Optimal passive control of nonlinear asymmetric structures : a performance-based design
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2015
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Abstract
El diseño sismo-resistente tradicional se ha basado en la capacidad de las estructuras de absorber y disipar la energía inducida por los terremotos mediante comportamiento inelástico. Este concepto de disipación de energía es factible si las estructuras satisfacen principios de diseño por capacidad, sin embargo esto forzosamente implica daño estructural. Las estructuras asimétricas son particularmente vulnerables a los terremotos debido a la demanda de deformaciones desiguales entre sus planos resistentes causada por el acoplamiento entre la respuesta traslacional y rotacional, originando concentraciones de daño en pocos elementos poniendo en peligro la integridad de las estructuras. Sin embargo las estructuras asimétricas son comunes en la práctica profesional principalmente por razones arquitectónicas y de funcionalidad. Las normas de diseño castigan la capacidad de estructuras con la intención de limitar el daño incrementando su resistencia y rigidez; sin embargo aparecen efectos colaterales perjudiciales: entre otro, las aceleraciones de la estructura aumentan y el amortiguamiento inherente disminuye. El concepto de utilizar elementos independientes de la estructura principal para disipar la energía sísmica inducida fue presentado por primer vez a finales de la década de los sesenta, desde entonces bastante investigación ha sido orientada al desarrollo de técnicas y estrategias innovadoras para el control de la respuesta sísmica de las estructuras con el objeto de aumentar su desempeño sin dejar de considerar que los costos de construcción se deben mantener dentro de márgenes razonables.
Estas técnicas pueden ser clasificadas en dos categorías: sistemas de amortiguamiento suplementario y sistemas de aislación sísmica. Los sistemas de amortiguamiento suplementario pueden ser subdivididos en sistemas de protección sísmica pasivos, activos y semi-activos (incluso híbridos). Esta investigación está enfocada en el diseño óptimo de sistemas pasivos de protección sísmica, específicamente dispositivos de disipación de energía y amortiguadores de masa sintonizada, con el objetivo principal de reducir la respuesta torsional que es particularmente nociva en estructuras asimétricas idealmente mediante una reducción del latente daño global. Primeramente se estudiaron técnicas que permiten distribuir de manera óptima los dispositivos de disipación de energía en las estructuras. Posteriormente se investigaron los parámetros óptimos para la calibración de amortiguadores de masa sintonizada. Las metodologías utilizadas para obtener estos diseños óptimos están basadas en el concepto de balance torsional, el cual implica además de lograr reducciones en la respuesta sísmica de las estructuras, igualar la deformación de los ejes perimetrales desacoplando en un sentido estadístico, la correlación entre el movimiento traslacional y rotacional calculado en el centro de gravedad geométrico de la estructura. A pesar de que existe investigación exhaustiva orientada a caracterizar el comportamiento de estos sistemas pasivos de protección sísmica, y además se han desarrollado y publicado algunas normas de diseño, aún existen varios aspectos que requieren ser estudiados.
Teniendo presente que no es factible evitar la respuesta inelástica de las estructuras cuando son sometidas a un terremoto importante, incluso a pesar de que los sistemas de pasivos de protección sísmica (sin considerar la aislación sísmica, la cual prácticamente garantiza una respuesta elástica de la estructura) mejoran el desempeño sísmico, gran parte de las investigaciones realizadas en este tema han considerado únicamente el comportamiento elástico de la estructura principal. Por lo tanto es importante evaluar la precisión de esta hipótesis mediante la consideración de la respuesta inelástica de las estructuras. Otro aspecto que concierne a esta investigación es la relación que existe entre el amortiguamiento suplementario y el corte basal de diseño debido a que las normas de diseño actuales permiten reducciones adicionales a la resistencia de las estructura (p. ej. factores de reducción de resistencia mayores) cuando se implementan estos sistemas de amortiguamiento. En un sentido filosófico, las estructuras con protección sísmica deben garantizar un mejor desempeño que el de las estructuras convencionales. Por último, el desempeño de estas estructuras con equipadas de protección sísmica, ya sea mediante una distribución óptima de disipadores o con un amortiguador de masa óptimamente sintonizado, es evaluado mediante un análisis de fragilidad. Éste análisis consiste en desarrollar una serie de curvas de fragilidad las cuales muestran la probabilidad de exceder un estado límite definido mediante un índice de desempeño en función de la intensidad del sismo. Las curvas son elaboradas mediante un análisis denominado análisis dinámico incremental (IDA por sus siglas en inglés) para el cual se consideró un conjunto de 42 acelerogramas registrados durante el terremoto del Maule en Chile (Mw 8.8) escalados a 15 intensidades crecientes.
El desempeño es cuantificado mediante distintos índices de daño tal como la deformación relativa de entrepiso, la demanda de ductilidad y particularmente mediante el índice acumulativo de Park & Ang, el cual se compone de la suma ponderada de dos parámetros principales: el primero relacionado con el daño ocasionado por la demanda de ductilidad y el segundo relacionado con la energía histerética disipada. Los análisis realizados a lo largo de esta investigación muestran que la hipótesis del comportamiento elástico de la estructura principal nos conduce a una estimación adecuada de la distribución óptima de disipadores de energía. Igualmente se muestra que los amortiguadores de masa sintonizada con una relación de masa del orden de 0.10 son una solución robusta contra la sensibilidad de los parámetros de sintonización del sistema cuando la estructura principal será sometida de bajas a moderadas demandas de ductilidad. Estos amortiguadores que poseen una masa importante se pueden lograr mediante técnicas de sub-estructuración, es decir, la masa del amortiguador es sustraída de la propia estructura. Los resultados muestran mejoras significativas en el desempeño de las estructuras en términos de reducción en la probabilidad de daño tal como lo denotan los análisis de fragilidad. El diseño óptimo de los parámetros de los sistemas de protección pasiva considerados, contrarrestan e incluso anulan la respuesta torsional de las estructuras no solo reduciendo, también igualando el daño. Es factible permitir reducciones al corte basal de diseño en estructuras con sistemas de amortiguamiento suplementario, sin embargo estas reducciones deben ser cuidadosamente consideradas cuando existen condiciones de asimetría ya que se debe garantizar una mejora en el desempeño estructural.
