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Estudio del comportamiento dinámico del sistema de brazos de palanca autocentrantes para edificios de acero de baja y mediana altura
Agudelo Calvo, Jairo A.
Agudelo Calvo, Jairo A.
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Abstract
In this dissertation analytical models of a passive protection system were developed based on a basic idea proposed by Dr. Daniel Wendichansky of UPR-M. The objective of the proposed system is to reduce the response of steel buildings subjected to earthquakes. Several models were developed with increasing complexity, starting with a system where the link arms are attached to an infinitely rigid wall. Several variations with different numbers of floors were created and formulas to calculate the dynamic properties of a generic model with "n" floors were developed. Other models in which the pivot points of the arms are anchored to a flexible wall were also developed. In all cases, closed form expressions were obtained to study the behavior of the system when the parameters that influence the dynamic response are altered. In practice, more complicated models can be created with commercial structural analysis programs such as SAP2000. However, these programs have limitations: for example, when a viscous damper is used, the programs cannot compute the achieved modal damping ratios. It is shown that these damping ratios can be conveniently calculated by formulating the equations of motion in state space. The behavior of the system when its parameters are varied is studied for free vibrations and forced vibrations (using four earthquakes with different frequency content). To verify the effectiveness of the proposed system, the reduction in the seismic response was compared to structures with fluid viscous dampers, well-known for its simplicity and effectiveness. A conventional moment resistant frame was also considered for comparison. The three models were subjected to the four seismic records and the results demonstrated the ability of the system to provide a significant increase in the damping of the structure and a drastic decrease in displacement and shear force. Finally the results of the mathematical model were compared with those obtained with a small experimental model which was subjected to sinusoidal base motions using a shaking table. The measured responses matched satisfactorily the predictions of the analytical models developed.
En esta disertación se desarrollaron modelos analíticos de un sistema de protección pasiva cuya idea básica fue postulada por el Dr. Daniel Wendichansky de UPR-M. El objetivo del sistema propuesto es reducir la respuesta de edificios de acero cuando son sometidos a movimientos sísmicos. Se han desarrollado modelos con creciente grado de complejidad, comenzando con un sistema en donde los brazos articulados están fijos a una pared infinitamente rígida, y de este modelo se crearon variantes con distintos números de pisos. Se propusieron fórmulas para describir un modelo genérico de “n” pisos. Se desarrollaron luego modelos en donde la pared en la cual están anclados los puntos de rotación de los brazos es flexible. En todos los casos se obtuvieron expresiones cerradas que permiten estudiar el comportamiento del sistema cuando se cambian los parámetros que influencian la respuesta dinámica. En la práctica, modelos más complicados se pueden crear con programas comerciales de análisis estructural como SAP2000. No obstante, estos programas tienen sus limitaciones: por ejemplo, cuando se le colocan un amortiguador viscoso, no pueden calcular las razones de amortiguamiento modal que se logran. Se demuestra que estas razones de amortiguamiento se pueden calcular de manera conveniente formulando las ecuaciones de movimiento en el espacio de estado. Mediante los modelos matemáticos desarrollados se pudo estudiar el comportamiento del sistema cuando se varían sus parámetros tanto para vibraciones libres como para vibraciones forzadas (usando cuatro sismos con diferente contenido de frecuencia). Para comprobar la efectividad del sistema de brazos articulados se comparó la reducción en la respuesta sísmica con estructuras con amortiguadores de fluido viscoso, conocidas por su efectividad y simplicidad. Además se consideró para las comparaciones un pórtico de cero resistente a momento convencional. Los tres modelos se sometieron a los cuatro registros sísmicos y los resultados demostraron la capacidad del sistema de proporcionar un aumento significativo en el amortiguamiento y una drástica disminución en el desplazamiento y fuerza cortante. Finalmente los resultados del modelo matemático se compararon con los obtenidos mediante un modelo experimental demostrativo sometido a un movimiento senoidal en la base utilizando una mesa vibradora. La respuesta medida comparó satisfactoriamente con el comportamiento que predicen los modelos analíticos desarrollados.
En esta disertación se desarrollaron modelos analíticos de un sistema de protección pasiva cuya idea básica fue postulada por el Dr. Daniel Wendichansky de UPR-M. El objetivo del sistema propuesto es reducir la respuesta de edificios de acero cuando son sometidos a movimientos sísmicos. Se han desarrollado modelos con creciente grado de complejidad, comenzando con un sistema en donde los brazos articulados están fijos a una pared infinitamente rígida, y de este modelo se crearon variantes con distintos números de pisos. Se propusieron fórmulas para describir un modelo genérico de “n” pisos. Se desarrollaron luego modelos en donde la pared en la cual están anclados los puntos de rotación de los brazos es flexible. En todos los casos se obtuvieron expresiones cerradas que permiten estudiar el comportamiento del sistema cuando se cambian los parámetros que influencian la respuesta dinámica. En la práctica, modelos más complicados se pueden crear con programas comerciales de análisis estructural como SAP2000. No obstante, estos programas tienen sus limitaciones: por ejemplo, cuando se le colocan un amortiguador viscoso, no pueden calcular las razones de amortiguamiento modal que se logran. Se demuestra que estas razones de amortiguamiento se pueden calcular de manera conveniente formulando las ecuaciones de movimiento en el espacio de estado. Mediante los modelos matemáticos desarrollados se pudo estudiar el comportamiento del sistema cuando se varían sus parámetros tanto para vibraciones libres como para vibraciones forzadas (usando cuatro sismos con diferente contenido de frecuencia). Para comprobar la efectividad del sistema de brazos articulados se comparó la reducción en la respuesta sísmica con estructuras con amortiguadores de fluido viscoso, conocidas por su efectividad y simplicidad. Además se consideró para las comparaciones un pórtico de cero resistente a momento convencional. Los tres modelos se sometieron a los cuatro registros sísmicos y los resultados demostraron la capacidad del sistema de proporcionar un aumento significativo en el amortiguamiento y una drástica disminución en el desplazamiento y fuerza cortante. Finalmente los resultados del modelo matemático se compararon con los obtenidos mediante un modelo experimental demostrativo sometido a un movimiento senoidal en la base utilizando una mesa vibradora. La respuesta medida comparó satisfactoriamente con el comportamiento que predicen los modelos analíticos desarrollados.
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Date
2014