Eficiencia de los sistemas de control pasivo en la respuesta sísmica de edificaciones

Abstract

El objetivo de esta investigación es estudiar la eficiencia de los sistemas de control pasivo para mejorar la respuesta sísmica de las edificaciones. En los primeros capítulos de la presente tesis se usa el lenguaje de programación Python para obtener las respuestas sísmicas de modelos simplificados de edificaciones, con diferente número de niveles, las cuales incorporan cuatro sistemas de control pasivo distintos. Dichos modelos simplificados emplean las siguientes suposiciones: la edificación usa un modelo de masas concentradas de n GDL cuyas propiedades se obtienen de un modelo de viga de corte, la estructura principal tiene un comportamiento lineal y elástico y por último, el periodo fundamental es directamente proporcional al número de niveles. Los cuatros sistemas de control pasivo estudiados son: el aislamiento sísmico (AS), los disipadores de fluido viscoso (DFV), los disipadores histeréticos (DH) y los amortiguadores de masa sintonizada (AMS). En primer lugar, se analizan edificaciones que tienen interfaces de aislamiento con comportamiento histerético de tipo bilineal. Los parámetros de estudio en este caso son: la razón de aislamiento (𝑟), las propiedades mínimas (𝜆𝑚𝑖𝑛), nominales (𝜆𝑛𝑜𝑚) y máximas (𝜆𝑚𝑎𝑥) de la interfaz de aislamiento y el amortiguamiento de la superestructura. Asimismo, se estudian edificaciones con disipadores de energía, tanto los de fluido viscoso con comportamiento no lineal así como los histeréticos con comportamiento de Bouc Wen; los parámetros de estudio son: el factor de reducción objetivo (𝜂𝛿), el periodo fundamental (una medida indirecta de la rigidez lateral) y además en el caso de los DFV se estudia el factor de amplificación (𝑓𝐴). Finalmente, se analizan edificaciones que incorporan amortiguadores de masa sintonizada en su último nivel, los parámetros de estudio en este caso son: la razón de masa (𝑟𝑎) y el amortiguamiento del AMS (𝛽𝑎). Luego de estudiar los cuatros sistemas de control pasivo, se concluye que todos permiten reducir las respuestas sísmicas de las edificaciones. Sin embargo, cada uno tiene una efectividad diferente. Así por ejemplo, para edificaciones de pocos niveles y con ciertas características específicas, el aislamiento de base es el sistema con la mayor efectividad, seguido por los DFV y luego los DH. En el capítulo final de esta tesis, se emplea el software ETABS para obtener las respuestas sísmicas de tres modelos tridimensionales de edificaciones de concreto armado existentes. Para cada edificación se plantean dos alternativas usando diferentes tipos de sistemas de control pasivo. Finalmente, se comparan las reducciones obtenidas tanto por los modelos simples, así como por los modelos tridimensionales. Llegando a la conclusión que los modelos simplificados permiten realizar una predicción rápida y aceptable de los niveles de reducción de la respuesta sísmicas en edificaciones que incorporan dispositivos de control pasivo.

The objective of this research is to study the efficiency of passive control systems to improve the seismic response of buildings. In the first chapters of this thesis, the Python programming language is used to obtain the seismic responses of simplified building models, with different number of levels, which incorporate four different passive control systems. These simplified models use the following assumptions: the building uses a concentrated mass model of n DOF whose properties are obtained from a shear beam model, the main structure has a linear and elastic behavior and finally, the fundamental period is directly proportional to the number of levels. The four passive control systems studied are: base isolation (BI), fluid viscous dampers (FVD), hysteretic dampers (HD) and tuned mass dampers (TMD). In the first place, , buildings that have isolation interfaces with bilinear hysteretic behavior are analyzed. The study parameters in this case are: the isolation ratio (𝑟), the mínimum (𝜆𝑚𝑖𝑛), nominal (𝜆𝑛𝑜𝑚) and maximum (𝜆𝑚𝑎𝑥) properties of the isolation interface and the damping of the superstructure. Likewise, buildings with energy dissipators are studied, both fluid viscous with non-linear behavior as well as hysteretic with Bouc Wen behavior; the study parameters are: the target reduction factor (𝜂𝛿), the fundamental period (an indirect measure of lateral stiffness) and in the case of FVD, the amplification factor (𝑓𝐴) also studied. Finally, buildings that incorporate tuned mass dampers at their last level are analyzed, the study parameters in this case are: the mass ratio (𝑟𝑎) and the TMD damping (𝛽𝑎). After studying the four passive control systems, it is concluded that all of them will reduce the seismic responses of buildings. However, each one has a different effectiveness. Thus, for example, for buildings with few levels and with specific characteristics, base isolation is the system that presents the highest effectiveness, followed by the FVD and then the HD. In the final chapter of this thesis, ETABS software is used to obtain the seismic responses of three three-dimensional models of existing reinforced concrete buildings. For each building, two alternatives are proposed using different types of passive control systems. Finally, the reductions obtained by both the simple models and the three-dimensional models are compared. Concluding that the simplified models allow a quick and acceptable prediction of the levels of reduction of the seismic response in buildings with passive control devices.