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10 may 2017

INGENIERÍA DEL FALLO INDUCIDO

¿POR QUÉ NECESITAMOS CREAR UN FALLO?

Si buscamos el significado de “fallo”, por ejemplo, en WordReference, encontraremos como una de las acepciones más empleadas “pérdida de la resistencia de algo; mal funcionamiento” y si en nuestro buscador favorito realizamos una búsqueda para encontrar información acerca de fallos encontraremos multitud de sitios que vinculan el “fallo” a prácticas relacionadas con la obsolescencia programada, esa práctica cruel que condena a objetos, dispositivos o máquinas a perecer tecnológicamente bien sea porque una pieza absolutamente prescindible en su diseño ha dejado de funcionar, bien por falta de repuestos, por incapacidad para ser reparadas o por producirse una inversión en la horquilla de rentabilidad entre la compra de un objeto nuevo y el coste de la reparación.

ansysV12

SIMULACIÓN DE DEFORMACIÓN DINÁMICA CON ANSYS v12

Inducir un fallo es crear una singularidad, un punto débil, una heterogeneidad controlada dentro de un complejo mayor con un propósito. Alejándonos de los vericuetos que ha rodeado el mal uso del fallo con fines lucrativos encontramos toda una teoría fundamentada en postulados físicos, mecánicos, matemáticos, eléctricos…, que permite analizar las propiedades de un material, su geometría o su mecanización para conseguir que bajo determinadas condiciones de trabajo o carga, alcance su fallo.

Veamos cuán útil ha resultado este proceso en objetos cotidianos que empleamos, siendo conscientes o no de ello, con esta filosofía de trabajo.

El fallo inducido en los envases

Desde que existe el transporte de mercancías, las expediciones o las campañas bélicas, disponer de comida en condiciones saludables ha supuesto un hándicap que limitaba la capacidad del ser humano. Se encontró una primera solución en las latas de conserva cuando en 1810 Peter Durand diseñó un envase de hojalata que impedía la oxidación de los alimentos en su interior. Fue el comienzo de la industria envasadora y el punto de partida de numerosos envases para alimentos y refrescos. Sin embargo el gesto de sentarnos a ver nuestra serie favorita en la TV y abrir nuestra bebida con un dedo tuvo que esperar hasta 1963 cuando el ingeniero Ermal Cleon Fraze, responsable de la Dayton Reliable Tool Company, diseñó un punto de fallo en la envase, el zip-top, un remate en la tapa de la lata de bebida que era capaz de soportar la presión interna del gas carbónico pero que aplicando una fuerza de tracción sobre una anilla perforaba la superficie a modo de palanca por una zona precortada en forma de lágrima que tras ser retirada con poco esfuerzo permitía el vertido del líquido con suma facilidad. Había nacido el abrefácil, que habría de ser mejorado a partir de 1975 en distintos modelos posteriores para abaratar costes y mejorar el medioambiente al dejar fijada la anilla al cuerpo de la lata (obra del también ingeniero de la  Reynolds Metals,  Daniel F. Cudzik).

fallo inducido

PATENTES (1 y 2) DE ANILLAS EN LATA DE REFRESCO

El fallo inducido en la protección de circuitos

Imaginemos que ahora nos encontramos disfrutando de nuestra bebida enlatada favorita y caemos en la cuenta de lo refrescante que resulta. Pero, ¿cómo es que está fría? Como detectives tecnológicos prestamos atención a la red eléctrica que permite que todos los dispositivos eléctricos y electrónicos, incluido nuestro frigorífico, tengan energía para funcionar. El cable eléctrico que permite la circulación de portadores de carga desde la red pública hasta nuestros hogares está interrumpido al inicio de nuestra instalación por un dispositivo de seguridad llamado fusible que, como puede deducirse del nombre, está diseñado para poder fundirse, es decir, para que falle  bajo ciertas condiciones. La ley de Joule nos dice que un objeto incrementa su temperatura cuando lo hace la intensidad que lo recorre y esto supone que para que un filamento soporte más intensidad habrá de ser más resistente a la temperatura, a menos, que pretendamos lo contrario. Hay una relación directa entre la sección del conductor y la temperatura que provoca el fallo de un cable de un material dado (cobre, aluminio…). El fusible, que viene usándose desde 1774, consiste en un filamento de sección calibrada por el que se hace pasar toda la intensidad de cabecera de una fase de la instalación (habrá tantos fusibles como fases a proteger). El filamento ha sido calculado y ejecutado para que, si la intensidad, por cualquier motivo, excede la que la instalación soporta, produzca un fallo y se destruya fundiéndose por el exceso de temperatura interrumpiendo así el paso de corriente y salvaguardando la instalación, los elementos conectados a ella y, por ende, a los usuarios de la misma. Estos fusibles pueden encontrarse en la gran mayoría de dispositivos electrónicos, electrodomésticos, vehículos y máquinas eléctricas variando su tamaño y peso en función de los requisitos de la instalación. Un error de cálculo en su diseño podría tener consecuencias dramáticas.