Estas técnicas pueden ser clasificadas en dos categorías: sistemas de amortiguamiento suplementario y sistemas de aislación sísmica. Los sistemas de amortiguamiento suplementario pueden ser subdivididos en sistemas de protección sísmica pasivos, activos y semi-activos (incluso híbridos). Esta investigación está enfocada en el diseño óptimo de sistemas pasivos de protección sísmica, específicamente dispositivos de disipación de energía y amortiguadores de masa sintonizada, con el objetivo principal de reducir la respuesta torsional que es particularmente nociva en estructuras asimétricas idealmente mediante una reducción del latente daño global. Primeramente se estudiaron técnicas que permiten distribuir de manera óptima los dispositivos de disipación de energía en las estructuras. Posteriormente se investigaron los parámetros óptimos para la calibración de amortiguadores de masa sintonizada. Las metodologías utilizadas para obtener estos diseños óptimos están basadas en el concepto de balance torsional, el cual implica además de lograr reducciones en la respuesta sísmica de las estructuras, igualar la deformación de los ejes perimetrales desacoplando en un sentido estadístico, la correlación entre el movimiento traslacional y rotacional calculado en el centro de gravedad geométrico de la estructura. A pesar de que existe investigación exhaustiva orientada a caracterizar el comportamiento de estos sistemas pasivos de protección sísmica, y además se han desarrollado y publicado algunas normas de diseño, aún existen varios aspectos que requieren ser estudiados.
Teniendo presente que no es factible evitar la respuesta inelástica de las estructuras cuando son sometidas a un terremoto importante, incluso a pesar de que los sistemas de pasivos de protección sísmica (sin considerar la aislación sísmica, la cual prácticamente garantiza una respuesta elástica de la estructura) mejoran el desempeño sísmico, gran parte de las investigaciones realizadas en este tema han considerado únicamente el comportamiento elástico de la estructura principal. Por lo tanto es importante evaluar la precisión de esta hipótesis mediante la consideración de la respuesta inelástica de las estructuras. Otro aspecto que concierne a esta investigación es la relación que existe entre el amortiguamiento suplementario y el corte basal de diseño debido a que las normas de diseño actuales permiten reducciones adicionales a la resistencia de las estructura (p. ej. factores de reducción de resistencia mayores) cuando se implementan estos sistemas de amortiguamiento. En un sentido filosófico, las estructuras con protección sísmica deben garantizar un mejor desempeño que el de las estructuras convencionales. Por último, el desempeño de estas estructuras con equipadas de protección sísmica, ya sea mediante una distribución óptima de disipadores o con un amortiguador de masa óptimamente sintonizado, es evaluado mediante un análisis de fragilidad. Éste análisis consiste en desarrollar una serie de curvas de fragilidad las cuales muestran la probabilidad de exceder un estado límite definido mediante un índice de desempeño en función de la intensidad del sismo. Las curvas son elaboradas mediante un análisis denominado análisis dinámico incremental (IDA por sus siglas en inglés) para el cual se consideró un conjunto de 42 acelerogramas registrados durante el terremoto del Maule en Chile (Mw 8.8) escalados a 15 intensidades crecientes.
El desempeño es cuantificado mediante distintos índices de daño tal como la deformación relativa de entrepiso, la demanda de ductilidad y particularmente mediante el índice acumulativo de Park & Ang, el cual se compone de la suma ponderada de dos parámetros principales: el primero relacionado con el daño ocasionado por la demanda de ductilidad y el segundo relacionado con la energía histerética disipada. Los análisis realizados a lo largo de esta investigación muestran que la hipótesis del comportamiento elástico de la estructura principal nos conduce a una estimación adecuada de la distribución óptima de disipadores de energía. Igualmente se muestra que los amortiguadores de masa sintonizada con una relación de masa del orden de 0.10 son una solución robusta contra la sensibilidad de los parámetros de sintonización del sistema cuando la estructura principal será sometida de bajas a moderadas demandas de ductilidad. Estos amortiguadores que poseen una masa importante se pueden lograr mediante técnicas de sub-estructuración, es decir, la masa del amortiguador es sustraída de la propia estructura. Los resultados muestran mejoras significativas en el desempeño de las estructuras en términos de reducción en la probabilidad de daño tal como lo denotan los análisis de fragilidad. El diseño óptimo de los parámetros de los sistemas de protección pasiva considerados, contrarrestan e incluso anulan la respuesta torsional de las estructuras no solo reduciendo, también igualando el daño. Es factible permitir reducciones al corte basal de diseño en estructuras con sistemas de amortiguamiento suplementario, sin embargo estas reducciones deben ser cuidadosamente consideradas cuando existen condiciones de asimetría ya que se debe garantizar una mejora en el desempeño estructural.
Description
Tesis (Doctor in Engineering Sciences)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2015