Fisuras por tracción (Estructura)
Introducción
Una concentración de tensiones (también llamado concentrador de tensión) es una localización dentro de un sólido elástico donde la tensión local es significativamente mayor que la carga nominal aplicada. Un objeto es más resistente cuando la fuerza se distribuye uniformemente sobre su área, de tal manera que una reducción del área efectiva, por ejemplo causada por una fisura, conduce un aumento de las tensiones cerca del límite de dicho defecto (respecto a la situación en que dicho defecto no existiera). Un material puede fallar por propagación de grieta cuando una concentración de tensiones excede el límite del material a pesar de que la tensión media esté por debajo de límite resistente.
La resistencia real en fractura de un material siempre es más baja que el valor teórico precisamente porque la mayor parte de elementos resistentes contienen pequeñas fisuras o impurezas que crean un concentrador de tensiones. Las fisuras de fatiga siempre empieza como concentradores de tensiones, así pues eliminar dichos defectos incrementa la resistencia frente a fatiga.
Causas
Las discontinuidades geométricas o la falta de suavidad de una geometría actúan como concentradores de tensión. Los extremos de las fisuras, las esquinas agudas, los agujeros y los cambios de sección transversal son ejemplos de concentradores de tensiones. Las tensiones locales altas pueden producir un fallo más temprano de un elemento resistente, por esa razón los ingenieros diseñan las geometrías para minimizar la concentración de tensiones.
Prevención
Una medida para prevenir los peores tipos de concentradores, las fisuras, es taladrar un gran agujero al final de la grieta. Esta medida puede parecer contraintuitiva, pero de hecho la estructura interna de la parte compacta de los huesos cuenta con las osteonas que pueden servir para esa función. La medida funciona porque en realidad el radio de curvatura del concentrador de tensiones se hace más grande, ya que la punta de una grieta es un defecto más agudo que un taladro. Así el agujero taladrado, con su mayor diámetro tiene asociada una concentración de tensiones menores que el afilado extremo de la fisura.
Resulta importante verificar sistemáticamente la existencia de concentradores de tensiones asociados a fisuras. Existe una longitud crítica de la fisura, tal que si ese valor es sobrepasado, la fisura continúa creciendo hasta que se produce un fallo catastrófico. Una vez la fisura supera la longitud crítica no se requiere un aumento de la tensión adicional para provocar que la fisura siga creciendo, por lo que la fisura sigue creciendo hasta el fallo total. La teoría de Griffith en el seno de la mecánica de la fractura sirve para explicar porqué existe una longitud crítica de fractura.