Modelización numérica del comportamiento estructural de barras de pandeo restringido

Abstract

Los disipadores de energía son elementos pasivos que se incorporan a edificios y a otras construcciones que, pueden estar sometidas a acciones dinámicas, especialmente movimientos sísmicos. Su finalidad es absorber la mayor parte de la energía introducida en la estructura por la excitación, protegiendo de esta manera la estructura principal. Estos dispositivos son relativamente ajenos a la estructura, en el sentido que no participan en la resistencia a cargas verticales, y, por tanto, son fácilmente reemplazadas después de sufrir daños importantes. Se conectan a la estructura a proteger de forma que cuando ésta sufre la acción del terremoto, se generan deformaciones importantes en los disipadores produciéndose de esta manera la absorción de energía. En estructuras de edificación, los disipadores se colocan en pórticos; habitualmente en barras de arriostramiento concéntrico entre plantas, (generalmente diagonales o en V invertida) ya que, al producirse desplazamientos relativos entre plantas (“interstory drift”), aparecen deformaciones apreciables en estos elementos. Se han propuesto distintos tipos de disipadores para estructuras de edificación. Los basados en plastificación de metales, conocidos habitualmente como histeréticos, destacan por su sencillez, economía y robustez; de entre éstos las denominadas barras de pandeo restringido han conocido un notable desarrollo por poseer ventajas relevantes. Básicamente son barras concéntricas de arriostramiento, constituidas por un núcleo delgado de acero que se rodea de un revestimiento, generalmente de mortero y/o acero. Es de vital importancia que exista un interfaz, entre el núcleo y el revestimiento, que permita el deslizamiento entre ambos para evitar que parte de las estensiones del núcleo se plastifica, ya que el revestimiento impide su pandeo; estos ciclos de plastificación por tracción y compresión cosntituyen los lazos de histéresis a través de los cuales se disipa energía. A pesar de la notable experiencia, tanto a nivel de investigación como de aplicaciones prácticas, que existe sobre las barras de pandeo restringido, aún quedan numerosos interrogantes abiertos. En particular, no han sido propuesto ningún modelo numérico que simule con exactitud y fiabilidad su comportamiento estructural, ya que, éste es notablemente complejo, debido al trabo conjunto y multiaxial de distintos materiales (acero del núcleo,mortero y acero del revestimiento). Esta ausencia impide comprender a fondo los fenómenos complejos que suceden durante la operación de estos elementos, y dificulta el desarrollo de soluciones innovadora, ya que no es posible conocer con exactitud su comportamiento de barras de pandeo restringido formadas por un núcleo de acero, un interfaz deslizante y un revestimiento de mortero eventualmente rodeado por una funda exterior de acero. En el modelo numérico propuesto, el acero tiene un comportamiento elastoplástico con endurecimiento cinemático isótropo. Para el mortero que le rodea se han desarrollado u modelo isótropo de daño. La parte de acero del revestimiento (funda) se homogeneiza al mortero. La interfaz entre el núcleo de acero puede penetrar en el mortero. En el presente trabajo, estos modelos se implementan en subrutinas del programa Abaqus/Explicit, permitiendo comprobar el funcionamiento del modelo que se propone. Los resultados obtenidos, con este modelo numérico, se compararon con los resultados experimentales obtenidos en la Universidad de Girona y en la Universidad de California.