Introducción

Los dispositivos Shear Link Bozzo (SLB) son artefactos que permiten disipar energía mediante un mecanismo metálico de plastificación. Están conformados por un pórtico que no permite la transferencia de cargas axiales, convirtiéndolos en un mecanismo óptimo de disipación para ser utilizados en diversos sistemas constructivos, como son: sistemas duales, pórticos flexibles con muros desacoplados y sistemas arriostrados con acero. También resultan ser eficaces debido a su alta capacidad de disipación, reemplazo y fiabilidad (Figura 1) (Quispe y García, 2019; Cervantes y Albrizzio, 2020).

Un método constructivo para la implementación de estos dispositivos en estructuras de concreto armado es a través de muros desacoplados (Figura 2A), los cuales están formados por un sistema aporticado constituido en su interior por un muro con juntas en sus capas laterales y superior, lo que ayuda a controlar la respuesta sísmica, evitando así daños estructurales, además; mantiene su integridad luego de un evento sísmico, mientras que en estructura metálica, se presenta el uso de arriostres concéntricos (V invertida) de acero conectados al dispositivo (Figura 2B), que no permite la transferencia de cargas axiales debido a que la unión superior se considera como una zona panel, por lo que se concentra la no linealidad de las conexiones (Bozzo et al., 2015; Enciso, 2019).

Estos dispositivos al ser una innovación en el diseño clásico de las estructuras, se basan en la ductilidad e híperestatismo, aportando a la estructura rigidez y ductilidad, ya que al momento que suceda un evento sísmico de gran magnitud, actuarán en el rango no lineal, ocasionando cierta deformación en el dispositivo y así reduciendo el riesgo de que la estructura sufra daños significativos, por lo tanto, la conexión SLB trabaja como una rótula plástica que puede ser ubicada según el criterio del diseñador (FEMA 356, 2000; FEMA 440, 2005; ASCE/SEI, 2022). El análisis dinámico no lineal tiempo-historia es el método más aproximado al comportamiento real que va a tener la estructura frente una acción sísmica, a través de registros reales o sintéticos obtenidos a partir de modelos sintéticos, para conocer la respuesta sísmica de una estructura (Núñez, 2017).

En este estudio se buscó definir en qué tipo de estructura los disipadores de energía SLB presentan un mejor comportamiento dinámico no lineal, mediante la simulación de dos edificaciones con sus respectivas características geométricas, en concreto armado y en estructura metálica, utilizando el método convencional frente al uso de dispositivos SLB en cada sistema antes mencionados, definiendo que sistema constructivo se comporta mejor el dispositivo.

Materiales y Métodos

Se modeló dos tipos de edificaciones con diferentes características, que permitió determinar el impacto de los dispositivos SLB, tanto en los sistemas constructivos de concreto armado como de estructura metálica. En el sistema de concreto armado el análisis comparativo se realizó utilizando muros de corte en el sistema tradicional frente el uso de muros desacoplados con dispositivos SLB, mientras que en el sistema de estructura metálica, se dispusieron arriostres concéntricos en el sistema tradicional con respecto al uso de arriostres con disipadores SLB. En la Tabla 1 se muestran las características geométricas generales de las dos estructuras analizadas, mientras que en la Figura 3 se presentan los modelos estructurales en cada sistema constructivo, realizados con un programa de análisis estructural comercial (Etabs, 2018).

Concreto armado Estructura metálica

Edificio 1 Edificio 2 Edificio 1 Edificio 2

Los edificios modelados fueron diseñados para el uso residencial, con ubicación en la ciudad de Esmeraldas (Ecuador), en un suelo tipo “D” con un factor de reducción de R= 8: La concepción de la planta tipo del edificio 1 fue irregular, mientras que la del edificio 2 fue regular, con la finalidad de analizar la incidencia de la irregularidad en cuanto al uso de dispositivos SLB (NEC, 2015). Los componentes de los edificios en concreto armado correspondieron a: columnas, vigas principales, losas nervadas, mientras que en la estructura metálica se compuso de: columnas, vigas principales, vigas secundarias, viguetas y losa con placa colaborante de aceroA-653 SS40. En la Tabla 2 se resumen las propiedades de los materiales para ambos sistemas.

Modelos estructurales utilizando concreto armado

Este sistema estructural trabajó como un pórtico especial resistente a momentos para los dos métodos constructivos, en el caso del sistema tradicional se utilizó muros de corte de 20 cm de espesor mientras que en el segundo sistema de muros desacoplados con dispositivos SLB el espesor es de 15 cm (ACI 318, 2008). En la Tabla 3 se presenta el respectivo análisis de carga empleado en las estructuras de concreto armado para los dos edificios, cuyo uso responde a una vivienda con losa inaccesible en la terraza.

