1. No category

Comparación de Diferentes Métodos de Predicción de Vida a Fatiga de un Componente Soldado a Tope
y su Validación Experimenta
Anales de Mecánica de la Fractura, 31 (2014)
COMPARACIÓN DE DIFERENTES MÉTODOS DE PREDICCIÓN DE VIDA A FATIGA DE UN
COMPONENTE SOLDADO A TOPE Y SU VALIDACIÓN EXPERIMENTAL
A. Lopez1, *, J.A. Esnaola1, I. Ulacia1, O. Shemet1, D. Ugarte1, I. Urrutibeascoa1, A. Madariaga1, I. Torca1, I.
Martinez2 y A. Garro3
1
Dpto. de Mecánica y Producción industrial, Mondragon Unibertsitatea.
Loramendi 4, 20500, Arrasate-Mondragón, Guipuzcoa, España.
*
E-mail: [email protected]
2
3
Fagor Arrasate S. Coop., San Andres Auzoa 20, 20500,
Arrasate-Mondragón, Guipúzcoa, España.
Koniker S.Coop., Polígono Industrial Bainetxe 5A, 20550,
Aretxabaleta, Guipúzcoa, España.
RESUMEN
En la actualidad existen diferentes modelos para predecir la vida a fatiga de los componentes soldados, sin embargo,
dichos modelos no permiten predecir la vida a fatiga con absoluta fiabilidad, ya que hay que tener en cuenta otros
fenómenos, como el de las tensiones residuales, el efecto de borde, las inclusiones no metálicas... Debido a los
requerimientos del mercado, es necesario realizar un diseño óptimo, por lo que es necesario predecir adecuadamente la
vida a fatiga del componente soldado.
En el presente trabajo, se han analizado la vida a fatiga de las piezas soldadas mediante el método de la tensión nominal
(según normas específicas como son: International Institute of Welding (IIW), British Standard (BS), Eurocódigo 3,
DoE y DNV), el método del hot spot, el método de la curva maestra S-N, el método de Xiao y Yamada y el método de
la tensión efectiva en la entalla.
Comparando los resultados de las predicciones de vida a fatiga obtenidas con los diferentes métodos y los ensayos
experimentales, se ha observado que todos los métodos son conservativos. En cuanto a la vida a fatiga a altos ciclos, el
método menos conservador es el de la tensión efectiva en la entalla, pero para fatiga de bajos ciclos no se obtienen
resultados satisfactorios.
ABSTRACT
Nowadays there are different methods to predict the fatigue life of welded components. However, these models are not
highly reliable since it does not consider other phenomena such as residual stresses, the edge effect, the non-metallic
inclusions… Due to market requirements, it is necessary to make an optimal design, so it is necessary to predict
properly the fatigue life of welded components.
In this paper, the fatigue life of weld joints has been analysed by means of several methods: the nominal stress method
(according to specific rule such as: International Institute of Welding (IIW), British Standard (BS), Eurocode 3, DoE
and DNV), the hot spot stress method, the master S-N curve method, the Xiao and Yamada method and the effective
notch stress method.
Comparing the results of fatigue life predictions obtained with different methods and the experimental tests, it has been
observed that all the methods are extremely conservatives. Regarding the fatigue life at high cycles the less conservative
approach is the effective notch stress method, but for low cycle fatigue the obtained results are non-conservatives.
PALABRAS CLAVE: Fatiga, Soldadura a tope, curvas S-N.
1. INTRODUCCIÓN
La soldadura es uno de los métodos de unión más
empleados en estructuras metálicas [1]. En el caso de las
uniones soldadas la resistencia a fatiga es mucho menor
que la resistencia del material base [2], ya que existen
otras variables, como son las tensiones residuales, el
efecto concentrador de tensiones del cordón de
soldadura, existencia de zonas con distintas propiedades
mecánicas, la geometría inconstante de la unión
soldada… Por ello, el principal modo de fallo en las
uniones soldadas es la fractura debido a la fatiga [3-5].
