2. permisibles de diseño.pdf

Departamento de Materiales y Produccin Aeroespacial

Mster Ing. Aeroespacial, curso 2014-2015 Tema 5: Permisibles de diseo 00

Jos Mara Pintado Sanjuanbenito

Permisibles de diseo (Design allowables)

o valores de diseo

Materiales compuestos:

CERTIFICACION:!

Validar el diseo estructural y garantizar la integridad estructural del sistema durante su

vida en servicio





Los permisibles de diseo son un requisito de la autoridad de certificacin FAA, EASA, para

certificar las estructuras aeronuticas

FAR 25-613

RESISTENCIA DEL MATERIAL Y VALORES DE DISEO

Seccin 613: Propiedades de resistencia y valores de diseo del material

a) Las propiedades de resistencia del material deben estar basadas en suficientes ensayos de material que renan las especificaciones aprobadas para establecer valores de diseo de base estadstica.

b) Los valores de diseo deben ser elegidos para minimizar la probabilidad de fallo estructural debido a la irregularidad del material. Excepto por lo dicho en e), el cumplimiento de este prrafo debe ser mostrado seleccionando valores de diseo que aseguren la resistencia del material con la siguiente probabilidad:

1) Donde las cargas aplicadas estn finalmente distribuidas a travs de un nico miembro dentro de un conjunto, el fallo del cual ocasionara la prdida de la integridad estructural del componente: 99% con 95% de confianza.

2) En estructura redundante, donde el fallo de elementos individuales resultara en cargas aplicadas distribuidas de forma segura en otros elementos portantes de cargas, 90% con 95% de confianza.

c) Los esfuerzos permisibles debidos a los efectos de temperatura usados para el diseo de un componente esencial o estructura deben ser considerados donde los efectos trmicos sean significativos en condiciones normales de operacin.

d) La resistencia, el diseo detallado y la fabricacin de la estructura deben minimizar la probabilidad de fallo fatal por fatiga, en particular sobre los puntos de concentracin de esfuerzos.

e) Valores de diseo mayores deben ser usados si se hace una seleccin premium del material donde una muestra de cada elemento es ensayada antes de su uso para determinar que las propiedades actuales de resistencia de este elemento sern iguales o excedern las usadas en diseo.

Seccin 613: Propiedades de resistencia y valores de diseo del material

Seccin 603: Materiales

La idoneidad y durabilidad de los materiales usados para partes, en los que su fallo afectara negativamente a la seguridad, deben:

a) Estar establecidas en base a la experiencia o ensayos.

b) Ser conformes a especificaciones aprobadas (como especificaciones industriales o militares, o Technical Standard Orders) que aseguren que tienen la resistencia y otras propiedades asumidas en los datos de diseo.

c) Tener en cuenta los efectos de las condiciones ambientales, como temperatura y humedad, esperadas durante el servicio.



(a) Material strength properties must be based on enough tests of material meeting approved specifications to establish design values on a statistical basis. (b) Design values must be chosen to minimize the probability of structural failures due to material variability. Except as provided in paragraph (e) of this section, compliance with this paragraph must be shown by selecting design values which assure material strength with the following probability: (1) Where applied loads are eventually distributed through a single member within an assembly, the failure of which would result in loss of structural integrity of the component, 99 percent probability with 95 percent confidence. (2) For redundant structure, in which the failure of individual elements would result in applied loads being safely distributed to other load carrying members, 90 percent probability with 95 percent confidence.

SECCIN 613: PROPIEDADES DE RESISTENCIA Y VALORES DE DISEO DEL MATERIAL



(c) The effects of temperature on allowable stresses used for design in an essential component or structure must be considered where thermal effects are significant under normal operating conditions. (d) The strength, detail design, and fabrication of the structure must minimize the probability of disastrous fatigue failure, particularly at points of stress concentration. (e) Greater design values may be used if a "premium selection" of the material is made in which a specimen of each individual item is tested before use to determine that the actual strength properties of that particular item will equal or exceed those used in design.

