Tesis:
Estudio de Secciones de Hormigón Armado y Pretensado de Apertura Controlada en Fase Elástica con Rigidez Negativa : Aplicación al Aislamiento Sísmico de Edificios
- Autor: RÍOS GARCÍA, Germán Alfonso
- Título: Estudio de Secciones de Hormigón Armado y Pretensado de Apertura Controlada en Fase Elástica con Rigidez Negativa : Aplicación al Aislamiento Sísmico de Edificios
- Fecha: 2019
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: INGENIERIA MECANICA
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/57020/
- Director/a 1º: BENAVENT CLIMENT, Amadeo
- Resumen: El uso de “columnas basculantes” (denominadas rocking columns en ingles) como una forma de materializar el concepto del aislamiento sísmico de base de estructuras está siendo objeto de recientes trabajos de investigación y es foco de un creciente interés en las publicaciones técnicas. Sin embargo, los trabajos previos sobre columnas basculantes se han centrado fundamentalmente en aplicaciones a puentes; hay muy pocos trabajos de investigación enfocados al estudio de este tipo de sistema de aislamiento aplicado a estructuras de edificación de varias plantas. En esta investigación se plantea emplear un sistema de aislamiento sísmico consistente en disponer una nueva solución de columna basculante en toda la primera planta (planta baja) del edificio, permaneciendo la estructura de las plantas superiores como una estructura de hormigón armado convencional. Los columnas basculantes propuestas incorporan dispositivos de disipación de energía para controlar los desplazamientos laterales de la estructura. Para ello, se propone una nueva columna basculante de hormigón para pórticos de hormigón armado que está restringida verticalmente con una barra de acero no adherente que pasa a través de la línea central de la columna, está anclada en la viga superior y libre para deslizarse en el extremo inferior de la cimentación dentro de un rango controlado de desplazamientos. El deslizamiento libre se logra dejando una holgura o "gap" entre una placa de extremo fija en el extremo inferior de la barra y una cavidad en la base. La holgura proporciona un rango de desplazamientos laterales dentro del cual se aprovechan al máximo los beneficios de la rigidez negativa intrínseca del sistema, la cual se busca mantener para conseguir el necesario aislamiento sísmico de la estructura convencional situada sobre la primera planta. El objetivo final de este trabajo es desarrollar la nueva columna basculante propuesta y proponer criterios para el proyecto de estructuras porticadas de hormigón armado equipadas con las mismas. La nueva columna basculante puede ser parcial o totalmente prefabricadas con el fin de garantizar la calidad y disminuir costes. La incorporación de este tipo de columnas permitir mejorar las prestaciones sísmicas de los edificios convencionales resueltos con pórticos de hormigón armado. Las principales mejoras son: (i) reducción drastica de los desplazamientos laterales de las plantas superiores a la primera; y (ii) reducción/eliminación de los daños (deformaciones plásticas) en los elementos estructurales situados en las plantas superiores a la primera. En el sistema propuesto, y al igual que ocurre con las estructuras con aislamiento de base convencionales, la práctica totalidad de la energía introducida por el sismo se disipa en la planta primera. En la Tesis se propone también un disipador de energía sencillo a base de chapas de acero inoxidable con perforaciones para ser empleado en la nueva columna basculante. La capacidad límite última de disipación de energía de este disipador se cuantifica mediante ensayos. Se evalúa también, mediante simulaciones numéricas, la porción de esta capacidad límite última de disipación de energía que se consumiría en caso de un terremoto frecuente y en caso de un terremoto severo. Se demuestra que el disipador propuesto tiene una capacidad límite última de disipación de energía suficientemente elevada como para poder soportar varios terremotos frecuentes o severos sin agotar su capacidad, y por lo tanto sin necesidad de ser sustituido. Las plantas superiores a la primera se resuelven con pórticos de nudos rígidos convencionales, pudiendo reducirse su dimensionado y armado (en comparación a una estructura convencional) debido a: (i) la reducción de fuerzas de inercia que se consigue con la planta de aislamiento que forma las nuevas columnas basculantes, y (ii) el no tener que cumplir los requisitos constructivos por ductilidad local/global que se exigen a los elementos estructurales de hormigón armado. La estructura en las plantas superiores sigue siendo por lo tanto una estructura de hormigón armado convencional construida "in situ", pero con prestaciones mejoradas, menor coste y menores