DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA TIERRA Y LA CONSTRUCCIÓN CARRERA INGENIERÍA CIVIL TRABAJO DE TITULACIÓN PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL TEMA: “ENSAYO DE DISIPADORES DE ENERGÍA TIPO SHEAR LINK DE CUARTA GENERACIÓN, FRESADOS EN ACERO A36” AUTOR: CASTILLO PATIÑO JOHN ROLANDO TUTOR: DR. AGUIAR FALCONÍ ROBERTO SANGOLQUÍ, 2017 ii iii iv v DEDICATORIA Dedico este proyecto de investigación a mis amados padres, Elsa Patiño y Angel Castillo, por todo el amor y respeto que les tengo; quienes todo el tiempo han estado conmigo brindándome su apoyo en los momentos más difíciles; siendo un pilar fundamental para cumplir esta meta, al igual que mis queridos hermanos Wilmer, Letty y Olga; así como a mi querido y amado hijo Felipe Agustín Castillo Córdova; que desde que lo vi nacer ha sido la motivación para seguir siempre adelante. A todos mis maestros quienes me impartieron sus conocimientos; así como a mi tutor quien supo guiarme y aprobar mi proyecto; también a cada una de las personas las cuales supieron darme su apoyo incondicional y así poder dar por concluido este proyecto. JOHN R. CASTILLO PATIÑO vi AGRADECIMIENTO Doy mi expresión de agradecimiento a Dios y a mis padres quienes fueron mi base de apoyo para poder concluir mi carrera universitaria A mi hermano Edison Castillo, uno de mis mejores amigos, quién ha estado conmigo en buenos y malos momentos de mi vida, y fue quién me ayudo a concluir este proyecto de investigación, así como también a mis hermanas Letty y Olga por siempre estar pendientes de mis aciertos y desaciertos, inculcándome valores y respeto, a mis sobrinos, mi primo Caio, a mi compadre Christian, Janet quien ha sido muy importante para mi formación y demás personas por alentarme a continuar y cumplir con esta meta. A la ESPE, por haberme brindado la oportunidad de forjar mi etapa universitaria en sus aulas, gratas enseñanzas que jamás borraré de mi memoria. A mis profesores, quienes se distinguieron con su entusiasmo y nobleza transmitiéndome día a día sus conocimientos, y hacer de mí no solo un excelente profesional, sino también una excelente persona; en especial a mi tutor Dr. Roberto Aguiar, por su guía y colaboración en el desarrollo del proyecto; así como la oportunidad que me dio de trabajar de manera conjunta con él. A todos mis amigos en especial al May. Jorge Játiva quién estuvo pendiente en un accidente de tránsito el cual casi acaba con mi vida, al Sgto. Willian Aldas que siempre me apoyo en uno de los momentos más difíciles de mi carrera universitaria y al Capt. Dennis Merino uno de mis mejores amigos con el cual tuvimos muchos tropiezos y supimos levantarnos y así concluir con esta gran etapa de nuestras vidas. JOHN R. CASTILLO PATIÑO vii ÍNDICE DE CONTENIDO DEDICATORIA ................................................................................................. v AGRADECIMIENTO .........................................................................................vi ÍNDICE DE CONTENIDO ................................................................................vii ÍNDICE DE TABLAS ........................................................................................ x ÍNDICE DE FIGURAS ......................................................................................xi RESUMEN...................................................................................................... xiv ABSTRACT .....................................................................................................xv CAPITULO I ..................................................................................................... 1 1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN ......................... 1 1.1 ANTECEDENTES ................................................................................................. 1 1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ................................................................ 2 1.3 JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA ................................................................... 3 1.4 OBJETIVOS GENERALES Y ESPECÍFICOS .................................................. 4 1.4.1 Objetivo General ............................................................................................ 4 1.4.2 Objetivos Específicos ................................................................................... 4 1.4.3 Metas ................................................................................................. 4 1.5 HIPÓTESIS ............................................................................................................ 5 CAPITULO II .................................................................................................... 6 2 MARCO TEÓRICO ........................................................................................... 6 2.1 CONOCIMIENTOS GENERALES ...................................................................... 6 2.1.1 Condición sísmica nacional ............................................................................. 8 2.2 DESCRIPCIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE LOS DISIPADORES DE ENERGÍA TIPO SHEAR LINK (SL) ................................................................... 9 2.2.1 Análisis numérico por plasticidad ................................................................. 10 2.2.2 Tablas de diseño para los dispositivos “SL”................................................ 15 2.2.3 Condiciones exigibles a los disipadores ...................................................... 20 2.2.4 Tipos de disipadores ....................................................................................... 20 2.2.5 Disipadores basados en plastificación de metales (acero) ...................... 21 2.3 MODELO ANALÍTICO DEL COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL DEL SHEAR-LINK ....................................................................................................... 22 viii 2.3.1 “Ventajas del disipador “Shear-Link” ............................................................ 22 2.4 ENSAYOS PARA LA PUESTA A PUNTO DEL BANCO DE PRUEBAS PREVIOS AL PROYECTO INVESTIGATIVO POR PARTE DE ALUMNOS DE LA UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE ................................................................................................ 23 2.5 SISTEMAS ESTRUCTURALES DE PROTECCIÓN SÍSMICA .................... 26 2.5.1 Sistemas Pasivos de Protección Sísmica ................................................... 26 2.5.2 Sistemas Activos de Protección Sísmica .................................................... 28 2.5.3 Sistema Semi-Activo de Protección Sísmica. ............................................. 28 2.6 DISIPADOR SLB DE SEGUNDA GENERACIÓN.......................................... 29 2.6.1 Marco teórico de disipador Shear Link Bozzo Segunda Generación ..... 30 2.7 MARCO TEÓRICO DE DISIPADOR SHEAR LINK BOZZO TERCERA Y CUARTA GENERACIÓN. .............................................................................. 33 2.7.1 Amortiguamiento Equivalente ....................................................................... 33 CAPITULO III ..................................................................................................35 3 ANÁLISIS EXPERIMENTAL .......................................................................... 35 3.1 ANÁLISIS EXPERIMENTAL DEL COMPORTAMIENTO DEL DISIPADOR ......................................................................................................... 35 3.2 INTRODUCCIÓN ................................................................................................ 35 3.3 MATERIALES ...................................................................................................... 36 3.4 CARACTERÍSTICAS GENERALES ACERO A36 ......................................... 36 3.4.1 Composición química acero A36. ................................................................. 36 3.4.2 Propiedades mecánicas acero A36. ............................................................. 37 3.5 EQUIPOS ............................................................................................................. 37 3.6 PROCEDIMIENTO DE ENSAYO ..................................................................... 38 3.7 PROTOCOLO DE ENSAYO .............................................................................. 38 3.8 INFORMACIÓN EXPERIMENTAL ................................................................... 41 3.8.1 Medidas durante proceso de carga .............................................................. 42 3.9 ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO EXPERIMENTAL GLOBAL DEL DISIPADOR .......................................................................................................... 48 3.9.1 Fuerzas y Desplazamientos .......................................................................... 48 3.9.2 Disipadores Shear Link de cuarta generación fresados sometidos a Carga Cíclica. ................................................................................................... 