Paneles de disipación de energía pasivos para refuerzo de estructuras sometidas a acciones sísmicas

Abstract

Los dispositivos pasivos de control de vibraciones son frecuentemente usados en estructuras sometidas a la acción sísmica ya que los mismos no requieren de una fuente de energía externa. Investigaciones recientes en este campo se han enfocado parcialmente en paneles disipadores pasivos. En esta tesis se presenta un novedoso tipo de panel pasivo: el panel sismorresistente de fricción generalizada (PSFG). Este tipo de panel está diseñado para tener un comportamiento mixto que combina los beneficios de un disipador tradicional por fricción con un amortiguador de masa sintonizado (AMS). El PSFG básicamente consiste en un marco exterior metálico que cuenta con estantes o canales intermedios dispuestos a distintas alturas. Estos canales están conformados por perfiles U con el lado abierto ubicado hacia arriba. Sobre estos canales se apoyan bloques sólidos de plomo u otro material de alta densidad que tienen permitido el deslizamiento en la dirección horizontal dentro del plano del panel. De esta manera, se disipa energía por medio del trabajo realizado por la fuerza de fricción sobre los bloques deslizantes. En el caso del prototipo original, la interfaz de contacto entre los bloques y el perfil metálico estuvo conformada en ambas caras por láminas finas de politetrafluoroetileno (PTFE) para reducir el coeficiente de rozamiento aunque esto puede variar de acuerdo a las necesidades. Los PSFGs tienen la ventaja de que pueden ser usados como relleno divisorio para pórticos de hormigón armado y pórticos metálicos tanto en estructuras que requieran una rehabilitación sísmica como en estructura nuevas. Se realizaron estudios experimentales y numéricos para comprobar la capacidad de los paneles para disipar energía. En este sentido, se construyó y ensayó en mesa vibratoria un prototipo a escala real de PSFG. Para estas pruebas se seleccionaron registros sísmicos reales del tipo impulsivo. Las respuestas dinámicas del panel se caracterizaron mediante mediciones de aceleraciones y desplazamientos en diferentes puntos. Para comprobar la efectividad del dispositivo para reducir desplazamientos se realizaron ensayos sobre el mismo prototipo pero con bloques fijos, esto es imposibilitados de deslizar. Los resultados experimentales muestran que el PSFG con bloques libres de deslizar presenta desplazamientos inferiores comparados con los del prototipo con bloques fijos. Paralelamente, se propuso un modelo computacional simplificado, basado en elementos de viga, para reproducir el comportamiento del PSFG. Este modelo incluye elementos discretos con la posibilidad de reproducir el deslizamiento de las masas de forma de poder incluir los efectos de la fricción de Coulomb. Los resultados obtenidos fueron contrastados con las mediciones experimentales, lográndose un muy buen ajuste. Por último, se seleccionaron dos estructuras típicas de edificios (una de tres niveles y otra de diez) para realizar un estudio numérico sobre el comportamiento de estos paneles en conjunto con una estructura. Para ello se diseñaron PSFGs de manera que sus frecuencias fundamentales sean próximas a las de los edificios. Los modelos simplificados de los paneles se implementaron en los modelos computacionales de los edificios. Los mismos fueron sometidos a análisis dinámicos no lineales ante diversos tipos de registros sísmicos, tanto impulsivos como de larga duración. Finalmente, se compararon las respuestas entre las estructuras reforzadas con PSFGs y las estructuras originales sin reforzar, lográndose reducciones de desplazamiento de entre el 5 y el 30%.