Retraso Del Cortante

1) Retraso del cortante

Una buena práctica de diseño suele requerir que las uniones adhesivas se construyan de manera que el adhesivo soporte la carga en cortante, en vez de en tensión. Las uniones a menudo son mucha mas fuertes cuando se cargan a cortante que a tensión, a lo largo de la placa de unión. Las uniones de solapa a cortante representan una familia importante e uniones, tanto en las probetas de ensayo para evaluar las propiedades adhesivas, como para la incorporación real en diseños prácticos. Los tipos genéricos de uniones de solapa que suelen originarse están en la figura 9-29.

FIGURA 9-29

Tipos comunes de juntas a tope utilizadas en el diseño mecánico:

a) Solapa simple

b) Solapa doble

c) Empalme oblicuo

d) Biselada

e) Escalonada

f) Cubrejunta

g) Cubrejunta doble

h) A tope tubular

El análisis más simple de las uniones de solapa sugiere que la carga aplicada esta distribuida de manera uniforme sobre el área de la unión. Los resultados de los ensayos de uniones solapan, como los obtenidos mediante la norma ASTM D1002 para uniones de solapa simples describen la “resistencia al cortante aparente” como la carga de ruptura divida entre el área de la unión. Aunque este análisis simple quizás sea adecuado para adherentes rígidos unidos con un adhesivo suave, sobre una longitud de unión relativamente corta, se tienen picos significativos en el esfuerzo cortante, excepto para los adhesivos mas flexibles. En un esfuerzo para indicar los problemas asociados con tal practica, en la norma ASTM D4896 se resumen algunas de las preocupaciones asociadas con esta concepción simplista del esfuerzo dentro de las uniones solapa.

En 1938 O, Volkersen presento un análisis de la unión de solapa, conocido como análisis del retraso del cortante. El modelo proporciona idea valuables en las distribuciones del esfuerzo cortante en una gran cantidad de uniones de solapa. La flexión que se induce en la unión de la solapa simple debida a una excentricidad complica mucho el análisis, por lo que aquí se considerara una unión de solapa doble simétrica para ilustrar los principios. La distribución del esfuerzo cortante esta dada por:

Donde:

m=

Eo y E¡ designan módulos de los adherentes exterior e interior

to y t¡ son los espesores de los adherentes exterior e interior

&o y &¡ los coeficientes de dilatación térmica para adherentes exterior e interior,

h es el espesor de la capa de adhesivo;

G el modulo del cortante adhesivo

l longitud de la unión

P representa la fuerza aplicada al adherente interior

B el ancho de la unión

El reciproco de w tiene unidades de longitud y denota la distancia característica del retraso del cortante, una medida de cuán rápido (en distancia espacial) se transfiere la carga de un adherente al otro.

En este análisis se supone que no ocurre deformación por cortante dentro de los adherentes y que ningún esfuerzo axial soporta dentro del adhesivo. Las suposiciones se satisfacen en cierta medida para muchos problemas practicas de adhesión, aunque son dudosas en adherentes anisotrópicos como los compuestos laminados, o en los adherentes de manera que tal vez posean módulos de cortante relativamente pequeños.

Como este modelo solo proporciona los esfuerzos del cortante que se supones constantes en todo el espesor de la unión), los esfuerzos normales asociados con el desacoplo de los coeficientes de dilatación térmica (CTE, por sus siglas en ingles) entre el adhesivo y los adherentes no se incluyen. El modelo no predice los esfuerzos de desprendimiento, que son menores en magnitud para uniones de solapa dobles que para las uniones de solapa simples, donde ocurre una flexión significativa del adherente., como se ilustra en la figura 9-30. No obstante los esfuerzos del desprendimiento provocan una falla, incluso en las uniones de solapa doble. Las uniones criticas se analizan usando procedimientos numéricos para entender mejor el complejo estado de esfuerzos que puede ocurrir. Los esfuerzos de desprendimiento perjudiciales están presentes, hasta cierto punto, en la mayoría de las uniones prácticas; la minimización de los esfuerzos resulta critica en el proceso de diseño.

2) Viga sobre base elástica

En 1867, Emil Winkler presento un análisis de una viga, sobre una base elástica, un concepto clave relevante en muchos problemas mecánicos, como en rieles que al flexionar bajo un tren al desprendimiento de una cinta adhesiva sensible a la presión de un sustrato rígido. Al considerar problemas de adhesión, se supone que el adherente actúa como una viga simple que se apoya en el adhesivo, el cual actúa como una base elástica, representada por una serie continua de resortes axiales, como en la figura 9-32. La base ejerce un momento al extremo de una viga relativamente larga soportada por la base, la distribución resultante del esfuerzo de desprendimiento está dada por:

Ea Es el modulo del adhesivo

h es el espesor del adhesivo

F la fuerza aplicada

M el momento aplicado

E el modulo de la viga adherente

I el segundo momento de inercia del área de la viga adherente

W el ancho de la unión, y:

El reciproco de beta también tiene unidades de longitud y representa una medida de distancia sobre la que se distribuye los esfuerzo. A medida que beta disminuye, los esfuerzos se distribuyen sobre áreas más amplias, reduciendo en efecto los esfuerzos pico. Una característica importante del modelo de la viga sobre una base elástica es que la distribución de esfuerzos global del momento aplicado no produce una fuerza neta. Las zonas de compresión y de tensión se contrarrestan una a la otra de manera que no se presentan una fuerza neta, aunque constituyen un par ( ver figura 9-33). A pesar de que las áreas bajo estas partes de la curva son iguales, el pico de la región en el extremo de la unión es cinco veces mayor en magnitud que el pico interior. Como los adhesivos son muchos mas débiles en tensión que en compresión, al tener el pico exterior ( y con una mayor magnitud) de tensión significa mayor preocupación. Lo que resulta ser el caso puesto que le medio tiene acceso a la región más exterior e incrementa la probabilidad de despegarse, sobre todo al transcurrir el tiempo.

Figura 9-32

Viga semiinfinita sobre una base elástica sometida a un momento y a

una fuerza en el extremo izquierdo.

la base se ilustra mediante un

conjunto discreto de resortes, si

bien

...