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Introducción a los paneles Sandwich III: modos de fallo en paneles

9 septiembre 2012

Para finalizar con la serie de artículos dedicados a los conceptos básicos sobre paneles sándwich presentamos un pequeño resumen de los típicos modos de fallo que aparecen en los paneles.

La definición de modos de fallo sobre una estructura junto con las cargas aplicadas caracterizan el dimensionado que el calculista realizará de la estructura. Los modos de fallo que se tratan en este artículo se centran en la zona del núcleo del panel sándwich, sin tener en cuenta la zona de rampa del panel. La mayoría de los modos de fallo se centran en la cara superior e inferior de CFRP definiéndose los modos de fallo en función de su interacción directa con el núcleo o en la propia capacidad de la piel de soportar carga debido al momento absorbido por el panel (ver artículos anteriores). Los modos de fallo tratados serán:

  • Resistencia a las deformaciones (Skin Strenght)
  • Resistencia a cortadura del núcleo (Core Shear)
  • Aplastamiento de núcleo (Core Crushing)
  • Pandeo intracelular (Dimpling)
  • Pandeo de la piel (Wrinkling)
  • Crimpling
  • Pandeo global de paneles

La zona de pista también está sujeta a modos de fallo asociados a las uniones mediante bulones a otras estructuras, generalmente perfiles de CFRP y metálicos. Esas uniones y sus modos de fallo característicos (Bearing, Tension by pass, Tension throught the hole y Pull-Out) serán tratados en otro artículo.

Todas las ecuaciones analíticas para el cálculo de los modos de fallo se pueden encontraren el tomo de ASTM Vol 21 (Ref1).

RESISTENCIA DE LA DEFORMACIÓN (SKIN STRENGHT)

Los valores admisibles de deformación de las láminas superiores e inferiores del panel sándwich caracterizan este modo de fallo y miden la capacidad de las pieles para absorber la carga que fluye por ellas. Conociendo los flujos que aparecen en las pieles y aplicando la teoría del laminado se pueden calcular las micro-deformaciones que aparecen y compararlas directamente con los valores admisible del material ”capa a capa”. Normalmente esos valores admisibles están obtenidos en la dirección del material. Por lo tanto, si una lámina está orientada con un ángulo diferente de cero, las deformaciones obtenidas a través de los flujos deben ser giradas a esa dirección para poder hacer la comparativa. Esto suele pasar ya que la capa más externa, que soporta las mayores cargas, de CFRP del panel sándwich suele estar a 45º con respecto a la referencia de 0º. Otra forma de obtener las micro-deformaciones directamente es mediante un análisis FEM (Finite Element Method) del panel sándwich.

RESISTENCIA A LA CORTADURA DEL NÚCLEO (CORE SHEAR)

Los paneles que sufren una presión normal a la superficie generan unas cargas cortantes en el panel Qxz y Qyz que convertidas en tensiones a cortadura ”tauxz” y ”tauyz” soportadas por el núcleo del panel. Dichos valores son comparados con los valores admisibles del núcleo.

APLASTAMIENTO DEL NÚCLEO (CORE CRUSHING)

El núcleo del panel sándwich debe evitar que debido a las cargas externas, las caras de CFRP se muevan una hacia la otra. De este modo aparece una carga de compresión sobre el núcleo que puede hacer que se desmorone bajo los momentos que aparecen en el panel. La localización del fallo se realiza obteniendo la zona de máximo momento aplicado en el panel.

PANDEO INTRACELULAR (DIMPLING)

Se trata de un modo de fallo de inestabilidad local. el mecanismo consiste en un micro-pandeo de las pieles sobre la celda del núcleo. Este fallo no conduce al fallo total de la estructura y debe ser muy severo para que los micro-pandeos se mantengan después de dejar de aplicar la carga sobre el panel. Si los micro-pandeos son muy elevados en el panel sándwich pueden llegar a provocar el despegado de las caras provocando un fallo por wrinkling mucho más severo que el dimpling. Por lo tanto aunque no genere un fallo catastrófico del panel, debe ser controlado.

El pandeo intracelular puede ser inducido por cargas a compresión y de cortadura en el panel debido a los momentos flectores que se aplican sobre el panel. Generalmente la zona donde se da este fallo es en la zona central donde los momentos son mayores.

PANDEO DE LA PIEL (WRINKLING)

Este modo de fallo ocurre cuando se produce un despegado de la piel que está en contacto con el núcleo del panel o un hundimiento sobre el núcleo. El mecanismo es similar al pandeo de la piel en contacto con el núcleo, pero sin hacer partícipe al núcleo en el mecanismo. El ”wrinkling” es generado por cargas de compresión y de cortadura en el panel, generalmente, en la zona central del panel donde se produce el máximo momento flector de la estructura. El comportamiento de esta inestabilidad es complicado de obtener analíticamente. El pandeo puede provocar el despegado de la piel o provocar el hundimiento del núcleo (flatwise) el núcleo como se ve en la figura.

CRIMPLING

El crimpling es una inestabilidad general que puede ocurrir cuando el módulo a cortadura del núcleo es bajo y la longitud de onda del modo de pandeo es del mismo orden que el tamaño de la celda. La inestabilidad sigue un modo de cortadura a pesar de que es causado por las cargas de compresión.

PANDEO GLOBAL DE PANELES (GLOBAL BUCKLING)

El pandeo global de paneles pueden ocurrir en el caso de insuficiente rigidez del panel sándwich.Un análisis lineal mediante FEM es usada normalmente para evaluar el pandeo global de los paneles sándwich. El primer autovalor que se obtiene de la solución por elementos finitos (por ejemplo para NASTRAN la SOL 105) se considera como el factor de reserva para las cargas aplicadas.

Referencias:

(Ref1) ASM Handbook Vol 21 COMPOSITES

(Ref2) MIL-HDBK-23A-SANDWICH

(Ref3) Niu-COMPOSITE AIRFRAME STRUCTURES

 

JOSÉ MANUEL BAYO ARIAS

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