48 3.9.3 Comportamiento histerético. .......................................................................... 53 3.9.4 Disipador Shear Link de Cuarta Generación sometido a Carga Cíclica . 53 ix 3.9.5 Modelación Computacional de Disipador Shear Link de Cuarta Generación sometido a Carga Cíclica .......................................................... 57 CAPITULO IV ..................................................................................................58 4 RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN ..................................................... 58 4.1 ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS .................................................................. 58 4.2 DISIPADOR SHEAR LINK FRESADO SOMETIDO A CARGA CÍCLICA .. 59 COMENTARIOS Y CONCLUSIONES................................................................... 60 RECOMENDACIONES .......................................................................................... 62 BIBLIOGRAFÍA ...............................................................................................63 x ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1 Ranking de Terremotos más Destructivos a nivel Mundial desde 1900 ........ 8 Tabla 2 Criterio de selección para las dimensiones del disipador SL definitivo....... 14 Tabla 3 Parámetros más relevantes para el diseño de los dispositivos. .................... 19 Tabla 4 Composición Acero A36 ...................................................................................... 36 Tabla 5 Propiedades mecánicas Acero A36 ................................................................... 37 Tabla 6 Resultados Carga Cíclica .................................................................................... 58 Tabla 7 Datos Curva de Histéresis Ensayos Cíclicos; Kef ........................................... 58 xi ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1 Respuesta sísmica de edificio sin aislación y con aislamiento basal............ 7 Figura 2 Edificio sin disipadores y edificio con disipadores de energía. ...................... 7 Figura 3 Esfuerzos Von Mises, dispositivos Disip3SL30_2 y Disip4SL30_2............. 11 Figura 4 Curvas fuerza-desplazamiento monotónicas no lineales .............................. 12 Figura 5 Curvas fuerza desplazamiento monotónicas no lineales .............................. 13 Figura 6 (a) Dimensiones para el Figura 6 (b) Modelo experimental SL30_2 dispositivo Disip4SL30_2 ensayado en ISMES, Italia 15 Figura 7 Curva fuerza-desplazamiento monotónica, experimental y numérica para el dispositivo SL30_2 ................................................................................. 16 Figura 8 (a) Curva histerética incluyendo deslizamiento de la conexión atornillada 17 Figura 9 Parámetros de la tabla ........................................................................................ 20 Figura 10 Disipadores en Acero ....................................................................................... 21 Figura 11 Ensayo dinámico del disipador ....................................................................... 21 Figura 12 Base teórica diseño de disipador .................................................................... 22 Figura 13 Disipador de energía Shear Link de cuarta ................................................... 23 Figura 14 Elevación lateral del Sistema de Ensayo. ..................................................... 23 Figura 15 Elevación frontal del Sistema de Ensayo. ..................................................... 24 Figura 16 Shear Link propuesto con ventanas soldadas .............................................. 24 Figura 17 Disipador de Energía Shear Link con ventanas fresadas en proceso de Ensayo. ............................................................................................................... 24 Figura 18 Clasificación de los sistemas estructurales de protección sísmica. .......... 26 Figura 19 Esquema mecanismo de operación de sistemas pasivos. ......................... 26 Figura 20 Comportamiento de una estructura con aislador de base. ......................... 27 Figura 21 Técnicas de control pasivo con disipador de energía. ................................ 27 Figura 22 Estructura con sistema de control activo. ...................................................... 28 Figura 23 Estructura con sistema de control semi-activo. ............................................ 29 Figura 24 Disipador SLB 20_2. ......................................................................................... 29 Figura 25 Disipador antes del ensayo. ............................................................................ 30 Figura 26 Diagrama de histéresis de disipador SLB 20_2. .......................................... 30 Figura 27 Geometría de disipador de energía Shear Link, utilizado en el proyecto. 31 xii Figura 28 Rigidez de marco a flexión de un disipador SLB. Análisis sísmico de Bloque Estructural 4 de UFA-ESPE con disipadores de energía Shear Link Bozzo. Revista Ciencia. ........................................................................... 32 Figura 29 Diagrama de histéresis bilineal del disipador SLB. Análisis Sísmico de Bloque Estructural 4 de UFA –ESPE con disipadores de energía Shear Link Bozzo. Revista Ciencia. ........................................................................... 32 Figura 30 Cálculo de la energía disipada y energía elástica. ...................................... 34 Figura 31 Banco de Prueba ACO4g, Brazo, Actuador y Celda de Carga. ................ 37 Figura 32 Banco ACO4g .................................................................................................... 38 Figura 33 Pretensado del Banco de pruebas ACO4g; a) Gato hidráulico hueco para pretensión del perno y b) Medidor digital de presión. ............. 39 Figura 34 Colocación del Actuador .................................................................................. 39 Figura 35 Disipador en el brazo ACO4g .......................................................................... 40 Figura 36 Sistema acoplado para ensayo de SL4G ...................................................... 41 Figura 37 Carga cíclica, a) Medidor de presión de aceite y b) Pantalla de datos del ensayo en tiempo real. ......................................... 41 Figura 38 Disipadores SL-4G ............................................................................................ 42 Figura 39 Probeta: SL4G1-30-2; a) .................................................................................. 43 Figura 40 Probeta: SL4G1-30-2; b) .................................................................................. 43 Figura 41 Probeta: SL4G2-30-2; a) .................................................................................. 44 Figura 42 Probeta: SL4G2-30-2; b) .................................................................................. 44 Figura 43 Probeta: SL4G3-30-2; a) .................................................................................. 45 Figura 44 Probeta: SL4G3-30-2; b) .................................................................................. 45 Figura 45 Probeta: SL4G4-30-2; a) .................................................................................. 46 Figura 46 Probeta: SL4G4-30-2; b) .................................................................................. 46 Figura 47 Probeta: SL4G5-30-2; a) .................................................................................. 47 Figura 48 Probeta: SL4G5-30-2; b) .................................................................................. 47 Figura 49 Probeta: SL4G1 - 30-2 ..................................................................................... 48 Figura 50 Fresado Cíclico 1 .............................................................................................. 49 Figura 51 Probeta: SL4G2 - 30-2 ..................................................................................... 49 Figura 52 Fresado Cíclico 2 .............................................................................................. 50 Figura 53 Probeta: SL4G3 - 30-2 ..................................................................................... 50 Figura 54 Fresado Cíclico 3 .............................................................................................. 50 Figura 55 Probeta: SL4G4 - 30-2 ..................................................................................... 51 xiii Figura 56 Fresado Cíclico 4 .............................................................................................. 51 Figura 57 Probeta: SL4G5 - 30-2 ..................................................................................... 52 Figura 58 Fresado Cíclico 5 .............................................................................................. 52 Figura 59 SL4G1 – Fresado C. Cíclica ............................................................................ 