Respuesta sísmica de estructuras nuevas de hormigón armadosoluciones convencionales frente a sistemas innovativos de disipación pasiva de energía

Resumen

Los elevados daños materiales provocados por los terremotos de Loma Prieta (1987) , Northridge (1994) y de Hanshin ocurridos en Estados Unidos y en Japón, pusieron de manifiesto que el proyecto que el proyecto sismorresistente basado exclusivamente en evitar la pérdida de vidas humanas era insuficiente, y que era necesario un cambio de paradigma que considerase también y de forma explícita el control del daño. Las grandes pérdidas económicas debidas a terremotos de intensidad relativamente moderada, mostró la necesidad de una metodología para el proyecto de los edificios basados en el comportamiento de las estructuras durante los terremotos. Después del terremoto de Northridge de 1994 la ¿Structural Egineering Association of California (SEAOC)¿ desarrolló un informe con recomendaciones para el proyecto basado en las prestaciones que se llamó ¿Performance Based Seismic Engineering¿ (PBSE) Proyecto Sismorresistente Basado en Prestaciones [89]. ¿La ingeniería sísmica basada en las prestaciones enmarca todas las actividades necesarias para proyectar y construir completamente los edificios de manera que puedan resistir terremotos de distinta severidad dentro de unos niveles de daño predeterminados¿ Para cumplir los objetivos marcados por la filosofía de PBSE los proyectistas deben poder predecir el comportamiento sísmico de las estructuras frente a diferentes niveles de intensidad sísmica. Pero esta tarea esa sujeta a numerosas fuentes de incertidumbre. En primer lugar se necesita poder identificar y definir de manera fiable la intensidad sísmica de los terremotos esperables con una determinada probabilidad en cada lugar (peligrosidad sísmica). Es fundamental también conocer la capacidad resistente, de deformación y de disipación de energía de los elementos estructurales especialmente en el rango no lineal y cuando se someten a cargas cíclicas de tipo dinámico. También es necesario identificar y cuantificar los parámetros que mejor caracterizan el daño en los elementos estructurales y sus criterios de aceptabilidad. Y finalmente es muy importante el uso de metodologías basadas en el comportamiento de las estructuras frente al sismo para poder proyectar las estructuras y comprobar si los parámetros de demanda se han excedido para un determinado nivel de intensidad sísmica. En este contexto, es absolutamente necesario disponer de datos experimentales que nos permitan conocer mejor el comportamiento de los elementos estructurales en el rango no lineal y disponer de información suficiente para poder establecer los límites en cada nivel de daño. Se necesitan nuevas metodologías de proyecto basadas en las prestaciones, en lugar de en la resistencia, para poder preparar de una manera más eficaz a las estructuras frente a los sismos. El uso de nuevas tecnologías como son los disipadores de energía, ha demostrado ser también una estrategia eficaz para proyectar estructuras de nueva planta y rehabilitar estructuras para que puedan alcanzar los objetivos de comportamiento. Entre todos las posibles distintos enfoques metodológicos que se pueden plantear para materializar la filosofía del proyecto basado en prestaciones, los métodos basados en el balance energético de Housner-Akiyama [3, 55] se han demostrado muy eficaces especialmentee en el proyecto de estructuras con disipadores de energía y se han incluido por ellos recientemente (2005) en la norma sismorresistente japonesa [67]. Comparada con otras metodologías de prpyecto como las basadas en desplazamientos[84, 80, 71], las basadas en la energía pueden tener en cuenta el daño acumulado provocado por el terremoto . A pesar de que son unas metodologías prometedoras, existe poca información acerca de la capacidad de disipación de energía de los elementos estructurales, especialmente en elementos de hormigón armado [90, 91, 13, 19, 36, 76]. Los ensayos de estructuras en laboratorio con mesa sísmica y los ensayos estáticos nos proporcionan información de enorme valor para entender la respuesta de la estructura durante un terremoto, a definir los parámetros de respuesta y analizar los distintos niveles de daño que experimenta una estructura bajo distintas intensidades sísmicas. Esta investigación busca contribuir a un mejor entendimiento del comportamiento sísmico de las estructuras sismorresistentes tradicionales como son