423
Anales de Mecánica de la Fractura, 31 (2014)
En la actualidad existen numerosos métodos para
calcular la vida a fatiga de las uniones soldadas [4]. A
pesar de la existencia de dichos métodos, existen
abundantes inconveniencias a la hora de calcular con
precisión la vida a fatiga de las uniones soldadas, ya que
los métodos existentes, en general, no tienen en cuenta
el efecto de las variables mencionadas anteriormente
[6], [4], [7].
En la Figura 1 se pueden observar las variantes básicas
más importantes de los enfoques locales y globales para
calcular la vida a fatiga de las uniones soldadas. Cabe
destacar que, de izquierda a derecha, los métodos
aumentan en precisión y en el nivel de dificultad a la
hora de realizar el cálculo [8].
se incluye en la curva S-N. Por esta razón, cada curva SN en el enfoque de la tensión nominal está conectada a
una geometría y configuración de carga concreta.
A continuación se pueden observar las diferentes
normas que se estudiarán en este estudio:





International Institute of welding (IIW) [11].
British Standard 54000 (BS) [12].
Offshore installations: Guidance on design
construction and certificaction (DoE) [13].
Eurocódigo 3 [14].
Det Norske Veritas (DNV) [15].
2.2. Método de la tensión estructural
El enfoque de la tensión estructural se ha desarrollado
para obtener la vida a fatiga en los casos donde no se
puede definir adecuadamente la tensión nominal y para
reducir el número de curvas S-N. Este método solo es
válido para el caso donde el fallo de fatiga empieza por
el pie de soldadura. A continuación se verán diferentes
métodos para obtener la vida a fatiga basándose en el
enfoque de la tensión estructural:
Figura 1. Diferentes enfoques para calcular la vida a
fatiga [8].
En este estudio, se ha analizado la validez de los
diferentes métodos existentes en la actualidad para
obtener la vida a fatiga de las uniones soldadas,
comparándolas con los ensayos experimentales. Los
métodos que se analizan en este estudio son: método de
la tensión nominal, enfoque de la tensión estructural y
enfoque de la tensión de entalla (los 3 primeros métodos
de la Figura 1). Estos métodos se basan en calcular una
tensión equivalente y después mediante las curvas S-N
adecuadas obtener la vida a fatiga de la unión soldada
analizada [9].
2. MÉTODOS PARA CALCULAR LA VIDA A
FATIGA EN UNIONES SOLDADAS
En este estudio se han analizado diferentes métodos
para calcular la vida a fatiga de las uniones soldadas. A
continuación se analiza cada enfoque:
2.1. Método de la tensión nominal
El enfoque de la tensión nominal es el método más
simple para calcular la vida a fatiga de las uniones
soldadas [10]. La tensión nominal se define como la
tensión principal en la pieza a una distancia del cordón
de soldadura, sin tener en cuenta ningún incremento de
tensión debido a detalles estructurales o soldaduras y
asumiendo un comportamiento elástico [1], [11].
Toda la información correspondiente a la distribución
de la tensión nominal en la zona donde se espera el fallo
2.2.1. Método de la tensión estructural en el hot spot
Mediante este enfoque, la resistencia a fatiga
cualquier detalle estructural se calcula mediante
extrapolación de los valores reales de la curva
tensiones elástico-lineal en ciertos puntos de interés
la superficie de la probeta [16]. Este método tiene
cuenta todos los efectos estructurales del detalle [11].
de
la
de
en
en
Debido a que en las probetas estudiadas en este estudio
el pie de soldadura se encuentra en la superficie de la
placa, el tipo elegido es el “a” y teniendo en cuenta que
en la superficie a analizar existe una gran no-linealidad,
la tensión estructural se obtiene con la ecuación (1):
 hs  2,52· 0, 4t  2,24· 0,9t  0,72· 1, 4t
(1)
Donde t es el espesor de la placa.
Existen diferentes curvas para obtener la vida a fatiga de
la unión soldada en función del tipo de detalle
estructural, pero con un menor número de curvas que
para el enfoque nominal, se pueden abordar los
diferentes tipos de soldadura [11].