servidumbres arquitectónicas que otros sistemas avanzados de protección sísmica, como un sistema convencional de aislamiento de base con aparatos de apoyo u otros que requieren modificaciones más radicales de la estructura convencional inicial. El sistema propuesto se ha desarrollado con la posibilidad de personalizar la ley de comportamiento de la sección rocking ajustando unos pocos parámetros de la columna. Se han desarrollado las ecuaciones para predecir la curva principal que caracteriza el comportamiento histerético empleando como variables dichos parámetros, y con ello se ha encontrado que la respuesta del sistema está controlada fundamentalmente por (i) la fuerza recuperadora máxima proporcionada por las columnas oscilantes, (ii) la resistencia lateral proporcionada por los disipadores y (iii) las dimensiones de la holgura o "gap" en el extremo inferior de la barra central no adherente. Asimismo, con el fin de obtener conclusiones útiles para el diseño de cualquier sistema de este tipo, se han identificado 6 parámetros adimensionales que gobiernan el comportamiento de una columna basculante, considerando tanto la contribución de la columna basculante simple como de la barra central y de los disipadores histeréticos que deberán disponerse. El problema de contacto en la sección en la que se produce el movimiento rocking, fundamental en este tipo de elementos estructurales debido a la fuerte concentración de tensiones que se produce siempre en la misma, se ha estudiado con especial detalle tanto de forma analítica como realizando un modelado numérico detallado con un programa de elementos finitos, y se han utilizado e interpretado los resultados experimentales de estas uniones obtenidos por otros autores en trabajos anteriores. Como resultado, se han obtenido conclusiones útiles para definir el diseño de estas zonas críticas del sistema propuesto. Como resultado de todas las formulaciones anteriores, se han obtenido unos Criterios de Diseño de la columna basculante propuesta. Dentro de los mismos, un elemento fundamental del sistema propuesto son los dispositivos de disipación de energía que deben disponerse en los extremos superior e inferior de la columna basculante. Aunque podrían disponerse dichos dispositivos dentro de diagonales o arriostramientos en "V" invertida de la primera planta, tal como se hace en otros sistemas de protección sísmica, permitiendo así una utilización más eficaz de su capacidad, se ha propuesto la citada situación de los dispositivos solo en ambos extremos de la columna basculante para liberar a la primera planta de la servidumbre arquitectónica que supondría disponer en la misma dichos arriostramientos, siendo esta una de las varias ventajar del sistema propuesto. Dada la necesidad de disipar una gran cantidad de energía en un volumen pequeño que evite aumentar las dimensiones exteriores totales del conjunto columna basculante+disipador, se ha encontrado que los disipadores más adecuados son los basados la plastificación de metales. Para ello, se han estudiado los diversos tipos de amortiguadores de este tipo existentes en la literatura, obteniendo las ecuaciones que rigen su comportamiento y detalles de diseño para este tipo de columna en particular. Entre ellos, se propone emplear en para la nueva columna basculante propuesta un tipo particular de disipador a base de chapas de acero inoxidable con ranuras verticales ("slit-plate"). Se ha realizado un estudio paramétrico para la optimización de los valores de los 6 mencionados parámetros adimensionales identificados como los que gobiernan el comportamiento de la columna basculante. Como resultado, se proponen unos valores de dicho parámetros para conseguir el diseño del sistema con columnas basculantess más eficiente que puede conseguirse. Se ha estudiado el sistema propuesto desde el punto de vista del balance energético, con el fin de realizar un Diseño Basado en Prestaciones de los edificios en los que se implemente el mismo. De este modo, para evaluar la solución propuesta, se ha comparado la respuesta sísmica de unos pórticos de hormigón armado convencionales con 3, 6 y 9 pisos con la de unos pórticos rocking similares en los que únicamente se han sustituido las columnas convencionales de hormigón armado de la primera planta por las columnas rocking propuestas. Para ello se ha realizado un análisis dinámico no lineal directo en el tiempo, sometiendo los modelos de dichos pórticos a un conjunto de acelerogramas de sismos reales escalados para conseguir un determinado nivel de energía correspondientes a sismo frecuente, raro y muy raro. Con los resultados de dicho análisis, se ha comprobado que para el sismo muy raro, los máximos desplazamientos entre plantas superiores a la primera disminuyen