Análisis no lineal mediante el método de los elementos finitos del comportamiento estructural de pórticos metálicos con disipadores tipo Comb-teeth bajo la acción de carga cíclica

Abstract

En los últimos años han sido múltiples las técnicas de control de respuesta sísmica propuestas con base en disipadores histeréticos metálicos. En varias investigaciones se ha demostrado las ventajas del uso de estos sistemas de control en edificaciones con respecto a la reducción de daño estructural y a la mejor respuesta sísmica de las estructuras. La facilidad de instalación, la relativa economía que proveen en su manufactura y la importante influencia que tienen los disipadores histeréticos sobre la respuesta dinámica de la edificación son las principales razones para su frecuente implementación. En el presente trabajo se propone una metodología guía para el análisis y diseño de pórticos metálicos con disipadores, buscando promover el uso de estos sistemas de protección sísmica en la práctica del diseñador estructural en Colombia. En primer lugar, se estableció un procedimiento para definir el modelo constitutivo para el material. La definición de los parámetros del modelo constitutivo del acero se basó en la calibración inicial de varios modelos numéricos con respecto a ensayos experimentales de otras investigaciones. Posteriormente se detallan los procedimientos que permiten dimensionar, diseñar y construir modelos numéricos tanto para disipadores aislados como para pórticos con disipadores. Con la metodología propuesta se analizó la influencia del disipador Comb-Teeth (CTD) en la respuesta mecánica de pórticos metálicos resistentes a momentos (PRM) de un piso y una luz. El análisis se hizo a través del método de los elementos finitos y consideró cuatro relaciones distintas de aspecto, altura/luz (H/L), para los pórticos. Para cada relación de aspecto se analizaron tres tipos de estructuras. La primera estructura consistió únicamente en el pórtico PRM mientras que las otras dos estructuras consideraban adicionalmente la integración de un disipador CTD de diferente capacidad cada una. Todos los pórticos analizados consideraron conexiones totalmente restringidas en los nudos diseñadas de acuerdo con los requisitos de AISC. Con los resultados obtenidos fue posible cuantificar la participación en la disipación de energía del dispositivo CTD y su influencia en la respuesta global de cada una de las estructuras. (Texto tomado de la fuente).

Several seismic response control techniques have been proposed in recent years based on metallic hysteretic dampers. Previous investigations have shown the advantages of using these control systems to reduce building damage and increase the structural capacity during seismic events. The main reasons for their frequent use are the ease of installation, the relative economy they provide in their manufacture, and the important influence that hysteretic dampers have on the dynamic response of the building. A guiding method for the analysis and design of steel frames with metallic dampers is proposed in this work to promote the use of these seismic protection systems in the practice of structural engineers in Colombia. First, a procedure was established to define the constitutive model for the material. The selection of the constitutive model parameters for structural steel was based on an initial calibration of different finite element models that was compared with experimental data from other researches. Subsequently, several detailed pre-dimensioning, design, and numerical modeling procedures were developed for both individual dampers and steel frames with dampers. The influence of the Comb-Teeth damper (CTD) on the mechanical response of one story one span special moment frame (SMF) was analyzed under this methodology. The analysis was made by the finite element method and considered four different aspect ratios for the frames. Three types structures were analyzed for each aspect ratio. The first structure consisted only of the SMF frame, while each of the other two structures also considered a CTD damper with a specific capacity in the frame. All the frames were designed with pre-qualified connections according to AISC requirements. With the results obtained, it was possible to quantify the participation of the CTD device in the energy and its influence on the global response of the structures.