2.2.2. Método de la tensión estructural según DONG
Dong et al. [17] propusieron un procedimiento para el
cálculo de la tensión estructural, que se considera
relativamente insensible a las características del mallado
(tamaño del elemento y tipo de elemento) en el área
correspondiente al pie de soldadura. Este método se
basa en la linealización de la tensión a lo largo del
espesor de la placa en el lugar de interés. A través de
dicha linealización se obtienen la tensión de flexión
424
Anales de Mecánica de la Fractura, 31 (2014)
 b  y la tensión de la membrana  m  siendo la
tensión estructural (  s ) la suma de las dos anteriores.
La tensión de fatiga o los ciclos de carga se determinan
a través de la curva maestra S-N, usando el parámetro
de tensión estructural equivalente S S , a partir del
rango de tensión estructural  S , ecuación (2), [17]:
 S
( 2m)
1
t 2 m ·I r m
S S 
(2)

Donde t es el espesor de la placa, el exponente m se
define a partir de la ley de propagación de la grieta de
Paris (m=3,6 según [17]) y la integral I(r) que depende
del ratio r. Para ensayos realizados por control de carga,
el valor de I(r) se calcula mediante la ecuación (3):
I (r )  0,294(r ) 2  0,846(r )  25,815
(3)
Donde,
r
b
 m  b
2.3. Método de la tensión de entalla
La tensión de entalla es la tensión máxima en la raíz o el
pie de la soldadura, obtenido asumiendo un
comportamiento elástico lineal del material. Con el fin
de que los resultados sean consistentes, se ha verificado
que para aceros estructurales, el radio efectivo en la raíz
de la entalla debe de ser de 1 mm [11]. Para la
evaluación de la fatiga, la tensión de entalla se compara
con la curva de fatiga clase FAT 225. En caso de que se
emplee un tipo de elemento cuadrático el tamaño
máximo del elemento para un radio de 1 mm es de 0,25
mm Por el contrario si se emplea un tipo de elemento
lineal el tamaño máximo del elemento es de 0,15 mm
[20].
El método se limita a la evaluación de las uniones
soldadas donde el fallo de fatiga se de en el pie o raíz de
la soldadura, no es aplicable si hay un componente de la
tensión importante paralela a la superficie y está
limitado para piezas que tengan espesores mayores que
5 mm [11].
3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
(4)
Este enfoque tiene en cuenta el efecto del espesor, el
parámetro de carga, las condiciones de carga y los
criterios de fallo I(r). Para ello, este método hace uso de
la mecánica de la fractura a lo largo del recorrido de la
grieta [18].
2.2.3. Método de la tensión estructural según Xiao y
Yamada
Xiao y Yamada [19] propusieron un método para
calcular la tensión estructural, donde dicha tensión se
determina a una profundidad de 1mm por debajo del pie
de soldadura en la dirección correspondiente al camino
de la grieta. Xiao y Yamada [19] demostraron que la
tensión calculada a 1 mm es un parámetro de carga
representativo para la fase de la propagación de grieta
prematura, independientemente del tamaño de la
soldadura [18]. Dicha tensión tiene en cuenta el efecto
del espesor y del tamaño muy bien [9].
Xiao y Yamada [19] analizaron diferentes ensayos
experimentales y determinaron que dichos resultados
muestran una dispersión bastante pequeña comparando
con el límite inferior de la curva FAT 100.
La dispersión obtenida mediante este método es menor
que para el enfoque de tensión estructural según IIW y
para el enfoque de tensión estructural según Dong [18].
Sin embargo, este método solo se ha verificado para el
cálculo de vida a fatiga unas pocas uniones soldadas,
por lo que se debe verificar para otro tipo de uniones y
modos de carga [9].
3.1. Material
El material seleccionado en este estudio es el acero
estructural S275JR, ya que se trata de un acero que se
usa normalmente en la industria de la máquina
herramienta.
Las probetas analizadas en este estudio provienen de
placas soldadas a tope mediante la soldadura por arco
eléctrico con protección de gas inerte (MIG) con
medidas de 200x80x10 mm. Para realizar la soldadura
de forma satisfactoria, se han realizado tres pasadas y
los bordes se han preparado en V. Para más información
acerca de los parámetros de soldadura consultar [21].