las consistentes en pórticos de hormigón armado y pantallas del mismo material. El comportamiento de este tipo de estructuras y elementos estructurales se obtiene a través de ensayos dinámicos y estáticos llevados a cabo en las universidades de Granada y Purdue respectivamente. La tesis aborda también la respuesta de las estructuras equipadas con disipadores de energía y las compara con soluciones sismorresistentes tradicionales mediante estudios numéricos con elementos finitos. También se evalúa la idoneidad y efectividad de diferentes metodologías basadas en el método de empuje incremental para el proyecto y evaluación de estructuras con disipadores de energía. Objetivos y metodología Esta tesis persigue los siguientes objetivos principales: 1. Investigar experimentalmente el comportamiento sísmico de las estructuras convencionales de hormigón armado con mecanismo de colapso del tipo ¿columna fuerte viga débil¿. Evaluar la precisión de las expresiones de rotación de la parte 3 del Eurocódigo 8 y cuantificar la capacidad última de disipación de energía de elementos estructurales de hormigón armado mediante ensayos dinámicos con mesa sísmica. 2. Evaluar experimentalmente la respuesta de dos muros pantalla dúctiles a escala real de hormigón armado a través de los resultados de dos ensayos estáticos y comparar el comportamiento histerético de las pantallas dúctiles de hormigón armado con el comportamiento de disipadores de energía histeréticos. 3. Comparar la respuesta sísmica de las estructuras convencionales de hormigón armado, diseñadas siguiendo la filosofía de proyecto ¿columna fuerte viga débil¿ y con criterios de proyecto por capacidad, con la respuesta sísmica de las estructuras innovadoras de pórticos de hormigón armado con disipadores de energía histeréticos a través de los resultados de análisis dinámicos directos con modelos de elementos finitos. 4. Evaluar y comparar mediante ensayos dinámicos con mesa sísmica, la idoneidad y la precisón de la predicción dada por tres procedimientos estáticos no lineales (el método de los coeficientes de desplazamiento, el método del espectro de capacidad y el método N2) aplicadas a estructuras con disipadores de energía histeréticos. La metodología aplicada para conseguir estos objetivos tiene dos enfoques. Una parte experimental de ensayos estáticos y ensayos dínamicos con mesa sísmica y otra parte numérica consistente en realizar análisis de empuje incremental y análisis dinámicos directos. Organización y principales conclusiones. Esta tesis se divide en 6 capítulos independientes que desarrollan de una manera mas exhaustiva las conclusiones obtenidas en está investigación : En el capítulo 1 se revisan los conceptos en los que se fundamenta esta tesis y enumeran los objetivos principales que se persiguen. En el capítulo 2 se investiga el comportamiento sísmico de una estructura de hormigón armado proyectada para desarrollar un mecanismo de colapso del tipo ¿columna fuerte viga débil¿ y con criterios de proyecto por capacidad. Se realizaron cuatro ensayos dinámicos sobre una estrucura a escala 2/5 proyectada según la norma sismorresistente española actual NSCE-02, para cumplir con los parámetros de diseño de la ciudad de Granada. El nivel de peligrosidad sísmica en cada ensayo era el característico para los terremotos ¿muy frecuente¿, ¿frecuente¿, ¿raro¿ y ¿muy raro¿ según la escala definida por la SEAOC. La respuesta de la estructura se evalúo en términos de diversos parámetros de demanda e índices de daño, que muestran que la estructura se comportó con los siguientes niveles de daño: entre ¿ocupación inmediata¿ y ¿seguridad para las vidas¿ para el terremoto ¿frecuente¿, ¿seguridad para las vidas¿ para el terremoto ¿raro¿ y ¿colapso¿ par el terremoto ¿muy raro¿. La estructura se comportó tal y como se espera en la normativa NSCE-02 para el terremoto ¿raro¿ (asociado a un periodo de retorno de 500 años). Sin embargo colapsó para el terrepoto ¿muy raro¿ que es el terremoto de máxima intensidad esperable en la zona. Un estudio de la respuesta de los elementos estructurales al nivel de las rótulas plásticas muestra que las fórmulas del Eurocódigo 8 parte 3 reproducen con mucha exactitud la capacidad de rotacion de las vigas y la columnas de hormigón armado bajo cargas cíclicas. Los resultados obtenidos mediante el índice de daño de Park y Ang muestran una gran efectividad de este índice de daño en la predicción del colapso de los elementos de hormigón armado sometidos