aproximadamente 3 veces, las aceleraciones de la historia aproximadamente 1,5 veces y la demanda de disipación de energía en las historias superiores aproximadamente 20 veces, demostrando la efectividad del sistema propuesto. Además, se demuestra que la solución propuesta (i) resuelve los efectos adversos de los tendones postesados convencionales anclados en ambos extremos que se emplean en algunas columnas rocking propuestas en investigaciones anteriores; (ii) mejora el aislamiento sísmico en terremotos frecuentes o raros (diseño) y (iii) evita el colapso en caso de terremotos muy raros. Por ello, este sistema se propone como una alternativa a los sistemas tradicionales de aislamiento sísmico realizados con aparatos de apoyo. Finalmente, se ha propuesto un método fácil de proyecto para este sistema de aislamiento de base mediante columnas basculantess en la primera planta, usando programas estándar comerciales de análisis estructural, que permitiría realizar un diseño de edificios con el sistema propuesto en casos reales, de una forma factible para oficinas de diseño de estructuras de edificación. De este modo, si se quisiera implementar el sistema propuesto en los pórticos de un edificio proyectado hasta el momento como un pórtico convencional, podría realizarse sustituyendo solamente las columnas convencionales de hormigón armado de la primera planta por las columnas rocking propuestas diseñadas con dichos criterios de diseño y comprobando el comportamiento de la estructura así resultante, esperando conseguir así se forma sencilla una mejora significativa en sus prestaciones frente al sismo. ----------ABSTRACT---------- The use of rocking columns in order to implement a seismic base isolation of structures is undergoing recent research and the focus of a growing interest in technical publications. Past work focussed on the application of rocking columns to bridges. There are very few research works focused on the study of this type of isolation system applied to multi-storey building structures. In this research it is proposed to employ a system of seismic isolation consisting of rocking columns located in all the columns of the first floor of the building. The structure of the upper floors remains as a structure of conventional reinforced concrete. For this purpose, a new rocking column for reinforced concrete frames is proposed, which is restricted vertically with a unbonded steel bar that passes through the central line of the column, is anchored in the upper beam and free to slide in the lower end of the column (the foundation) within a controlled range of displacements. Free sliding is achieved by leaving a gap between a fixed end plate at the lower end of the bar and a cavity in the base. The clearance provides a range of lateral displacements within which full advantage is taken of the intrinsic negative rigidity of the system. This negative stiffness allows to achieve the necessary seismic isolation. The final objective of this work is to develop a new rocking column and propose rules and criteria to designs RC structures equipped with the new rocking column. The new rocking column ca be partially or completely prefabricated in order to guarantee quality and reduce costs. The use of the new rocking column allows to attain structures with improved seismic performance. The main improvements are: (i) drastic reduction of lateral displacements in the upper stories; (ii) drastic reduction/cancellation of plastic energy dissipation demands on the structural elements of the upper stories. In the proposed system, similarly to conventional based isolated structures, most of the energy input by the earthquake is dissipated in the first floor. This Thesis proposes also a simple energy dissipation device consisting of stainless steel plates with slits. The ultimate energy dissipation capacity of this device is experimentally studied and evaluated. Also, the portion of the ultimate energy dissipation capacity consumed by a frequent or rare ground motion is evaluated. It is shown that the damper could endure several frequent or severe earthquakes without failing. The rest of the the structure (upper floors) would be as in conventional reinforced concrete structures built "in situ", but they would posses an improved seismic performance, a lower cost and lower architectural restrictions in comparison with other advanced seismic protection systems, such as a conventional base isolation system with bearings or other ones which require more radical modifications of the initial conventional structure. The proposed system has been developed with the possibility of customizing the backbone curve of the rocking section by adjusting a few parameters of the column. New equations have been developed to predict