Análisis del comportamiento cíclico de soportes híbridos fabricados con hormigón armado y nuevos materiales. Aplicación práctica a un edificio

Abstract

[EN] The conventional seismic design approach used in recent years relies on the ability of structures to dissipate earthquake energy through inelastic deformations in specifically designed regions of the structural system, avoiding at the same time a general loss of stability and integrity of the structure. However, the experience of the last earthquakes shows the formation of plastic hinges located in the column-beam or column-foundation connections. For this reason, a study of columns under constant compression load and cyclic lateral loading is carried out in the present document. To ensure a dissipative and ductile overall behavior, fragile breaks or the formation of unstable mechanisms must be avoided. In recent years, the use of intelligent materials in this field is being studied and developed, due to its great capacity of deformation and level of ductility. An example of these materials are the shape memory alloys (SMA), which thanks to their properties of pseudoelasticity, reach large deformations that are recoverable. Bonet et al. (2016) have developed an earthquake protection device, called Smart Seismic Concrete Connection (SSCC), using shape memory and superelasticity alloy rods, and very high performance concrete (SMA-SE - VHPC), which has shown an adequate behavior against cyclical actions. On the other hand, the behavior of columns under cyclic action depends on the strength and deformable capacity of both the critical region and the plastic hinge. The arrangement of the SSCC connection in the critical areas can lead to an improvement in the performance of the support against seismic actions, highlighting improvements in strength, ductility, dissipated energy, damage reduction, among others. The purpose of this work is to study the behavior of a hybrid reinforced concrete column made with conventional materials in the central section, incorporating in the critical area, at the end of the column, the SSCC connection. Also, important is the study of the joint between the SSCC connection and the rest of the support, as well as the connection between the SSCC connection and the support-beam. An experimental study was carried out consisting of four columns, which simulated the beam-column joint: two of them with a joint in the beam-column connection, and the other two without joint. Two levels of reduced axle, 0.1 and 0.2 have also been studied. It is concluded that discontinuous solutions reach a lower maximum load than continuous ones, however, they also present a lower residual deformation. A numerical model was calibrated using the SeismoStruct software, which allowed a parametric study. The obtained results were extrapolated, analyzing other variables. Finally, the knowledge obtained have been applied to a real structure in the field of civil engineering. In this case, the behavior of the structure made with conventional materials has been compared to the employment of new materials the definition of the hybrid columns.

[CA] L'enfocament del disseny convencional enfront de sisme, empleat en els últims anys, confia en la capacitat de les estructures per a dissipar l'energia del terratrèmol a través de deformacions inelàstiques, en regions específicament dissenyades del sistema estructural, evitant al mateix temps una pèrdua general de l'estabilitat i integritat de l'estructura. No obstant això, l'experiència dels últims terratrèmols mostra la formació de ròtules plàstiques en suports d'entramats localitzades en les connexions pilar-biga o pilar-fonamentació. Per este motiu, en el present document es realitza un estudi de pilars sotmesos a compressió constant i càrrega lateral cíclica. En els últims anys s'està estudiant i desenrotllant l'ús de materials intel·ligents en aquest camp, a causa de la seua gran capacitat de deformació i nivell de ductilitat. Un exemple d'estos materials són els aliatges amb memòria de forma (SMA), que gràcies a les seues propietats de pseudoelasticidad aconsegueixen grans deformacions que són recuperables. Bonet et al. (2016) han desenvolupat un dispositiu de protecció contra sismes, denominat "Smart Seismic Concrete Connection" (SSCC), fabricat amb barres d'aliatge amb memòria de forma i superelasticitat, i formigons de molt altes prestacions (SMA-SE - VHPC), el qual ha presentat un adequat comportament enfront d'accions cícliques. D'altra banda, el comportament de suports sotmesos a una acció cíclica depèn de la capacitat resistent i de deformació, tant de la zona crítica del suport a extrems, com de la ròtula plàstica. La disposició de la connexió tipus SSCC a les zones crítiques pot suposar una millora en les prestacions del suport enfront d'accions sísmiques, proporciona millores en la resistència, ductilitat, energia dissipada, reducció del dany, entre d'altres. L'objecte d'aquest treball és estudiar el comportament d'un pilar de formigó armat híbrid fabricat amb materials convencionals en la zona central, incorporant a la zona crítica, en extrems del suport, la connexió tipus SSCC. Serà d'especial importància l'estudi de la junta entre la connexió SSCC i la resta del suport, així com la unió entre aquesta connexió SSCC i el nus suport-biga. S'ha realitzat un estudi experimental compost per quatre pilars que simulen la unió biga-pilar: dos d'ells amb una junta en la connexió biga-pilar, i els altres dos sense junta. S'han estudiat dos nivells d'axial reduït, 0.1 i 0.2. De l'estudi es conclou que les solucions discontínues aconsegueixen menor càrrega màxima que les contínues, però també presenten menor deformació residual. S'ha calibrat un model numèric emprant el SeismoStruct que ha permès la realització d'un estudi paramètric. S'han extrapolat els resultats, analitzant altres variables. Finalment, s'han aplicat els coneixements obtinguts al llarg d'aquest treball a una estructura real del camp de l'enginyeria civil, comparant el seu comportament amb materials convencionals enfront de l'ús dels nous materials.

