Estudio de secciones de hormigón armado y pretensado de apertura controlada en fase elástica con rigidez negativaaplicación al aislamiento sísmico de edificios

Resumen

El uso de “columnas basculantes” (denominadas rocking columns en ingles) como una forma de materializar el concepto del aislamiento sísmico de base de estructuras está siendo objeto de recientes trabajos de investigación y es foco de un creciente interés en las publicaciones técnicas. Sin embargo, los trabajos previos sobre columnas basculantes se han centrado fundamentalmente en aplicaciones a puentes; hay muy pocos trabajos de investigación enfocados al estudio de este tipo de sistema de aislamiento aplicado a estructuras de edificación de varias plantas. En esta investigación se plantea emplear un sistema de aislamiento sísmico consistente en disponer una nueva solución de columna basculante en toda la primera planta (planta baja) del edificio, permaneciendo la estructura de las plantas superiores como una estructura de hormigón armado convencional. Los columnas basculantes propuestas incorporan dispositivos de disipación de energía para controlar los desplazamientos laterales de la estructura. Para ello, se propone una nueva columna basculante de hormigón para pórticos de hormigón armado que está restringida verticalmente con una barra de acero no adherente que pasa a través de la línea central de la columna, está anclada en la viga superior y libre para deslizarse en el extremo inferior de la cimentación dentro de un rango controlado de desplazamientos. El deslizamiento libre se logra dejando una holgura o "gap" entre una placa de extremo fija en el extremo inferior de la barra y una cavidad en la base. La holgura proporciona un rango de desplazamientos laterales dentro del cual se aprovechan al máximo los beneficios de la rigidez negativa intrínseca del sistema, la cual se busca mantener para conseguir el necesario aislamiento sísmico de la estructura convencional situada sobre la primera planta. El objetivo final de este trabajo es desarrollar la nueva columna basculante propuesta y proponer criterios para el proyecto de estructuras porticadas de hormigón armado equipadas con las mismas. La nueva columna basculante puede ser parcial o totalmente prefabricadas con el fin de garantizar la calidad y disminuir costes. La incorporación de este tipo de columnas permitir mejorar las prestaciones sísmicas de los edificios convencionales resueltos con pórticos de hormigón armado. Las principales mejoras son: (i) reducción drastica de los desplazamientos laterales de las plantas superiores a la primera; y (ii) reducción/eliminación de los daños (deformaciones plásticas) en los elementos estructurales situados en las plantas superiores a la primera. En el sistema propuesto, y al igual que ocurre con las estructuras con aislamiento de base convencionales, la práctica totalidad de la energía introducida por el sismo se disipa en la planta primera. En la Tesis se propone también un disipador de energía sencillo a base de chapas de acero inoxidable con perforaciones para ser empleado en la nueva columna basculante. La capacidad límite última de disipación de energía de este disipador se cuantifica mediante ensayos. Se evalúa también, mediante simulaciones numéricas, la porción de esta capacidad límite última de disipación de energía que se consumiría en caso de un terremoto frecuente y en caso de un terremoto severo. Se demuestra que el disipador propuesto tiene una capacidad límite última de disipación de energía suficientemente elevada como para poder soportar varios terremotos frecuentes o severos sin agotar su capacidad, y por lo tanto sin necesidad de ser sustituido. Las plantas superiores a la primera se resuelven con pórticos de nudos rígidos convencionales, pudiendo reducirse su dimensionado y armado (en comparación a una estructura convencional) debido a: (i) la reducción de fuerzas de inercia que se consigue con la planta de aislamiento que forma las nuevas columnas basculantes, y (ii) el no tener que cumplir los requisitos constructivos por ductilidad local/global que se exigen a los elementos estructurales de hormigón armado. La estructura en las plantas superiores sigue siendo por lo tanto una estructura de hormigón armado convencional construida "in situ", pero con prestaciones mejoradas, menor coste y menores servidumbres arquitectónicas que otros sistemas avanzados de protección sísmica, como un sistema convencional de aislamiento de base con aparatos de apoyo u otros que requieren modificaciones más radicales de la estructura convencional inicial. El sistema propuesto se ha desarrollado con la posibilidad de personalizar la ley de comportamiento de la sección rocking ajustando unos pocos parámetros de la columna. Se han desarrollado las ecuaciones para predecir la curva principal que caracteriza el comportamiento histerético empleando como variables dichos parámetros, y con ello se ha encontrado que la respuesta del sistema está controlada fundamentalmente por (i) la fuerza recuperadora máxima proporcionada por las columnas oscilantes, (ii) la resistencia lateral proporcionada por los disipadores y (iii) las dimensiones de la holgura o "gap" en el extremo inferior de la barra central no adherente. Asimismo, con el fin de obtener conclusiones útiles para el diseño de cualquier sistema de este tipo, se