Los Materiales Inteligentes Mejoran El Diseño De Puentes Resistentes A Los Terremotos

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Con la ayuda de un terremoto en la mesa de batidos, los investigadores prueban el rendimiento de un material superelástico conocido como nitinol.

Este artículo de Detrás de las escenas se proporcionó a WordsSideKick.com en colaboración con la National Science Foundation.

Los puentes son un componente principal de la infraestructura de transporte tal como la conocemos hoy. Hay no menos de 575,000 puentes de carreteras en todo el país, y más de $ 5 mil millones se asignan anualmente del presupuesto federal para reparaciones de puentes.

En las últimas dos décadas, el aumento de la actividad sísmica en todo el mundo ha sido identificado como una amenaza inminente para la fortaleza y el bienestar de nuestros puentes. Los terremotos han provocado numerosos colapsos de puentes, incluidos los EE.UU., Japón, Taiwán, China, Chile y Turquía. Por lo tanto, debemos encontrar formas de minimizar los efectos sísmicos en los puentes, tanto mejorando los puentes existentes como refinando las especificaciones y los materiales de construcción para futuros puentes.

Una gran mayoría de los puentes están hechos de acero y hormigón. Si bien esta combinación es conveniente y económica, los puentes de acero y concreto no se sostienen en terremotos fuertes (magnitud 7.0 o superior). Las columnas reforzadas convencionales se basan en el acero y el concreto para disipar la energía durante terremotos fuertes, lo que podría crear una deformación permanente y daños en la columna y dejar la columna inutilizable.

Bajo la carga del terremoto, los ingenieros permiten daños en las bisagras de las columnas para disipar la energía y evitar el colapso total del puente. Si bien esa práctica es ampliamente aceptada, los efectos del daño de la bisagra pueden interferir con las operaciones de recuperación de desastres y tener un gran impacto económico en la comunidad.

Con el financiamiento de la National Science Foundation y el uso de la red George E. Brown, Jr. de NSF para la simulación de ingeniería sísmica, el ingeniero civil M. Saiid Saiidi de la Universidad de Nevada, Reno y sus colegas han descubierto una solución. Han identificado varios materiales inteligentes como alternativas al acero y al hormigón en puentes.

Las aleaciones con memoria de forma son únicas en su capacidad para soportar grandes esfuerzos y aún así vuelven a su estado original, ya sea por calentamiento o superelasticidad. Los SMA demuestran una capacidad para volver a centrar las columnas del puente, lo que minimiza las columnas de inclinación permanente que pueden experimentar después de un terremoto.

Las columnas de puentes tradicionales están construidas con concreto y acero reforzado, que rara vez son efectivos contra los terremotos. Pero una nueva investigación sugiere que reemplazar el concreto y el acero con materiales inteligentes es una buena alternativa. De izquierda a derecha: mezcla cemento-polivinil fibra; columna de fibra de vidrio; columna de fibra de carbono; Aleación de memoria de forma de níquel titanio.

Las columnas de puentes tradicionales están construidas con concreto y acero reforzado, que rara vez son efectivos contra los terremotos. Pero una nueva investigación sugiere que reemplazar el concreto y el acero con materiales inteligentes es una buena alternativa. De izquierda a derecha: mezcla cemento-polivinil fibra; columna de fibra de vidrio; columna de fibra de carbono; Aleación de memoria de forma de níquel titanio.

Crédito: Dr. M. Saiid Saiidi, NEES @ University of Nevada, Reno

El níquel titanio o nitinol, la aleación de memoria de forma probada en el proyecto UNR, tiene una capacidad única incluso entre los SMA. Si bien la mayoría de las SMA solo son sensibles a la temperatura, lo que significa que requieren una fuente de calor para volver a su forma original, el Nitinol también es superelástico. Esto significa que puede absorber la tensión impuesta por un terremoto y volver a su forma original, lo que hace del nitinol una alternativa particularmente ventajosa al acero. De hecho, la superelasticidad del níquel titanio es entre 10 y 30 veces la elasticidad de los metales normales como el acero.

