Estimación numérica de la influencia de la distribución asimétrica de daño en la respuesta estática con cables con geometría multicapa-multinivel

Abstract

El objetivo principal del presente trabajo de título es extender un modelo mecánico no lineal propuesto por De Vico (2013) para estimar la capacidad residual y capacidad de deformación de cables de geometría multicapa-multinivel dañados superficialmente de forma asimétrica. El modelo mecánico propuesto se basa en que el cable dañado se modela como una viga plana no lineal con pequeñas deformaciones considerando hipótesis de Bernoulli. Se asume que el cable está sometido a una carga axial y a una fuerza de corte uniforme por unidad de longitud en las direcciones principales de la sección dañada generando una flexión biaxial en éste. Esta fuerza de corte es inducida por la distribución asimétrica del daño considerando la geometría helicoidal inicial de los componentes que forman el cable. El grado de asimetría de la distribución de daño se cuantifica mediante un ente escalar denominado índice de asimetría (IA). Un algoritmo incremental-iterativo seccional controlado por desplazamiento es implementado en base a las soluciones de las ecuaciones diferenciales que gobiernan la deformada del cable dañado en ambos planos principales. Este algoritmo permite estimar la configuración deformada, distribuciones de tensiones y deformaciones, la resistencia residual y capacidad de deformación axial del cable dañado considerando la no linealidad geométrica y del material de los componentes que lo conforman. Los análisis realizados en este trabajo de título se basan en dos tipos de configuraciones de cables: (1) geometría multicapa (i.e., se identifica solo una estructura helicoidal en la composición geométrica de la sección del cable); (2) geometría multinivel, en que los cables están formados por cables de menor diámetro (sub-cables) dispuestos en forma paralela. En el primer caso se realiza un estudio numérico del tipo paramétrico para cables comerciales de acero cuyos diámetros varían desde 2 mm a 32 mm. En el segundo caso, las simulaciones de las curvas de capacidad se comparan con curvas experimentales reportadas en la literatura (Ward et al., 2006) para cables de poliéster cuyos diámetros varían de 32 mm a 166 mm con porcentaje de área dañada en un rango de 5% a 15%. En este segundo análisis, se incorpora el estudio del efecto de localización de deformación en torno a la sección dañada mediante el uso de un modelo numérico propuesto por Beltrán y Williamson (2011). De los resultados obtenidos se concluye que para el caso de geometría multicapa, considerando los rangos de valores del parámetro IA (0-0.5) y diámetro de los cables (2 mm -32 mm), el efecto de la asimetría del daño tiene un mayor impacto en cables de mayor diámetro para iguales valores de IA. En el caso particular de este estudio, no hay un efecto significativo en la rigidez del cable relativo al efecto de área neta (ignorar contribución de componentes fracturados), se reduce la capacidad de deformación de los componentes no fracturados hasta un 25% y se disminuye la resistencia residual del cable hasta un 3% relativo al área neta. Para el caso de geometría multinivel con sub-cables dispuestos en forma paralela, las curvas de capacidad considerando los efectos de localización de deformaciones y de asimetría del daño (en forma independiente) son cota superior e inferior respectivamente de las curvas experimentales. El efecto de localización de deformación induce una reducción porcentual en resistencia residual y capacidad de deformación cercana al porcentaje de área dañada con respecto a los valores de cable intacto. Por otro lado, el efecto de distribución asimétrica del daño induce una reducción de la capacidad de deformación del cable menor que el efecto de localización de deformación (máximo reducción de un 6% relativa al cable intacto para todos los casos estudiados). La distribución asimétrica tiene un mayor impacto en la reducción de la capacidad residual del cable dañado: esta reducción es mayor porcentualmente que el área dañada llegando hasta un 25 % para el caso de una sección dañada en un 15%. El efecto de la asimetría en la distribución del daño depende de la construcción de la sección del cable, y para un mismo tipo de cable, este efecto aumenta con el incremento del diámetro y del valor de IA. Los algoritmos asociados a los modelos de localización de deformación y daño asimétrico resultan ser computacionalmente eficientes y robustos.