La ingeniería sísmica ha realizado importantes avances en las últimas décadas, desarrollando una serie de conceptos innovadores que permiten proteger de mejor manera a las construcciones, sus ocupantes y contenidos

INTRODUCCIÓN

La ingeniería sísmica ha realizado importantes avances en las últimas décadas, desarrollando una serie de conceptos innovadores que permiten proteger de mejor manera a las construcciones, sus ocupantes y contenidos, frente a la acción sísmica u otras del tipo dinámico. La aplicación de estos conceptos se materializa en la incorporación de distintos dispositivos en las construcciones. Éstos modifican las características de la respuesta de la misma, con objeto de mejorar su capacidad frente a sismos destructivos.

Las nuevas tecnologías pueden clasificarse, en: i) sistemas de aislamiento sísmico; ii) sistemas de disipación pasiva de energía; iii) sistemas de control activo y semiactivos; y iv) sistemas de control híbrido.

Los sistemas de disipación pasiva de energía permiten mejorar el desempeño de una estructura sometida a terremotos, incorporando dispositivos destinados a disipar energía en forma controlada. De esta manera pueden disminuirse o eliminarse en la estructura principal las zonas diseñadas para la ocurrencia de deformaciones plásticas durante un terremoto destructivo. Se logra entonces reducir o anular el daño en la estructura principal, concentrando el mismo en los disipadores de energía, los cuales pueden reemplazarse luego de un evento sísmico importante.

Existe una gran variedad de disipadores de energía, los cuales pueden clasificarse en: i) disipadores histeréticos; ii) disipadores viscoelásticos (sólido y líquido); y iii) disipadores de fluido viscoso.

Los disipadores histeréticos poseen, ante cargas cíclicas, un comportamiento elasto-plástico (disipadores por plastificación de metales) o plástico rígido (disipadores de fricción). Disipan energía por deformaciones inelásticas de los metales que lo constituyen. Y en esta tipología se cuenta con: i) pórticos de plastificación; ii) disipadores por corte; iii) dispositivos de placas; y

iv) dispositivos de barras (en los que están incluidas las BPR consideradas en este trabajo).

Incorporadas como riostras en pórticos sismorresistentes, las BPR permiten disipar energía bajo esfuerzos de tracción y compresión en forma estable, y sin degradación de la resistencia.

Los pórticos metálicos que incorporan este tipo de riostras están incluidos en las tipologías admisibles de la norma americana AISC 341 (2005) y ASCE/SEI (2005), y constituyen una mejora respecto de los pórticos especiales arriostrados concéntricamente.

Los disipadores en consideración, están compuestos en su configuración clásica por: i) una barra de acero dúctil, diseñada para que pueda desarrollar comportamiento plástico bajo esfuerzos de tracción y compresión; ii) un tubo externo relleno de mortero para evitar el pandeo de la barra central; y iii) una capa deslizante sobre la barra central para evitar la transmisión de esfuerzos al tubo externo relleno y permitir sus deformaciones transversales en compresión por el efecto Poisson.

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DEFINICIÓN DEL PROBLEMA

Eventos sísmicos tales como el de Northridge (Estados Unidos, 1994) y el de Kobe (Japón 1995) han puesto en evidencia algunos de los problemas asociados con el uso de sistemas estructurales tradicionales para resistir las acciones sísmicas durante sismos intensos. Como consecuencia de esto, investigadores e ingenieros han centrado su atención en el uso de sistemas innovadores, tal como lo es el suministro de amortiguamiento adicional a las estructuras por medio de sistemas pasivos de disipación de energía. Se ha demostrado el buen desempeño sísmico de este tipo de sistemas en investigaciones analíticas y experimentales, así como también en los eventos sísmicos mencionados previamente.

JUSTIFICACIÓN

En los últimos años la ingeniería sísmica en todo el mundo ha enfocado muchos de sus esfuerzos a investigar e implementar métodos para mitigar la amenaza de las comunidades más vulnerables. Entre estos, los sistemas pasivos de disipación de energía para el diseño y reforzamiento de estructuras han tomado gran auge.

En vista de que en la actualidad el método de diseño sismo resistente basado en desplazamientos ha ganado popularidad en el diseño de edificios regulares ya que presentan varias ventajas sobre los métodos tradicionales basados en fuerzas. La principal diferencia entre los métodos basados en desplazamientos y los basados en fuerzas radica en que los primeros utilizan desplazamiento como medida de la demanda sísmica y también como indicador del nivel daño, tomando ventaja de que el daño se correlaciona mejor con los desplazamientos que con las fuerzas es por eso que se realiza la presente investigación con la intención de realizar las modificaciones adecuadas al método de diseño de pórticos regulares basado en desplazamientos al diseño de pórticos con disipadores de energía.

