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Tesis:

Constrained layer damping applied to lightweight composite floors: modelling, testing and structural optimization

  • Autor: MARTÍN DE LA CONCHA RENEDO, Carlos

  • Título: Constrained layer damping applied to lightweight composite floors: modelling, testing and structural optimization

  • Fecha: 2024

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS

  • Departamentos: MECANICA DE MEDIOS CONTINUOS Y TEORIA DE ESTRUCTURAS

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/81308/

  • Director/a 1º: MUÑOZ DÍAZ, Ivan
  • Director/a 2º: GARCÍA PALACIOS, Jaime Higinio

  • Resumen: The present doctoral thesis addresses an increasingly concerning problem when designing modern buildings: floors' vibration issues due to human-induced excitation. Nowadays, whenever a floor design is susceptible to exceeding the Vibration Serviceability Limit State (VSLS), something common in composite or timber construction, design engineers tend to oversize the structure by increasing its mass or its stiffness. This solution is not the most efficient and indeed, degrades the green credentials that modern building floors should try to achieve by means of reducing as much as possible their embodied Carbon (EC). This thesis claims that there exist an alternative for designing serviceable floors while keeping their lightweight and slender nature. This solution consists of increasing the floor's damping since the design stage. Therefore, floors could be designed considering the integration of damping devices that enhance their dynamic performance, while the mass and the stiffness are used to comply with static limit states. The research conducted has investigated a specific damping technology applicable to lightweight composite floors which is called Constrained layer damping or CLD. More specifically, the treatment studied was developed by ARUP at the beginning of the 2000's under the name 'resotec' and has been demonstrated to be efficient enough in reducing the floor resonant responses in office buildings. This treatment consists of a thin Viscoelastic (VE) layer located between the concrete slab and the steel profile of a floor's composite beam. When this one vibrates in bending, the VE is deformed to shear dissipating additional energy, and thus, increasing the floor damping ratio. This treatment has been usually applied along a proportion of the beam length near the supports, leaving the central region of the beam connected to longitudinal shear by means of studs, in order to not lose so much bending stiffness. In consequence, this solution implies designing a floor in which the composite effect is not fully exploited, but with a better dynamic performance. Despite this technology has already been applied in real building projects demonstrating its efficacy, its whole potential has not been fully investigated. In addition, although used, this technology has not been spread as initially expected. This is understandable, as current engineers do not have enough perspective, knowledge or tools to know when this solution might be effective, and if yes, how to accurately design it or even predict the additional damping ratio it could provide. This thesis aims to fill this gap by realizing a holistic study of CLD treatments applied to composite floors. For that, the modelling of these treatments is first studied in detail. A deep comparison has been performed between different modelling approaches from analytical Partial Differential Equations (PDEs) solved by sections (to reproduce partially-treated beams) to detailed FE models. Modal analysis has been the main tool used for this. Then three reduced scale models of CLD-treated composite beams have been tested to prove the effectiveness of this damping treatment and the accuracy of the models on assessing it. Finally, an application example in which different composite floors have been design with and without considering the use of this technology has been carried out. For that, a multi-objective structural optimization problem has been proposed. This whole research not only provides engineers with tools to design these treatments and predict their behaviour but also proves that in certain cases, their use leads to more lightweight, comfortable and sustainable floors. RESUMEN La presente tesis doctoral aborda un problema cada vez más preocupante en el diseño de edificios modernos: las vibración excesiva de los forjados debida a excitaciones inducidas por humanos. En la actualidad, cuando el diseño de un forjado es susceptible de no cumplir con el Estado Límite de Servicio de Vibraciones (ELSV), algo que ocurre con frecuencia al diseñar forjados mixtos o de madera, el calculista tiende a sobredimensionar la estructura aumentando su masa o su rigidez. Esta solución no es la más eficiente y, de hecho, degrada el caracter sostenible al que los forjados de los edificios modernos deberían aspirar reduciendo al máximo su Carbono Incorporado (CI). Esta tesis sostiene que existe una alternativa para diseñar forjados funcionales manteniendo su naturaleza ligera y esbelta. Esta solución consiste en aumentar su amortiguamiento desde la etapa de diseño. Esto implica, diseñarlos considerando la integración de dispositivos de amortiguación que mejoren su respuesta dinámico, mientras que la masa y la rigidez son empleaddas para cumplir con estados límite estáticos. La investigación realizada en esta tesis ha estudiado una tecnología de amortiguación específica aplicable a pisos compuestos ligeros llamada Amortiguamiento de Capa Constreñida o ACC. Más específicamente, el tratamiento estudiado fue desarrollado por ARUP a principios de la década de 2000 bajo el nombre "resotec" y ha demostrado ser lo suficientemente eficiente como para reducir la respuesta resonante de forjados de gran luz en edificios de oficinas. Este tratamiento consiste en una fina capa viscoelástica (VE) ubicada entre la losa de hormigón y el perfil de acero de una viga mixta. Cuando esta viga vibra a flexión, la capa VE se deforma cíclicamente a rasante disipando energía adicional y aumentando la razón de amortiguamiento del forjado. Este tratamiento suele aplicarse únicamente a lo largo de una proporción de la longitud total de la viga cercana de los apoyos, dejando la región central de ésta conectada a rasante mediante pernos, con el fin de no perder tanta rigidez a la flexión. En consecuencia, esta solución implica diseñar un forjado en el que la acción mixta no se aproveche completamente, pero en el que a cambio se mejora el comportamiento dinámico. A pesar de que esta tecnología ya se ha aplicado en proyectos de construcción reales, su potencial no se ha investigado por completo. Además, pese a su gran utilidad, la aceptación y difusión de esta tecnología no ha sido la inicialmente esperada. Esto es comprensible, ya que la mayoría de ingenieros actuales no tienen la perspectiva, el conocimiento o las herramientas preciss para saber cuándo esta solución puede ser eficaz y, de ser así, cómo diseñarla o incluso predecir el incremento de amortiguamiento al que se puede aspirar. Esta tesis tiene como objetivo llenar este vacío mediante la realización de un estudio integral de tratamientos ACC aplicados a forjados mixtos. Para ello, se ha estudiado en detalle la modelización de estos tratamientos. Se ha realizado una profunda comparación entre diferentes enfoques de modelización, desde ecuaciones diferenciales en derivada parciales (EDPs) resueltas por tramos (para reproducir vigas tratadas parcialmente) hasta modelos detallados de elementos finitos (EF). El análisis modal ha sido la principal herramienta utilizada para ello. Además, se han realizado ensayos experimentales en tres modelos a escala reducida de vigas mixtas tratadas con ACC. Esto ha permitido comprobar su eficacia y evaluar la precisión de los modelos usados de cara a predecir el incremento de amortiguamiento. Finalmente, se ha realizado un ejemplo de aplicación en el que se han diseñado diferentes forjados mixtos teniendo y sin tener en cuenta el uso de esta tecnología. Para ello, se ha planteado un problema de optimización estructural multiobjetivo. Esta investigación no solo proporciona a los ingenieros herramientas para diseñar estos tratamientos y predecir su comportamiento, sino que también demuestra que en ciertos casos, su uso conduce a estructuras de forjado más ligeras, útiles y sostenibles.