Diseño, fabricación y exploración de dispositivo disipador de energía para estructuras en base a fricción en arena.

Abstract

Debido al permanente aumento de construcciones en altura en el país, y el evidente riesgo sísmico asociado, es necesario el estudio, experimentación y aplicación de diferentes tipos de dispositivo de disipación de energía, que permiten un desarrollo sostenible sumado a una percepción de seguridad de los usuarios en las edificaciones. El desarrollo de esta memoria se basa en el estudio de un dispositivo disipador de energía para estructuras, innovador y sostenible, utilizando materiales comunes en la ingeniería. Se diseña y fabrica un disipador desmontable, inspirado en un prototipo ideado por Makris et al (2021), confeccionado por un manto de acero con arena en su interior, el cual es atravesado por un vástago con una esfera en el centro. El mecanismo de disipación de energía se activa a partir del desplazamiento relativo del vástago, donde se genera la fricción al fluir la arena sobre la esfera de acero. Además, es posible monitorear y ajustar la presión de confinamiento al interior, con strain gauges incorporados en hilos de aceros postensados. A partir de ensayos en la máquina Instron 8801, ubicada en la Universidad de Concepción, se analiza el comportamiento del disipador a través de los ciclos histeréticos con diversas amplitudes de desplazamiento, presiones de confinamiento y velocidades. Adicionalmente se explora el funcionamiento del dispositivo con cambios en el diseño del pistón. Se obtiene ciclos histeréticos estables similares a los encontrados en la literatura, con la diferencia de la asimetría en las fuerzas máximas debido a la naturaleza del ensayo. Pese a la disminución de presión debido al asentamiento de la arena, el disipador consigue aumentar la capacidad al incrementar la presión de confinamiento. Además, no se presentan fallas en los sellos, ni en las demás piezas del sistema, las cuales son reutilizables. Con esto es posible iniciar un estudio con el propósito de diseñar un disipador que optimice las dimensiones y minimice la pérdida de presión en el sistema.

Due to the permanent increase of high-rise constructions in the country, and the evident seismic risk associated, it is necessary to study, experiment and apply different types of energy dissipation devices, which allow a sustainable development added to a perception of safety of the users in the buildings. The development of this report is based on the study of an innovative and sustainable energy dissipation device for structures, using common materials in engineering. A removable dissipator is designed and manufactured, inspired by a prototype devised by Makris et al (2021), made of a steel mantle with sand inside, which is crossed by a rod with a sphere in the middle. The energy dissipation mechanism is activated by the relative displacement of the rod, where friction is generated as the sand flows over the steel sphere. In addition, it is possible to monitor and adjust the confining pressure inside, with strain gauges incorporated in post-tensioned steel wires. From tests on the Instron 8801 machine, located at the Universidad de Concepción, the behavior of the dissipator is analyzed through hysteretic cycles with different displacement amplitudes, confining pressures and velocities. Additionally, the performance of the device is explored with changes in the piston design. Stable hysteretic cycles similar to those found in the literature are obtained, with the difference of the asymmetry in the maximum forces due to the nature of the test. Despite the decrease in pressure due to sand settlement, the dissipator manages to increase the capacity by increasing the confining pressure. In addition, there are no failures in the seals, nor in the other parts of the system, which are reusable. With this it is possible to initiate a study with the purpose of designing a dissipator that optimizes the dimensions and minimizes the loss of pressure in the system.