Desarrollo de un nuevo disipador de energía para diseño dismorresistente. Análisis numérico y validación experimental de su comportamiento
Authors:   , Cahís Carola Francesc Xavier 
Published: July 2023

En aquest treball s'ha desenvolupat un nou dissipador histerètic elastoplàstic, construït amb acer estructural, per a la protecció d'edificis de l'acció sísmica. Permet ser incorporat a un sistema dual no estàndard (amb dissipadors) com a connector entre els seus components flexible i rígid. El component rígid pot estar format per murs (d'obra de fàbrica o de formigó armat) o per braços metàl·lics convencionals. Si el dissipador es connectés a parets d'obra de fàbrica resultaria necessària una separació, omplerta amb material flexible, entre les parets del sistema rígid i els pòrtics del sistema flexible. Aquesta última configuració permetria la protecció de les parets davant l'acció sísmica i el seu aprofitament com a components estructurals, però caldria: i) evitar el xoc entre els elements rígids i flexibles del sistema, mitjançant una obertura suficient, i ii) limitar la força màxima del dissipador a la capacitat dels tancaments.<br/><br/><br/>Dissipador per esforç tallant desenvolupat <br/><br/><br/> És important en l'esquema que s'ha exposat anteriorment que el comportament del dissipador sigui predicible i que realitzi la seva funció dissipativa des de rangs de deformació petits. S'han caracteritzat de manera experimental variants del mateix dissipador i s'ha analitzat la influència dels seus paràmetres geomètrics en les seves corbes de resposta, en la seva capacitat dissipativa i en la seva estabilitat. A partir dels resultats experimentals obtinguts, s'han proposat models simples per a la predicció de l'inici de plastificació (força i desplaçament) i d'abonyegament de l'ànima. També s'ha comparat la resposta experimental amb la resposta d'un model numèric per elements finits, quant a la corba de resposta força-desplaçament i abonyegament d'ànima en la seva fase inicial. <br/><br/> Per comprovar l'efectivitat del dissipador com a unió de tallant, s'ha assajat en taula vibrant una estructura simple amb dissipadors. L'estructura assajada es pot considerar com un sistema dual no estàndard. Està formada per dos pòrtics paral·lels flexibles i dos pòrtics transversals rigiditzats, amb dos grans blocs de formigó acomodats en la seva part superior. Els pòrtics flexibles estan connectats a dos murs de formigó armat a través de dissipadors. Per excitar la taula vibrant s'ha introduït un registre del terratrèmol de Loma Prieta (1989). S'ha analitzat la resposta del sistema i els seus resultats s'han contrastat amb els obtinguts numèricament mitjançant un model de no-linealitats concentrades en els dissipadors. <br/><br/>Finalment, s'ha fet un estudi paramètric d'un sistema d'un grau de llibertat amb dissipadors. S'han demostrat significatius els paràmetres següents: el paràmetre ?? definit pel quocient entre la rigidesa dels sistemes flexible i rígid, i el paràmetre ???definit pel quocient entre la força de plastificació del dissipador i la força inercial màxima desenvolupada per un sistema infinitament rígid sotmès a una determinada acció. S'han obtingut els espectres de resposta no lineals per a valors diferents del paràmetre ? (0.1, 0.25 i 0.5) i ? (0.1, 0.3 i 0.5), mantenint constants l'un o l'altre, per a les variables següents: i) ductilitat; ii) desplaçament relatiu; iii) energia introduïda; iv) energia dissipada, i iv) acceleració absoluta. S'han obtingut numèricament els espectres normalitzats de resposta per a tres terratrèmols considerats del tipus far field i els seus resultats mitjanats. Es considera que els dissipadors tenen un millor comportament davant d'aquests moviments. També s'han obtingut els espectres de resposta per un terratrèmol del tipus near fault (Northridge-Sylmar, 1994) i s'han comparat amb la resta d'espectres per analitzar la resposta del dissipador a aquestes condicions. <br/><br/><br/><br/> <br/> <br/>RESUMEN <br/><br/>En este trabajo se ha desarrollado un nuevo disipador histerético elastoplástico, construido con acero estructural, para la protección de edificios ante la acción sísmica. Permite ser incorporado a un sistema dual no estándar (con disipadores) como conector entre sus componentes flexible y rígida. La componente rígida puede estar formada por muros (de hormigón armado o de obra de fábrica) o por brazos metálicos convencionales. En caso de que el disipador se conectase a paredes de obra de fábrica, resultaría necesaria una separación, rellenada a partir de material flexible, entre las propias paredes del sistema rígido y los pórticos del sistema flexible. Esta última configuración permitiría la protección de las paredes ante la acción sísmica y su uso como componentes estructurales. Sin embargo, resultaría necesario: i) evitar la colisión entre los elementos rígidos y flexibles del sistema, a través de una obertura suficiente, y ii) limitar la fuerza máxima del disipador a la capacidad de los cerramientos.