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Tesis:

Desarrollo y aplicación de los métodos basados en el balance energético a estructuras con disipadores dependientes de la velocidad

  • Autor: PONCE PARRA, Hermes

  • Título: Desarrollo y aplicación de los métodos basados en el balance energético a estructuras con disipadores dependientes de la velocidad

  • Fecha: 2024

  • Materia:

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

  • Departamentos: INGENIERIA MECANICA

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/81008/

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

  • Resumen: The overall objective of this thesis is to investigate a new viscoelastic material for use in a hybrid energy damper and to develop a novel method based on the Housner-Akiyama energy balance for the design of structures with velocity-dependent dampers. The hybrid energy damper comprises two sequentially activated components: a velocity-dependent viscoelastic component and a displacement-dependent elastoplastic component. This thesis focuses on the velocity-dependent component, realized with the new viscoelastic material. The proposed design method serves to project and verify structures with velocity-dependent energy dampers, including hybrid dampers during the phase when only the viscoelastic component is active. The development of the new hybrid energy damper took place within the research project "Numerical and experimental study of the seismic response of structures with hybrid energy dissipaters combining viscous and elastoplastic components," funded by the Ministry of Science, Innovation, and Universities of Spain, to which the author of the thesis was associated with a Research Personnel Training (FPI) scholarship. To achieve this, the mechanical properties of the new viscoelastic material were first developed and experimentally determined. The material was created at Vyatka University (Russia), a participant in the aforementioned research project. The author of this thesis was involved in the development of the new viscoelastic material from the initial phase of selecting chemical components to optimizing the mixture for the required mechanical capacity during a stay at Vyatka University. Once the viscoelastic material was characterized, a comprehensive numerical parametric study was conducted to investigate the dynamic behavior of three reinforced concrete frame structures with velocity-dependent dampers (three, six, and nine-story buildings). The seismic response of these prototypes was analyzed for different damping fractions (10 %, 20 %, 30 %, and 40 %) provided by the dampers in the first mode of vibration, using a large number of real earthquakes. The results of this parametric study were used to develop a new method for the design and verification of structures with velocity-dependent dampers based on the Housner-Akiyama energy balance approach. Initially formulated for viscous dampers, the method was extended to dampers with viscoelastic components of the type investigated in the first part of the thesis. Finally, the proposed method was verified using a new prototype of a six-story reinforced concrete frame structure subjected to several different earthquakes than those used in the parametric study. In conclusion, the effectiveness of the new viscoelastic material installed in hybrid dampers was validated through an experimental campaign in which a 1/3 scale reinforced concrete structure equipped with hybrid dampers was constructed and subjected to dynamic loads using the seismic table at the University of Granada. RESUMEN El objetivo general de esta tesis se enfoca en desarrollar y aplicar el método basado en el balance energético de Housner-Akiyama al proyecto de estructuras con disipadores híbridos multifase dependientes de la velocidad y del desplazamiento. La tesis se centra en la fase de comportamiento viscoso del disipador y, por lo tanto, en el mecanismo de disipación de energía dependiente de la velocidad. Con estos métodos se pretende conseguir estructuras económicamente competitivas y con un comportamiento muy superior al de las estructuras convencionales. Para poder cumplir ese objetivo es preciso caracterizar las propiedades dinámicas y mecánicas del material viscoelástico empleado. Dicho material ha sido desarrollado y analizado por el autor de esta tesis desde la fase inicial de composición de los elementos que forman parte del material final, optimización de la mezcla para obtener la capacidad mecánica requerida, fabricación del material e instalación del mismo dentro del disipador híbrido multifase. Una vez definido el material viscoelástico, se estudia numéricamente el comportamiento dinámico de tres estructuras porticadas de hormigón armado de tres, seis y nueve plantas que tienen instalado un material viscoso que depende de la velocidad. Se analiza la respuesta de dichos prototipos, cuando el disipador viscoso aporta diferentes fracciones de amortiguamiento en el sistema (10 %, 20 %, 30 % y 40 %) bajo la acción sísmica de una cantidad masiva de señales de aceleración del suelo provenientes de terremotos reales. Una vez analizadas las respuestas se desarrolla el método de predicción de la respuesta sísmica de estructuras con disipadores dependientes de la velocidad basados en el método energético de Housner-Akiyama y se define la manera en la que se extrapola este método a las estructuras equipadas con disipadores viscoelásticos. Finalmente se verifica el método predictivo mediante el empleo de otro prototipo porticado de hormigón armado de seis plantas al que se le introducen unos terremotos fuera de la muestra empleada para el estudio paramétrico. Por último, se lleva a cabo una campaña experimental donde se construye un espécimen reducido a escala 1/3 con los disipadores híbridos multifase instalados, a partir de un prototipo de hormigón armado de tres plantas, que se ensaya encima de una mesa sísmica instalada en la Universidad de Granada. Se analiza la respuesta del espécimen bajo la acción dinámica de la señal de aceleración del suelo producida por el terremoto de Irpinia y registrado por la estación Calitri, aplicando diferentes escalas de amplitud a la señal que simulen la intensidad de un terremoto frecuente.