Prueba de la resistencia de los tubos conformados mediante ensayos mecánicos de curvatura

Tubos de acero inoxidable: ductilidad impresionante que proporciona resistencia y conformabilidad

La mayoría de los tubos que fabricamos en Timeless Tube son de acero inoxidable por varias razones: es fuerte, flexible y resistente a la corrosión, y permite una gran variedad de acabados. En comparación con otros materiales, sale mejor parado en cualquier análisis de costes del ciclo de vida, lo que lo convierte en una opción sostenible.

Los aceros inoxidables se comportan bien en los ensayos de compresión y carga axial debido a su impresionante ductilidad, pero son más complejos que los aceros al carbono. Factores como el grado del acero inoxidable y los procesos de fabricación utilizados antes de la prueba (como el conformado en frío) afectan a la forma de la curva de tensión-deformación observada en las pruebas.  

Las pruebas mecánicas de flexión/carga axial realizadas en condiciones controladas, combinadas con los años de conocimientos adquiridos en nuestro taller, nos permiten predecir con seguridad qué perfiles serán estructuralmente sólidos antes de fabricar un nuevo tamaño o forma.

En este artículo se analizan dos de estas pruebas mecánicas de curvatura, así como los cálculos típicos de radio de curvatura que utilizamos para determinar qué "radios de curvatura" soportarán los tubos conformados antes de pandearse cuando sea necesario seguir curvándolos durante la fabricación.

Pruebas de deformación mecánica de los perfiles perfilados de Timeless Tube

 Timeless ha demostrado la resistencia de nuestros perfiles tubulares de forma única probando hasta qué punto se desvían los tubos de acero inoxidable 316/L de 1 m de longitud cuando se aplica una fuerza descendente de 400 kg en el punto medio del tubo sobre un área de contacto de 50 mm contra el eje principal del tubo.

Esta prueba de deflexión independiente evaluó los efectos de una fuerza de carga axial sobre cada perfil, utilizando el tubo redondo como control. (Probamos la fuerza de carga axial porque es posiblemente la fuerza más común aplicada a nuestros tubos, en aplicaciones como pasamanos, tiradores de puertas y portaequipajes de ferrocarril). Las distintas curvas de tensión-deformación de cada perfil mostraron diferentes puntos de deformación en respuesta a la carga de compresión.

Estos experimentos cuidadosamente controlados demuestran que nuestras formas de perfil únicas superan al tubo redondo estándar a partir del cual se forman, ofreciendo una mayor resistencia e integridad. De hecho, el tubo ovalado de lados planos y el tubo cuadrado radiado (enrasado) resultaron hasta un 54% más resistentes que el tubo redondo en estas pruebas de deflexión.

 Más información sobre estas pruebas de deformación independientes.

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Ensayos de flexión en tres puntos de una sección hueca ovalada para justificar su uso en aplicaciones de ingeniería estructural

 El profesor Leroy Gardner, del Imperial College de Londres, junto con otros colegas, ha llevado a cabo exhaustivas pruebas con secciones huecas ovaladas de acero inoxidable utilizando algunos tubos ovalados de gran tamaño, como el nuestro de 86x58x3 mm, todos ellos con una relación de aspecto de aproximadamente 1,5. Los resultados de Gardner y otros han contribuido a justificar la inclusión de la sección hueca ovalada como material estructural viable en el Manual de diseño de acero inoxidable estructural.

En el artículo de 2009 "Flexural behaviour of stainless steel oval hollow sections", de M. Theofanous, T. M. Chan y L.Gardner, , se utilizaron tres tamaños de tubos ovalados de Timeless laminados en frío y soldados por costura -121x76x2 mm, 121×76×3 mm y 86×58×3 mm- en ensayos de flexión en tres puntos en el plano para "abarcar una variedad de valores de esbeltez de la sección y cubrir una gama de respuestas estructurales". Las pruebas incluyeron un ensayo de flexión de eje mayor y otro de eje menor para cada tamaño de tubo.

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Los resultados han contribuido a cambiar las posibilidades de los ingenieros estructurales, ya que han demostrado que la sección hueca ovalada puede adoptarse con seguridad de acuerdo con los mismos límites de esbeltez codificados para la sección hueca circular de acero inoxidable junto con los diámetros equivalentes propuestos. Los experimentos controlados pusieron de manifiesto el efecto de la relación de aspecto, la esbeltez de la sección transversal y el gradiente de momento en la capacidad de resistencia y deformación. En combinación con las pruebas existentes y los ensayos de EF, los resultados son de una lectura convincente.

Véase el dibujo 5.2 del Manual de diseño de acero inoxidable estructural para los cálculos que pueden utilizar los ingenieros estructurales para determinar con seguridad qué perfiles huecos ovalados pueden utilizarse en aplicaciones estructurales.

Curvado radial de tubos  

Como fabricantes de tubos, a menudo se nos pide que los doblemos para aplicaciones muy variadas, desde los raíles de los púlpitos de los barcos hasta los guardabarros que rodean los grandes ventiladores de los platós de cine. A veces, las curvas solicitadas se pueden conseguir, y otras son demasiado cerradas. (Cuando las curvas solicitadas se consideran demasiado cerradas, nuestro equipo de fabricación puede encontrar a menudo otras formas de unir el tubo). 

Cuando hay que doblar un tubo ovalado, utilizamos cálculos tanto de modelos matemáticos como de nuestros propios datos empíricos para averiguar si el radio de esa curva será posible, o si es demasiado cerrado. Si el ángulo de curvatura es demasiado cerrado, el acero inoxidable sobrepasará sus límites elásticos, lo que provocará arrugas o cizalladuras.  

El curvado en el plano A (curvado en el eje menor u horizontal) es siempre más fácil que el curvado en el plano B (curvado en el eje mayor u vertical). En la industria de tubos y tuberías se suele hablar de curvado "difícil" y curvado "fácil".

Utilizamos distintos métodos para curvar tubos en función del tipo de curvatura que se necesite: una máquina de triple rodillo para curvas amplias y una curvadora de radio fijo para curvas más cerradas. Cada herramienta de curvado a la que tenemos acceso -fabricada específicamente para cada tamaño de perfil- tiene sus propias capacidades de curvado. A título orientativo, un tubo que deba curvarse en el plano A o en el plano B con una curvadora de radio fijo necesitará un radio mínimo de 2,75 veces la dimensión del eje. Pero el radio mínimo de la línea central variará en función del tamaño y la forma del perfil.

Experimentar con el grosor de la pared del tubo también es importante a la hora de lograr la curvatura óptima. Aumentar el grosor de la pared del tubo requiere más fuerza para lograr la curvatura deseada, pero significa que el tubo es menos susceptible de colapsarse que un tubo con un grosor de pared más fino.

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Experimentamos con nuevos perfiles para probar su capacidad de curvado, como el relativamente recién llegado rectángulo redondeado. El perfil rectangular fotografiado, que mide 58x34x1,5 mm, se pasó por una máquina de triple rodillo para ver hasta dónde podíamos doblarlo antes de que se produjera el estrangulamiento.

En realidad, incluso sin consultar ninguna tabla de curvatura de radio central, nuestros experimentados fabricantes pueden determinar rápidamente a partir de los planos de ingeniería si las curvaturas parecen viables. Si tiene necesidades de curvado, hable con nuestro equipo para estudiar las posibilidades de su aplicación.

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