Muchos de nosotros conocemos el níquel titanio por nuestros marcos flexibles para anteojos recetados. El material permite que los marcos vuelvan fácilmente a su forma original después de ser doblados en cualquier dirección. Los usos del níquel titanio son extremadamente variados, con aplicaciones que van desde medicamentos para calentar motores, dispositivos de elevación e incluso juguetes novedosos, y ahora, ingeniería sísmica.

Para evaluar el rendimiento de los puentes de hormigón reforzado con níquel-titanio, los investigadores analizaron tres tipos de columnas de puente: acero y hormigón tradicionales, níquel titanio y hormigón, y níquel titanio y compuestos de cemento de ingeniería, que incluyen cemento, arena, agua, fibra y productos químicos. Primero, modelaron y probaron las columnas en OpenSEES, un programa de simulación de terremotos desarrollado en la Universidad de California, Berkeley. Finalmente, ensamblaron y probaron las columnas en la mesa de batido UNR NEES.

Para fortalecer el concreto y prevenir fallas inmediatas en un terremoto, los investigadores utilizaron las mesas de agitación para probar los compuestos de polímero reforzado con fibra de vidrio y vidrio. Ambos compuestos mejoraron sustancialmente las propiedades de refuerzo del concreto y las columnas resistieron fuertes fuerzas sísmicas con daños menores.

Los resultados tanto de las pruebas de modelado como de la mesa de agitación fueron extremadamente prometedores. Las columnas de puente de níquel titanio / ECC superaron a las tradicionales columnas de puente de acero y concreto en todos los niveles, lo que limita la cantidad de daño que el puente sufrirá bajo fuertes terremotos.

Si bien el costo inicial de un puente típico hecho de titanio de níquel y ECC sería aproximadamente un 3 por ciento más alto que el costo de un puente convencional, el costo de por vida del puente disminuiría. El puente no solo requeriría menos reparaciones, sino que también sería útil en caso de terremotos moderados y fuertes. Como resultado, después de un fuerte terremoto, el puente permanecería abierto a los vehículos de emergencia y otro tipo de tráfico.

Sobre el Autor: Misha Raffiee es una estudiante de segundo año en el Instituto de Tecnología de California, pero comenzó a trabajar con UNR en el Proyecto del Puente NSF / NEES 4-Span después de graduarse de la escuela secundaria a los 15 años.Como becaria de investigación de pregrado, Raffiee tuvo la oportunidad de realizar su propia investigación complementaria, un estudio de factibilidad de aleaciones de memoria de forma a base de cobre y ECC. Se predice que las SMA basadas en cobre, como el cobre, aluminio y berilio, actualmente en fase de investigación y desarrollo, son más rentables que otras aleaciones con memoria de forma, como el níquel titanio. Raffiee pudo evaluar el rendimiento de una columna única de CuAlBe y ECC (RCE) mediante el uso de modelos y pruebas por computadora en OpenSEES con los resultados de las operaciones de concreto reforzado con titanio y níquel. Presentó sus hallazgos en el Simposio de Jóvenes Investigadores de la NSF en la Universidad de Illinois, Urbana-Champaign, y más tarde asistió en presentaciones del proyecto de columna de hormigón reforzado con titanio y níquel en un evento de exhibición de la NSF en el Senado de los Estados Unidos. Raffiee acredita la experiencia como becaria de investigación de pregrado de NSF / NEES por ayudarla a crecer tanto como investigadora como académica, consolidando sus aspiraciones de postgrado.

Nota del editor: Los investigadores descritos en los artículos de Behind the Scenes han sido apoyados por la National Science Foundation, la agencia federal encargada de financiar la investigación básica y la educación en todos los campos de la ciencia y la ingeniería. Todas las opiniones, hallazgos y conclusiones o recomendaciones expresadas en este material son las del autor y no necesariamente reflejan los puntos de vista de la National Science Foundation. Ver el archivo detrás de las escenas.


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