SECCIN 613: PROPIEDADES DE RESISTENCIA Y VALORES DE DISEO DEL MATERIAL



The suitability and durability of materials used for parts, the failure of which could adversely affect safety, must: (a) Be established on the basis of experience or tests; (b) Conform to approved specifications (such as industry or military specifications, or Technical Standard Orders) that ensure their having the strength and other properties assumed in the design data; and (c) Take into account the effects of environmental conditions, such as temperature and humidity, expected in service.

SECCIN 603: MATERIALES

MATERIALES COMPUESTOS:!Datos de filtrado o muestreo.!Datos de calificacin Datos de aceptacin Datos de equivalencia!Datos de diseo (permisibles de diseo)!

PARTE INTEGRAL DEL PROCESO DE CERTIFICACION

ENSAYOS MATERIAL



VALIDACIN DE EFECTOS MEDIOAMBIENTALES

1. BAJA TEMPERATURA / SECO (-55C/0%) 2. TEMPERATURA AMBIENTE / SECO (23C/0%) 3. (TEMPERATURA AMBIENTE / SATURADO) 4. ALTA TEMPERATURA / SECO (90C/0%) 5. ALTA TEMPERATURA / SATURADO

Otros efectos: radiacin UV, combustible, hidralico, niebla salina, anticongelante, etc.



PROPIEDADES MECNICAS BSICAS DE LA LMINA

! Mdulo, resist. y rel. Poisson en traccin 0 ! Mdulo y resistencia en traccin 90

! Mdulo y resistencia en compresin 0 ! Mdulo y resistencia en compresin 90

! Mdulo y resistencia a cortadura en el plano

! Resistencia aparente a cortadura interlaminar

ASTM D 3039

ASTM D 6641

ASTM D 3518

ASTM D 2344



Sin defecto

Orificio abierto

Traccin

Compresin

Traccin

Compresin

Orificio lleno

Transfer. carga

Traccin

Compresin

Traccin

Compresin

LAMINADO Familia [0/45/90]

Resistencia

ngulo 0 45 90QI 25 50 25Rgido 50 40 10"Blando" 10 80 10

% lminas

ASTM D 5961

ASTM D 6742

ASTM D 5766 y 6484

ASTM D 3039 y 6641



CARACTERIZACIN DE MATERIALES COMPUESTOS: DIFERENTE Y A MENUDO DIFCIL.

ANISOTROPA ( media; dispersin)

INHOMOGENEIDAD

SENSIBILIDAD AL MEDIO AMBIENTE

MODOS DE FALLO COMPLICADOS, NO INTUITIVOS

METODOLOGA DE ENSAYO EN EVOLUCIN



ASTM D 4762 Standard Guide for Testing Polymer

Matrix Composite Materials



ASPECTO CRTICO: TOLERANCIA AL DAO IMPACTO

MODO CRTICO CARGA: COMPRESIN

IMPACTO

Distribucin piramidal de grietas por cortadura en la matriz desde el punto del impacto



ENSAYOS PARA CARACTERIZAR PROPIEDADES DE TOLERANCIA AL DAO: 1)COMPRESIN DESPUS DE IMPACTO (CAI) 2)TRACCIN CON ORIFICIO ABIERTO (Open-

Hole).

3)COMPRESIN CON ORIFICIO ABIERTO. 4)CRECIMIENTO INTERLAMINAR DE GRIETAS

(VDV, FEF, FMM, etc,).

5)DELAMINACIN DE BORDE (Traccin desalin).



Efectos de temperatura y humedad se tienen en cuenta en valores de diseo y resistencias.

