En ingeniería , la tolerancia al daño es una propiedad de una estructura relacionada con su capacidad para soportar defectos de manera segura hasta que se pueda efectuar la reparación. El enfoque del diseño de ingeniería para tener en cuenta la tolerancia al daño se basa en el supuesto de que pueden existir fallas en cualquier estructura y que dichas fallas se propagan con el uso. Este enfoque se utiliza comúnmente en ingeniería aeroespacial , ingeniería mecánica e ingeniería civil para gestionar la extensión de grietas en la estructura mediante la aplicación de los principios de la mecánica de fracturas . Se considera que una estructura es tolerante al daño si se ha implementado un programa de mantenimiento que dará como resultado la detección y reparación de daños accidentales, corrosión y agrietamiento por fatiga antes de que dichos daños reduzcan la resistencia residual de la estructura por debajo de un límite aceptable.
Hace tiempo que se reconoce que las estructuras de las que depende la vida humana necesitan un elemento de seguridad . Al describir su máquina voladora, Leonardo da Vinci señaló que "al construir alas, se debe hacer una cuerda que soporte la tensión y otra más suelta en la misma posición, de modo que si una se rompe bajo la tensión, la otra esté en posición de cumplir la misma función". [1]
Antes de la década de 1970, la filosofía de ingeniería predominante en las estructuras de aeronaves era garantizar que la aeronavegabilidad se mantuviera con una sola pieza rota, un requisito de redundancia conocido como seguridad ante fallas . Sin embargo, los avances en la mecánica de fracturas , junto con fallas catastróficas por fatiga infames como las del de Havilland Comet, impulsaron un cambio en los requisitos para las aeronaves. Se descubrió que un fenómeno conocido como daño en múltiples sitios podía causar que muchas grietas pequeñas en la estructura, que crecen lentamente por sí solas, se unieran entre sí con el tiempo, creando una grieta mucho más grande y reduciendo significativamente el tiempo esperado hasta la falla [2].
No todas las estructuras deben demostrar una propagación detectable de grietas para garantizar la seguridad de la operación. Algunas estructuras operan bajo el principio de diseño de vida segura , donde se acepta un nivel extremadamente bajo de riesgo a través de una combinación de pruebas y análisis de que la pieza nunca formará una grieta detectable debido a la fatiga durante la vida útil de la pieza. Esto se logra a través de una reducción significativa de las tensiones por debajo de la capacidad de fatiga típica de la pieza. Las estructuras de vida segura se emplean cuando el costo o la inviabilidad de las inspecciones superan la penalización de peso y los costos de desarrollo asociados con las estructuras de vida segura. [1] Un ejemplo de un componente de vida segura es la pala del rotor del helicóptero . Debido a la cantidad extremadamente grande de ciclos que soporta el componente giratorio, una grieta indetectable puede crecer hasta una longitud crítica en un solo vuelo y antes de que la aeronave aterrice, lo que resulta en una falla catastrófica que el mantenimiento regular no podría haber evitado.
Para garantizar el funcionamiento seguro y continuo de la estructura resistente a los daños, se diseñan programas de inspección que se basan en muchos criterios, entre ellos:
Estos factores afectan el tiempo que la estructura puede funcionar normalmente en la condición dañada antes de que uno o más intervalos de inspección tengan la oportunidad de descubrir el estado dañado y efectuar una reparación. El intervalo entre inspecciones debe seleccionarse con un cierto mínimo de seguridad y también debe equilibrar el costo de las inspecciones, la penalización de peso de reducir las tensiones de fatiga y los costos de oportunidad asociados con una estructura fuera de servicio para mantenimiento.
Los fabricantes y operadores de aeronaves, trenes y estructuras de ingeniería civil como puentes tienen un interés financiero en garantizar que el programa de inspección sea lo más rentable posible. En el ejemplo de las aeronaves, debido a que estas estructuras a menudo generan ingresos, existe un costo de oportunidad asociado con el mantenimiento de la aeronave (pérdida de ingresos por boletos), además del costo del mantenimiento en sí. Por lo tanto, se desea que este mantenimiento se realice con poca frecuencia, incluso cuando tales intervalos aumentados causan una mayor complejidad y costo de la revisión. El crecimiento de grietas, como lo demuestra la mecánica de fracturas , es de naturaleza exponencial; lo que significa que la tasa de crecimiento de grietas es una función de un exponente del tamaño actual de la grieta (consulte la ley de Paris ). Esto significa que solo las grietas más grandes influyen en la resistencia general de una estructura; los pequeños daños internos no necesariamente disminuyen la resistencia. El deseo de intervalos de inspección poco frecuentes, combinado con el crecimiento exponencial de grietas en la estructura, ha llevado al desarrollo de métodos de prueba no destructivos que permiten a los inspectores buscar grietas muy pequeñas que a menudo son invisibles a simple vista. Entre los ejemplos de esta tecnología se incluyen las inspecciones por corrientes de Foucault , ultrasonidos , líquidos penetrantes y rayos X. Al detectar grietas estructurales cuando son muy pequeñas y crecen lentamente, estas inspecciones no destructivas pueden reducir la cantidad de controles de mantenimiento y permitir detectar los daños cuando son pequeños y aún económicos de reparar. Como ejemplo, dicha reparación se puede lograr perforando un pequeño orificio en la punta de la grieta, convirtiendo así efectivamente la grieta en una muesca en forma de ojo de cerradura . [3]