53 Figura 60 SL4G2 – Fresado C. Cíclica ............................................................................ 54 Figura 61 SL4G3 – Fresado C. Cíclica ............................................................................ 54 Figura 62 SL4G4 – Fresado C. Cíclica ............................................................................ 55 Figura 63 SL4G5 – Fresado C. Cíclica ............................................................................ 55 Figura 64 Diagrama Fuerza vs. Tiempo Oscullo A. ....................................................... 56 Figura 65 Diagrama Fuerza vs. Tiempo Castillo J. ........................................................ 56 Figura 66 Análisis computacional punto de falla ............................................................ 57 Figura 67 Ensayo Shear Link punto de falla ................................................................... 57 xiv RESUMEN Se realizará los ensayos de cinco disipadores de energía tipo Shear Link de cuarta generación, fresadas en acero A36, se evaluará desplazamientos y deformaciones de probetas, tanto en marcos del SL como en ventanas. Los ensayos se los ejecutará en el banco de pruebas que se construyó basado tanto en los equipos, losa y muro de reacción disponibles en el Laboratorio de La Vivienda de la Escuela Politécnica Nacional. Antes de empezar con los ensayos se realizó una puesta a punto tanto del banco de pruebas como de los equipos del laboratorio basados en cinco ensayos de prueba, con esto se obtuvo desplazamientos de 13 mm con carga monotónica de 20 T. aproximadamente, con estos antecedentes se considera ensayar a las probetas con carga cíclica y se realizó 15 ciclos de carga, obtener curvas histeréticas, fuerza vs. deformación y posteriormente analizar propiedades dinámicas. Se modelará en un programa computacional los disipadores para de esta manera realizar un análisis comparativo. Establecer características básicas de disipadores de energía tipo SL y finalmente con la información y datos obtenidos de manera experimental llegar a fabricar disipadores de energía en el país. Palabras Claves: • DISIPADORES DE ENERGÍA • SHEAR LINK • CARGA MONOTÓNICA • CARGA CÍCLICA • SL. xv ABSTRACT Five energy dissipator tests were performed Type of shear Fourth generation bonding, A36 steel milling cutters, evaluation displacements and specimen deformations, both in SL frames and in windows. The tests are run on the test bench which is built both on the equipment, and the reaction methods available in the Housing Laboratory of the National Polytechnic School. Before starting the tests, the test bench was set up as the laboratory equipment based on five test tests, with this the displacements of 13 millimeters with the monotonic load of 20 T. were obtained, with this background, the test is considered to be tested with cyclic load and 15 load cycles were performed, hysteretic curves, force vs. deformation and then analyze dynamic properties. The dissipators are modeled in a computer program to perform a comparative analysis. Establish basic characteristics of SL type power dissipators and finally with the information and data obtained in an experimental way to manufacture power dissipators in the country. Keywords: • ENERGY DISSIPATORS • SHEAR LINK • MONOTONIC CHARGE • CYCLIC LOAD • SL. 1 CAPITULO I 1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN 1.1 ANTECEDENTES Para iniciar esta investigación, es necesario indicar ciertos aspectos sobre las primeras investigaciones de Disipadores de Energía en estructuras, que surgen a partir de los años 70, empezaron con los aportes Kelly, Shinner y Heine (1972), mismos que llegaron analizar varios tipos de dispositivos metálicos, que disipaban energía, por medio de la aplicación de esfuerzos de torsión, corte, flexión, y sus respectivas combinaciones. Los disipadores tipo Shear Link (SL) de anteriores generaciones como es el caso de los SL de 2da generación que aparecieron en el 2015, estos básicamente tenían un marco de acero con cuatro ventanas. En el 2016 aparecen los SL de 3era generación en que se mantienen las mismas dimensiones exteriores, pero ahora con ocho ventanas las cuales son de menor tamaño, con esta modificación se solucionaba el problema de abolladura en los elementos de las estructuras de las ventanas. En las dos generaciones anteriores se tiene pernos lo cual ocasionó una restricción de movimiento vertical del SL lo que a su vez da como resultado la trasmisión de fuerzas verticales a la estructura del edificio, en el 2017 aparecen disipadores SL de 4ta generación los cuales no tienen pernos, van soldados en un extremo he introducidos de manera libre en el otro extremo del mismo. De esta manera se puede indicar la investigación realizada por (Bozzo & Hurtado, 2005) acotando lo siguiente: Este artículo presenta un disipador Shear Link (SL) generalizado para diseño sísmico. El dispositivo puede ser usado para aumentar la resistencia de estructuras existentes o para proporcionar ductilidad a edificios de nueva 2 construcción. La aplicación anterior hace pensar en un sistema estructural innovador dónde un diseñador puede localizar las demandas de ductilidad en puntos específicos. Por consiguiente, este es un paso hacia adelante en la práctica actual del diseño convencional basada en pórticos flexibles dúctiles o en muros de rigidez ya que esta conexión puede proporcionar un sistema estructural rígido pero dúctil. Considerando el extracto del artículo, se determinó que el análisis de disipadores tipo Shear Link juntos con la estructura permiten aumentar la resistencia y ductilidad de las edificaciones por construirse o ya existentes que requieran ser reforzadas, estos disipadores absorben las solicitaciones de un evento sísmico disminuyendo de gran manera los daños severos en la estructura. La información que nos proporcionan los autores, servirá de base para fundamentar de manera teórica y práctica los ensayos que se realizarán para posteriormente comparar analíticamente los resultados. 1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Ecuador se encuentra en una zona altamente sísmica debido a las fallas tectónicas sobre las que se encuentra por esto y considerando la energía liberada por los sismos, podemos destacar que las estructuras de construcción convencional son muy costosas y poco eficientes a la hora de un evento sísmico, ya que pasa de trabajar de la zona elástica a la zona inelástica y posteriormente falla, esto afecta los elementos estructurales que disminuyen la capacidad de la edificación para precautelar la vida humana. EL objetivo de los disipadores de energía tipo Shear Link de cuarta generación es disminuir los daños que producen los eventos sísmicos en las estructuras de edificios, al contar con disipadores, no significa que un sismo no se sentirá, lo que hacen estos dispositivos es aumentar la capacidad de perder energía de una estructura durante un sismo, esto implica que el dispositivo captará la fuerza telúrica deformándose y así evitará que el edificio reciba todo el impacto, generando una reducción de las deformaciones de la estructura, actualmente uno de los más utilizados son 3 los a base de elementos metálicos que captan la energía. Por ejemplo, los disipadores metálicos de energía son capaces de reducir cerca del 40% de las deformaciones máximas esperadas durante un sismo severo. Descripción resumida del Proyecto Se realizará los ensayos de cinco disipadores de energía tipo Shear Link de cuarta generación, fresadas en acero A36, se evaluará desplazamientos y deformaciones de probetas, tanto en marcos del SL como en ventanas. Los ensayos se los ejecutará en el banco de pruebas que se construyó basado tanto en los equipos, losa y muro de reacción disponibles en el Laboratorio de La Vivienda de la Escuela Politécnica Nacional. Antes de empezar con los ensayos se realizó una puesta a punto tanto del banco de pruebas como de los equipos del laboratorio basados en cinco ensayos de prueba, con esto se obtuvo desplazamientos de 13 mm con carga monotónica de 20 tn. aproximadamente, con estos antecedentes se considera ensayar a las probetas con carga cíclica, obtener curvas histeréticas y posteriormente analizar propiedades dinámicas. Se modelará en un programa computacional los disipadores para de esta manera realizar un análisis comparativo. Establecer características básicas de disipadores de energía tipo SL y finalmente con la información y datos obtenidos de manera experimental llegar a fabricar disipadores de energía en el país. 1.3 JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA El proyecto de investigación que se realizará es para ratificar los conocimientos y resultados de los disipadores Shear Link Bozzo. Cabe recalcar que en el Ecuador no se han realizado ensayos ni investigaciones anteriores con respecto a disipadores de energía tipo SL, con los resultados obtenidos se dará a conocer a la comunidad de ingenieros civiles del Ecuador las ventajas económicas, tecnológicas e innovadoras que tiene este tipo de sistema de disipación de energía. 