Análisis de cables superficialmente dañados en forma asimétrica con geometría multicapa: Modelos numéricos en elementos finitos

Abstract

El trabajo de esta memoria tiene por finalidad analizar el impacto del daño y la geometría de un cable en la resistencia residual que éste presente. Los cables son elementos estructurales ampliamente usados y es importante caracterizarlos apropiadamente y validar ecuaciones analíticas que se han planteado hasta ahora. Para poder realizar este trabajo se realizan ocho modelos 3D en el programa ANSYS de elementos finitos (EF) que representarán una misma configuración geométrica de cable para dos diámetros con tres niveles de daño distintos cada uno, además del caso no dañado. El nivel de daño se cuantifica en función del índice de asimetría (IA) de la sección y la pérdida porcentual de área neta. La configuración geométrica de los cables analizados es 1x19 (1+6+12: una fibra en el núcleo, seis en la segunda capa, doce en la tercera) y los diámetros son 3,5 y 22,22 mm. Los cables se someten a un desplazamiento axial monotónico incremental en uno de sus extremos, los que están restringidos al giro. Para elaborar los modelos en EF se utilizaron elementos cúbicos de ocho nodos con interpolaciones lineales entre ellos como mallado de los componentes. Se utilizó coeficiente de fricción de 0,115 entre fibras. Para simular el daño se eliminaron los alambres de la sección que presentarían rotura en la realidad. Se validó el análisis seccional, es decir, alejado una cierta distancia de las condiciones de apoyo, la distribución de tensiones y deformaciones se comporta invariante a lo largo del resto del eje del cable. Las interacciones de contacto juegan un rol fundamental a la hora de cuantificar la carga y capacidad de deformación última de los cables, además de disminuir su rigidez, comparado con modelos simplificados que no incorporan estos efectos. Se observó que la asimetría del daño impacta directamente en la capacidad última de deformación del cable, disminuyendo ésta al aumentar el IA. Es posible aproximar la rigidez de un cable a través de modelos simplificados o del modelo EF sin daño de manera satisfactoria. Existen efectos de flexión local en las fibras externas producto del contacto entre capas. Además, se presenta una deformación por flexión global de forma radial en los casos que presentan asimetría de daño. El cálculo de capacidad a través de las ecuaciones analíticas de área neta sobreestima la carga última de los cables. En líneas similares, la resistencia residual de los cables disminuye en mayor tasa que la pérdida de área neta. Los resultados muestran mayores presiones inter-fibra y mayores gradientes de tensiones y deformaciones cuando el cable posee un mayor diámetro de sus componentes.