Building Block Approach Probetas

Elementos Uniones

Paneles pequeos Paneles grandes Subcomponentes

Componentes Estructura completa

(Full scale)

(cientos)

(miles)

(docenas)

Medio ambiente

Probetas y elementos Propiedades mecnicas Concentraciones de tensiones Duracin Uniones Resistencia al dao Tolerancia al dao Variables medioambientales

MATERIALES ANLISIS

Grandes paneles y Componentes Validacin de conceptos de diseo Verificacin mtodos analticos Justificacin de valores de diseo Conformidad con criterios Capacidad de prediccin de los

modelos de elementos finitos



Seccin 605: Mtodos de fabricacin

a) Los mtodos de fabricacin usados deben producir una estructura consistentemente slida. Si un proceso de fabricacin (pegado, soldadura por puntos o tratamiento trmico) requiere un control exhaustivo para lograr este objetivo, el proceso debe ser llevado a cabo bajo una especificacin de proceso aprobada.

b) Cada mtodo nuevo de fabricacin de aeronaves debe estar basado en un programa de ensayos.



(a) The methods of fabrication used must produce a consistently sound structure. If a fabrication process (such as gluing, spot welding, or heat treating) requires close control to reach this objective, the process must be performed under an approved process specification. (b) Each new aircraft fabrication method must be substantiated by a test program.

SECCIN 605: MTODOS DE FABRICACIN

CARACTERIZACIN DEL MATERIAL: Proceso de evaluacin del material, empleando mtodos de ensayo normalizados y habindolo procesado de idntica

forma a como se vayan a fabricar los elementos estructurales, para establecer sus caractersticas de

comportamiento y emplear los resultados de la evaluacin para definir los requisitos de la especificacin del material, obtener valores de diseo, validar procesos, determinar

niveles de calidad, etc..

PLAN DE ENSAYOS Propiedades a evaluar

Mtodos de ensayo

Condiciones Medioamb.



ESPECIFICACIONES DE MATERIALES:

Definen atributos del material Definen ensayos de calificacin Son el PPT adquisicin material

ESPECIFICACIONES DE PROCESOS:

Definen y controlan procesos de conversin del material en

elementos estructurales

Ensayos probetas Lmina Laminado CALIFICACIN

MATERIAL ELEMENTO

CLAVE

Building Block Approach



ESFUERZOS O DEFORMACIONES

REALES EN LA ESTRUCTURA!(Factor Seguridad)!

INTEGRIDAD ESTRUCTURAL

VALORES DE DISEO

DEL MATERIAL X

ENSAYOS



... el cumplimiento ... debe ser mostrado seleccionando valores de diseo que aseguren la resistencia del material con la siguiente probabilidad:

1) Donde las cargas aplicadas estn finalmente distribuidas a travs de un nico miembro dentro de un conjunto, el fallo del cual ocasionara la prdida de la integridad estructural del componente: 99% con 95% de confianza.

2) En estructura redundante, donde el fallo de elementos individuales resultara en cargas aplicadas distribuidas de forma segura en otros elementos portantes de cargas, 90% con 95% de confianza.



! compliance ! must be shown by selecting design values which assure material strength with the following probability: (1) Where applied loads are eventually distributed through a single member within an assembly, the failure of which would result in loss of structural integrity of the component, 99 percent probability with 95 percent confidence. (2) For redundant structure, in which the failure of individual elements would result in applied loads being safely distributed to other load carrying members, 90 percent probability with 95 percent confidence.

VALOR DE DISEO:!Mnimo valor de una determinada

propiedad de un material!Valor estadstico:!

base-A (99/95) y base-B (90/95)!PROPIEDAD!MATERIAL!

VARIABLE!ALEATORIA!

Distribucin!probabilidad!

PROBLEMA: Conocer distribucin probabilidad (POBLACION)!APROXIMACION: Estimacin con muestras de tamao n!



Valor base-B

90%

Valor base-A

99%

Propiedad

Prob

abili

dad

B = X - kBs A = X - kAs

(95%)



POBLACIN 1:

Media = 2000 MPa; CV = 6% (D.S. = 120 MPa)

Valor base B = 2000 -1,282 x 120 = 1846 MPa.

Si el FS es 1,5 Valor diseo = 1231 MPa

Valor base A = 2000 -2,326 x 120 = 1721 MPa.


Empleando el valor medio:

Si el FS es 3 Valor diseo = 667 MPa (SOBREPESO)

Si el FS es 1,5 Valor diseo = 1333 MPa (INSEGURO)



POBLACIN 2:

Media = 2000 MPa; CV = 12% (D.S. = 240 MPa)

Valor base B = 2000 -1,282 x 240 = 1692 MPa.