Muros desacoplados

Los muros desacoplados no permiten que se trasmitan fuerzas axiales hacia las columnas, debido a la separación que tienen de la misma; también brindan anclaje para los dispositivos SLB, aportan rigidez lateral y resistencia a fuerzas cortantes producidas por eventos sísmicos (Enciso, 2019). En la Tabla 4 se muestra el procedimiento y el cumplimento del método directo en el edificio 1, que consiste en encontrar un dispositivo SLB que satisfaga las condiciones de corte (V2), ya que cada disipador posee una fuerza de plastificación (Fy) que contrarresta estos efectos de corte, de donde se obtuvo la índice demanda/capacidad (D/C), que debe ser menor o igual a 1,5 para que no se sobredimensione el dispositivo (Bozzo et al., 2019). Este procedimiento se realizó también para el edificio 2.

En la Tabla 5 se especifica el procedimiento de diseño del método iterativo inverso del edificio 1, que tiene como fin reducir el tamaño del dispositivo SLB mediante el control de las deformaciones que se generen en el disipador, y el control por corte. Para cumplir estos controles mencionados, se hizo uso del índice demanda/capacidad (D/C) para el control por corte (debe encontrarse entre 1,4 y 1,1 para no sobredimensionar el disipador); mientras en el control de deformaciones se parte de la rigidez inicial del dispositivo (K) y se compara con una deformación ficticia calculada (Kf). Este procedimiento se aplicó para el edificio 2 (Aguiar, 2016).

Curva histerética

El comportamiento que presentan los dispositivos SLB corresponde a la curva histerética idealizada del disipador de energía metálico o histerético estable, propuesto por Wen en 1976. El modelo de Wen se compone de una fuerza restauradora que recurre a las variables de desplazamiento en el eje de las abscisas y de una variable adimensional en z; la curva se genera a partir de la disipación de energía que presentan los dispositivos SLB, a causa de la plastificación que sufre frente a la acción de un evento sísmico cuando ingresa al rango no lineal (Quispe y García, 2019). En la Figura 4 se muestra la curva histerética idealizada de Wen, que representa el comportamiento del dispositivo SLB.

La curva histerética generada a partir de un análisis no lineal tiempo-historia del evento sísmico de Pedernales de magnitud 7,8 del disipador SLB (LINK) K6, donde se asignó un dispositivo SLB3 30_2, se presenta en la Figura 5, el cual genera un corte máximo de 339,82 kN con un desplazamiento de 2,07 cm.

Modelos estructurales utilizando estructura metálica

El sistema estructural empleado fue un pórtico especial resistente a momento con arriostramientos concéntricos (AISC 341, 2010). Para la ubicación de los dispositivos SLB en estructura metálica se optó por la solución de diagonales V invertida, que trata de emplear tubos metálicos rectangulares o cuadrados, conectándose al pórtico mediante el disipador de energía. En la parte superior se deja una junta entre las diagonales y el disipador, de tal forma que solo trabaje por fuerzas horizontales y no por cargas verticales, de esta manera, la conexión no sufre degradación significativa después de varios ciclos de carga, demostrando ser una conexión estable (Mena, 2019). En la Tabla 6 se muestra el respectivo análisis de carga empleado en estructura metálica.

Análisis no lineal tiempo historia

La norma ecuatoriana de la construcción propone este método como complemento del diseño estático o lineal espectral. El análisis tiempo-historia se realiza con registros de eventos sísmicos, los cuales deben ser escalados a partir del espectro de diseño de cada edificio, mediante el uso mínimo de datos de 3 eventos sísmicos (NEC, 2015). Así, en la presente investigación se utilizó el sismo de Pedernales magnitud 7,8: primera réplica del sismo de Pedernales magnitud 6,7 y segunda réplica del sismo de Pedernales magnitud 6,9 (RENAC, 2021).

En las Figuras 6A y 6B se presentan los acelerogramas de la componente horizontal este y horizontal norte, respectivamente, después de aplicar una depuración de los datos del registro (Seismo Signal, 2016). Para la aplicación de estos registros sísmicos fue necesario realizar una depuración de datos del registro, realizando un filtrado de valores y una corrección por línea base, que se aplica cuando los datos reportados por el equipo se desplazan de la línea cero de la componente de la aceleración (Guerrero y López, 2019). De esta manera, el filtrado de datos permite eliminar los errores que afectan a los acelerogramas de estudio, que son causados principalmente por el ruido (Erazo y Vargas, 2020). Posteriormente, se procedió a realizar un escalado de los mismos en función del espectro de diseño de los edificios, con el fin de que las señales sísmicas y la forma espectral fueran compatibles. En la Figura 7 se presenta el resultado de escalar los acelerogramas aplicados para el presente estudio en el edificio 1, con el sistema constructivo de concreto armado.

