Comparação de modelos uniaxiais de ligas com memória de forma

Autor: Nunes, Pedro Filipe Vasconcelos
Přispěvatelé: Lobo, Paulo Renato Camacho da Silva
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2017
Předmět:
Zdroj: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal
Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
instacron:RCAAP
Popis: As ligas de Níquel-Titânio (NiTi) são um tipo de ligas metálicas com memória de forma (SMA – Shape Memory Alloys) capazes de reproduzirem um comportamento termomecânico designado de superelasticidade. Quando a força axial aplicada deixa de atuar, o material consegue recuperar de deformações na ordem dos 8%, sendo capaz de reproduzir este comportamento para centenas de ciclos de carga-descarga, isto sem apresentar fadiga mecânica. Esta capacidade de recentramento deve-se às transformações entre as duas fases do material, a austenite e a martensite. A pouca sensibilidade desta capacidade ao diâmetro do SMA, aliada à boa capacidade de dissipar energia, excelente durabilidade, e à posse de excelentes propriedades termomecânicas, fazem das ligas de NiTi um material com ótimas caraterísticas para controlar deslocamentos em estruturas submetidas à ação sísmica. Contudo, existem parâmetros suscetíveis de influenciar o comportamento superelástico do material e a sua capacidade de dissipar energia, nomeadamente: evolução das transformações de fase; tensões críticas onde se iniciam e finalizam as transformações de fase; módulos de elasticidade da austenite e da martensite; assimetrias nos comportamentos à tração e à compressão. Analisar a influência da variabilidade desses parâmetros na resposta dinâmica de uma estrutura, são questões a responder antes de aplicar SMA em estruturas. Os modelos uniaxiais da família de modelos de Tanaka, populares em estudos da dinâmica de estruturas, simulam o comportamento axial não isotérmico de fios e de barras de SMA, pelo que são adequados para analisar numericamente as questões antes referidas (influência estrutural da qualidade da calibração do modelo numérico de SMA adotado). Além de dependerem da temperatura do SMA, diferenciam os módulos de elasticidade da austenite e da martensite, permitem simular respostas à tração e à compressão assimétricas, e simulam, através de uma lei cinética, a evolução das transformações de fase. Esta lei, para a qual existem várias opções, é a peça mais importante dos modelos de Tanaka e, a partir da sua alteração, é possível simular diferentes comportamentos durante as transformações de fase. Nos estudos existentes, os autores adotaram uma lei cinética sem critério. Assim, o objetivo deste estudo foi avaliar se a lei cinética adotada influencia os deslocamentos experimentados por uma estrutura durante um sismo. Como caso de estudo, foi considerada uma ponte de betão armado com dois pórticos, acoplados com barras de SMA superelástico. A resposta da ponte foi simulada, para 18 registos sísmicos, com um oscilador superelástico não linear com dois-graus-de-liberdade, implementado, com base no método-β de Newmark, no software MATLAB. O estudo revelou que: 1) o deslocamento relativo é mais sensível à lei cinética adotada do que os deslocamentos absolutos e residuais; 2) o deslocamento relativo é o mais afetado pela sensibilidade dos SMA a variações de temperatura; 3) o aumento do comportamento não linear das colunas de betão armado não tem uma relação direta com o aumento das diferenças relativas obtidas, em termos de deslocamentos, com diferentes leis cinéticas. Nickel-Titanium (NiTi) metallic alloys are a type of shape memory alloys (SMA) capable of reproducing a thermomechanical behaviour called superelasticity. When the applied axial force ceases to act, the material can recover from deformations in the order of 8%, being able to reproduce this behaviour for hundreds of strain cycles without presenting mechanical fatigue. This recentering capacity occurs due to the transformations between austenite and martensite, the two phases of the material. The low sensitivity of the recentering capacity to the SMA diameter, allied to a good energy dissipation capacity, excellent durability, and to the possession of excellent thermomechanical properties, makes the NiTi alloys a material with optimal characteristics to control displacements in structures submitted to earthquakes. However, certain parameters may influence the material superelastic behaviour and its ability to dissipate energy, namely: evolution of the phase transformations; initial and final critical stresses of the transformation phases; elastic modulus of austenite and martensite; asymmetries in tensile and compressive behaviour. Analyze the influence of the variability of these parameters on the dynamic response of a structure, are questions to be answered before applying SMA in structures. The uniaxial models of the Tanaka family of models, which are popular in structural dynamic studies, simulate the non-isothermal behaviour of SMA wires and bars, reason why they are suitable to numerically analyze the above-mentioned questions (structural influence of the calibration quality of the adopted numerical model of SMA). In addition to being dependent on the SMA temperature, these models differentiate the elastic modulus of austenite and martensite, allow to simulate asymmetric tensile and compressive material behaviours, and simulate, through a kinetic law, the evolution of the phase transformations. This law, for which exists several options, is the most important component of the Tanaka models and, from its alteration, it is possible to simulate different material behaviours during the phase transformations. In the existing studies, authors adopted a kinetic law without criterion. Thus, the objective of this study was to evaluate the influence of the kinetic law on the displacements that a structure experiences during an earthquake. As a case study, it was considered a reinforced concrete bridge with two frames, coupled with superelastic SMA bars. The bridge response was simulated for 18 seismic records, using a non-linear superelastic oscillator with two-degrees-of-freedom, which was implemented in a MATLAB program based on Newmark's β-method. The study revealed that: 1) the relative displacement is more sensitive to the adopted kinetic law than absolute and residual displacements; 2) the relative displacement is most affected by the sensitivity of the SMA to temperature variations; 3) the increase of the non-linear behavior of the reinforced concrete columns does not have a direct relation with the increase of the relative differences obtained, in terms of displacements, with different kinetic laws.
Databáze: OpenAIRE
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