Cargas dinámicas

Las cargas dinámicas también se denominan cargas predominantemente no estáticas y se aplican especialmente en la ingeniería mecánica, pero cada vez más también en la construcción.

¿Qué efectos tienen las cargas dinámicas?

Las cargas dinámicas pueden, si no se diseñan correctamente, provocar la fatiga del componente y, si la capacidad portante ya no es suficiente, también la falla del componente. En las cargas dinámicas se asume un gran número de ciclos de carga (cambio entre carga y descarga o cambio de dirección de la carga) durante la vida útil del componente. Estas ocurren en relación con anclajes con tacos, por ejemplo, en robots, grúas y ascensores, pero también trenes que pasan junto a muros antirruido o camiones que circulan por túneles generan cargas dinámicas en las instalaciones debido al constante cambio de presión y succión del viento de avance. También los puentes experimentan una carga dinámica por los vehículos que circulan sobre ellos. La frecuencia de los ciclos de carga en la unidad Hertz [Hz] (1 Hz = 1 oscilación por segundo) es generalmente muy baja en la construcción, a diferencia de la ingeniería mecánica, donde las piezas giratorias, por ejemplo, debido a desequilibrios, pueden generar excitaciones vibratorias con alta frecuencia y diferentes formas de vibración.

Cargas por viento y sismos

Las cargas por viento y sismos son, por definición, cargas predominantemente estáticas. Esto significa que estas cargas cambian raramente. En un sismo, aunque durante un corto período se producen algunos ciclos de carga, no son tantos como para considerar la fatiga del componente o de la estructura bajo las cargas sísmicas actuantes. Las cargas sísmicas generan principalmente mayores anchos de fisura en el concreto, lo que puede representar un problema para los tacos/anclajes. Por ello, se deben usar anclajes que cuenten con una calificación sísmica en la categoría de rendimiento C1 o C2 y cuya idoneidad bajo la acción sísmica y en anchos de fisura mayores a los habituales en el concreto haya sido demostrada. Las ráfagas de viento también cambian la carga sobre un componente o estructura, pero tampoco deben considerarse como cargas dinámicas.

Delimitación de la dinámica

Anteriormente se asumía que a partir de aproximadamente 10.000 ciclos de carga una carga debía considerarse dinámica, es decir, que a partir de 10.000 ciclos la capacidad portante ya no correspondía a la capacidad estática, por ejemplo, de un taco. Hoy se sabe que ya a partir de unos 300 ciclos la capacidad de tracción del acero de un taco comienza a disminuir. A partir de 10.000 ciclos la disminución es aún más marcada. La capacidad de resistencia a la tracción transversal del acero de un taco disminuye ya a partir de unos 100 ciclos y a partir de 3.000 ciclos la reducción es aún más significativa. Dependiendo de la calidad y el procesamiento del taco, la capacidad portante por fatiga puede reducirse en el mejor de los casos a cerca del 50 % de la capacidad de tracción y al 25 % de la capacidad transversal en comparación con la capacidad estática, y en casos desfavorables incluso a menos del 10 % de la capacidad estática.

Se distingue entre cargas dinámicas de amplitud variable y cargas alternantes. Las cargas de amplitud variable ocurren especialmente en fuerzas axiales y las cargas alternantes en cargas transversales cuya dirección cambia.

Tipos de carga

En una carga estática o también denominada predominantemente estática, la solicitación permanece casi constante en el tiempo (ver también imagen 1 abajo). En una carga dinámica de amplitud variable, por ejemplo, sobre un anclaje mediante taco o fijación, la solicitación fluctúa entre "0" y un valor máximo positivo de tracción; las fuerzas de compresión no se transmiten a través de los tacos, sino mediante la presión de contacto entre la placa de anclaje y el componente de concreto. En cargas dinámicas alternantes, el signo de una carga transversal aplicada cambia, por ejemplo, de -5 kN en dirección x negativa a +5 kN en dirección x positiva. El llamado rango de oscilación, es decir, la carga relevante para el dimensionamiento del taco, se determina entonces como la suma de los valores absolutos de las cargas, es decir, |−5| + |+5| = 10 kN. Se trata por tanto de la diferencia entre los valores extremos. Las cargas de amplitud variable ocurren, por ejemplo, por momentos de vuelco en grúas torre giratorias, que al girar alrededor de su eje con una carga colgada oscilan entre el estado "0" (es decir, compresión y por tanto sin carga sobre los tacos) y el valor máximo de tracción sobre los tacos, dependiendo de la posición del brazo de la grúa. Las cargas alternantes pueden actuar, por ejemplo, por fuerzas de frenado y aceleración sobre un grupo de tacos que debe fijar un riel de grúa en su dirección longitudinal.

Extracto de la página actual del catálogo 540, insertar gráfico: Imagen 1: Gráfico tipos de carga

August Wöhler fue el primero en descubrir a finales del siglo XIX que un material sometido a carga dinámica, especialmente el acero, tiene una capacidad portante menor que bajo carga estática. En su honor se nombró el ensayo de Wöhler, un ensayo para determinar la resistencia a la fatiga. El resultado es la curva de Wöhler, que describe la capacidad portante en función del número de ciclos de carga que experimenta un componente. Un neumático de rueda roto en la operación ferroviaria fue entonces el desencadenante.

Cálculo de cargas dinámicas

Para la fijación de un componente bajo carga dinámica deben usarse tacos que cuenten con aprobación para casos de carga predominantemente no estática.

El primer anclaje dinámico con aprobación general de construcción fue el anclaje compuesto UPAT UMV multicone dynamic. Este recibió la aprobación para su uso en Alemania en 1999. Actualmente existen varios anclajes dinámicos con aprobación o desde 2019 con Evaluación Técnica Europea (ETA). El anclaje dinámico más potente actualmente de la empresa fischer es el anclaje dinámico Highbond FHBdyn. Está disponible en diámetros de 12 a 24 mm en versión galvanizada y en diámetros de 12 y 16 mm en acero inoxidable altamente resistente a la corrosión de la clase de resistencia a la corrosión V (CRC V) con número de material 1.4529. Los anclajes están regulados mediante una aprobación general de construcción / aprobación general de tipo Z-21.3-1748 y próximamente recibirán una ETA. El sistema de anclaje consta de una barra de anclaje cónica especial FHB-A dyn y el mortero de inyección FIS HB en cartucho. En la construcción, el ingeniero estructural responsable debe realizar un cálculo y dimensionamiento para los componentes y anclajes sometidos a carga dinámica. Mediante programas denominados FE (FE = elementos finitos) se crea un modelo y se simulan las acciones, en parte dependiendo del lugar de instalación. La rigidez de los diferentes componentes debe ingresarse y considerarse, ya que tiene un impacto significativo en el desplazamiento o deformación de los componentes. La funcionalidad de la estructura debe mantenerse siempre. Los cambios en la planificación deben ajustarse también en el modelo de cálculo. Para el dimensionamiento de anclajes, los fabricantes ponen a disposición programas de cálculo.