Seismic design of structures with advanced dissipation devices using energy-based methods

González Sanz, Guillermo (2021). Seismic design of structures with advanced dissipation devices using energy-based methods. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Industriales (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.68679.

Description

Title: Seismic design of structures with advanced dissipation devices using energy-based methods
Author/s:
  • González Sanz, Guillermo
Contributor/s:
  • Benavent Climent, Amadeo
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2021
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 la respuesta de estructuras con disipadores de energía avanzados sometidos a cargas sísmicas. Asimismo, aborda el proyecto sísmico de este tipo de estructuras aplicando métodos energéticos. Gracias al proyecto de investigación DIMFO financiado por la Junta de Andalucía (Proyecto de Excelencia PE 2012 TEP12 2429), se desarrolló un disipador histerético avanzado con capacidad de recentrado, así como la ideación y diseño de un espécimen de hormigón armado y los ensayos en mesa símica. Las aportaciones principales de esta Tesis son: (i) la caracterización del disipador avanzado y la propuesta de modelos numéricos para predecir su comportamiento histerético; (ii) el desarrollo de la metodología de proyecto sismorresistente basada en el balance energético de Housner-Akiyama a estructuras equipadas con este disipador avanzado de energía; y (iii) la propuesta de criterios para asegurar unas adecuadas propiedades de recentrado en las estructuras equipadas con estos dispositivos. Tanto la caracterización como la validación de las propuestas de esta Tesis han involucrado la participación activa en ensayos estáticos y dinámicos con mesa sísmica, y la extracción y análisis de los resultados. El disipador avanzado consta de dos partes trabajando en paralelo: (i) un Tube-in-Tube Damper (TTD) que se basa en la plastificación del acero para asegurar una alta capacidad de disipación de energía, y (ii) un elemento de Material con Memoria de Forma (SMA) hecho con una aleación de níquel-titanio (NiTi) con propiedades de superelasticidad. La metodología basada en criterios energéticos se aplicó al proyecto sísmico de estructuras con los disipadores avanzados estudiados y la formulación del balance energético se desarrolló para este tipo de estructuras. Un extenso estudio paramétrico se llevó a cabo y los resultados experimentales se compararon con las estimaciones obtenidas por las ecuaciones desarrolladas. De esta investigación, se propuso un valor para el índice de concentración de daño n para las estructuras estudiadas. La capacidad de recentrado de este tipo de estructuras también se investigó, así como la predicción y control de deformaciones plásticas residuales. Como conclusión, se propusieron expresiones para controlar las deformaciones residuales. La validación experimental se realizó para el caso general de una estructura de hormigón armado equipada con los disipadores avanzados ensayada en mesa sísmica. El espécimen presenta efectos de torsión y se sometió a dos componentes horizontales de terremotos reales actuando simultáneamente. El comportamiento dinámico del espécimen se estudió y los resultados en términos de desplazamientos, deformaciones, fuerzas y energías fueron discutidos. A partir de estos ensayos, se confirmó que el daño y las deformaciones residuales en la estructura principal fueron drásticamente reducidos, gracias al uso de disipadores avanzados con capacidad de recentrado. ----------ABSTRACT---------- This Thesis investigates the response of structures with advanced energy dissipation devices subjected to seismic loadings. Furthermore, it addresses the seismic design of these kind of structures applying energy-based methods. Thanks to the research project funded by Junta de Andalucía DIMFO (Proyecto de Excelencia PE2012 TEP12 2429), an advanced hysteretic damper with recentering capability and the ideation and design of a reinforced concrete specimen and the shaking table tests were developed. The main contributions of this Thesis are: (i) the characterization of the advanced damper and the proposal of numerical models for predicting its hysteretic behaviour; (ii) the specialization of the Housner-Akiyama energy-balance approach to the structures equipped with this advanced damping device; and (iii) the proposal of criteria for assuring the appropriate recentering capacity of the overall structure. Both the characterization and the validation of the proposals of this Thesis involved the active participation in static and dynamic shake table tests, as well as the analyses of experimental results. The behaviour of this damper is constructed by the sum of two components working in parallel: (i) a Tube-In-Tube Damper (TTD) that is based on the metal yielding to ensure a high energy dissipation capacity, and (ii) a Shape Memory Alloy (SMA) element made of nickel-titanium (NiTi) alloy with superelastic properties. The energy-based methodology is applied to the seismic design of structures equipped with the studied advanced dampers and the energy balance formulation is developed for this kind of structures. An extensive parametric study is carried out and the experimental results are compared with the estimations obtained by the equations developed. From this research, a value for the damage concentration factor n for the structures studied is proposed. The recentering capability of this kind of structures is also investigated and the prediction and control of residual plastic deformations is studied. As a conclusion, expressions for controlling the residual deformations are proposed. The experimental validation is carried out for the general case of a reinforced concrete structure equipped with the advanced dampers tested on a shaking table. The specimen is prone to torsional effects and it is subjected to two horizontal components of real ground motions acting simultaneously. The dynamic behaviour of the specimen is studied and the results in terms of displacements, deformations, forces and energies are discussed. From these tests, it is confirmed that the damage and the residual deformations on the main structure are drastically reduced, thanks to the use of advanced dampers with recentering capability.

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Item ID: 68679
DC Identifier: https://oa.upm.es/68679/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:68679
DOI: 10.20868/UPM.thesis.68679
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 13 Oct 2021 07:14
Last Modified: 13 Oct 2021 07:14
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