4 1.4 OBJETIVOS GENERALES Y ESPECÍFICOS 1.4.1 Objetivo General Analizar experimentalmente propiedades dinámicas en disipadores de energía tipo Shear Link de cuarta generación. 1.4.2 Objetivos Específicos ▪ Determinar mediante ensayos propiedades dinámicas de los SL; Kef (Rigidez Efectiva), Fy (Fuerza de fluencia) y ξ (Amortiguamiento) para saber el comportamiento mediante curvas histeréticas. ▪ Modelar SL de acero A36 en un programa computacional que simule el proceso de plastificación con la carga ejercida por el actuador. ▪ Establecer tablas que permitan conocer características básicas de SL de cuarta generación, en base a los resultados de los modelos. 1.4.3 Metas ▪ Determinar mediante ensayos propiedades dinámicas de los SL para saber el comportamiento mediante curvas histeréticas. En un plazo de dos meses. ▪ Modelar SL de acero A36 en un programa computacional que simule el proceso de plastificación con la carga ejercida por el actuador una vez determinadas las propiedades dinámicas. ▪ Establecer tablas que permitan conocer características básicas y dimensiones de SL de cuarta generación, en base a los resultados de los modelos analíticos y experimentales en el que se determinen las dimensiones con mayor factor de seguridad. 5 1.5 HIPÓTESIS El ensayo de disipadores de energía tipo Shear Link de cuarta generación contribuye a conocer el comportamiento de los mismos ante un evento sísmico y al implementarlos en estructuras disminuir la peligrosidad sísmica en edificaciones. 6 CAPITULO II 2 MARCO TEÓRICO 2.1 CONOCIMIENTOS GENERALES Tras los acontecimientos mundiales de terremotos de fuertes magnitudes, el uso de sistemas de protección sísmica en estructuras ha ganado aceptación entre la comunidad profesional. Entre ellos podemos encontrar los más utilizados que son: los sistemas de aislación sísmica y de disipación de energía. “En términos generales, los sistemas de aislación sísmica limitan la energía que el sismo trasfiere a la superestructura, reduciendo considerablemente los esfuerzos y deformaciones de la estructura aislada, previniendo el daño estructural y no estructural.” (CorporacionDeDesarrolloTecnologico, 2012) “El diseño sismo resistente convencional se fundamenta en la capacidad de las estructuras para disipar la energía que le entrega el sismo por medio de deformaciones inelásticas, las que como se ha mencionado anteriormente, implican un año controlado de la estructura. Para alcanzar niveles de deformación compatibles con las demandas sísmicas, las estructuras deben cumplir con los requisitos de detallamiento sísmico indicados en las normativas correspondientes a cada material.” (Issuu, n.d.) Sabiendo que un edificio sin aislación y un edificio con aislación sísmica en comparación mostrarán resultados completamente distintos en su comportamiento, ”el uso de disipadores de energía reduce la respuesta estructural, disminuyendo el daño de componentes estructurales y no estructurales, por lo tanto los sistemas de disipación de energía, si bien no evitan el ingreso de energía a la estructura, permiten que la disipación de energía se concentre en dispositivos especialmente diseñados para esos 7 fines, reduciendo sustancialmente la porción de la energía que debe ser disipada por la estructura”. (CorporacionDeDesarrolloTecnologico, 2012) Figura 1 Respuesta sísmica de edificio sin aislación y con aislamiento basal. Figura 2 Edificio sin disipadores y edificio con disipadores de energía. 8 2.1.1 Condición sísmica nacional “Chile es uno de los países con mayor actividad sísmica del mundo. El 46,5% de toda la energía sísmica mundial del siglo XX, se liberó en Chile, según el sismólogo experto Sergio Barrientos. De los 15 terremotos más destructivos registrados a nivel mundial desde 1900, 3 han ocurrido en Chile (Tabla 1).” (CorporacionDeDesarrolloTecnologico, 2012). Tabla 1 Ranking de Terremotos más Destructivos a nivel Mundial desde 1900 Fuente: USGS. En el caso de Ecuador, su condición sísmica se origina en alto porcentaje en la subducción de la placa Nazca bajo el bloque Andino de la placa Sudamericana, creando la orogénesis costera de la Cordillera Chongon – Colonche. En comparación de “La condición sísmica de Chile se debe a que se ubica en la llamada zona del Cinturón de Fuego del Pacífico, específicamente contiguo al encuentro entre la Placa de Nazca, subplaca del Pacífico y la Placa Sudamericana. La Placa de Nazca se mueve bajo la Placa Sudamericana a una tasa cercana a los 10 centímetros por año, generando una zona de subducción paralela a las costas chilenas.” (CorporacionDeDesarrolloTecnologico, 2012) 9 Las pérdidas humanas del terremoto de Pedernales de abril del 2016 dejaron un gran número de personas fallecidas y muchos en condiciones precarias de vida. Es importante destacar que este terremoto no produjo un tsunami a pesar de haber presentado una alerta preventiva. Las pérdidas de vidas humanas producidas caben decir que se debieron a las construcciones informales que no estaban regidas a la normativa vigente, los daños en las estructuras que habían sido diseñadas bajo la normativa en cierto grado, fueron considerablemente menores. El terremoto de abril de 2016 ha traído consigo elevados costos económicos para el país, además del saldo de muertos y heridos, que quedaron en la indigencia. Dado que Ecuador es un país de alta sismicidad, los daños de origen sísmico se producirán, incluso en las estructuras que se vayan construyendo con sistemas y dispositivos de protección sísmica. El objetivo es que las edificaciones pueden presentar daños en caso de sismos severos, en tanto se consiga prevenir el colapso de las edificaciones y salvaguardar la vida de sus ocupantes. 2.2 DESCRIPCIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE LOS DISIPADORES DE ENERGÍA TIPO SHEAR LINK (SL) “El disipador Shear-Link propuesto está basado inicialmente en el arriostramiento excéntrico de pórticos ya que la forma global es una sección en I bien rigidizada como muestra la figura 4. Esta sección en I permite potencialmente una disipación de energía óptima en toda el alma. Sin embargo, el sistema no está basado en formas estándar o especialmente soldadas. El dispositivo se obtiene por fresado a partir de una platina plana. Este proceso de fabricación propuesto por Cahís (1998) permite áreas disipativas muy delgadas sin soldar. Por otra parte, como en las diagonales excéntricas, la disipación de energía es muy estable siempre que se evite el pandeo local del alma. Otra característica importante del dispositivo SL es 10 que presenta un modo doble de trabajo. Inicialmente la energía es disipada principalmente en el alma por las tensiones uniformes de cortante en un “modo de cortante”. Después de la degradación del alma los rigidizadores continúan disipando energía en un modo de flexión. La deformada cambia significativamente entre estos modos de una lineal a otra curvada. La importancia de esta característica es que proporciona un sistema robusto que continúa disipando energía incluso después de que el alma se degrada. Aunque en el diseño de la conexión se cuenta sólo con el primer modo de trabajo, el segundo proporciona un factor de seguridad adicional”. (Hurtado, F., Bozzo, L., 2008) 2.2.1 Análisis numérico por plasticidad “Para definir la forma y características óptimas del disipador, se realizó la comparación de cuatro dispositivos preliminares básicos llamados Disip1SL30_2, Disip2SL30_2, Disip3SL30_2 y Disip4SL30_2. Todos tienen en común dos rigidizadores verticales (20 mm. de ancho) en ambos extremos laterales, el ancho es de 300 mm, el espesor de la ventana es de 2mm. y el espesor de la placa inicial de 20 mm. El primer dispositivo tiene 200 mm. de altura y 10 mm. el rigidizador vertical (además de los dos en los extremos antes indicados). Por consiguiente, este dispositivo tiene dos áreas fresadas de 125x200 mm. El segundo dispositivo adiciona un rigidizador horizontal de 10 mm; así las áreas fresadas son 125x95 mm. El objetivo es incrementar su resistencia contra el abollamiento. En esta línea el tercer dispositivo tiene dos rigidizadores horizontales, para que las áreas fresadas sean de 125x60 mm. El último dispositivo preliminar reduce la altura vertical a 110 mm. manteniendo un rigidizador horizontal. Las dimensiones para este dispositivo son presentadas en la figura 4(a). El análisis plástico no lineal se ha realizado usando el programa de ordenador ANSYS. El modelo para todos los casos corresponde al endurecimiento por deformación isotrópico dando la relación esfuerzo-deformación completa del material. Esta relación se obtuvo experimentalmente para un material “estándar”. La figura 3 11 muestra los esfuerzos de Von Mises para un desplazamiento relativo impuesto de 20 mm. para los dispositivos Disip3SL30_2 y Disip4SL30_2. Estos esfuerzos son uniformemente distribuidos en todas las ventanas disipativas, indicando un máximo provecho del material. Además, esto indica que los rigidizadores no afectan significativamente la