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 realizar 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 fractura . Se considera que una estructura es tolerante al daño si se ha implementado un programa de mantenimiento que resulte en la detección y reparación de daños accidentales, corrosión y grietas por fatiga antes de que dichos daños reduzcan la resistencia residual de la estructura por debajo de un límite aceptable.
Desde hace tiempo 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, uno debe hacer una cuerda para soportar 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 servir a la fuerza". misma función." [1]
Antes de la década de 1970, la filosofía de ingeniería predominante en las estructuras de las aeronaves era garantizar que se mantuviera la aeronavegabilidad con una sola pieza rota, un requisito de redundancia conocido como seguridad contra fallas . Sin embargo, los avances en la mecánica de fracturas , junto con las famosas fallas catastróficas por fatiga, como las del cometa De Havilland, provocaron un cambio en los requisitos para los aviones. Se descubrió que un fenómeno conocido como daño en múltiples sitios podría causar que muchas pequeñas grietas en la estructura, que crecen lentamente por sí mismas, 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 de riesgo extremadamente bajo mediante 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 mediante 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 por peso y los costos de desarrollo asociados con las estructuras de vida segura. [1] Un ejemplo de componente que salva vidas es la pala del rotor de un helicóptero . Debido al número 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 el avión 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 tolerante a daños, se elaboran programas de inspección. Este cronograma se basa en muchos criterios, que incluyen:
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 por reducir las tensiones de fatiga y los costos de oportunidad asociados con una estructura que está fuera de servicio por mantenimiento.
Los fabricantes y operadores de aviones, 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 suelen generar 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, es deseable que este mantenimiento se realice con poca frecuencia, incluso cuando dichos intervalos aumentados provocan una mayor complejidad y coste de la revisión. El crecimiento de las grietas, como lo muestra la mecánica de las fracturas , es de naturaleza exponencial; lo que significa que la tasa de crecimiento de las grietas es función de un exponente del tamaño actual de las grietas (consulte la ley de París ). Esto significa que sólo las grietas más grandes influyen en la resistencia general de una estructura; pequeños daños internos no necesariamente disminuyen la resistencia. El deseo de intervalos de inspección poco frecuentes, combinado con el crecimiento exponencial de las grietas en las estructuras, 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. Ejemplos de esta tecnología incluyen inspecciones por corrientes de Foucault , ultrasonidos , tintes penetrantes y rayos X. Al detectar grietas estructurales cuando son muy pequeñas y crecer lentamente, estas inspecciones no destructivas pueden reducir la cantidad de controles de mantenimiento y permitir detectar daños cuando son pequeños y aún económicos de reparar. Por 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]