Tabla A-3.1, incluyendo la longitud a paralela a la tensión y el espesor b.
• Los factores de impacto y dinámicos son para la resistencia, no para el rango de fatiga. Los factores de amplificación que inflan una carga para una verificación de resistencia última no pertenecen al rango de tensión de fatiga. La fatiga usa el rango de carga de servicio que realmente cicla.

¿Un grado de acero más alto le da a mi conexión soldada una vida a fatiga más larga?

No. Para un detalle soldado la vida a fatiga la fija la categoría, y la categoría es esencialmente independiente del grado a lo largo del rango común de aceros estructurales. Pasar de una fluencia de 345 MPa a una de 460 MPa no mueve la curva S-N. Si necesita más vida, cambie el detalle, no el grado: acorte el accesorio, esmerile el pie, o mueva la soldadura fuera del ala traccionada.

¿Debo usar la tensión pico de mi modelo de elementos finitos en la verificación de fatiga?

No, no con el método de tensión nominal del Apéndice 3 de AISC. La categoría se calibró contra la tensión nominal precisamente para que usted no tuviera que modelar el pie de la soldadura. Lea el rango de tensión de flexión nominal, en nuestra viga 91,6 MPa de 80,0 kN·m dividido por Sx = 873,77 cm³, y verifíquelo contra el admisible de la categoría. Existe un método aparte de punto caliente o de mecánica de la fractura, pero usa sus propias curvas, no estas categorías.

Mi carga nunca se invierte, solo va de cero hacia arriba y de vuelta. ¿Aún tengo un rango de fatiga?

Sí. El rango es máximo menos mínimo, y 0 a P a 0 le da la tensión de flexión completa como rango. Por eso exactamente nuestra viga tiene Δσ = 91,6 MPa y no algo menor: la tensión oscila a través de todo su valor en cada ciclo. Una carga que no se invierte sigue siendo una carga que cicla.

Dos juntas en mi plano se ven idénticas. ¿De verdad pueden tener vidas distintas?

Sí, y ese es todo el punto de este artículo. El mismo filete sobre la misma ala bajo los mismos 91,6 MPa dura 1.879.000 ciclos como detalle de Categoría C y 469.759 ciclos como detalle de Categoría E, un factor de 4,0, decidido solo por cuán larga es la chapa unida. Baje el rango a 60 MPa y el detalle de Categoría C dura para siempre mientras que el de Categoría E aún se agrieta a los 1.669.000 ciclos. Metal de aporte idéntico, garganta idéntica, vida distinta.

La fatiga en el acero no la decide el grado ni cuán lejos esté de la fluencia. La decide el detalle, y el detalle es una elección que usted hace en el plano.

• La categoría es el diseño. Una categoría de detalle de fatiga clasifica la concentración local de tensión de una junta, fija su curva S-N a través de FSR = (Cf / N)^(1/3), y por lo tanto fija el rango admisible y la vida. Es una propiedad del detalle, no del acero y no de la tensión nominal.
• Una tensión nominal, muchas vidas. Nuestra viga real en el motor de CalcSteel, una IPE 360 sobre 8,0 m con 40 kN repetidos en el centro del vano, da Mmax = 80,0 kN·m = PL/4 y Sx = 873,77 cm³, de modo que Δσ = 91,6 MPa. Cada categoría se verifica contra ese único número.
• La misma soldadura, cuatro veces la vida. Un accesorio de 40 mm es Categoría C y dura 1.879.000 ciclos; un accesorio de 150 mm es Categoría E y dura 469.759 ciclos. La misma soldadura, factor de 4,0, solo por la longitud de la chapa.
• El umbral lo vuelve absoluto. Baje el rango a 60 MPa y la Categoría C queda por debajo de su umbral de 69 MPa, así que es vida infinita, mientras que la Categoría E sigue siendo finita con 1.669.000 ciclos. Para siempre frente a 1,67 millones de ciclos, con la misma soldadura.
• Usted controla la categoría. La dirección de la tensión, la longitud del accesorio, esmerilar el pie o el refuerzo a ras, el nivel de inspección y mantener las soldaduras fuera del ala traccionada mueven un detalle hacia arriba o hacia abajo en la escala de A a E'. Una soldadura de ranura CJP transversal esmerilada a ras y radiografiada es Categoría B; dejada tal como se soldó es Categoría C.

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Para un ejemplo resuelto completo donde la fatiga realmente elige el elemento, lea el artículo hermano Dimensionar una viga carril de puente grúa: la verificación de fatiga que decide la sección. Este artículo clasificó el detalle; aquel dimensiona la viga una vez conocido el detalle.