disipación”. (Hurtado, F., Bozzo, L., 2008) Figura 3 Esfuerzos Von Mises, dispositivos Disip3SL30_2 y Disip4SL30_2 “La figura 4 presenta las curvas fuerza-desplazamiento para los dispositivos preliminarmente propuestos de 200 mm. de altura vertical. El objetivo es estudiar la influencia de los rigidizadores en la fuerza de plastificación y la pendiente post-plastificación. El aumento de rigidizadores origina un incremento pequeño en la fuerza de plastificación, aunque la pendiente post-plastificación se mantiene prácticamente constante en todos los casos. Por consiguiente, la energía disipada total se incrementa con el aumento del número de rigidizadores, aunque el área fresada está reducida por ellos. Este resultado se explica por el aumento de rigidez. Para propósitos del diseño, sin embargo, todos estos dispositivos tienen un comportamiento muy similar con respecto a la curva fuerza-desplazamiento”. (Hurtado, F., Bozzo, L., 2008) 12 Figura 4 Curvas fuerza-desplazamiento monotónicas no lineales “La figura 3(a) presenta curvas similares, pero sólo para el Disip2SL30_2 (200 mm de altura vertical) y el Disip4SL30_2 (110 mm de altura vertical) de los dispositivos propuestos preliminarmente. En este caso es notorio el aumento en la rigidez debido a la reducción en la dimensión vertical. Por consiguiente, la resistencia a la plastificación también se aumenta puesto que el desplazamiento de plastificación es relativamente constante entre estos dos dispositivos preliminares. La pendiente post-plastificación también es relativamente constante, aunque hay un incremento pequeño en la rigidez debido a la reducción en la altura vertical. Con respecto a la energía disipada es significativamente más grande para el dispositivo más rígido y estos resultados se explican demandando una mayor capacidad de deformación en el material”. (Hurtado, F., Bozzo, L., 2008) “La figura 5(b) muestra la influencia del endurecimiento por deformación en la curva fuerza-desplazamiento monotónica para el dispositivo Disip2SL30_2. El modelo sin endurecimiento muestra un incremento pequeño en la fuerza debido a zonas que inicialmente no alcanzan el punto de plastificación. La curva es relativamente plana después de la plastificación indicando que el dispositivo plastifica casi completamente al mismo desplazamiento. Este resultado también indica que para un 13 desplazamiento relativo impuesto de 20 mm las deformaciones son mucho más grandes que las correspondientes al inicio de plastificación demandando una capacidad de deformación grande”. (Hurtado, F., Bozzo, L., 2008) Figura 5 Curvas fuerza desplazamiento monotónicas no lineales a) que incluyen un rigidizador horizontal, pero con 110 y 200 mm de altura disipativa b) para el dispositivo Disip2SL30_2 incluyendo y sin incluir el endurecimiento del material “La tabla 1 resume los resultados del proceso de selección. Los dispositivos Disip1SL30_2 y Disip2SL30_2 son descartados debido a la presencia de pandeo local. El desplazamiento relativo de los disipadores durante un movimiento sísmico severo puede ser aproximadamente 10mm, por consiguiente, el desplazamiento del pandeo local debe ser más grande que este valor. Los desplazamientos de inicio del pandeo local para estos dos dispositivos son sólo de 4.98 y 8.95 mm. Los dispositivos Disip3SL30_2 y Disip4SL30_2 tienen desplazamientos de inicio de pandeo local de 17.87 y 14.2 mm, respectivamente. Las ventajas principales del dispositivo Disip4SL30_2 comparadas con el Disip3SL30_2 es su rigidez más grande y disipación de energía, así como su área fresada más pequeña. Sin embargo, estas ventajas requieren una ductilidad del 14 material más grande. Por consiguiente, la deformación máxima en el dispositivo para un desplazamiento relativo de 20mm es 0.290, mucho más grande que la deformación máxima de 0.151 para el otro. Sin embargo, esta capacidad de deformación del material es admisible dado que el máximo desplazamiento relativo de 20 mm considerado es el doble del desplazamiento de trabajo del disipador (entre 0 y 10mm). Por consiguiente, el dispositivo seleccionado es el Disip4SL30_2 denominado en adelante dispositivo SL30_2”. (Hurtado, F., Bozzo, L., 2008) Tabla 2 Criterio de selección para las dimensiones del disipador SL definitivo 15 Figura 6 (a) Dimensiones para el Figura 6 (b) Modelo experimental SL30_2 dispositivo Disip4SL30_2 ensayado en ISMES, Italia 2.2.2 Tablas de diseño para los dispositivos “SL” “Como se indicó anteriormente la dimensión vertical para los dispositivos SL propuestos se fija en 110 mm, incluyendo un rigidizador horizontal, tal como se muestra en la figura 6(a). Estos dispositivos son denominados desde este punto como SLX_Y dónde X denota el ancho total e Y denota el espesor del alma. El parámetro X varía entre 50 y 500mm y el parámetro Y puede ser 2,3,4 o 5 mm. para cada valor dado de X. Consecuentemente hay 32(4x8) diferentes dispositivos bajo un patrón de respuesta similar, proporcionando una variedad de conexiones no lineales para seleccionar. Por ejemplo, la fuerza de plastificación entre estos dispositivos varía de 13.65 kN a 435.5 kN. La tabla 2 presenta un resumen de los parámetros de diseño más relevantes para estos dispositivos. Para desarrollar esta tabla se realizó una prueba de calibración numérico-experimental en el Laboratorio de ISMES (Bergamo, Italia) para el dispositivo SL30_2 mostrado en la figura 6(b). El objetivo de la prueba fue doble: (1) calibrar el modelo no lineal realizado con el programa ANSYS y (2) Estudiar la influencia de la conexión atornillada en las curvas histeréticas y su fatiga. Las pruebas experimentales fueron cíclicas para que la curva monotónica mostrada en figura 5 corresponda al esqueleto de la figura 6(b). La figura 7 muestra esta calibración numérico- experimental indicando que se puede obtener una buena correlación usando 16 el modelo de plasticidad relativamente simple con endurecimiento isotrópico. Esto es considerado una ventaja del dispositivo comparado con otros basados en fricción o en la respuesta viscoelástica que son más difíciles de modelar. Por ejemplo, los dispositivos de fricción son significativamente afectados por la velocidad de deslizamiento o presión de contacto normal. Por otra parte, los dispositivos viscosos son afectados por la temperatura. En contraste el acero es un material más simple de modelar y estable bajo una variedad de condiciones medioambientales. El segundo objetivo experimental fue más complejo ya que involucró varios detalles de conexión para determinar la fatiga potencial debido a cargas continuas como el viento. Los tornillos fueron todos de 20 mm. de diámetro, pero su fuerza de pretensado o las dimensiones de los agujeros fueron variadas entre 21, 22 y 24 mm. Se realizaron pruebas cíclicas para obtener curvas histeréticas y de fatiga.” (Hurtado, F., Bozzo, L., 2008). Figura 7 Curva fuerza-desplazamiento monotónica, experimental y numérica para el dispositivo SL30_2 “La Figura 8 muestra las curvas histeréticas para la conexión con la tolerancia más reducida, es decir agujeros de 21 mm. La figura 8(a) incluye el deslizamiento en la conexión mientras la curva en la figura 8(b) no incluye este deslizamiento (Esto indica que la primera curva es obtenida usando transductores de desplazamiento sobre los agujeros y la segunda curva dentro de los agujeros). La fuerza de plastificación experimental fue 17 aproximadamente de 150 kN y el desplazamiento de plastificación aproximadamente de 0.5-1 mm. La energía disipada total acumulada antes de cualquier degradación de los dispositivos fue de 77.528 kN.mm y 53.851 kN.mm para la primera y segunda curva, respectivamente. Para el segundo caso la energía disipada total después de la degradación del dispositivo, es decir incluyendo el modo de flexión, fue de 97.21 kN.mm. Esto indica que una energía adicional significativa puede lograrse por el modo de flexión, así como por el deslizamiento de la conexión. Sin embargo, el deslizamiento no es considerado una buena característica de la respuesta puesto que es difícil de predecir además del impacto que ocasiona. Por consiguiente, la tolerancia debe ser reducida tanto como sea posible, sólo para instalar los dispositivos”. (Hurtado, F., Bozzo, L., 2008) Figura 8 (a) Curva histerética incluyendo deslizamiento de la conexión atornillada 18 Figura 8(b) Curva histerética sin incluir deslizamiento de la conexión atornillada “Con respecto a la fatiga debida a cargas repetitivas como el viento, ésta fue observada pero después de un número grande de ciclos, incluso para un desplazamiento impuesto grande. Esto fue un resultado bastante sorprendente ya que inicialmente fue estimado para un número pequeño de ciclos en + - 10mm. Experimentalmente se observó que incluso con este desplazamiento relativo grande el número de ciclos fue más de cien. Este resultado se explica por el deslizamiento de las conexiones atornilladas que redujeron la deformación plástica significativamente en los dispositivos, particularmente después de los ciclos iniciales. El modo de fallo experimental fue fatiga de las