3.2. Ensayos de fatiga
Para caracterizar el comportamiento a fatiga de las
uniones soldadas a tope multipasada, se ha empleado
una máquina servohidráulica uniaxial, MTS 819, con
carga máxima de 100 kN. Debido a la limitación de la
célula de carga, las chapas iniciales se han cortado con
una longitud de 30 mm. Dichas probetas se han
ensayado con cargas cíclicas senoidales con R= -1,
frecuencia de 10 Hz y mediante control por carga. El
criterio de rotura se ha definido cuando se da la rotura
total de la pieza.
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
4.1. Método de la tensión nominal
La soldadura que se ha analizado en este estudio es una
soldadura a tope soldada por un lado, con penetración
completa, sin aplicarle ningún tratamiento no
425
Anales de Mecánica de la Fractura, 31 (2014)
destructivo, con carga aplicada perpendicular a la
soldadura y con respaldo temporal. Teniendo en cuenta
las especificaciones anteriores, en la Tabla 1 se puede
observar el detalle escogido para cada norma analizada.
Tabla 1. Detalle escogido en cada norma.
Norma
Detalle
IIW
FAT 80
Eurocódigo 3
71
BS
F
DoE
F
DNV
F
En la Figura 2 se puede observar la comparativa de las
curvas S-N para las diferentes normas analizadas con
los puntos experimentales obtenidos de los ensayos de
fatiga.
Figura 2. Curvas S-N en función del método de la
tensión nominal para las diferentes normas y
comparación con los puntos experimentales.
Se observa que todas las normas analizadas en este
estudio son muy conservadoras para el rango de ciclos
altos. Analizando las diferentes normas, la norma menos
conservadora es la British Standard, con una desviación
aproximada para el límite de fatiga de 65,2%. Una de
las causas de esta desviación, puede ser debido a que el
enfoque de la tensión nominal es muy global, ya que no
tiene en cuenta ningún factor local de la soldadura. Por
otro lado, tampoco tiene en cuenta los parámetros del
proceso (velocidad del hilo, voltaje, número de
pasadas,…) empleados para cada pasada de la soldadura
[22].
4.2. Método de la tensión estructural en el hot spot
Para obtener el valor de las tensiones en los puntos de
referencia con el fin de calcular la tensión estructural en
el hot spot, se ha realizado un cálculo elástico lineal
para las diferentes cargas ensayadas mediante el
programa de elementos finitos ABAQUS 6.10 [23]. En
el modelo se han empleado elementos hexagonales tipo
C3D8 de integración completa representando la
geometría del cordón de soldadura. En la Figura 3 se
puede observar la geometría empleada, el tipo de
mallado y los resultados obtenidos para el caso donde se
le aplica a la pieza una tensión de 125 MPa.
Figura 3. Distribución de las tensiones perpendiculares
al cordón de soldadura para la tensión de 125 MPa.
En la Figura 4 se puede observar la comparativa entre la
curva de correspondiente al método del hot spot y los
resultados experimentales.
Figura 4. Curva S-N para el método del hot spot y
comparación con los puntos experimentales
Analizando la Figura 4 se puede decir que el método de
la tensión estructural en el hot spot es también muy
conservador para el rango de ciclos altos. Para el límite
de fatiga se realiza un error aproximado de un 67,86%.
La razón de este error puede ser que en la norma IIW
para todas las soldaduras a tope se define la misma
categoría, independientemente del tipo de carga, si tiene
respaldo o no, si tiene soldadura por ambos lados o
no…
4.3. Método de la tensión estructural según DONG
La tensión estructural según Dong se ha calculado a
partir de la linealización a lo largo del espesor. Se ha
utilizado el mismo modelo de elementos finitos que en
el enfoque de la tensión estructural en el hot spot. En la
Figura 5 se puede observar la comparativa entre la curva
correspondiente al método de Dong y los resultados
experimentales.
