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5/25/2018 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.

Curso 2012 Facultad de Ingeniera - UNLP


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Factores que influyen en el diseo

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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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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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Uniones mediante adhesivo


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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Uniones mecnicas


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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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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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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Solapado simple

Solapado doble

Empalmada

Escalonada



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Solapado simple

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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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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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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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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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Curso 2012

Facultad de Ingeniera - UNLP

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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Curso 2012


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

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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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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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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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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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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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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.

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