conexiones verticales atornilladas que sujetaron los dispositivos a la máquina de prueba. Debido a las restricciones experimentales estos tornillos fueron soldados a una placa horizontal, rellenando los agujeros de 21 mm. Esta soldadura falló después de un número grande de ciclos, probablemente por el impacto continuo causado por el deslizamiento de los tornillos en los agujeros. Teniendo en cuenta que el desplazamiento relativo debido a las cargas del viento será mucho más pequeño que 10 mm puede concluirse de las pruebas que la fatiga no es una restricción en estos dispositivos, por lo menos, proporcionando una tolerancia mínima de 1 mm en los agujeros. Los dispositivos normalmente se instalan después de completar la construcción de la estructura, para que 19 estos no soporten cargas verticales significativas. Consecuentemente debido a las deformaciones del edificio, la tolerancia siempre es necesaria para instalar los dispositivos”. (Hurtado, F., Bozzo, L., 2008) Tabla 3 Parámetros más relevantes para el diseño de los dispositivos. K1: Rigidez inicial K2: Rigidez post-plastificación Da: Desplazamiento de inicio de abolladura Fy: Fuerza de inicio de plastificación Dy: Desplazamiento de plastificación Fy: fuerza de plastificación Fmax: fuerza máxima a 1.559 cm Dy: Desplazamiento de inicio de plastificación e: Espesor del área fresada Ed: Energía disipada 20 Figura 9 Parámetros de la tabla 2.2.3 Condiciones exigibles a los disipadores • “Alta capacidad de disipación de energía • Ciclos de histéresis estables • Simplicidad, economía y bajo mantenimiento • Robustez, durabilidad y fiabilidad • Facilidad de sustitución en caso de daño • Fuerza de recuperación (puede ser manual) • Inicio de la disipación de energía para pequeños desplazamientos”. (Lopez, F., Bozzo, L.) 2.2.4 Tipos de disipadores • “Plastificación o extrusión de metales dúctiles • Disipadores friccionales • Materiales visco-elásticos. Poca eficacia, no son útiles frente a terremotos, calentamiento 21 • Flujo de fluidos viscosos • Aleaciones con memoria de forma (“Shape memory Alloys” SMA), Nitinol, Superelasticidad • Conversión de energía mecánica en eléctrica • Otros”. (Lopez, F., Bozzo, L.) 2.2.5 Disipadores basados en plastificación de metales (acero) Figura 10 Disipadores en Acero Disipador “Shear-Link Bozzo” Figura 11 Ensayo dinámico del disipador 22 2.3 MODELO ANALÍTICO DEL COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL DEL SHEAR-LINK Figura 12 Base teórica diseño de disipador 2.3.1 “Ventajas del disipador “Shear-Link” • Inicio de la disipación para bajos valores del desplazamiento • Alta capacidad de disipación de energía • Reserva de capacidad de disipación de energía en caso de rotura de los paneles • Lazo histerético estable”. (Lopez, F., Bozzo, L.) 23 Figura 13 Disipador de energía Shear Link de cuarta generación. Fuente: (Autor) 2.4 ENSAYOS PARA LA PUESTA A PUNTO DEL BANCO DE PRUEBAS PREVIOS AL PROYECTO INVESTIGATIVO POR PARTE DE ALUMNOS DE LA UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE Figura 14 Elevación lateral del Sistema de Ensayo. Fuente: E. Aguilar 24 Figura 15 Elevación frontal del Sistema de Ensayo. Fuente: E. Aguilar Figura 16 Shear Link propuesto con ventanas soldadas Fuente: E. Aguilar Figura 17 Disipador de Energía Shear Link con ventanas fresadas en proceso de Ensayo. Fuente: E. Aguilar 25 Se tiene registro de los terremotos más relevantes ocurridos a lo largo de la historia de nuestro país, sin contar con las innumerables perdidas tanto económicas como humanas, que en muchos casos se deben al fallo de las estructuras que se construyen de manera informal; de la misma forma el crecimiento poblacional rural y urbano de las ciudades se ha vuelto más denso por lo que el fenómeno sísmico se ha transformado en una amenaza de creciente importancia. “Por lo cual los sistemas de control o disipadores estructurales de energía son elementos de función reactiva ante acciones sísmicas, las mismas que se están planteando como alternativas al diseño sismo resistente convencional, basándose en las principales propiedades estructurales.” (Aguilar, Castillo, & Oscullo, Experiencias en Ensayos de Disipadores de Energia Shear Link, 2016). Los sistemas sismo resistentes usan uno o varios de los siguientes recursos: • Modificación de las propiedades dinámicas del edificio. • Disipación de energía introducida al sistema a partir de dispositivos mecánicos. • Control con dispositivos que ejerzan fuerzas que disminuyan la acción sísmica. La clasificación de los sistemas estructurales para protección sísmico es la siguiente: 26 Figura 18 Clasificación de los sistemas estructurales de protección sísmica. Fuente: (Aguilar, 2016). 2.5 SISTEMAS ESTRUCTURALES DE PROTECCIÓN SÍSMICA 2.5.1 Sistemas Pasivos de Protección Sísmica Son los más utilizados en la actualidad, se basan en dispositivos mecánicamente simples, los mismos permiten reducir la respuesta dinámica de las estructuras que responden de forma inercial a la acción sísmica disipando la energía por medio de calor, no dependen de fuentes de energía. Figura 19 Esquema mecanismo de operación de sistemas pasivos. S IS T E M A S E S T R U C T U R A L E S D E P R O T E C C IO N S ÍS M IC A SISTEMAS PASIVOS Aislamiento Sismico Disipadores de energia Oscilador Resonante SISTEMA ACTIVO Arriosrtes Activos Tendones Activos Oscilador Activo SISTEMAS HIBRIDOS Aislamiento Activo Oscilador Hibrido SISTEMA SEMI- ACTIVOS Disipador de Orifico Variable Disipador de friccion Variable Disipadorres Fluido Controlables Solicitación Sísmica Estructura Respuesta Sistema de Control Pasivo 27 Se clasifican en:  Sistema de aislación sísmica de base  Disipadores de energía Los aisladores sísmicos se fundamentan para la protección sísmica de diversos tipos estructuras y reducen la rigidez del sistema estructural y los esfuerzos de tal forma que la estructura pueda resistirlos. Figura 20 Comportamiento de una estructura con aislador de base. Los disipadores de energía aumentan el nivel de amortiguamiento de la estructura absorbiendo así la energía sísmica y evitando que esta se disipe por deformaciones inelásticas en los elementos estructurales. Figura 21 Técnicas de control pasivo con disipador de energía. 28 2.5.2 Sistemas Activos de Protección Sísmica Son dispositivos con sistemas complejos que disminuyen los efectos del sismo mediante fuerzas aplicadas que integran sensores de movimiento, controladores, procesadores de información en tiempo real y actuadores dinámicos. Figura 22 Estructura con sistema de control activo. La aplicación de las fuerzas de control realiza mediante un oscilador de masa activa, “Activa Mass Damper-AMD”, arriostres o tendones activos. (Aguilar, 2016) 2.5.3 Sistema Semi-Activo de Protección Sísmica. Emplean dispositivos de control pasivo sin consumo energético cuyas características resistentes permiten modificar y controlar a tiempo real las propiedades mecánicas de los dispositivos de disipación de energía mediante actuadores de bajo consumo. 29 Figura 23 Estructura con sistema de control semi-activo. 2.6 DISIPADOR SLB DE SEGUNDA GENERACIÓN (Hurtado, F., Bozzo, L., 2008), desarrollaron la segunda generación del disipador Shear-Link o SLB generalizando el disipador para muros (primera generación) a un rango variable de fuerzas de plastificación entre 14 y 435 kN. Este dispositivo está fabricado de acero, pero tiene la forma de un perfil metálico vertical con rigidizadores horizontales. Figura 24 Disipador SLB 20_2. 30 Figura 25 Disipador antes del ensayo. Figura 26 Diagrama de histéresis de disipador SLB 20_2. 2.6.1 Marco teórico de disipador Shear Link Bozzo Segunda Generación El marco de disipadores Shear Link Bozzo, trabaja como una columna que está empotrada en sus extremos, con rigidez 𝑘𝑟 y las ventanas trabajan a flexión, con rigidez 𝑘𝑤; como se observa en la figura 18. 𝑘𝑟 = 72 𝐸𝐼 ℎ3 𝐼 = 𝑡 𝑧3 12 (1) (2) 31 Donde 𝑡,𝑧, son las dimensiones de la sección transversal del marco; ℎ es la altura de una ventana; 𝐸 es el módulo de elasticidad del acero del SLB. La rigidez de las ventanas, se halla con la siguiente ecuación. 𝑘𝑤 = 4 𝐺 𝐴𝑤 ℎ 𝐴𝑤 = 𝑏 𝑒 Donde 𝑏, 𝑒, son la longitud y el espesor de una ventana; 𝐺 es el módulo de corte del material. Figura 27 Geometría de disipador de energía Shear Link, utilizado en el proyecto. (3) (4) 32 Figura 28 Rigidez de marco a flexión de un disipador SLB. Análisis sísmico de Bloque Estructural 4 de UFA-ESPE con disipadores de energía Shear Link Bozzo. Revista Ciencia. El desplazamiento lateral del marco es igual al de la ventana. Por lo tanto, trabajan como dos resortes en paralelo, estos elementos. Por otro lado, se puede considerar un modelo bilineal para el comportamiento fuerzas- deformación lateral, con una rigidez 𝑘𝑑𝑖𝑠1 para el rango elástico y 𝑘𝑑𝑖𝑠2 para el rango plástico. En el rango elástico trabajan la ventana y el marco, mientras que en el rango plástico solo trabaja el marco. Figura 29 Diagrama de histéresis bilineal del disipador SLB. Análisis Sísmico de Bloque Estructural 4 de UFA –ESPE con disipadores de energía Shear Link Bozzo. Revista Ciencia. (5) 33 𝑘𝑑𝑖𝑠1 = 𝑘𝑟 + 𝑘𝑣 𝑘𝑑𝑖𝑠2 = 𝑘𝑟 La fuerza de fluencia 𝐹𝑦 es igual a la fuerza de la ventana 𝐹𝑤 más la fuerza del marco 𝐹𝑟. 