Materiales innovadores: diseño de puentes con aleaciones y hormigón

Si bien los puentes están diseñados para deformarse, e incluso, sufrir daños significativos en casos de desastres naturales, investigadores estadounidenses han estado estudiando formas de realizar diseños de puentes más resistentes con materiales alternativos. Cuando un puente se somete a movimientos sísmicos, la energía se disipa al permitir la formación de rótulas plásticas dentro del puente. Estas rótulas plásticas ocasionan daños irreversibles en los elementos estructurales del puente, lo que requiere costosas reparaciones, cierres e, incluso, la total sustitución. Pero esto se podría evitar con nuevos materiales.

Armaduras súper elásticas

Uno de los materiales que pueden ayudar a mejorar el diseño de puentes son las llamadas Aleaciones con Memoria de Forma (SMA, “Shape Memory Alloy”). Son una combinación de níquel y titanio, aunque a veces también se usa cobre, zinc, aluminio, hierro, manganeso o silicio, que pueden deformarse y luego volver a su forma original. Si bien las armaduras de acero tienen cierta elasticidad, se deforman permanentemente si se someten a una tensión que supere su límite elástico. Con las SMA súper elásticas, sin embargo, la armadura puede volver a su forma original incluso después de someterse a tensiones elevadas, como en el caso de terremotos.

Lo que hace único a estos materiales es que, cuando se doblan, su estructura cristalina interna se deforma. Con otros materiales elásticos, las moléculas se separan o se juntan según se estiren o contraigan. En cambio, las SMA alternan entre un estado cristalino de austenita (duro) y otro de martensita (blando y elástico). Aunque no son nuevas en sectores como la automoción, la robótica o la aeronáutica, las SMA no se usaban normalmente en la construcción; hasta ahora. Al sustituir la armadura convencional de acero por una de SMA en la zona de la rótula plástica, los puentes pueden disipar la energía de un evento sísmico y luego volver a su forma original, manteniendo así el puente en funcionamiento.

Hormigón flexible para el diseño de puentes

Por supuesto, para que un puente disipe la energía y vuelva a estar operativo, los materiales circundantes también han de poder manejar las tensiones y esfuerzos soportados. Se ha desarrollado un hormigón de ingeniería para trabajar junto con las SMA, llamado compuesto cementoso de ingeniería (ECC, Engineered Cementitious Composite). Este «hormigón flexible» es un material a base de cemento similar al hormigón, pero que incorpora fibras de alcohol polivinílico en lugar de árido grueso. La sustitución del árido por fibras le da al ECC una capacidad de deformación a la tracción seis veces mayor que la del hormigón.

El ECC se endurece por deformación bajo tensión uniaxial, formando microfisuras difusas. Esto significa que la sal, el agua y los demás escombros no pueden penetrar en el ECC, con lo que se evita la corrosión de la armadura y el desconchado de la cubierta de hormigón, frecuentes con el hormigón convencional. En algunos casos, este tipo de hormigón puede ser hasta autorregenerable. Para los puentes sujetos a actividad sísmica, este tipo de hormigón puede contribuir a reducir los daños en el puente y, por lo tanto, las reparaciones.

El diseño de puentes del futuro

Las pruebas realizadas por la Universidad de Nevada, EE. UU. han demostrado que, cuando se han usado estos materiales con armaduras de SMA en los pilares-columna de puentes, se ha reducido en gran medida o incluso se ha eliminado la necesidad de reparaciones después de un terremoto Recientemente, el Departamento de Transporte del Estado de Washington decidió probarlos en un nuevo puente en la Ruta Estatal 99 en Seattle, WA, inaugurado en febrero del 2019. El objetivo con este nuevo puente es contribuir a mitigar cualquier riesgo para el público en caso de actividad sísmica, y evitar la necesidad de costosas reparaciones y los inconvenientes del cierre de carreteras. Solo el tiempo dirá si estos materiales se convierten en la opción preferida para construir puentes en áreas con actividad sísmica.

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Conceptos teóricos sobre las aleaciones con memoria de forma

Existe una tesis muy interesante sobre estos materiales llamada «Aleaciones con memoria de forma, propiedades mecánicas y micreoestructura. Desarrollo de sistemas de amortiguamiento basados en el efectos superelástico» de Hugo Soul, del año 2011. Este trabajo está centrado en la caracterización de las propiedades de disipación de energía asociadas al efecto superelástico presente en las llamadas Aleaciones con Memoria de Forma (AMF). En particular, el enfoque está puesto en las aleaciones de NiTi, que son las que han logrado mayor relevancia comercial hasta el presente [Patoor 2006; Iadicola 2008].

Las AMF presentan un comportamiento complejo en el espacio tensión – deformación – temperatura (σ-ε-T) que suele ser simplificado a través de la descripción de ciertas trayectorias particulares. Entre estos casos particulares de singular importancia se pueden mencionar el Efecto Memoria de Forma Simple, del cual deriva la denominación que reciben estos materiales, el Efecto Doble Memoria de Forma, el Efecto Superelástico, el Efecto Doble Memoria Asistido por Tensiones Aplicadas, las trayectorias de Recuperación Limitada, etc. [Duerig 1990].

Se han representado y descrito resumidamente en el espacio σ−ε-T de la Figura 1.1 los Efectos de Memoria de Forma Simple y Doble, y el Efecto Superelástico o Pseudoelástico que, como se mencionó anteriormente, constituye el caso de interés en el estudio llevado a cabo en esta tesis doctoral.