Desarrollo y caracterización del comportamiento cíclico de un sistema de disipación de energía multidireccional en base a elementos U- SHAPED

Abstract

Posterior al mega terremoto de Maule 2010 (8.8 Mw), se evidenciaron graves deficiencias en algunos puentes viales chilenos, especialmente en aquellos que presentan un ángulo de esviaje. Debido a esto, y con el fin de disminuir la vulnerabilidad símica de dichas estructuras, nuevos criterios de diseño sísmico fueron plasmados en el Manual de Carreteras. A pesar de lo anterior, estudios recientes han planteado que estos criterios no apuntan a que los puentes permanezcan operacionales luego de un evento sísmico severo, lo cual podría afectar la resiliencia de la red vial nacional. Este trabajo se enmarca en un proyecto FONDECYT que tiene por objetivo mejorar la resiliencia de los puentes esviados chilenos mediante la incorporación de sistemas de disipación de energía. En particular, en esta tesis se presenta el desarrollo y evaluación de un sistema de disipación de energía multidireccional en base a elementos con forma de U (U-Shaped) que pueda ser implementado en puentes viales. Con tal objetivo, en este trabajo se llevó a cabo una campaña experimental donde se ensayaron probetas de acero tipo U-Shaped, las cuales fueron sometidas a varios protocolos de carga cíclicos de amplitud constante y de amplitud creciente. El fin de estos ensayos es poder caracterizar el comportamiento de un elemento U-Shaped cuando es solicitado en dos direcciones de carga. Lo anterior, se llevó a cabo mediante registros visuales de los daños experimentados por los especímenes, identificando los patrones para las grietas observadas, y más importante aún, registrando las fuerzas y desplazamientos de cada espécimen. Los resultados de la campaña experimental evidenciaron que las curvas de histéresis de los elementos U-Shaped presentan un comportamiento estable a medida que los ciclos de desplazamiento transcurrieron, sin que existiera una notoria degradación de la resistencia. De las curvas fuerza-desplazamiento se pudo observar su propiedad de simetría con respecto al sentido de la carga. Adicionalmente, los resultados experimentales se contrastaron con fórmulas analíticas encontradas en la literatura, de la cual se pudieron obtener factores para poder estimar de mejor manera los valores importantes para el diseño. De manera paralela al trabajo de laboratorio, se realizaron estudios numéricos mediante el desarrollo de modelos de elementos finitos para su posterior calibración y comparación con los resultados experimentales. En este contexto, en primer lugar, se realizó una cantidad importante de modelos para poder calibrar los parámetros del material utilizado. A partir de esta calibración, se pudo evidenciar que el software es capaz de representar de manera adecuada el comportamiento cíclico que experimentan los elementos U-Shaped. Posterior a esto, se realizaron más simulaciones que permitieron establecer relaciones entre las propiedades de estos elementos cuando son cargados en 0° y cuando son cargados en 90°. Estas relaciones permitieron establecer un factor CK, el cual permite calcular la rigidez de un elemento U-Shaped cargado en 90° a partir de su rigidez cuando es cargado en 0°. De la misma forma se estableció un factor CFy que permite relacionar la fuerza de fluencia del elemento cargado en 90° y 0°. A partir de las simulaciones de los elementos U-Shaped, se realizaron modelos a nivel de sistema, es decir, del sistema multidireccional. Para ello, se definieron cuatro configuraciones distintas, donde se contrastaron las curvas de histéresis entre los resultados obtenidos. De estos análisis se determinó que el comportamiento de un sistema multidireccional de elementos U-Shaped queda completamente determinado si es que se conoce el comportamiento de un solo elemento cargado en 0° y 90°. Además, gracias a esto y los coeficientes anteriores se pudo establecer una ecuación que permite calcular la rigidez y fuerza de fluencia de un sistema de disipación de energía en base a elementos U-Shaped, lo cual se prevé será de mucha utilidad para el diseño e implementación de este sistema.