the main curve that characterizes the hysteretic behavior using such parameters as variables, and it has been found that the response of the system is controlled primarily by (i) the maximum restoring force provided by the rocking columns, (ii) the lateral resistance provided by the dampers and (iii) the dimensions of the gap at the lower end of the unbonded central bar. Likewise, in order to obtain useful conclusions for the design of any system of this type, 6 dimensionless parameters that govern the behaviour of the new rocking column have been identified. The contact problem at the section in which the rocking movement occurs, fundamental in this type of structures due to the strong stress concentration, has been studied in particular detail both analytically through detailed numerical modelling with a finite elements program, and the experimental results of these unions obtained by other authors in previous works have been used and interpreted. As a result, useful conclusions have been drawn to define the design of these critical areas in the proposed system. As a result of all the previous formulations, Design Criteria of the proposed rocking columns have been obtained. A fundamental element of the proposed system are the energy dissipation devices that must be arranged at the upper and lower ends of the rocking columns. Although these devices could be arranged within diagonal or inverted "V" bracings of the first floor, as is done in other seismic protection systems, thus allowing a more efficient utilization of their capacity, the aforementioned situation of the devices has been proposed only at both ends of the rocking columns. Given the need to dissipate a large amount of energy in a small volume in order to avoid increasing the total external dimensions of the rocking column+damper assembly, it has been concluded that the best option is to use energy dissipation devices based on the yielding of metals. Various types of energy dissipation systems of this type has been studied, obtaining the equations that govern their behavior and design details for this particular type of column. Finally, it is proposed to use a particular type of an energy dissipation device consisting of stainless steel plates with slits. An experimental campaign has been carried out to determine its mechanical characteristics of energy dissipation, and the effectiveness of its use in reinforced concrete frames has been proven. A parametric study was carried out to optimize the values of the 6 mentioned dimensionless parameters identified as those that govern the behaviour of the rocking columns. As a result, values of these parameters are proposed to achieve the most efficient system. In order to evaluate the proposed solution, the seismic response of conventional reinforced concrete frames with 3, 6 and 9 floors has been compared with that of similar rocking frames in which only conventional reinforced concrete columns of the first floor have been replaced by the proposed rocking columns. To this end, a direct nonlinear dynamic analysis has been carried out over time, subjecting the models of said frames to a set of earthquake accelerograms to achieve a certain level of energy corresponding to frequent, rare and very rare earthquakes. With the results of this analysis, it has been found that for the very rare earthquake, the maximum interstory drifts in the upper stories decrease approximately to one third, the accelerations of the history approximately to one half and the demand for dissipation of energy in the upper stories of the conventional frame is about 20 times higher that in the proposed solution, demonstrating the effectiveness of the proposed system. In addition, it is demonstrated that the proposed solution (i) solves the adverse effects of conventional post-tensioned tendons anchored at both ends that are used in some rocking columns proposed in previous studies; (ii) improves seismic isolation in frequent or rare earthquakes (design) and (iii) prevents collapse in case of very rare ground movements. Therefore, this system is proposed as an alternative to traditional seismic isolation systems. Finally, a simple design method has been proposed for the proposed base isolation system, that can be carried out using standard commercial programs of structural analysis, which would allow realizing a design of buildings with the proposed system in real cases in a feasible way for design offices of building structures. Thus, if it is desired to implement the proposed system in the structure of a building designed to date as a conventional frame, it could be done by replacing only the conventional reinforced concrete columns on the first floor with the proposed rocking columns designed with these criteria.