en Geotecnia

El Criterio de Rotura de Griffith, la importancia de las microfisuras

Se ha dicho ya alguna vez por aquí que “en Mecánica de Rocas lo importante es lo que no es roca”, lo cual es válido también para los criterios de rotura.

En Mecánica de Rocas se utilizan muchos criterios de rotura. Dependiendo del caso, tenemos el de Von Mises, Mohr-Coulomb, Tresca, Hoek-Brown, Drucker-Prager… y también el criterio de rotura de Griffith, muy útil para explicar por qué determinados materiales frágiles rompen bajo tensiones menores de lo que cabría esperar, como el vidrio.

El vidrio es un material peculiar, a escala microscópica es realmente fuerte, pero a escala macroscópica ya no lo es tanto, de ahí que llamará la atención de un ingeniero aeronáutico inglés, Alan Arnold Griffith, que entre 1920 y 1924 propuso un modelo de propagación según el cual todo se debía a pequeñas roturas microscópicas provocadas por concentraciones de esfuerzos en microfisuras o imperfecciones del material, que se iban uniendo (propagando) entre sí hasta provocar la rotura.

¿Ocurre así en la realidad?

Bueno, Griffith lo explicó todo en términos de energías potenciales y densidades de energías de deformación (creando lo que hoy llamamos mecánica de fractura) pero, si… se podría decir que en materiales isótropos y más o menos frágiles, como algunas rocas, ocurre más o menos así.

A modo de ejemplo (no del todo correcto), este vídeo en el que, poco a poco y golpe a golpe (nunca mejor dicho) se van abriendo, profundizando y propagando las fracturas (con chasquidos que pueden oírse) hasta unirse y partir totalmente la pieza, eso si, todo con muuuucha calma, sin prisas.

 

Un segundo ejemplo con una pieza algo más manejable.

 

Post ideado tras ver el primer vídeo en geology.com


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Comentario

  1. Tengo entendido que esto se desarrolló para estudiar la rotura frágil en miembros de pared delgada de estructuras aeronáuticas en situaciones de concentración de tensiones.
    Yo no lo veo muy claro como criterio de diseño, a menos que ya se disponga de experiencia previa. Por cierto, a partir de qué ensayo se obtienen los valores de energía superficial específica para el material?

    • Pues si te digo la verdad, la mecánica de fractura es bonita, pero complicada como ella sola. No recuerdo bien con que ensayos se obtenían los factores de intensidad de tensiones característicos de un material, solo recuerdo que eran muy muy complejos y se obtenían a través de relaciones empíricas.
      Yo tampoco lo veo muy claro su aplicación a la mecánica de rocas…

      • Ya no es solamente el coeficiente de concentración de tensiones, que variará con cada caso, sino la tenacidad a la fractura propia del material.
        Esto puede estar bien para casos en los que tengas mucha experiencia previa o en los que preveas realizar prototipos pero, a la hora de prescribir las características mecánicas del material, no te soluciona nada.
        Al final tienes un valor teórico que sirve para un único caso (típicamente la existencia de una única grieta en un material homogéneo) y puede darte una idea pero, a saber…
        Y también está el detalle de dónde estableces el límite entre rotura dúctil o frágil, dónde deja de regir Tresca y empieza VonMisses, o Mohr Coulomb y Duncan-Chan…
        Dentro de la tendencia actual a hacer cada vez menos ensayos y confiar en modelos, esto es un problema. Sobre todo cuando pretendes obtener una explicación del comportamiento de un material cristalino a partir de modelos contínuos, o del comportamiento de una falla microscópica a partir de un modelo macroscópico (eso sí, usando elementos cuadrilaterales lagrangianos de 9 nodos -signifique lo que signifique esto- y diagramas con muchos colorines).

    • La aplicación de la mecánica de la fractura a la mecánica de rocas aún le queda mucho camino por andar… ya me dirás que factor de intensidad de tensiones aplicas a una roca con una geometría, fisuración y cargas actuantes prácticamente aleatorias.

      Sin embargo es una herramienta magnífica para comprender a nivel conceptual muchos fenómenos que la mecánica de los medios continuos “clásica” no explica. Por ejemplo las deformaciones diferidas y por colapso que se producen en pedraplenes.

  2. Joe Enrique, yo de mayor quiero encontrar esos vídeos como tu y escribir como tu jajaj. No había oído hablar de ese criterio, pero en mecánica de fractura como tu dices se desarrollan todos los temas transversales. El libro de mecánica de rocas de caminos de Madrid, que por cierto es horrible, trata todo esto pero es muy pesado y esta muy mal escrito, ¿Conoces algún libro de mecánica de rocas que merezca la pena?

    Un gran saludo.