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Tesis:

Estudio numérico y experimental de la respuesta sísmica de estructuras con disipadores de energía híbridos que combinan componentes viscosas y elastoplásticas

  • Autor: ARCOS ESPADA, Julio

  • Título: Estudio numérico y experimental de la respuesta sísmica de estructuras con disipadores de energía híbridos que combinan componentes viscosas y elastoplásticas

  • Fecha: 2023

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES

  • Departamentos: INGENIERIA MECANICA

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/78145/

  • Director/a 1º: BENAVENT CLIMENT, Amadeo
  • Director/a 2º: ESCOLANO MARGARIT, David

  • Resumen: Esta tesis se centra en investigar la respuesta sísmica de estructuras equipadas con un nuevo dispositivo de disipación de energía de tipo híbrido, cuando se encuentra activa una de sus dos componentes bajo la acción de terremotos severos. El nuevo disipador se desarrolló dentro del proyecto de investigación MEC BIA2017 88814 R financiado por el Ministerio de Economía, Industria y Competitividad de España liderado por el profesor Amadeo Benavent Climent. En primer lugar, se presenta el diseño de un nuevo prototipo de disipador híbrido que combina la capacidad de un disipador viscoelástico para disipar energía de tipo viscoso cuando en la estructura principal se producen vibraciones de pequeña amplitud provocadas por sobrecargas fuertes de viento o terremotos frecuentes (leves a moderados movimientos del suelo) con la capacidad de un disipador metálico para disipar energía mediante deformaciones plásticas cuando en la estructura principal se producen vibraciones de gran amplitud provocadas por terremotos severos. La parte viscoelástica (componente VE) y la parte metálica (componente MY) del nuevo disipador híbrido están dispuestas en paralelo. Para evitar la activación prematura de la parte metálica del disipador híbrido y evitar el fallo por fatiga de alto ciclo del metal, el disipador presenta una holgura que permite que ante desplazamientos pequeños únicamente se active el material viscoelástico. En segundo lugar, se presenta el prototipo de estructura de HA con forjados reticulares y con disposición asimétrica de columnas diseñada únicamente para soportar la acción de las cargas gravitatorias. De este prototipo se extrajo una parte (subestructura) y se construyó a escala en el laboratorio de estructuras de la Universidad de Granada (espécimen de ensayo). El espécimen equipado con 6 disipadores híbridos (del prototipo diseñado) es ensayado en una mesa vibratoria biaxial bajo la acción de las dos componentes horizontales de un terremoto histórico de campo lejano. El objetivo de estos ensayos es investigar y validar el comportamiento de estructuras de hormigón armado equipadas con el nuevo disipador de energía híbrido especialmente cuando se encuentra activa la componente MY. La metodología aplicada en esta tesis tiene fundamentalmente dos enfoques: uno experimental y otro numérico. En el primero, se llevan a cabo ensayos aislados de las dos componentes del disipador (VE y MY) a nivel de elemento estructural y ensayos sísmicos a nivel de estructura sobre el espécimen de HA en la mesa vibratoria donde se analiza el comportamiento de cada componente. En el segundo, se realizan modelos numéricos para predecir el comportamiento de las dos componentes del disipador y del propio espécimen de HA. La investigación numérica incluye el estudio sobre la influencia de tiene el aumento de rigidez post-elástica que presenta la componente MY del nuevo disipador en el comportamiento global de la estructura. De este estudio numérico se concluye que este aumento de rigidez post-elástica de la componente MY, y por consiguiente del disipador híbrido, proporciona a la estructura una reserva adicional de capacidad de disipación de energía ante la acción de terremotos muy severos, controla y uniformiza los desplazamientos máximos entre plantas y evita concentraciones de daño en plantas concretas del edificio. Todo ello sin que se produzcan incrementos significativos de los cortantes totales de planta o de los axiles máximos en las columnas. ABSTRACT This thesis focuses on the investigation of the seismic performance of structures equipped with a novel hybrid energy dissipation device, in which one of its two components is active under the action of severe earthquakes. The new damper was developed within the MEC BIA2017 88814 R research project funded by the Spanish Ministry of Economy, Industry and Competitiveness led by Professor Amadeo Benavent Climent. Firstly, the design of a new hybrid damper prototype is presented. The damper combines the capacity to dissipate viscous energy of a viscoelastic material, when the main structure undergoes small amplitude vibrations caused by strong wind overloads or frequent earthquakes (of low intensity), with the capacity to dissipate energy through plastic deformations of a metallic material, when the main structure endures high amplitude vibrations caused by severe earthquakes. The viscoelastic part (VE component) and the metal part (MY component) of the new hybrid damper are arranged in parallel. To avoid a premature activation of the metal part of the hybrid damper and its consequently high-cycle fatigue failure, a gap mechanism was engineered to allow the activation of viscoelastic material solely, in the event of small displacements. Secondly, a prototype reinforced concrete structure with waffle-flat plate and asymmetric column arrangement, designed to supports gravity load only, is presented. A portion (substructure) of this prototype was selected, scaled, and built in the laboratory of structures at the University of Granada (test specimen). The specimen was equipped with 6 hybrid dampers (according to the proposed design) and tested on a biaxial dynamic shake-table under the action of the two horizontal components of a historical far-field ground motion. The aim of these tests was to investigate and validate the seismic performance of reinforced concrete structures equipped with the new hybrid energy dissipator, especially when the MY component is active. The methodology applied in this thesis is twofold: experimental and numerical. In the experimental part, two programs were developed. Firstly, several quasi-static and dynamic tests on the two components of the damper (VE and MY) were carried out at isolated structural element level. Secondly, several seismic shake-table tests on a RC specimen equipped with the proposed damper, were carried out at whole structural level, where the performance of each component was analyzed. In the numerical part, models were carried out to predict the behavior of the two components of the damper and of the RC specimen itself, including a study of the influence of the post-elastic stiffness increase of the MY component of the new damper and its influence on the overall behavior of the structure. From this numerical study it was concluded that the increase in post-elastic stiffness of the MY component of the hybrid damper, provides an additional reserve of energy dissipation capacity for the structure to endure very severe earthquakes, controlling and uniformizing the maximum inter-storey drift and avoiding the damage concentration on specific storeys. All this without a significant increment in the total story shears or the maximum axial forces in the columns.