Resultados y Discusión

Para realizar la comparación entre los dos sistemas constructivos descritos en la sección anterior, con la implementación de los dispositivos SLB, se generaron los resultados de los parámetros principales para el diseño estructural, como son: periodos de vibración, derivas inelásticas, desplazamientos, fuerzas cortantes de piso y energía actuante en la estructura. A continuación, se explica cada uno de ellos.

Periodos de vibración

A partir del análisis modal espectral, se obtuvieron los resultados de los periodos de vibración, tanto en concreto armado como estructura metálica. En la Tabla 7 se observa que el edificio 1 presentó un aumento en los periodos de vibración, pasando de ser de 0,353 seg en el sistema tradicional de concreto armado con muros de corte, a 0,510 seg con muros desacoplados; de igual manera para el método constructivo de estructura metálica se vio un aumento de 0,449 a 0,573 seg del método tradicional a la implementación de dispositivos SLB.

UX: porcentaje de la masa desplazada en el eje x-x, UY: porcentaje de la masa desplazada en el eje y-y, SLB: disipador Shear Link Bozzo.

El uso del dispositivo SLB en los sistemas constructivos de concreto armado y estructura metálica presenta inconvenientes en los periodos fundamentales de vibración, debido a que la conexión tipo peine desacopla el dispositivo con la estructura, y aumenta los periodos en cada edificio, pero su implementación ayuda a controlar la torsión en planta con relación a los métodos tradicionales planteados (Enciso, 2019).

Derivas inelásticas

La norma delimita la deriva inelástica máxima a 0,02 (2 %) (NEC, 2015). En la Figura 8 se detallan los resultados de derivas inelásticas por piso con el análisis no lineal, para estructuras de concreto armado de tipo convencional con muros de corte y con la implementación de conexiones SLB en muros desacoplados, a su vez; en la Figura 9 se muestran las derivas inelásticas en estructura metálica del tipo convencional con un valor máximo de derivas de 0,0181 en el edificio 2, y con el uso dispositivos SLB con diagonales tipo Chevron con valor máximo 0,0101 para el mismo edificio. Por su parte, en la Figura 10 se presenta la comparación en derivas inelásticas máximas de piso para los edificios 1 y 2, en los dos sistemas constructivos antes mencionados.

Tal como se visualiza en la Figura 10, el sistema constructivo de concreto armado presentó una reducción de derivas con el uso de muros desacoplados del 37,94 % en el sentido X-X y 24,38 % en el sentido Y-Y, con respecto a los muros de corte para el edificio 1. En el sistema constructivo de estructura metálica se presentó una reducción de derivas con la implementación de conexiones SLB en diagonales Chevron del 30,76 % en el sentido XX y 23,81 % en el sentido Y-Y, frente al uso de diagonales convencionales. En tanto que en el edificio 2 el sistema constructivo de concreto armado presentó una reducción de derivas con el uso de muros desacoplados del 48,04 % en el sentido X-X y 18,10 % en el sentido Y-Y, con respecto a los muros de corte. A su vez en el sistema constructivo de estructura metálica se presentó una reducción de derivas con la implementación de conexiones SLB en diagonales Chevron del 61,65 % en el sentido X-X y 44,05 % en el sentido Y-Y, en comparación con las diagonales Chevron.

Las derivas inelásticas son una de las características que presentan una mejora con el uso de dispositivos SLB, ya que permiten una reducción de este parámetro en comparación a los métodos tradicionales. Así, se pudo diferenciar en esta investigación que el sistema constructivo de concreto armado tiene un mejor comportamiento en el edificio 1, en comparación al edificio 2, donde el desempeño es mejor en estructura metálica (Cervantes y Albrizzio, 2020).

Desplazamientos

En la Figura 11 se presentan los desplazamientos laterales por piso para el caso de estructura de concreto armado convencional con un valor máximo de derivas de 0,0364 m en el edificio 2, y con el uso de disipadores SLB con un valor máximo de derivas de 0,0157 m para el mismo edificio, mientras que la Figura 12 se muestran los valores para la estructura metálica convencional y con la conexión SLB. Por su parte, en la Figura 13 se detalla la comparación entre los desplazamientos máximos de piso para los edificios 1 y 2, en los dos sistemas constructivos antes mencionados.

Se puede observar en la Figura 13 que los modelos de concreto armado del edificio 1 aplicando muros desacoplados con conexiones SLB, presentaron una reducción en desplazamientos máximos del 43,08 % en el sentido X-X y 26,58 % en el sentido Y-Y, con respecto al método tradicional. A su vez, en el sistema de estructura metálica con conexiones SLB con arriostres Chevron, se presentó una reducción del 31,61 % en el sentido X-X y 29,28 % en el sentido Y-Y, en comparación al uso exclusivo de arriostres Chevron. En el caso del edificio 2, en el sistema constructivo de concreto armado con el uso del dispositivo SLB, se observó una reducción de desplazamientos máximos del 56,96 % en el sentido de X-X y del 33,20 % en el sentido Y-Y, frente al uso de muros de corte. En cuanto al sistema constructivo de estructura metálica, se presentaron reducciones del 29,28 y 54,72 % en los sentidos X-X e Y-Y, respectivamente, frente al uso de arriostres convencionales.

