Implementación de un modelo de refuerzo de acero con pandeo en OpenSees

Abstract

La estructuración habitacional en Chile está centrada principalmente en estructuras de hormigón armado, donde las solicitaciones sísmicas toman mayor relevancia determinando esfuerzos de corte y axiales a los distintos elemento que la componen, entre ellos a los elementos de bordes de muros y columnas, cuyas grandes compresiones afectarán principalmente a las barras de refuerzo que son susceptibles a fallar por inestabilidad, pandeo. De esta forma, es que se han realizado diversos estudios para proveer herramientas que permitan determinar la respuesta histerética de una barra de refuerzo con degradación de esfuerzos por pandeo, entre ellos el modelo de Massone & Moroder, de formulación analítica que se centra en la idealización del pandeo en 4 rótulas plásticas, a las cuales mediante discretización e hipótesis de Bernoulli, se busca el equilibrio de momento a través de la iteración sobre la curvatura de la barra. Las iteraciones demandan una alto uso de recursos y de tiempo de ejecución, lo cual resulta ineficiente para una cantidad de deformaciones en análisis elevada, de modo que el modelo es modificado eliminando las iteraciones sobre la curvatura de la barra mediante una linealización de la curvatura de pandeo mediante compatibilización con modelos analíticos de la literatura con la misma formulación analítica pero con una distribución de tensiones en la rótula plástica de manera uniforme. El presente trabajo de título se centra en implementar el modelo no iterativo en el software de código abierto OpenSees, realizándose algunas modificaciones en cuanto al desarrollo de curvaturas para evitar que la barra se pandee en el otro sentido para cuando ésta se traccione, las cuales no se evitan solo con la linealización de la curvatura de la barra, sino mediante una restricción. Se hace uso de ensayos experimentales monotónicos y cíclicos extraídos de la literatura para verificar la precisión del modelo comparándose principalmente con el modelo iterativo para diferentes configuraciones de esbelteces y propiedades mecánicas, cuyo error se calcula mediante una diferencia de áreas bajo la curva esfuerzo - deformación, obteniéndose errores promedios por cantidad de ciclos cursado del orden del 5\%, en el cual sin embargo el equilibrio de momento se transgrede al no ser requisito de convergencia en el modelo no iterativo. Aún es necesario mejorar el modelo no iterativo, para que se logre capturar degradación de curvaturas por cada ciclo transcurrido sin efectos de fatiga. Por último, se desprende de la linealización un ahorro del 80\% del tiempo de ejecución del modelo no iterativo frente al iterativo, y por ende también de recursos computacionales. Adicionalmente, se analiza la aplicabilidad tanto del modelo iterativo y no iterativo para secciones no circulares, presentando resultados consistentes para fases de carga que no presenten pandeo local, tomándose como base una sección doble T ensayada en un arriostramiento extraída de la literatura. Actualmente no se logra captar el efecto de pandeo local, sin embargo se estima que es posible hacerlo con una implementación del modelo desarrollado a cada fibra discretizada.