426
Anales de Mecánica de la Fractura, 31 (2014)
(Figura 7) tal y como lo especifica la norma IIW [11].
Como se observa en la Figura 7, en el cordón de
soldadura se ha reducido el tamaño del elemento debido
al redondeo que se ha aplicado.
Figura 5. Curva S-N para el método de Dong y
comparación con los puntos experimentales.
Se puede observar que el método de Dong sigue siendo
muy conservador para el rango de ciclos altos (Figura
5). Para el límite de fatiga se realiza un error
aproximado de un 65,5%. La razón de este error puede
estar en que al verificar el método, Dong et al. [24] solo
analizaron la soldadura a tope con pasadas por ambos
lados de la chapa y en este estudio se analiza la
soldadura realizada por un lado.
4.4. Método de la tensión estructural según Xiao y
Yamada
Figura 7. Distribución de las tensiones perpendiculares
al cordón de soldadura para la tensión de 125 MPa.
En la Figura 8, se puede observar la comparación entre
los resultados experimentales y el método de la tensión
de entalla.
El modelo de elementos finitos empleado para este
método es el mismo que para el método del hot spot. En
la Figura 6 se puede observar la comparativa entra la
curva correspondiente al método de Xiao y Yamada y
los resultados experimentales.
Figura 8. Curva S-N para el método de la tensión de
entalla y comparación con los resultados
experimentales.
Figura 6. Curva S-N para el método de Xiao y Yamada
y comparación con los puntos experimentales.
Se observa nuevamente que el método de Xiao y
Yamada es muy conservador para el rango de ciclos
altos. Para el límite de fatiga se realiza el error
aproximado de un 58,76%. La justificación de este error
puede ser que los autores [19] no verificaron este
método para las soldaduras a tope.
4.5. Método de la tensión de entalla
Para obtener el valor de la tensión efectiva en la entalla,
se ha realizado una simulación numérica imponiendo en
el pie de soldadura un redondeo de 1mm de radio
Mediante este método se obtienen los resultados menos
conservadores para el rango de altos ciclos. Sin
embargo para el rango de bajos ciclos, no predice de
forma adecuada la vida a fatiga de la probeta soldada. El
error aproximado realizado para el límite de fatiga es de
un 37,4%.
5. CONCLUSIONES
En este trabajo se han analizado diferentes métodos para
calcular la vida a fatiga de las uniones soldadas a tope y
se ha realizado una comparación entre ellos. De los
resultados obtenidos se pueden extraer las siguientes
conclusiones:
 A pesar de que existen numerosos métodos,
todavía hay una gran incertidumbre a la hora
de predecir la vida a fatiga de las uniones
soldadas. Esto puede ser debido a que existen
numerosos factores que los métodos no tienen
427
Anales de Mecánica de la Fractura, 31 (2014)




en cuenta, como son las tensiones residuales
generadas en el proceso de soldadura, la
geometría del cordón de soldadura, las
propiedades del material…
Para el rango de altos ciclos todos los métodos
analizados son muy conservadores. De todos
los métodos analizados en este estudio, el
método que más se acerca a los ensayos
experimentales es el de la tensión de entalla
con un error aproximado de un 37,4% para el
límite de fatiga.
En cuanto a los diferentes enfoques de tensión
estructural, el que obtiene resultados menos
conservadores es el método de Xiao y Yamada,
con un error del 58,76% con respecto al límite
de fatiga.
Con respecto al método de la tensión nominal,
el método más conservador es el de DoE y el
menos conservador es la norma BS.
Comparando las diferentes curvas con los
ensayos experimentales, se puede apreciar que
la pendiente de los ensayos experimentales no
concuerda con el de las diferentes curvas S-N.
AGRADECIMIENTOS
Los autores desean agradecer al Ministerio de Economía
y Competitividad del Gobierno de España la
financiación a través del Programa Nacional de
cooperación Público-Privada.
REFERENCIAS
[1] Lassen, T. and Recho, N., Fatigue life analyses of
welded structures. Iste London, 2006.
[2] Maddox, S.J., Fatigue strength of welded structures.