<br/><br/><br/><br/><br/>Disipador por esfuerzo cortante desarrollado <br/><br/><br/> Resulta de importancia en el esquema anteriormente expuesto que el comportamiento del disipador sea predecible y que realice su función disipativa desde pequeños rangos de deformación. Se han caracterizado de forma experimental variantes del mismo disipador, analizándose la influencia de sus parámetros geométricos en sus curvas de respuesta, en su capacidad disipativa y en su estabilidad. A partir de los resultados experimentales obtenidos, se han propuesto modelos simples para la predicción del inicio de plastificación (fuerza y desplazamiento) y de abolladura del alma. También se ha comparado la respuesta experimental con la respuesta de un modelo numérico por elementos finitos, en cuanto se refiere a la curva fuerza-desplazamiento y a la abolladura del alma en su fase inicial. <br/><br/> Para comprobar la efectividad del disipador como unión a cortante, se ha ensayado una estructura simple con disipadores en mesa vibrante. La estructura ensayada se puede considerar como un sistema dual no estándar. Está formada por dos pórticos paralelos flexibles y dos pórticos transversales rigidizados, con dos grandes bloques de hormigón asentados en su parte superior. Los pórticos flexibles están conectados a dos muros de hormigón armado a través de los disipadores. Para excitar la mesa vibrante se ha introducido un registro del terremoto de Loma Prieta (1989). Se ha analizado la respuesta del sistema y sus resultados han sido contrastados con los obtenidos numéricamente a través de un modelo de no linealidades concentradas en los disipadores.<br/><br/>Finalmente, se ha realizado un estudio paramétrico de un sistema de un grado de libertad con disipadores. Se han demostrado como significativos los siguientes parámetros: el parámetro ? como la relación entre las rigideces del sistema flexible y del sistema rígido, y el parámetro ??como la relación entre la fuerza de plastificación del disipador y la fuerza inercial máxima desarrollada por un sistema infinitamente rígido sometido a una determinada acción. Se han obtenido espectros de respuesta no lineales para distintos valores del parámetro ? (0.1, 0.25 y 0.5) y ? (0.1, 0.3 y 0.5), manteniendo uno u otro constantes, para las siguientes variables: i) ductilidad; ii) desplazamiento relativo; iii) energía introducida; iv) energía disipada, y iv) aceleración absoluta. Se han obtenido numéricamente los espectros normalizados de respuesta para tres terremotos considerados del tipo far field y sus resultados promediados. Se considera que los disipadores son adecuados para este tipo de movimientos sísmicos. También se han determinado los espectros de respuesta para un terremoto del tipo near fault (Northridge-Sylmar, 1994), comparándolo con el resto de espectros para analizar la respuesta del disipador ante estas condiciones. <br/><br/>ABSTACT <br/><br/> In this work a new elastoplastic dissipator of structural steel for the seismic building protection has been developed. It may be used in a non-standard dual system (with dissipators) as a link between the flexible frame and the stiff system. The stiff system may be composed of walls (RC walls or masonry ones) or of conventional steel braces. If masonry walls are used it would be necessary to introduce a gap between the walls and the frame and to fill this gap with a non-stiff material. This configuration may protect the walls from damage and allow them be used as structural elements, but it would be necessary: i) to prevent the collision between the frame elements and the walls through the gap, ii) to limit the shear force of the walls under its capability. <br/><br/><br/><br/><br/>New developed shear dissipator <br/><br/><br/>In the before proposed scheme it would be necessary: i) a predictable hysteretic behavior of the dissipator, ii) a large dissipation capability of the dissipator that not requires large displacements. Some different devices have been tested to analyze the influence of some geometric parameters in the dissipation capability and the stability of the dissipator behavior. From the experimental results some models have been proposed for the yield point prediction (yield shear force and yield displacement) and the web buckling prediction. A FEM numerical model has been used to predict the monotonic response of the dissipator (curve of shear force vs. displacement response) and the maximum displacement to prevent web buckling from appearing. <br/><br/> To see the affectivity of the dissipator as a shear link, a simple frame with two dissipators has been tested on a shaking table. The tested structural system may be considered as a non-standard dual system. It was made of two parallel-bared frames and two transversal braced frames, with a large concrete block subjected in the upper part of the structural system. The two bared frames were linked to two concrete shear walls by using the shear dissipators. The 1989 Loma Prieta Earthquake record has been used as base input for the shaking table. The system response has been analyzed and its results have been used to validate a numerical model. This numerical model is very simple: it assumes that non-linearities are concentrated in predetermined elements, and it supposes a linear behavior of the concrete walls. <br/><br/>Finally a parametric study has been done for a single degree of freedom system with the shear dissipator. The next parameters were found to be significant: the parameter ? as the ratio between the frame stiffness and the hysteretic damper stiffness, the ???parameter as the ratio between the yield dissipator force and the inertial force of a rigid mass subjected to the maximum soil acceleration. Non linear response spectra has been obtained from different values of ? (0.1, 0.25 y 0.5) and ? (0.1, 0.3 y 0.5), while keeping one of them constant. It has been studied the influence of these parameters to the response spectra of the next parameters: i) ductility, ii) relative displacement, iii) input energy, iv) dissipated energy and v) absolute acceleration. The response spectra under three far field motions have been obtained and its results averaged. It is considered that the dissipators have a better performance under his kind of motions. The response spectra under a near fault motion (Northridge - Sylmar, 1994) have been obtained also, to be compared with the ones from the far field motions, and also to see the performance of the dissipator in such earthquake conditions.