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Implementar el diseño directo basado en desplazamiento en pórticos con disipadores de energía.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

• Diseñar y construir un disipador pasivo de energía de tipo pandeo restringido.
• Realizar ensayos de laboratorio aplicando cargas cíclicas con un actuador dinámico.
• Elaborar las curvas de comportamiento histerético del disipador ensayado.
• Caracterizar, desde el punto de vista experimental, el comportamiento del disipador de energía ante solicitaciones de carga sísmica.
• Comparar el comportamiento del disipador ensayado, desde el punto de vista de comportamiento general y funcionalidad, con respecto a otros disipadores de su misma tipología pero de otras investigaciones.
• Comparar el comportamiento de una estructura considerando las características mecánicas del disipador y sin éste.

MARCO TEORICO

La ingeniería sísmica ha realizado importantes avances en las últimas décadas, desarrollando una serie de conceptos innovadores (aislamiento sísmico, disipación pasiva de energía, control activo y semi – activo de estructuras) que permiten proteger de mejor manera a las construcciones, sus ocupantes y contenidos, frente a la acción sísmica u otras del tipo dinámico. La aplicación de estos conceptos se materializa en la incorporación de distintos dispositivos mecánicos en las construcciones, con objeto de mejorar su capacidad frente a sismos destructivos.

El diseño de pórticos con disipación de energía ha ganado popularidad debido a las ventajas que presenta respecto a la disminución de fuerzas y control de daño de la estructura. En esta investigación se diseña mediante DDBD pórticos con disipadores de energía de tipo barras de pandeo restringido (Buckling restrained Braces B.R.B.). La aplicación del procedimiento propuesto se demuestra con ejemplos de diseño de pórticos de diferentes geometrías.

PRINCIPIOS BÁSICOS SOBRE DISIPADORES DE ENERGÍA

Un movimiento sísmico introduce energía a una estructura. Esta energía de entrada la estructura la divide en diferentes formas de energía. Los dos principales tipos de energía son: Energía absorbida Energía disipada El comportamiento de la estructura puede mejorarse si una porción de la energía de entrada puede ser absorbida no por la estructura misma, sino por algún dispositivo que disipe energía. Esto se verá más claro considerando la relación de la conservación de energía, la cual se muestra a continuación:

E = Ek + Es + Eh + Ed

La energía de entrada absoluta (E), es la sumatoria de la energía cinética (Ek), la energía de deformación elástica recuperable (Es), energía disipada irrecuperable por el sistema estructural a través de la deformación inelástica (Eh), y la energía disipada por amortiguamiento suplementario (Ed). Estos dispositivos reducen la demanda de deformación y esfuerzos producidos por el sismo mediante el aumento del amortiguamiento estructural. Como resultado los esfuerzos inducidos por el sismo en la estructura se reducen en gran parte con respecto a la estructura sin disipadores, reduciendo sustancialmente las incursiones inelásticas (daño) de la estructura.

La estructura sin disipadores de energía sobrevive el sismo severo disipando energía en sus elementos principales, los que sufren daño. En la estructura con disipadores, la energía es absorbida por estos dispositivos reduciendo significativamente las deformaciones y el daño estructural.

BARRAS DE PANDEO RESTRINGIDO

Dentro de una variedad de dispositivos que se han desarrollado hasta el momento, para aplicar a la presente investigación se escogió un tipo de disipador denominado BARRAS DE PANDEO RESTRINGUIDO, ya que en la actualidad se ha venido utilizando este dispositivo con muy buenos resultados en países donde la vulnerabilidad sísmica es alta.

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Componentes de una barra de pandeo restringido

Se tratan de riostras metálicas con pandeo restringido, Estos dispositivos mejoran el comportamiento sísmico de las construcciones proporcionando resistencia y disipación de energía suplementaria El principio básico en la construcción de una barras de pandeo restringido es evitar el pandeo de una barra central de acero, la cual disipa energía a través de ciclos de fluencia estable de tracción – compresión. Para ello la barra central se ubica dentro de un tubo de acero relleno de hormigón o mortero. El dispositivo posee una capa de deslizamiento entre la barra de acero y el hormigón, de tal manera que las cargas axiales sean tomadas sólo por la barra central. Esta capa elimina la transferencia de corte durante la elongación / contracción de la barra disipadora, y acomoda su expansión lateral cuando la misma trabaja en compresión.

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