Thesis:

Análisis de la variación en la fracción de amortiguamiento modal de estructuras de marcos de acero debido a daños en particiones de yeso

La fracción de amortiguamiento representa matemáticamente las fuentes de disipación de energía no incluidas explícitamente en el modelo estructural, como el amortiguamiento inherente de materiales, fricción entre componentes, interacción suelo-estructura no modelada y deterioro de elementos no estructurales, como los tabiques de yeso. Recientemente, guías de diseño por desempeño en California proponen aumentar esta fracción con la intensidad sísmica, especulando que el daño en elementos no estructurales incrementa su contribución. Sin embargo, no existen estudios que cuantifiquen este efecto. Este trabajo tiene como objetivo cuantificar la variación de las fracciones de amortiguamiento modal debido al deterioro de tabiques de yeso, y su relación con la amplitud de respuesta estructural. Se estudian estructuras de 3, 9, 20 y 50 pisos modeladas en OpenSees con tabiques explícitamente incluidos. El análisis incremental de franjas múltiples permitió evaluar la evolución del primer modo de amortiguamiento usando técnicas de identificación de sistemas. Se cuantificó también la variación del periodo y amortiguamiento equivalentes en función del desplazamiento máximo de techo normalizado (PRDR). Se observa que, para intensidades menores al sismo de servicio (SLE), el periodo fundamental disminuye entre 2.5% y 4.2% respecto a la estructura sin tabiques. Para mayores intensidades, el periodo converge al de la estructura sin tabiques. En cuanto al amortiguamiento del primer modo, se incrementa entre 8% y 45% para intensidades menores a SLE. Luego decae linealmente (en escala logarítmica) con el aumento del PRDR hasta estabilizarse en 4%-6% por sobre la estructura sin tabiques. Se identifican tres zonas de comportamiento: crecimiento inicial, meseta y decaimiento hacia intensidades MCE.

The damping ratio is a mathematical representation of all energy dissipation sources not explicitly modeled in a structural system. These include inherent material damping, friction between components, unmodeled soil-structure interaction, and degradation of non-structural elements such as gypsum walls. Recent performance-based design guidelines in California suggest increasing the damping ratio with seismic intensity, assuming that non-structural damage (especially to gypsum walls) enhances energy dissipation. However, no studies have quantified this effect. This work aims to quantify changes in modal damping ratios due to gypsum wall degradation and analyze their dependence on structural response amplitude. Steel structures of 3, 9, 20, and 50 stories were modeled in OpenSees, explicitly incorporating gypsum walls. An incremental stripe analysis was performed to evaluate the first-mode damping ratio using system identification techniques. Equivalent period and damping variation were assessed in relation to the peak roof drift ratio (PRDR). For intensities below the service-level earthquake (SLE), the fundamental period decreases by 2.5% to 4.2% compared to the bare structure. At higher intensities, the period tends to converge to that of the structure without walls. Regarding damping, the first-mode ratio increases between 8% and 45% for intensities below SLE. For higher intensities, damping decreases linearly (in log space) with PRDR until stabilizing at values 4%–6% higher than the bare structure. Three behavioral zones are identified: initial growth, plateau, and decay towards maximum considered earthquake (MCE) intensity.