INGENIERIA DEL FALLO INDUCIDO

FUSIBLE EUROPEO

El fallo inducido en los vehículos

Cuando estamos aparcando nuestro vehículo en nuestra miniplaza de garaje y ese fastidioso pilar “se mueve” hacia nosotros provocando una visible abolladura en la carrocería nuestro primer instinto es maldecir a quien diseñó y fabricó un coche tan frágil pensando con añoranza que “a los de antes no les pasaba eso”. Y es cierto que antes no pasaba esto pero porque los coches de antes sí que eran frágiles. Tanto, que ante un accidente de cierta importancia las lesiones para los ocupantes eran demasiado importantes. Para el lector con inclinación científica aportar que Galileo Galilei en su obra Discorsi e dimostrazioni matematiche, intorno a due nuove scienze attenenti alla meccanica & i movimenti locali  ya hablaba del “impeto” al que también se referiría  Sir Isaac Newton con el término latino motus. Ambos se estaban refiriendo a la magnitud física  cantidad de movimiento que relaciona la masa de un objeto con su velocidad de forma que su producto se mantiene constante en un sistema cerrado. Este principio implica que el impulso que recibe un vehículo cuando choca se transmite a sus ocupantes si no se puede disipar antes de alguna forma. La clave, como bien sabía Robert Hooke cuando formuló la ley física que lleva su nombre, está en la deformación.

FALLO INDUCIDO

CARROCERÍA DE DEFORMACIÓN PROGRAMADA

Los ingenieros de diseño de nuestros automóviles diseñan el vehículo con la premisa de disponer un habitáculo indeformable, lo que denominan la celda de seguridad, donde se encuentran los pasajeros, que suele incorporar extensiones de zonas seguras a elementos sensibles como el depósito de combustible. Lo que rodea a este armazón rígido es una estructura colapsable que se calcula para absorber gran parte de la energía acumulada en el choque y retráctil para evitar que la dirección, las ruedas o el propio motor accedan al interior del celda de seguridad. Esta filosofía de diseño (que recibe el nombre de carrocería de deformación programable) es la forma de introducir un fallo inducido en nuestro vehículo y su implementación ha salvado numerosas vidas y ha incrementado notablemente la seguridad en el transporte.

FALLO INDUCIDO

ESTRUCTURA DE CARROCERÍA DE DEFORMACIÓN PROGRAMADA

El fallo inducido contra la corrosión

En ambientes marinos el fenómeno de la corrosión puede minar la vida útil de las estructuras navales y otro tanto ocurre con estructuras metálicas que se encuentran en contacto directo con la tierra. Para evitar este efecto los ingenieros han empleado sus conocimientos sobre los mecanismos electroquímicos para idear una forma de provocar un fallo en una parte de la estructura para salvaguardar otra. La solución está en sacrificar un metal conductor externo a la estructura principal en beneficio de ésta.

FALLO INDUCIDO

ÁNODOS DE SACRIFICIO FIJADOS A ESTRUCTURA NAVAL

El principio de funcionamiento se conoce como protección catódica galvánica. En la corrosión (en la versión más general de las existentes)  se produce una migración de electrones del metal base por efecto oxidativo que le resta material a la masa metálica y estos electrones se combinan con las moléculas de agua para formar hidróxidos de hierro. Se producen células electroquímicas con zonas anódicas de oxidación  y catódicas de reducción y corrientes distribuidas desde aquéllas hasta el electrolito. Al incorporar otro metal mucho más anódico todo el flujo electrónico tenderá a fluir desde el nuevo ánodo siendo éste el que pierde densidad para salvaguardar el metal a proteger pues se convierte en cátodo en comparación con el sacrificado que es mucho más anódico que éste. Materiales como el magnesio, aluminio o cinc se usan mayoritariamente para proteger tanques de almacenamiento de agua, tuberías de transporte, estructuras petrolíferas, instalaciones de gasoductos, pasos de carretera, pilas de puentes o torres eléctricas.

FALLO INDUCIDO

TANQUE DE COMBUSTIBLE CON ÁNODOS DE SACRIFICIO EN ANILLO DE PICAS

Más recientemente en obras de ambientes agresivos se incorporan materiales como la cinta de malla de titanio para asegurar la protección galvánica de las propias armaduras de pilares y forjados de hormigón armado. La innovación, afortunadamente, no cesa en la ingeniería.