Valor base A = 2000 -2,326 x 240 = 1442 MPa.





Si el FS es 2 Valor diseo = 1000 MPa (INSEGURO)A



MUESTRA 1:

N = 6; Media = 2000 MPa; CV = 6% (D.S. = 120 MPa)

Valor base B = 2000 - 3,007 x 120 = 1639 MPa.


Valor base A = 2000 - 5,062 x 120 = 1393 MPa.







MUESTRA 2:

N = 6; Media = 2000 MPa; CV = 12% (D.S. = 240 MPa)

Valor base B = 2000 - 3,007 x 240 = 1278 MPa.


Valor base A = 2000 - 5,062 x 240 = 785 MPa.



Si el FS es 3 Valor diseo = 667 MPa (INSEGURO)


Si el FS es 2 Valor diseo = 1000 MPa (INSEGURO)



ITER PRECOMPRESSION RING DESIGN CRITERIA

COMO REGLA GENERAL:

!Valores Diseo mdulos

!Valores Diseo resistencias

!Propiedades dominadas fibra

!Propiedades dominadas matriz

Valor medio

Valor base-A -B

Normalizadas

No-normalizadas





1932

1669

1472

1818

1600

1359

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

RES

ISTE

NC

IA (

MP

A)

Resistencia mediaValor "B"Valor "A"

Valores medidos! Valores normalizados!

Definicin

NORMALIZACIN: procedimiento para ajustar los valores experimentales obtenidos en los ensayos a un valor especfico de contenido volumtrico en fibra.

Valor normalizado = Valor ensayo ! [ (Vf)normal / (Vf)probeta ]

Las etapas previas al tratamiento de los datos experimentales para llegar a la obtencin de los valores

de diseo son:

1) NORMALIZACIN DE RESULTADOS. 2) IDENTIFICACIN Y TRATAMIENTO DE VALORES EXTREMOS.



VALORES EXTREMOS (OUTLIERS)!

Observacin que parece desviarse claramente del resto de observaciones de la misma muestra.

" Mera manifestacin extrema de variabilidad inherente a la muestra.

" Observacin errnea por diversos motivos o proveniente de otra poblacin.

PRECAUCIN!!



No deben tratarse slo en base a criterios estadsticos puros.

Fundamental el criterio y experiencia del experi-mentador.

Una vez determinado estadsticamente que una observacin es valor extremo Qu hacer?: Naturalmente y lo primero: Buscar una causa

convincente. Si no se halla: Suprimir?Censurar?Aadir

valor nuevo ensayo?Mantener el valor?

VALORES EXTREMOS (OUTLIERS)!



Posibles causas de valores extremos: !Material o constituyente fuera de especificacin. !Parmetros de fabricacin fuera de intervalo de tolerancias. !Dimensiones u orientacin de probeta fuera de tolerancia. !Presencia de un defecto en la probeta. !Errores de acondicionamiento de probetas. !Montaje incorrecto de utillajes o equipo de ensayo. !Incorrecta colocacin de la probeta en el utillaje de ensayo. !Parmetros de ensayo fuera de tolerancias. !Deslizamiento de probeta entre mordazas. !Modo de fallo de la probeta no acorde con el buscado en el

ensayo (despegue de tacones, pandeo, etc.). !Datos incorrectamente normalizados. !Etc.



MATERIAL

PROCESO Estable y

Consistente

PANELES ENSAYOS Especificacin

Proceso

RESPUESTA EN SERVICIO ATRIBUTOS

I.N.D.

Espec.IND

Especif. Material



LOTE 1

PANEL 1A

PANEL 1B

5 probetas 5 probetas

LOTE 2

PANEL 2A

PANEL 2B


LOTE 3

PANEL 3A

PANEL 3B


MUESTREO PROBETAS



Comprobar existencia de valores extremos

Comprobar diferencia entre lotes distintos NO

Muestra no estructurada

Weibull

Normal

ANOVA Comprobar diferencia entre varianzas muestras

Valor A B !

