Desarrollo de un sistema de disipación de energía histerético con mecanismo de amplificación de deformaciones

En esta investigación se presenta el desarrollo teórico y experimental de un nuevo sistema combinado de amplificación de deformaciones, rigidización y amortiguamiento suplementario (Combined System of Deformation Amplifier, Added Stiffening and Damping: AASD), con propiedades auto-centrantes, de diseño versátil y económico. Como su nombre lo indica, el sistema resulta de combinar un mecanismo de amplificación de deformaciones de tipo “leverarm”, con un dispositivo de rigidización y amortiguamiento suplementario auto-centrante. El funcionamiento de este dispositivo se basa en el conocido principio de las correas con roce, en el que una pequeña fuerza en un extremo de la correa, producida en este caso por un resorte de tracción, se amplifica exponencialmente en el otro extremo gracias al efecto acumulativo de la fricción. Se construyó un primer dispositivo conceptual de acción simple que permitió validar el principio de funcionamiento y comparar el comportamiento de correas comerciales de poliamida, aramida y fibra de carbono. Posteriormente se fabricaron dos prototipos de doble acción con correas de fibra de carbono, ya que este material presentó el mejor comportamiento.Tanto el dispositivo conceptual como los dos prototipos (denominados I y II) presentaron relaciones constitutivas muy estables sin un deterioro apreciable de las correas, a pesar de ser expuestos a numerosas secuencias tanto estáticas como dinámicas de carga y descarga. Si bien el prototipo I es más complejo, permite obtener una mayor variedad de relaciones constitutivas.Por su mayor simpleza, el prototipo II representa una solución técnica y económicamente muy atractiva. Además, debido a su capacidad para acomodar grandes desplazamientos en ambos sentidos, resulta un dispositivo ideal para combinarlo con sistemas de amplificación de deformaciones. Un análisis numérico paramétrico realizado sobre un modelo de una estructura con AASD mostró que existe una amplia gama de parámetros del AASD que permiten obtenerreducciones mayores al 40% en desplazamientos. Las reducciones en aceleración en cambio, no superan el 20%. La eficiencia del AASD aumenta con la rigidez de sistema de amplificación. Se construyó una estructura metálica de un piso a escala real, en la que se instaló un AASDformado por un sistema de amplificación propuesto en la referencia [1], y dos disipadores de energía de correa abierta (prototipo II). Usando un moderno equipo de ensayos pseudo dinámicos multi-eje recientemente instalado en el Laboratorio de Ingeniería Estructural de laPUC (primero en su tipo en Latinoamérica), la estructura fue sometida a una gran variedad de ensayos estáticos y pseudo-dinámicos de vibraciones libres y de respuesta forzada. Se midieron las relaciones fuerza-desplazamiento para los 3 GDL de la estructura con y sin AASD. La estructura sin AASD presenta un comportamiento no-lineal debido principalmente al deslizamiento de las conexiones apernadas de las vigas perimetrales, lo que se traduce en razones de amortiguamiento equivalente del orden del 20% en los 3 GDL. El AASD, colocadoen uno de los 4 ejes resistentes de la estructura, produce un 60% de incremento de rigidez lateral en la dirección X, y un 13.5% de incremento de rigidez torsional. Se midieron razones de amplificación en vacío (con los disipadores desconectados) de 10.6, muy cercano al valor nominal de 11. Las razones de amplificación con los disipadores conectados alcanzaron valores cercanos a 7.4, lo que implica una eficiencia cercana a 70%. Este resultado es concordante con el análisis paramétrico. Se realizaron ensayos pseudo-dinámicos de respuesta sísmica considerando un registro artificial compatible con la Norma NCh2745 actuando en dirección X. Se simuló una excentricidad de masa a nivel del diafragma de 0.8m en dirección Y,correspondiente al 20% del ancho total de la estructura. Los autores no conocen hasta la fecha referencias de un ensayo pseudo-dinámico de estas características. Para la estructura sin AASD el registro sísmico se escaló al 10%, 20% y 30%, observándose una gran concentración de deformaciones en el eje flexible. Para la estructura con AASD el registro sísmico se escaló al 30%, 40%, 50%, 60% y 70%, observándose una gran uniformidad de deformaciones (balance torsional). Considerando un 30% de intensidad, las deformación máxima de la estructura sin AASD fue de 25.8 mm (0.83% de la altura), mientras que para la estructura con AASD se obtuvo una deformación máxima de 14.5 mm (0.47% de la altura), lo que equivale a un 44% de reducción. Similar conclusión se obtiene al observar que las deformaciones máximas de la estructura sin AASD para una intensidad del 30% son similares a las alcanzadas para la estructura con AASD para una intensidad del 50%. Para la estructura con AASD sometida a un 70% de intensidad sísmica se alcanza un 90% de la deformación de fluencia de los tensores del sistema de amplificación. Al finalizar este ensayo se observó una pérdidas de un 80% del tensado inicial, lo cual es un resultado satisfactorio. Finalmente, tanto para el estudio paramétrico como para el estudio experimental, las fuerzas máximas desarrolladas por los dispositivos son muy pequeñas, típicamente menores al 2% del corte basal máximo.