a flexión. En el capítulo 3 se investiga el comportamiento histerético y la capacidad última de disipación de energía de muros pantalla de hormigón armado y lo compara con el comportamiento de un disipador de energía histerético equivalente. Se realizaron ensayos estáticos sobre dos muros pantalla de hormigón armado a escala real. Ambas pantallas tenían un refuerzo a flexión idéntico, diferenciándose únicamente en la inclusión de estribos de confinamiento en los elementos de borde de una de ellas. Los resultados de los ensayos muestran que ambas pantallas tuvieron un comportamiento prácticamente igual hasta la fluencia a nivel de desplazamiento y resistencia. En cambio la capacidad última de la pantalla con refuerzo de confinamiento fue mucho mayor en términos de desplazamientos últimos y capacidad de disipación de energía. Los resultados de las deformaciones unitarias obtenidas experimentalmente, mediante sensores externos, muestran que existe una gran diferencia en la distribución de las tensiones en los extremos comprimido y traccionado de las pantallas. La comparación del comportamiento histerético de la pantalla con confinamiento y el de un disipador de energía histerético equivalente, revela que la capacidad sismorresistente del disipador de energía es mucho mayor en términos de disipación de energía y capacidad de deformación plástica. En el capítulo 4 se compara el comportamiento sismorresistente de estructuras con pórticos de hormigón armado equipadas con disipadores de energía histeréticos con el de las estructuras con pórticos sismorresistentes de hormigón armado proyectados con la filosofía de proyecto ¿viga débil columna fuerte¿, mediante los resultados de análisis dinámicos directos con modelos numéricos de elementos finitos. Se proyectaron dos grupos de estructuras de 3 y 6 plantas de altura. El primer grupo de prototipos, estructuras con pórticos de HA sismorresistentes, se proyectó para cumplir con las especificaciones de la norma sismorresistente española NSCE-02 para resistir el terremoto de 500 años de periodo de retorno esperable en la ciudad de Granada. El segundo grupo de prototipos, estructuras con pórticos de HA (proyectados para cargas gravitatorias exclusivamente) y disipadores de energía histeréticos, se diseña para tener el mismo cortante basal, Qy1, requerido por los prototipos del primer grupo. La comparación se realizó al nivel de estructura global y al nivel local de rótula plástica. A nivel global se estudiaron parámetros que cuantifican el daño como son el desplazamiento entre planta id, el ratio de deformación plástica acumulada eta. A nivel local se estudió la demanda de rotación en las rótulas plásticas y los índices de daño de Darwin y Nmai Di y el conocido índice de daño de Park y Ang DIP&A. Los resultados obtenidos en los análisis dinámicos directos sugieren que los prototipos de estructuras de pórticos de HA equipados con disipadores histeréticos tuvieron un mejor comportamiento sismorresistente. La comparación de los resultados de la respuesta a nivel local (i.e. demanda de rotación y los valores de los índices Di y DIP&A ) obtenidos en los análisis dinámicos directos con los resultados experimentales para el ensayo de igual intensidad sísmica descrito en el capítulo 2, muestra una muy buena correlación. En el capítulo 5 se estudia la idoneidad y la precisión de tres procedimientos estáticos no lineales para predecir la respuesta de estructuras con disipadores histeréticos. Los procedimientos estudiados son el método de los coeficientes de desplazamiento (DCM) y el método del espectro de capacidad (CSM) del código FEMA-440 y el método N2 del eurocódigo 8. La respuesta sismorresistente se obtuvo para tres niveles de comportamiento estructural definidos en el FEMA 356 ¿ocupación inmediata¿, ¿seguridad para las vidas¿ y ¿seguridad para las vidas limitada¿. La comparación de la predicción obtenida mediante los procedimientos estáticos no linelaes y los resultados experimentales muestra que los tres métodos predicen de una manera aceptable la máxima respuesta, en términos de desplazamiento y cortante máximos, de la estructura con disipadores histeréticos. LA comparativa a su vez entre las predicciones dadas por los distintos métods muestra que el CSM subestimó la predicción de la máxima respuesta mientras que el DCM y el N2 la sobreestimaron en la mayoría de los casos. En el capítulo 6 se resumen y recopilan las principales conclusiones obtenidas en esta investigación.