𝐹𝑤 = 𝑛 𝜏 𝐴𝑤 𝜏 = 1 √3 𝑓𝑦 Donde 𝑛 es el número de ventanas; 𝜏 es el esfuerzo de corte; 𝑓𝑦 es el esfuerzo de fluencia del material. Por otra parte, el desplazamiento de fluencia 𝑞𝑦 es igual a: 𝑞𝑦 = 𝐹𝑟 𝑘𝑟 = 𝐹𝑤 𝑘𝑤 ⟼ 𝐹𝑟 = 𝑘𝑟 𝑘𝑤 𝐹𝑤 Donde: 𝐹𝑦 = 𝑛 𝜏 𝐴𝑤 + 𝑘𝑟 𝑘𝑤 𝐹𝑤 2.7 MARCO TEÓRICO DE DISIPADOR SHEAR LINK BOZZO TERCERA Y CUARTA GENERACIÓN. 2.7.1 Amortiguamiento Equivalente “El amortiguamiento equivalente está definido en términos de la razón entre el total de energía disipada en un ciclo, ED, y la energía efectiva de disipación ES, que se señala en la ecuación. (6) (8) (10) 34 ED E S F Q fu qu -qu -fu Figura 30 Cálculo de la energía disipada y energía elástica. ➢ Método de Calculo i. Se determina la fuerza Fu, y el correspondiente desplazamiento qu, que permite calcular, Es, con la siguiente expresión: 𝐸𝑠 = 𝐹𝑢∗ 𝑞𝑢 2 (4) ii. Se ha facilitado el proceso de cálculo de ED, con la ayuda del programa AutoCad 2011, con la herramienta poli línea, unimos los puntos del último ciclo y con el comando Área determinamos ED, en Tn * Cm. iii. Calculo del amortiguamiento ξ. El factor de amortiguamiento ξ, del disipador, se obtiene a partir de las curvas de histéresis, por medio de la máxima energía elástica que absorbe el disipador Es, y la energía disipada por el dispositivo en nuestro caso en el último ciclo de histéresis, ED, como se indica en la figura 26” (Oscullo, 2017). 𝛏 = 𝐸𝐷 4𝜋𝐸𝑠 (5) iv. Calculo de rigidez efectiva. 𝐾𝑒𝑓 = 𝐹𝑢(+)− 𝐹𝑢 (−) 𝑞𝑢 (+) − 𝑞𝑦 (−) (6) 35 CAPITULO III 3 ANÁLISIS EXPERIMENTAL 3.1 ANÁLISIS EXPERIMENTAL DEL COMPORTAMIENTO DEL DISIPADOR Se hizo el análisis basado en los ensayos realizados en el Laboratorio de la vivienda de la Escuela Politécnica Nacional, y se llegó a obtener resultados y comportamientos diferentes a disipadores de segunda y tercera generación. 3.2 INTRODUCCIÓN En este capítulo se procedió a verificar el comportamiento histerético de los disipadores de energía tipo Shear Link de cuarta generación los cuales cuentan con un lado del mismo totalmente empotrado y el otro lado totalmente libre con topes a 2.5cm de espaciamiento por lado, esto se ratifica al realizar los ensayos dinámicos de carga cíclica en el banco de pruebas. Con esta información se procede a realizar el modelo no lineal y definir las propiedades dinámicas de los SL; Kef (Rigidez Efectiva), Fy (Fuerza de fluencia) y ξ (Amortiguamiento) con los resultados obtenidos se construirá una tabla de resultados. Debido a que se presentaron problemas con los disipadores de energía de generaciones anteriores se ha realizado este proyecto de investigación para conocer la influencia de empotrar de manera perfecta en un extremo el disipador Shear Link de cuarta generación (SL-4G), esto se realizó partiendo de la investigación realizada por Luis Bozzo y de los estudios realizados para el Bloque Estructural de la UFA- ESPE. 36 3.3 MATERIALES 3.4 CARACTERÍSTICAS GENERALES ACERO A36 3.4.1 Composición química acero A36. Tabla 4 Composición Acero A36 Hasta 3/4 in. Sobre 3/4 in. hasta 1-1/2 in. Sobre 1-1/2 in. hasta 2-1/2 in. Sobre 2-1/2 hasta 4 in. Sobre 4 in. Carbono 0.25 0.25 0.26 0.27 0.29 Manganeso -- .80/1.20 .85/1.20 .85/1.20 .85/1.20 Fósforo 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 Azufre 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 Silicio .40 max .40 max .15/.40 .15/.40 .15/.40 Cobre min % cuando se especifica de acero de cobre 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 * Nota: Por cada reducción de 0,01% por debajo del máximo especificado de carbono, un aumento del 0,06% de manganeso por encima de la cantidad máxima prevista será permitido, hasta el máximo de 1,35%. Fuente: (Norma ASTM A3) 37 3.4.2 Propiedades mecánicas acero A36. Tabla 5 Propiedades mecánicas Acero A36 Resistencia a la tracción: 58,000 - 80,000 psi [400-550 MPa] Min. Punto de fluencia: 36,000 psi [250 MPa] Elongación en 8": 20% min Elongación en 2": 23% min Fuente: (Norma ASTM A36) 3.5 EQUIPOS A continuación, se detallan los equipos utilizados en el ensayo de disipadores de energía Shear Link de cuarta generación, fresados de equivalentes características. - Gato hidráulico hueco con bomba hidráulica para realizar pretensión en pernos para fijación del banco de pruebas. - Motor hidráulico para mover el actuador de 20 T. - Figura 31 Banco de Prueba ACO4g, Brazo, Actuador y Celda de Carga. Fuente: (Laboratorio de la Vivienda Escuela Politécnica) 38 3.6 PROCEDIMIENTO DE ENSAYO El procedimiento para el ensayo de los disipadores SL-4G se lo realizó de la siguiente manera: - Acoplamiento del actuador al muro de reacción con una celda de carga de 20 T., esta se ensambla al brazo metálico perteneciente al equipo del banco de pruebas. - Para el ajuste del banco de pruebas ACO4g, se realiza la pretensión en tres puntos del banco ubicados a 60cm. - El actuador transmite una carga axial al disipador SL-4G mediante el brazo ACO4g el cual representa al sismo. En el ensayo se realizó modificaciones en el anclaje inferior del disipador SL-4G ya que este debió contar con topes en los extremos de la base como seis pernos estructurales A325 los cuales simularon un empotramiento casi perfecto. 3.7 PROTOCOLO DE ENSAYO 1.- Ubicación y colocación del Banco de pruebas ACO4g, utilizando el puente grúa. (véase fig. 32) Figura 32 Banco ACO4g 39 2.- Pretensión al Banco de pruebas ACO4g, en los dos extremos; carga de pretensado de 7980 PSI ≈ 16000 Kg. (véase fig. 33) a) b) Figura 33 Pretensado del Banco de pruebas ACO4g; a) Gato hidráulico hueco para pretensión del perno y b) Medidor digital de presión. 3.- Ubicación y Colocación del Actuador con una celda de carga de 20 T. utilizando el puente grúa, este va ubicado en el muro de reacción, y el eje está ajustado de manera manual. (véase fig. 34) Figura 34 Colocación del Actuador 40 4.- Colocación del disipador SL-4G en el brazo ACO acoplados con pernos A325 DE Ø 3/4” x 1”. Nivelación. (véase fig. 35) Figura 35 Disipador en el brazo ACO4g 5.- Colocación de deformimetros LVDT, el primero para medir los desplazamientos horizontales y el segundo para medir los desplazamientos del banco y poder realizar correcciones. 6.- Verificar en el computador que la información del archivo sea correcta como nombre y características de la probeta. 7.- Verificar los Deformimetros LVDT, que estén instalados y recopilando datos de manera correcta. Se procede a dar carga hasta llegar a desplazamientos de ±5mm y se comprueba en el monitor que el instrumento está obteniendo datos correctamente. 8.- Banco de prueba ACO totalmente listo para iniciar los ensayos. (véase fig. 36) 41 Figura 36 Sistema acoplado para ensayo de SL4G 9.- Proporcionar carga Cíclica, se encera el dispositivo y de forma manual se procede a dar carga cíclica con incrementos que generen desplazamientos de ±5 mm. Hasta llegar a ±20 mm. (véase fig. 37) a) b) Figura 37 Carga cíclica, a) Medidor de presión de aceite y b) Pantalla de datos del ensayo en tiempo real. 3.8 INFORMACIÓN EXPERIMENTAL Se ensayó 5 probetas figuradamente semejantes, elaborados de una misma plancha de acero A36 de 10 mm de espesor. Todos los disipadores SL-4G tienen las mismas dimensiones y características. (véase fig. 38) 42 Figura 38 Disipadores SL-4G 3.8.1 Medidas durante proceso de carga Se obtuvo datos de acuerdo a los desplazamientos que dieron los deformimetros y el ordenador mediante la manipulación del operador al sistema hidráulico de carga que acciona el actuador, en el caso de la carga cíclica en disipadores SL-4G se verificó el desplazamiento para cambiar el sentido de la aplicación de la fuerza, esto se realizó hasta llegar a un desplazamiento de ±20mm y siguiendo con el ensayo hasta completar 10 ciclos con cargas entre 18 y 20 T. En el transcurso del ensayo al dar carga y al verificar los valores que se reflejaron en los gráficos, se pudo evidenciar la similitud del comportamiento de los disipadores SL-4G 30-2. ➢ Test de Carga Cíclica para Shear Links fresados de Cuarta Generación 43 Figura 39 Probeta: SL4G1-30-2; a) Figura 40 Probeta: SL4G1-30-2; b) -40000 -30000 -20000 -10000 0 10000 20000 30000 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 P ( kg f) Tiempo (s) Fuerza vs. Tiempo SL4G1 30-2 -30 -20 -10 0 10 20 30 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000D ( m m ) Tiempo (s) Desplazamiento vs. Tiempo SL4G1 30-2 44 Figura 41 Probeta: SL4G2-30-2; a) Figura 42 Probeta: SL4G2-30-2; b) -25000 -20000 -15000 -10000 -5000 0 5000 10000 15000 20000 25000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000P ( kg f) Tiempo (s) Fuerza vs. Tiempo SL4G2 30-2 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 D ( m m ) Tiempo (s) Desplazamiento vs. Tiempo SL4G2 30-2 45 Figura 43 Probeta: SL4G3-30-2; a) Figura 44 Probeta: SL4G3-30-2; b) -25000 -20000 -15000 -10000 -5000 0 5000 10000 15000 20000 25000 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000P ( kg f) Tiempo (s) Fuerza vs. Tiempo SL4G3 30-2 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 D ( m m ) Tiempo (s) Desplazamiento vs. Tiempo SL4G3 30-2 46 Figura 45 Probeta: SL4G4-30-2; a) Figura 46 Probeta: SL4G4-30-2; b) -25000 -20000 -15000 -10000 -5000 0 5000 10000 15000 20000 25000 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500P ( kg f) Tiempo (s) Fuerza vs. Tiempo SL4G4 30-2 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 D ( m m ) Tiempo (s) Desplazamiento vs. Tiempo SL4G4 30-2 47 Figura 47 Probeta: SL4G5-30-2; a) Figura 48 Probeta: SL4G5-30-2; b) -30000 -20000 -10000 0 10000 20000 30000 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500P ( kg f) Tiempo (s) Fuerza vs. Tiempo SL4G5 30-2 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 D ( m m ) Tiempo (s) Desplazamiento vs. Tiempo SL4G5 30-2 48 3.9 ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO EXPERIMENTAL GLOBAL DEL DISIPADOR 3.9.1 Fuerzas y Desplazamientos El disipador de energía empieza la deformación plástica cuando cambia la linealidad en la relación del diagrama Fuerza (kgf) vs. Desplazamiento (mm). Las probetas se sometieron a cargas cíclicas de manera que hubo incrementos de desplazamiento de ±5 mm. hasta alcanzar los ±20 mm., estos desplazamientos se alcanzaron en el quinto ciclo con una carga de 20 T. que es la máxima soportada por la celda de carga, esto se realizó hasta llegar a 14 ciclos. 