Diseño óptimo del refuerzo estructural, mediante disipadores CRP, para la adecuación del desempeño sísmico de estructuras aporticadas de hormigón armado

Abstract

[ES] Se plantea el problema de determinar el diseño óptimo de la estructura de refuerzo conformada por disipadores de energía sísmica de tipo contraventeo restringido al pandeo (CRP), que permita el reajuste del desempeño sísmico de marcos de hormigón armado.

Los CRP son elementos conformados por un núcleo metálico confinado, capaz de plastificar tanto a tracción como a compresión, característica que les permite disipar energía sísmica por medio de ciclos histeréticos. Debido a su comportamiento estable frente a acciones cíclicas, los disipadores de tipo CRP han sido utilizados tanto en el diseño como en el reajuste de estructuras desplantadas en zonas de elevado riesgo sísmico, como Japón, EU y América Latina.

Debido al comportamiento no lineal que presenta la respuesta de estructuras equipadas con disipadores de tipo CRP, los diseños candidatos a solución fueron analizados por medio de OpenSees, el cual es un programa de elementos finitos enfocado a la ingeniería sísmica. El desempeño sísmico de todos los diseños fue evaluado por medio del método del espectro de capacidad, el cual utiliza la información de análisis estáticos no lineales para estimar el desplazamiento máximo que presentará la estructura bajo una demanda sísmica dada.

El proceso de optimización se realizó por medio de algoritmo metaheurístico conocido como Simulated Annealing (SA), teniéndose como objetivo minimizar el material empleado en el núcleo de los disipadores. Las características geométricas del núcleo de los CRP¿s y su distribución en el marco fueron consideradas como variables, mientras que los elementos estructurales del marco se mantuvieron inalterados durante el proceso. El algoritmo de SA se corrió en el programa Matlab, creándose un vínculo entre este último y OpenSees para permitir la transferencia de información durante el proceso de optimización.

Los resultados obtenidos indican que existen múltiples diseños de la estructura disipadora que permiten cumplir con los criterios límite de desempeño sísmico establecidos. De manera adicional, se observa que el perfil de rigidez lateral, aportada por el sistema disipador, no sigue una distribución lineal en altura, siendo una característica común la supresión del CRP en el último nivel.

[EN] In this paper, we propose the problem of finding the optimum design of a reinforcement structure, made up buckling restrained braces (BRB), which allows retrofit the seismic performance of reinforced concrete frames.

BRB¿s are elements formed by a confined steel core, capable of yielding both in tension and compression, characteristic that allows them to dissipate seismic energy by means of hysteretic cycles. Because of their stable behavior under cyclic actions, BRB's have been used in the design and retrofit of structures located in areas of high seismic risk, such as Japan, USA and Latin America.

Due to the nonlinear behavior response of the structures equipped with BRB's, all candidate designs were analyzed using OpenSees, a finite element program focused on seismic engineering. The seismic performance of all designs was evaluated by the capacity spectrum method, which uses information from nonlinear static analyses to estimate the maximum displacement that the structure will present under a given seismic demand.

The optimization process was carried out using the metaheuristic algorithm known as Simulated Annealing (SA), with the aim of minimizing the material used in the core of the braces. The geometrical characteristics of the BRB's core and its distribution in the frame were considered as decision variables, while frame's elements remained unchanged during the process. SA algorithm was run in Matlab, creating a link between this program and OpenSees to allow the share of information during the optimization process.

The results obtained indicate that there are multiple designs of the dissipative structure that meet the established seismic performance limit criteria. Additionally, it is observed that the lateral stiffness profile, provided by the dissipative system, does not follow a linear distribution in height, being a common feature the suppression of the BRB's at the last level.