FALLO INDUCIDO

MALLA DE TITANIO FIJADA A ESTRUCTURA ARMADA DE HORMIGÓN

El fallo inducido en la lucha contra el fuego

Como ingeniero no puedo evitar mirar arriba cuando entro en algún nuevo recinto para husmear las instalaciones que se han empleado y aprender de las soluciones adoptadas. Si te ocurre lo mismo habrás observado en multitud de centros educativos, en industrias, en recintos feriales, en locales de pública concurrencia…, unas pequeñas ampollas de vidrio con un líquido coloreado en su interior que cuelgan del techo o están fijadas a la pared, en montaje de tubería vista o perdida. Estos elementos se llaman rociadores (sprinklers) y su función es romperse cuando se necesita. Son el “interruptor” que permite la salida de agua de la red diseñada para sofocar un incendio. La forma de trabajar es curiosa y sencilla. Se trata de aprovechar la dilatación de los fluidos con el incremento de temperatura para inducir un fallo en la ampolla de vidrio que los contiene. En caso de incendio, la temperatura aumenta rápidamente sobre la llama y hace que el líquido alojado dentro de la ampolla gane temperatura y dilate volumétricamente comprimiendo el aire que queda ocluído. La sobrepresión que experimente la pared de vidrio no puede ser soportada y al estallar, deja de ser un cierre hidráulico para el agua de la tubería que sale violentamente impactando contra un deflector que crea un efecto lluvia por causa del rebote.

Como podrás imaginar, calcular con precisión el punto de fallo del bulbo de vidrio atendiendo a la presión interior no es tarea sencilla pero pocas cosas lo son cuando se habla de soluciones técnicas en ingeniería.

FALLO INDUCIDO

ROCIADOR AUTOMÁTICO (SPRINKLER), LÍQUIDO ROJO (149ºC MÁX)

El fallo inducido para proteger estructuras

Una estructura presenta una confluencia de elementos que se encuentran unidos entre sí por uniones empotradas, rígidas, articuladas o mixtas. Del entramado estructural se puede deducir un comportamiento del conjunto ante las acciones que experimentará en su vida útil. Es imposible predecir todos los tipos de esfuerzos que experimentará la estructura a lo largo de toda su vida pues podrá sufrir cambios de uso, remodelaciones, distinta exposición a sobrecargas o acciones accidentales como el fuego, el sismo o el impacto. Los métodos de cálculo modernos permiten modelizar las estructuras ante diferentes escenarios de carga y realizar un dimensionamiento basado en su comportamiento global ante la posibilidad de coincidencia de estas acciones en el supuesto más desfavorable. Ante un incendio, el hormigón armado disminuye poderosamente su elasticidad pudiendo verse reducida su capacidad resistente hasta en un 30% a 500ºC con respecto a lo que soportaría a 20ºC.

En estructuras importantes, donde se ponen en riesgo numerosas vidas ante un escenario extremo de carga (imaginemos estadios deportivos, centros hospitalarios, campus universitarios, teatros…), los ingenieros pueden inducir el fallo de ciertas partes de la estructura en beneficio de  otras de mayor importancia. Así, los pórticos hiperestáticos de hormigón permiten redistribuir sus esfuerzos cuando alcanza la plastificación alguna sección dañada. Jugar con los tiempos de plastificación y la redistribución de las cargas hace posible crear zonas de rigidez variable en encuentros y articulaciones para conseguir que, en casos extremos, una parte secundaria de la estructura colapse antes que otra principal protegiendo a sus ocupantes.

fallo inducido

ESTADIO DE FÚTBOL. ZENTRALSTADION, LEIPZIG

Así pues, esto que he denominado ingeniería del fallo inducido nos es más cercana de lo que pensamos, está ahí, aun cuando no la percibimos, nos servimos de ella para mantenernos seguros y hacer nuestra vida más fácil. Es algo que no compete en exclusiva a una disciplina y estos casos son sólo una muestra no exhaustiva con la que prentendo que, desde ahora, apreciado lector, cuando se te averíe la lavadora una semana después de cumplirse el plazo de cobertura de la garantía no pienses que años y años de estudio de mucha gente cualificada sólo sirven para el propósito de la obsolescencia programada. Como has visto, sirve para mucho más…

Autor: JAVIER LUQUE  @fdetsocial

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Imágenes empleadas:

Cabecera, cortesía de ANSYS (http://www.ansys.com/)

http://www.google.st/patents/USRE27017

https://patentimages.storage.googleapis.com/pages/USD202939.png

https://patentimages.storage.googleapis.com/pages/USD244915-1.png

http://europe.autonews.com/article/20070709/ANE/70704014/crash-test-dummies-face-new-rivals

https://www.pruebaderuta.com/deformacion-programada.php

https://es.wikipedia.org/wiki/Protecci%C3%B3n_cat%C3%B3dica

http://www.generadordeprecios.info/obra_nueva/Instalaciones/Gas/Depositos/IGD112_Equipo_de_proteccion_catodica__para.html

http://caminahora.com/proteccion-catodica-nuevas-corrientes-en-la-ingenieria-civil/

https://www.puntoseguridad.com/2015/10/rociador-automatico-el-vigilante-permanente-contra-el-fuego/#

http://deutschland-berlin.de.tl/Stadien.htm

 

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