Woodhead publishing, 1991.
[3] Marin, T. and Nicoletto, G., Fatigue design of
welded joints using the finite element method and the
2007 asme div. 2 master curve. Frattura ed Integrita
Strutturale, 9: 76–84, 2009.
[4] Carpinteri, A., Spagnoli, A. and Vantadori, S.,
Multiaxial fatigue life estimation in welded joints using
the critical plane approach. International Journal of
Fatigue, 31 (1): 188–196, 2009.
[5] Livieri, P. and Lazzarin, P., Fatigue strength of steel
and aluminium welded joints based on generalised
stress intensity factors and local strain energy values.
International Journal of Fracture, 133 (3): 247–276,
2005.
[6] Erny, C., Thevenet, D., Cognard, J.-Y. and Körner,
M., Fatigue assessment of naval welded assemblies.
Procedia Engineering, 2 (1): 603–612, 2010.
[7] Taylor, D., Barrett, N. and Lucano, G., Some new
methods for predicting fatigue in welded joints.
International Journal of Fatigue, 24 (5): 509–518,
2002.
[8] Horn, A. and Andersen, M., Committee iii. 2
“fatigue and fracture”. ISSC2009, pages 16–21, 2009.
[9] Radaj, D., Fatigue assessment of welded joints by
local approaches. Woodhead publishing, 2006.
[10] Susmel, L., Modified wöhler curve method, theory
of critical distances and eurocode 3: A novel
engineering procedure to predict the lifetime of steel
welded joints subjected to both uniaxial and multiaxial
fatigue loading. International Journal of Fatigue, 30
(5): 888–907, 2008.
[11] Hobbacher, A., Recommendations for fatigue
design of welded joints and components. Welding
Research Council, 2009.
[12] B. S. BS7608. Code of practice for fatigue design
and assessment of steel structures. British Standards
Institution, 1993.
[13] Offshore technology report 2001/015, Steel, 2002.
[14] Eurocode 3: Design of steel structures - part 1-9:
Fatigue.
[15] D.N. Veritas. Fatigue design of offshore steel
structures. DNV Recommended Practice DNV-RPC203, 2010.
[16] González, S.C., Rucoba, D.F., Gutiérrez, O.R.R.
and Laso, J.A.A, Estudio a fatiga de uniones soldadas a
tope. Comparativa y validación de las principales
metodologías. Dyna, 88 (2): 171–180, 2013.
[17] Dong, P., Hong, J.K., Osage, D.A. and Prager, M.,
Master S-N curve method for fatigue evaluation of
welded components. Welding Research Council
Bulletin, (474), 2002.
[18] Fricke, W. and Kahl, A., Comparison of different
structural stress approaches for fatigue assessment of
welded ship structures. Marine structures, 18 (7): 473–
488, 2005.
[19] Xiao, Z.-G., and Yamada, K., A method of
determining geometric stress for fatigue strength
evaluation of steel welded joints. International Journal
of Fatigue, 26 (12): 1277–1293, 2004.
[20] Fricke, W., Guideline for the fatigue assessment by
notch stress analysis for welded structures. International
Institute of Welding, pages 1–38, 2010.
[21] Lopez, A., Sáez, M., Ugarte, D., Ulacia, I.,
Esnaola, J.A., Martinez, I., Garro, A., Caracterización
numérico-experimental de tensiones residuales en
soldadura multipasada del acero S275JR. XIX CNIM,
Castellón, 2012.
[22] Turski, M., Francis, J.A., Hurrell, P.R., Bate, S.K.,
Hiller, S. and Withers, P.J., Effects of stop-start features
on residual stresses in a multipass austenitic stainless
steel weld. International Journal of Pressure Vessels
and Piping, 89: 9-18, 2012.
[23] Abaqus 6.10 User’s Manual, Abaqus inc, 2010.
[24] Dong, P. and Hong, J., The master S-N curve
approach to fatigue evaluation of offshore and marine
structures. In ASME 2004 23rd International
Conference on Offshore Mechanics and Arctic
Engineering, pages 847–855, 2004.
428