Como consecuencia de la mejoría en el parámetro de derivas inelásticas también se presenta una reducción en los desplazamientos con el uso de los disipadores de energía SLB en ambos sistemas constructivos, ya que el sistema de concreto armado fue el que presentó una reducción mayor en este parámetro en comparación al sistema de estructura metálica (Mena, 2019).

Cortantes máximos

En la Figura 14 se muestran los cortantes por piso generados por la acción del evento sísmico más crítico para el sistema de concreto armado. A su vez, en la Figura 15 se incluyen los cortantes obtenidos a través de las modelaciones en el programa de análisis estructural, para el sistema de estructura metálica con un valor máximo de 38486,83 kN en el edificio 2, y con los métodos constructivos convencionales encontramos un valor máximo de 4553,87 kN. De la misma manera, en la Figura 16 se presenta la comparación entre los cortantes máximos de piso para los edificios 1 y 2, en los dos sistemas constructivos antes mencionados.

En la Figura 16 se muestra para el edificio 1 en el sistema constructivo de concreto armado con muros desacoplados con conexiones SLB, se redujo el cortante por piso en 84,80 % en el sentido X-X y 80,37 % en el sentido Y-Y, con relación a los muros de corte. De igual manera, en el sistema de estructura metálica con conexiones SLB se presentaron reducciones del 86,53 y 87,27 % en los sentidos Y-Y y X-X, respectivamente, con respecto a dichos arriostres sin conexión. En el caso del edificio 2, el sistema de concreto armado presentó una reducción del cortante por piso con el uso de muros desacoplados con conexiones SLB del 88,15 % en el sentido de X-X y del 77,56 % en el sentido de Y-Y, frente a muros de corte. Del mismo modo, en el sistema constructivo de estructura metálica se observaron reducciones con el uso de disipadores SLB del 86,73 y 91,74 % en los sentidos X-X e Y-Y, respectivamente, frente a las diagonales convencionales.

En el parámetro de cortantes máximos de piso se ve una reducción significativa con el uso de disipadores SLB, ya que al analizar los dos edificios, tanto en concreto armado como en estructura metálica, la reducción supera el 75 % del cortante máximo global, siendo el sistema de estructura metálica el que presenta una reducción mayor en ambos edificios (Enciso, 2019).

Balance de energía

Conociendo que los dispositivos SLB tienen como propósito la disipación de energía, en la Tabla 8 se observan los diferentes tipos de energía actuantes en la estructura de concreto armado y estructura metálica, siendo la energía histerética el porcentaje de disipación de energía del dispositivo SLB. En tal sentido, en las Figuras 17A y 17B se visualiza el porcentaje de energía disipada por los dispositivos SLB para los edificios de concreto armado y estructura metálica, respectivamente, donde se puede observar que son de gran ayuda ya que para los modelos propuestos absorbieron entre 38 y 62 % de la energía total del sismo actuante en las estructuras.

Energía

En la Figura 18 se incluye el balance de energía para el edificio 1 en estructura metálica con dispositivos SLB, donde se puede observar cómo actúa este tipo de conexión durante la duración del evento sísmico de Pedernales, disipando parte de la energía total que ingresa al sistema.

Las conexiones SLB actúan disipando parte de la energía producida por un evento sísmico, por lo cual este parámetro se ve sujeto a las características arquitectónicas de cada edificio, tal como se muestra en el análisis, se observó que los rangos de disipación son similares tanto para muros desacoplados en concreto armado como en arriostramientos concéntricos tipo Chevron en estructura metálica y su diferencia tuvo que ver con numero de niveles y la fuerza cortante que intervino en cada piso

Conclusiones

Los disipadores SLB desarrollan un mejor desempeño ante la acción de sismos de gran magnitud, encontrándose su comportamiento óptimo al ingresar al rango no lineal, por lo cual, se pudo observar una reducción en los siguientes parámetros: cortantes máximos, desplazamientos y derivas inelásticas. También ayudan a absorber la gran cantidad de energía que se genera por un evento sísmico, tal como se muestra en las estructuras analizadas. Entonces, debido a esto, se concluye que ambos sistemas, muros desacoplados y arriostres concéntricos tipo Chevron, con la implementación de dispositivos SLB, presentan ventajas tanto en derivas, desplazamientos y cortantes de piso, con respecto a los métodos convencionales en las modelaciones presentadas, por lo cual, para implementar este nuevo método constructivo, se deben tomar en cuenta las necesidades y el financiamiento del proyecto.

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