Estudio numérico - experimental de un dispositivo autocentrante basado en cables de aleación de memoria de forma de CuA1Be para aplicaciones sísmicas

Abstract

La filosofía de diseño sismo resistente de edificaciones situadas en zonas de alto peligro sísmico presente en la mayoría de los códigos de diseño, busca salvar vidas ante la ocurrencia de un terremoto severo. Para este nivel de amenaza, se espera que los elementos estructurales disipen gran cantidad de energía, lo que involucra un daño considerable y deformaciones permanentes. En trabajos recientes, se ha determinado que el control de las deformaciones residuales mejora notablemente el desempeño estructural y reduce los costos de rehabilitación. Esto es muy difícil de conseguir con los sistemas tradicionales e incluso con algunos sistemas de protección sísmica. En este contexto, surgen los sistemas de protección autocentrantes cuyo trabajo principal consiste en devolver a la estructura a su posición original en cada ciclo de carga, reduciendo los daños por fluencia de los elementos y aportando en la disipación de energía. Las aleaciones de memoria de forma son firmes candidatas para el desarrollo de este tipo de dispositivos debido a sus propiedades superelásticas. A pesar de que los sistemas autocentrantes basados en SMA han sido estudiados, aún quedan varias interrogantes que no han sido resueltas para mejorar la confiabilidad de este sistema estructural emergente, por lo que se abordan en esta investigación. El trabajo se divide en 4 fases en las que se estudia el material, el elemento, el dispositivo y el sistema estructural. En primer lugar, se realiza un estudio numérico y experimental en alambres de SMA de CuAlBe con el objetivo de definir el tratamiento térmico óptimo que maximiza sus propiedades superelásticas. Se caracteriza el comportamiento cíclico en ambientes de temperatura variable y se desarrolla una ley constitutiva que captura los complejos fenómenos de las SMA. A continuación, se realiza un análisis paramétrico de cables de SMA con el objetivo de obtener mayor resistencia que en los alambres y definir las configuraciones que mejor aprovechan las propiedades del material. La variabilidad de las propiedades se analiza dentro de un esquema de actualización Bayesiana y la incertidumbre se propaga a la respuesta cíclica de los cables, con lo que se obtienen resultados robustos que se ajustan a los ensayos experimentales. Se diseña, construye y ensaya un innovador dispositivo autocentrante configurado de manera que los cables de SMA trabajen a tracción independientemente de la fuerza. Finalmente, se evalúa la fragilidad al colapso de marcos de acero arriostrados con el dispositivo y se compara su desempeño con el sistema tradicional de arriostramientos concéntricos. En síntesis, se obtiene un sistema estructural altamente confiable con un mecanismo de agotamiento muy dúctil y menor probabilidad de colapso, en el que los daños se minimizan debido a su capacidad de autocentrado.