Comportamiento sísmico de estructuras con forjados reticulares y disipadores de energía bajo acción simultánea de dos componentes horizontales del terremoto

Galé Lamuela, David (2020). Comportamiento sísmico de estructuras con forjados reticulares y disipadores de energía bajo acción simultánea de dos componentes horizontales del terremoto. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Industriales (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.63382.

Description

Title: Comportamiento sísmico de estructuras con forjados reticulares y disipadores de energía bajo acción simultánea de dos componentes horizontales del terremoto
Author/s:
  • Galé Lamuela, David
Contributor/s:
  • Benavent Climent, Amadeo
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2020
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Ingeniería Mecánica
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

Esta Tesis investiga el comportamiento sísmico de las estructuras de hormigón armado formadas por forjados reticulares sobre pilares aislados, sin y con disipadores histeréticos de energía, bajo la acción simultánea de las dos componentes horizontales del movimiento del suelo provocado por el terremoto. La metodología aplicada tiene dos enfoques: uno experimental (ensayos dinámicos con mesa sísmica) y otro numérico (cálculos dinámicos directos con modelos de elementos finitos en 3D). El comportamiento se aborda desde las fases iniciales elásticas, hasta el colapso de la estructura. La caracterización del efecto de carga del sismo y la evaluación de la respuesta de la estructura se realiza empleando diferentes parámetros, con especial énfasis en los basados en consideraciones energéticas. Dentro del enfoque experimental, se proyectó en primer lugar un prototipo de estructura con forjador reticulares, siguiendo la normativa española. La estructura se supuso ubicada en Granada (España). De este prototipo se separó una parte y se construyó a escala en el Laboratorio de Estructuras de la Universidad de Granada (espécimen de ensayo). El espécimen se ensayó con una mesa sísmica biaxial bajo la acción de las componentes horizontales X e Y de un terremoto de campo lejano. Estas componentes se aplicaron de forma sucesiva, escaladas en amplitud por un factor que se fue incrementando hasta el colapso de la estructura. El análisis de los resultados permitió describir la evolución de la respuesta en términos de deriva, rotación de arranque de columnas, fuerzas, deformaciones locales y energía que contribuye al daño. Los elementos críticos donde se concentró el daño fueron los arranques de las columnas y la conexión exterior forjado-pilar. La energía introducida en la estructura hasta el colapso bajo la acción simultánea de las dos componentes del terremoto resultó ser muy cercana al valor obtenido en una investigación previa donde se ensayó un espécimen similar ante una única componente del sismo. Los resultados han permitido proponer un valor del factor de comportamiento (q = 2) para diseñar este tipo de estructuras mediante los métodos basados en fuerzas. El enfoque numérico tuvo dos partes. En la primera, se desarrolló un modelo de elementos finitos que representaba el espécimen ensayado con la mesa sísmica. El modelo numérico se calibró con los resultados experimentales hasta conseguir un ajuste satisfactorio en términos de historias de desplazamiento y de energía. Con este modelo numérico, se realizó un extenso estudio paramétrico consistente en cálculos dinámicos directos con un amplio conjunto de terremotos históricos, para cuantificar la capacidad límite última de este tipo de estructuras en términos de energía. Como resultado, se han obtenido capacidades últimas de disipación de energía para este tipo de estructuras bajo cargas sísmicas biaxiales y uniaxiales. En la segunda parte, al modelo numérico se le añadieron disipadores de energía dependientes del desplazamiento (histeréticos). Con el nuevo modelo, se llevó a cabo un segundo estudio paramétrico para evaluar la respuesta y cuantificar la capacidad límite última de disipación de energía de las estructuras con forjados reticulares y disipadores histeréticos. Se concluye que la capacidad sísmica última en términos de energía de la estructura se mantiene muy estable independientemente del terremoto considerado. Esto se observa tanto en las estructuras sin disipadores como en las estructuras con disipadores de energía. Se cuantifica también la notable mejora en el comportamiento sísmico debida a la introducción de los disipadores histeréticos. ----------ABSTRACT---------- This Thesis investigates the seismic behavior of reinforced concrete structures consisting of waffle-flat plates supported on isolated columns, without and with hysteretic dampers, subjected to the simultaneous action of two components of the ground motion caused by an earthquake. The methodology applied involves two approaches: the experimental approach (dynamic shaking table tests), and the numerical approach (nonlinear response history analyses with a refined 3D finite element model). The study addresses the response of the structure from the initial elastic stages until collapse. Different parameters are used to characterize the seismic action and to evaluate the response and particular attention is given to the energy. Within the experimental approach, a prototype structure with waffle-flat plates and square columns was first designed following the Spanish structural codes. The structure was assumed to be located in Granada. A portion of this prototype was selected, scaled and built in the Laboratory of Structures of the University of Granada (test specimen). The specimen was tested with a biaxial shaking table using the horizontal components of a far field ground motion. These two components were applied simultaneously, scaled in amplitude to increasing values, until collapse. The analyses of the results allowed to describe in detail the evolution of the response in terms of drifts, rotations in column, forces, local deformations and energy that contributes to damage. Damage concentrated at column bases and at the exterior plate-column connection. The energy input in the structure until collapse under the biaxial seismic action was found very close to that obtained in past tests conducted with a similar specimen subjected to unidirectional seismic loadings. Further, based on the results of the tests, it is proposed to adopt the value q = 2 as spectrum reduction factor in force-based seismic design methods. The numerical approach had two parts. The first part consisted on developing a refined 3D finite element model that represented the specimen tested with the shaking table. The model was calibrated with the experimental results to obtain a satisfactory fit between tests results and numerical prediction in terms of displacements and energies. This model was used to conduct a parametric study consisting on nonlinear response history analyses with a large set of ground motions. As a result, the ultimate energy dissipation capacity of this type of structures was evaluated, under uniaxial and under biaxial seismic loadings. In the second part of the numerical study, the model was equipped with displacement-dependent (hysteretic) dampers. A second parametric study was conducted with the new model to evaluate the response and the ultimate energy dissipation capacity of the mixed system. As a global result of the numerical approach, it is concluded that the ultimate energy dissipation capacity of the structure (without or with hysteretic dampers) is a relatively stable amount, scarcely influenced by the characteristics of the ground motion considered. It is also evaluated quantitatively how the response of the structure improves due to the addition of the hysteretic dampers.

Funding Projects

TypeCodeAcronymLeaderTitle
Government of SpainBES-2015-073120UnspecifiedUnspecifiedAyuda para contratos predoctorales para la formación de doctores
Government of SpainBIA2014-60093-RUnspecifiedAmadeo Benavent-ClimentComportamiento sísmico de estructuras con forjados reticulares y disipadores de energía bajo la acción simultánea de dos componentes horizontales del terremoto
Government of SpainBIA2017-88814 RUnspecifiedAmadeo Benavent-ClimentEstudio numérico y experimental de la respuesta sísmica de estructuras con disipadores de energía híbridos que combinan componentes viscosas y elastoplásticas

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Item ID: 63382
DC Identifier: http://oa.upm.es/63382/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:63382
DOI: 10.20868/UPM.thesis.63382
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 01 Sep 2020 06:45
Last Modified: 01 Sep 2020 06:45
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