3.9.2 Disipadores Shear Link de cuarta generación fresados sometidos a Carga Cíclica. Figura 49 Probeta: SL4G1 - 30-2 -40000 -30000 -20000 -10000 0 10000 20000 30000 -30 -20 -10 0 10 20 30 D ( m m ) P (kgf) Fuerza vs. Desplazamiento SL4G1-30-2 49 Figura 50 Fresado Cíclico 1 Figura 51 Probeta: SL4G2 - 30-2 -25000 -20000 -15000 -10000 -5000 0 5000 10000 15000 20000 25000 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20D ( m m ) P (kgf) Fuerza vs. Tiempo SL4G2 30-2 50 Figura 52 Fresado Cíclico 2 Figura 53 Probeta: SL4G3 - 30-2 Figura 54 Fresado Cíclico 3 -25000 -20000 -15000 -10000 -5000 0 5000 10000 15000 20000 25000 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25D ( m m ) P (kgf) Fuerza vs. Tiempo SL4G3 30-2 51 Figura 55 Probeta: SL4G4 - 30-2 Figura 56 Fresado Cíclico 4 -25000 -20000 -15000 -10000 -5000 0 5000 10000 15000 20000 25000 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30D ( m m ) P (kgf) Fuerza vs. Tiempo SL4G4 30-2 52 Figura 57 Probeta: SL4G5 - 30-2 Figura 58 Fresado Cíclico 5 -30000 -20000 -10000 0 10000 20000 30000 -30 -20 -10 0 10 20 30D ( m m ) P (kgf) Fuerza vs. Tiempo SL4G5 30-2 53 3.9.3 Comportamiento histerético. En el siguiente análisis se plantea un modelo histerético para pronosticar la relación Fuerza - Desplazamiento de los disipadores ante cargas cíclicas. En concordancia con la propuesta de trabajos relacionados sobre la capacidad última de disipación de energía. 3.9.4 Disipador Shear Link de Cuarta Generación sometido a Carga Cíclica SL4G1 21.45 19.50 19.6 19.44 T mm Figura 59 SL4G1 – Fresado C. Cíclica 54 SL4G2 20.38 20.01 19.91 19.74 T mm Figura 60 SL4G2 – Fresado C. Cíclica SL4G3 20.58 21.16 20.13 21.00 T mm Figura 61 SL4G3 – Fresado C. Cíclica 55 SL4G4 21.12 21.88 19.24 21.65 T mm Figura 62 SL4G4 – Fresado C. Cíclica SL4G5 22.36 21.16 19.62 21.47 T mm Figura 63 SL4G5 – Fresado C. Cíclica 56 Figura 64 Diagrama Fuerza vs. Tiempo Oscullo A. Figura 65 Diagrama Fuerza vs. Tiempo Castillo J. 57 3.9.5 Modelación Computacional de Disipador Shear Link de Cuarta Generación sometido a Carga Cíclica Se realizó un análisis computacional el cual dio como resultado el punto más crítico del disipador de energía Shear Link de cuarta generación la cual se puede corroborar en uno de los ensayos el cual fallo en el punto antes mencionado. Cabe recalcar que el análisis computacional dio como resultado un factor de seguridad de 1.4 para carga cíclica. Figura 66 Análisis computacional punto de falla Figura 67 Ensayo Shear Link punto de falla 58 CAPITULO IV 4 RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN 4.1 ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS Se analizaron los resultados en función a las ecuaciones señaladas en el marco teórico. Tabla 6 Resultados Carga Cíclica TABLA DE RESULTADOS ENSAYOS CICLICOS Disipador ED EE ξ FRESADO (T - mm) (T - mm) SL4G 1 318,2170 209,1889 0,121 SL4G 2 253,9928 216,1027 0,094 SL4G 3 331,6932 217,7867 0,121 SL4G 4 339,9779 231,1324 0,117 SL4G 5 387,7791 241,5995 0,128 Promedio 0,112 Fuente: (Autor) Tabla 7 Datos Curva de Histéresis Ensayos Cíclicos; Kef Fuente: (Autor) 59 4.2 DISIPADOR SHEAR LINK FRESADO SOMETIDO A CARGA CÍCLICA El ensayo con carga cíclica fue realizado con incrementos aproximados de ±5 mm, tiene como finalidad observar el comportamiento de los disipadores de energía tipo Shear Link de cuarta generación con sus nuevos parámetros de diseño y funcionamiento a la hora de un evento sísmico. Como está indicado en la figura 56, se procedió a modificar el brazo del banco ACO4g para cambiar las restricciones del disipador tipo Shear Link, como se pudo observar se procedió a colocar de manera vertical los pernos de anclaje en la parte inferior del disipador y colocar unos topes a 2.5 cm del en el extremo superior del Shear Link. Una vez encarrilado el brazo y con todos los pernos de las placas encarriladoras ajustados se procedió a dar carga cíclica y de esta manera simular el efecto sísmico. El disipador SL4G1 dio como resultados que, llego a un desplazamiento máximo de 24.05612659 mm con una carga de 25,05913867 kgf en la parte positiva del ciclo y -25.5100784 mm con una carga de -26,21185742 kgf en la parte negativa del ciclo, debido a la dificultad del ensayo se puede decir que en los valores de carga y desplazamiento están incluidos los acomodos de la probeta, en este caso el disipador no sufrió daño considerable a cortante en el marco ni daño a flexión en las ventanas. Se obtuvieron 15 ciclos de carga y se tomó el último ciclo para determinar las propiedades dinámicas del disipador. 60 COMENTARIOS Y CONCLUSIONES En función a los ensayos realizados se dará criterios para mejorar los futuros ensayos e investigaciones acerca de disipadores de energía tipo Shear Link: Se determinó un comportamiento regular de los disipadores sometidos a cargas cíclicas, esto debido a que se realizó un empotramiento casi perfecto en un extremo del disipador y libre en el otro. Se modificó las placas encarriladoras para tener mayor seguridad y exactitud en el ensayo. Se colocó caucho en la base del banco ACO4g para de esta manera evitar el desplazamiento del mismo y que esto afecte las curvas histeréticas del disipador. Al observar el gráfico 27, disipador de tercera generación de Oscullo A. llega a una capacidad de 15000 kgf en su último ciclo antes de fallar, por otra parte, el disipador de cuarta generación de Castillo J. véase gráfico 28, llega a una capacidad de 20000 kgf en el cuarto ciclo y se mantiene con la misma carga durante 7 ciclos más sin sufrir daño alguno dando a conocer que el disipador trabajó en la zona elástica del material, poniendo en evidencia que podría trabajar ante cargas de mayor magnitud. Se obtuvo un amortiguamiento del 11,2% debido a limitantes para dar mayor carga ya que la capacidad máxima de la celda es 20T. Para el tamaño del disipador el valor del amortiguamiento es aceptable. 61 La Kef (rigidez efectiva) obtenida en los disipadores de energía de cuarta generación en promedio fueron 1011,126 T/mm, esto contrastado con la rigidez efectiva obtenida de disipadores de energía de tercera generación de Oscullo A. que en promedio fue 671,369 T/mm., siendo el disipador de energía de cuarta generación un 50% mayor aproximadamente. Se obtuvo un factor de amortiguamiento de ξ = 0.112 ≈ 11.2%. lo cual nos indica que el disipador tiene una rigidez muy alta en función a sus medidas Se obtuvo el mismo punto de falla en el ensayo de laboratorio como en el análisis computacional dando a conocer el lugar crítico del disipador. 62 RECOMENDACIONES En función a las conclusiones se dará las siguientes recomendaciones: Evitar cristalización del material al momento de realizar la soldadura del cuerpo del disipador a la base del mismo. Recomiendo cambiar la configuración del banco de pruebas en general para ensayar los disipadores de manera vertical y así evitar el deslizamiento del mismo. Adaptar un dispositivo que permita dar cargas exactas al actuador para de esta manera tener menos margen de error a la hora de los ensayos. Los diseños futuros tienden a no usar pernos, sustituyendo estos por topes o en algunos casos una especie de engranajes como se aprecia en los Shear Link Bozzo de cuarta generación. Reforzar el brazo ACO4g para ensayar disipadores de mayores dimensiones y con esto impedir deformaciones del mismo. Obtener una celda de carga de 50 T., ya que la de 20T. existente no abastece ante la capacidad de los disipadores. Se debe tener presente el punto crítico de falla en los disipadores para de esta manera tomar las precauciones debidas al momento de realizar la soldadura y fresado. 63 BIBLIOGRAFÍA Aguiar, R., Bozzo, L., Coyago, H., & Andino, C. (2016). 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