SI

SI NO

Otras





TIPO DE DISTRIBUCIN?

Prueba de Anderson Darling: XITO

POBLACIN NICA 1

WEIBULL

2 NORMAL

3 LOGNORMAL

Muestra grande (n>27) Mtodo no paramtrico

Muestra pequea (n0,05?

S NO

Prueba de Anderson Darling: FALLO

DIFERENTES POBLACIONES

MISMA VARIANZA?

S NO

Mtodo ANOVA

A) Campaa adicional.

B) Valor preliminar conservat. A) N lotes ! 5

B) 3 " N lotes < 5 C) N lotes = 2

ANOVA, pero !

Muestra pequea



CONSECUENCIAS NO IGUALDAD VARIANZAS: ! Debe investigarse la causa de la elevada dispersin de resultados. ! De hallarse la causa (error en condiciones de ensayo, probetas

defectuosas, etc.), ha de ser corregida si fuera posible.

! Aun cuando no se halle causa evidente, los resultados pueden descartarse si son claramente errneos, pero esa decisin DEBE quedar registrada y documentada.

! Si la causa se debi a una inadecuada manipulacin de los resultados,DEBEN comprobarse el resto de resultados para descartar que estuvieran afectados por el mismo error.

! Todos los datos, originales y corregidos, deben mantenerse a efectos de trazabilidad.

! De no poderse eliminar de forma razonable ninguno de los conjuntos de resultados, NO PUEDEN CALCULARSE VALORES DE DISEO MEDIANTE LOS MTODOS CONVENCIONALES.





STAT17F.xlsRevision 5, Released 1/8/08 Run date: 21/10/14

Some Wonderful Material 34,06956482 34,06956482 34,65999985 32,4 32,97142873 35,68571418Some Great Property 0 5 1 2 3 4Some Exotic Environment 29,87751198 29,87751198

0 5Data Set 1 Data Set 2 Data Set 3 Data Set 4

Batch Spec. No. Value Batch Spec. No. Value Batch Spec. No. Value Batch Spec. No. Value1 2 32,09999847 1 2 2 29 2 3 6 31,20000076 3 4 4 33,400001531 1 34,20000076 1 2 1 30,79999924 2 3 7 31,60000038 3 4 8 341 5 35,09999847 1 2 3 34,40000153 2 3 2 32,29999924 3 4 7 34,900001531 3 35,90000153 1 2 4 35,5 2 3 3 32,70000076 3 4 2 35,200000761 4 36 1 3 4 32,90000153 3 4 5 36,59999847

N 4 3 5 35 3 4 6 37,59999847N 5 Minimum 29 3 1 35,09999847 3 4 9 38,09999847Minimum 32,09999847 Maximum 35,5Maximum 36 Mean 32,4 N 7 N 7Mean 34,7 Std. Dev. 3,04 Minimum 31,20000076 Minimum 33,40000153Std. Dev. 1,60 C.V. (%) 9,38 Maximum 35,09999847 Maximum 38,09999847C.V. (%) 4,63 Mean 33,0 Mean 35,7

Std. Dev. 1,54 Std. Dev. 1,79C.V. (%) 4,66 C.V. (%) 5,02




29,000

30,000

31,000

32,000

33,000

34,000

35,000

36,000

37,000

38,000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

PRO

PER

TY V

ALU

E

PERCENT RANKED DATA

QUANTILE BOX PLOT Some Wonderful Material, Some Great Property, Some Exotic Environment




0

1

2

3

4

5

26 28 30 32 34 36 38 40

DAT

A SE

T N

UM

BER

DATA VALUE

DATA SET RANGE PLOT Some Wonderful Material, Some Great Property, Some Exotic Environment

= Set Averages = Recommended B-basis =Mean

Anlisis estadstico:

Manipulacin de datos ambiguos empleando

mtodos dudosos para tratar de resolver un problema sin

definir



2. permisibles de diseño.pdf

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