[ES] El enfoque del diseño convencional frente a sismo, empleado en los últimos años, confía en la capacidad de las estructuras para disipar la energía del terremoto a través de deformaciones inelásticas, en regiones específicamente diseñadas del sistema estructural, evitando al mismo tiempo una pérdida general de la estabilidad e integridad de la estructura. Sin embargo, la experiencia de los últimos terremotos muestra la formación de rótulas plásticas en soportes de entramados localizadas en las conexiones soporte-viga o soporte-cimentación. Por este motivo, en el presente documento se realiza un estudio de soportes sometidos a compresión constante y carga lateral cíclica. En los últimos años se está estudiando y desarrollando el uso de materiales inteligentes en este campo, debido a su gran capacidad de deformación y nivel de ductilidad. Un ejemplo de estos materiales son las aleaciones con memoria de forma (SMA), que gracias a sus propiedades de pseudoelasticidad, alcanzan grandes deformaciones que son recuperables. Bonet et al. (2016) han desarrollado un dispositivo de protección contra sismos, denominado "Smart Seismic Concrete Connection" (SSCC), fabricado con barras de aleación con memoria de forma y superelasticidad, y hormigones de muy altas prestaciones (SMA-SE-VHPC), el cual ha presentado un adecuado comportamiento frente a acciones cíclicas. Por otra parte, el comportamiento de soportes sometidos a una acción cíclica depende de la capacidad resistente y de deformación, tanto de la zona crítica del soporte en extremos, como de la rótula plástica. La disposición de la conexión tipo SSCC en las zonas críticas frente a acciones sísmicas proporciona mejoras en la resistencia, ductilidad, energía disipada, reducción del daño, entre otras. El objeto de este trabajo es estudiar el comportamiento de un soporte de hormigón armado híbrido fabricado con materiales convencionales en el tramo central, incorporando en la zona crítica, en extremos del soporte, la conexión tipo SSCC. Será muy importante el estudio de la junta entre la conexión SSCC y el resto del soporte, así como la unión entre dicha conexión SSCC y el nudo soporte-viga. Se ha realizado un estudio experimental compuesto por cuatro soportes que simulan la unión viga-pilar: dos de ellos con una junta en la conexión viga-pilar, y los otros dos sin junta. Se han estudiado dos niveles de axil reducido, 0.1 y 0.2. Se concluye que las soluciones discontinuas alcanzan menor carga máxima que las continuas, pero presentan una menor deformación residual. Se ha calibrado un modelo numérico empleando el software informático SeismoStruct que, posteriormente ha permitido la realización de un estudio paramétrico. Posteriormente, se han extrapolado los resultados obtenidos, analizando otras variables. Finalmente, se han aplicado los conocimientos obtenidos a una estructura real de la ingeniería civil, comparando su comportamiento con materiales convencionales frente al empleo de nuevos materiales.