han identificado 6 parámetros adimensionales que gobiernan el comportamiento de una columna basculante, considerando tanto la contribución de la columna basculante simple como de la barra central y de los disipadores histeréticos que deberán disponerse. El problema de contacto en la sección en la que se produce el movimiento rocking, fundamental en este tipo de elementos estructurales debido a la fuerte concentración de tensiones que se produce siempre en la misma, se ha estudiado con especial detalle tanto de forma analítica como realizando un modelado numérico detallado con un programa de elementos finitos, y se han utilizado e interpretado los resultados experimentales de estas uniones obtenidos por otros autores en trabajos anteriores. Como resultado, se han obtenido conclusiones útiles para definir el diseño de estas zonas críticas del sistema propuesto. Como resultado de todas las formulaciones anteriores, se han obtenido unos Criterios de Diseño de la columna basculante propuesta. Dentro de los mismos, un elemento fundamental del sistema propuesto son los dispositivos de disipación de energía que deben disponerse en los extremos superior e inferior de la columna basculante. Aunque podrían disponerse dichos dispositivos dentro de diagonales o arriostramientos en "V" invertida de la primera planta, tal como se hace en otros sistemas de protección sísmica, permitiendo así una utilización más eficaz de su capacidad, se ha propuesto la citada situación de los dispositivos solo en ambos extremos de la columna basculante para liberar a la primera planta de la servidumbre arquitectónica que supondría disponer en la misma dichos arriostramientos, siendo esta una de las varias ventajar del sistema propuesto. Dada la necesidad de disipar una gran cantidad de energía en un volumen pequeño que evite aumentar las dimensiones exteriores totales del conjunto columna basculante+disipador, se ha encontrado que los disipadores más adecuados son los basados la plastificación de metales. Para ello, se han estudiado los diversos tipos de amortiguadores de este tipo existentes en la literatura, obteniendo las ecuaciones que rigen su comportamiento y detalles de diseño para este tipo de columna en particular. Entre ellos, se propone emplear en para la nueva columna basculante propuesta un tipo particular de disipador a base de chapas de acero inoxidable con ranuras verticales ("slit-plate"). Se ha realizado un estudio paramétrico para la optimización de los valores de los 6 mencionados parámetros adimensionales identificados como los que gobiernan el comportamiento de la columna basculante. Como resultado, se proponen unos valores de dicho parámetros para conseguir el diseño del sistema con columnas basculantes más eficiente que puede conseguirse. Se ha estudiado el sistema propuesto desde el punto de vista del balance energético, con el fin de realizar un Diseño Basado en Prestaciones de los edificios en los que se implemente el mismo. De este modo, para evaluar la solución propuesta, se ha comparado la respuesta sísmica de unos pórticos de hormigón armado convencionales con 3, 6 y 9 pisos con la de unos pórticos rocking similares en los que únicamente se han sustituido las columnas convencionales de hormigón armado de la primera planta por las columnas rocking propuestas. Para ello se ha realizado un análisis dinámico no lineal directo en el tiempo, sometiendo los modelos de dichos pórticos a un conjunto de acelerogramas de sismos reales escalados para conseguir un determinado nivel de energía correspondientes a sismo frecuente, raro y muy raro. Con los resultados de dicho análisis, se ha comprobado que para el sismo muy raro, los máximos desplazamientos entre plantas superiores a la primera disminuyen aproximadamente 3 veces, las aceleraciones de la historia aproximadamente 1,5 veces y la demanda de disipación de energía en las historias superiores aproximadamente 20 veces, demostrando la efectividad del sistema propuesto. Además, se demuestra que la solución propuesta (i) resuelve los efectos adversos de los tendones postesados convencionales anclados en ambos extremos que se emplean en algunas columnas rocking propuestas en investigaciones anteriores; (ii) mejora el aislamiento sísmico en terremotos frecuentes o raros (diseño) y (iii) evita el colapso en caso de terremotos muy raros. Por ello, este sistema se propone como una alternativa a los sistemas tradicionales de aislamiento sísmico realizados con aparatos de apoyo. Finalmente, se ha propuesto un método fácil de proyecto para este sistema de aislamiento de base mediante columnas basculantes en la primera planta, usando programas estándar comerciales de análisis estructural, que permitiría realizar un diseño de edificios con el sistema propuesto en casos reales, de una forma factible para oficinas de diseño de estructuras de edificación. De este modo, si se quisiera implementar el sistema propuesto en los pórticos de un edificio proyectado hasta el momento como un pórtico convencional, podría realizarse sustituyendo solamente las columnas convencionales de hormigón armado de la primera planta por las columnas rocking propuestas diseñadas con dichos criterios de diseño y comprobando el comportamiento de la estructura así resultante, esperando conseguir así se forma sencilla una mejora significativa en sus prestaciones frente al sismo.