Theoretical and experimental analysis of dissipative buckling restrained braces

Buckling restrained braces are passive energy dissipators used for seismic protection of building frames; such devices consist of slender steel bars connected usually to the frame to be protected either like conventional (concentric) diagonal braces or like chevron braces. Under horizontal seismic motions, the interstory drifts generate axial strains in the steel bars beyond their yielding points, such tension-compresssion cycles constitute the hysteresis loops. Thebuckling of the steel bars (core) is prevented by embedding them in a stockiest encasing; it consists usually of a steel tube filled with mortar. A crucial issue is to allow sliding between the core and the encasing to prevent relevant shear stress transfer.
This work aims to contribute to a better understanding of the behavior of buckling restrained braces, the final objective is to foster its mass use in developing countries (in earthquake prone regions), particulary for reinforced concrete building frames. The research approach consists of designing, producing and testing (in Argentina) five reduced scale dissipators (about 400 mm long) and of taking profit of the gained experience to design, to produce and to test (in Spain) four full size (near 3000 mm long) prototype devices. All these tests are a individual, i.e. no subassemblies (accounting for the building frames) are considered.
The main conclusion is that it is possible to obtain a reasonably cheap (about 1000 US$ per unit; this amount corresponds to production in Spain (summer 2006) without optimizing the fabrication process), efficient, robust, low maintenance and durable prototype device requiring only a low-tech production process (suitable for developing countries). Moreover, the results show that the fatigue life of buckling restrained braces, even highly uncertain, can be significantly bigger than expected (according to some previously published results); it might allow extending the life of these devices after a number of strong seismic inputs.
A numerical analysis of the buckling behavior of these devices is performed; it allows formulating some design recommendations. Further research needs are identified.

Resumen
Las barras de pandeo restringido son elementos pasivos utilizados habitualmente para protecci�n sismorresistente de p�rticos de estructuras de edificaci�n; consisten en barras esbeltas de acero conectadas o bien en forma de arriostramientos (conc�ntricos) diagonales o bien como arriostramientos en forma de �V� invertida (�chevron braces�). Cuando se producen movimientos s�smicos (horizontales), los desplazamientos relativos entre plantas generan deformaciones axiales pl�sticas en las barras y de esta manera se disipa energ�a (mediante ciclos de hist�resis que involucran tracci�n y compresi�n).. Elpandeo de estas barras de acero impide embebi�ndolas en una barra robusta compuesta habitualmente por un tubo de acero relleno de hormig�n o mortero. Es importante garantizar el libe deslizamiento entre el n�cleo (barras de acero) y el revestimiento (tubo de acero relleno de hormig�n) para evitar que se produzca una transferencia excesiva de tensiones tangenciales.
Este trabajo pretende contribuir a una mayor comprensi�n del comportamiento de las barras de pandeo restringido; el objetivo final es promover su uso (masivo) en pa�ses en desarrollo (ubicados en zonas de alta sismicidad), en particular para edificios de hormig�n armado. La estrategia seguida consiste en proyectar, fabricar y ensayar (en Argentina) cinco disipadores a escala reducida (de unos 400 mm de longitud) y en aprovechar la experiencia obtenida para proyectar, fabricar y ensayar (en Espa�a) cuatro dispositivos prototipo ( de unos 3000 mm de longitud). Los ensayos son individuales, es decir se efect�an s�lo sobre los disipadores y no se utilizan elementos que representen las estructuras en que �stos se instalar�an.
La principal conclusi�n que emana de este estudio es la posibilidad de obtener dispositivos (barras de pandeo restringido) que re�nan importantes cualidades: econom�a (unos 1000 US$ por unidad, este importe corresponde a fabricaci�n en Espa�a durante el a�o 2006 sin optimizar el proceso de producci�n), eficiencia, robustez, bajos requerimientos de mantenimiento, durabilidad y producci�n sencilla (conveniente para pa�ses en desarrollo). Por otra parte, los resultados obtenidos muestran que la vida a fatiga de estos dispositivos, a pesar de ser bastante aleatoria, puede llegar a ser significativamente mayor que lo que podr�a ser esperado (de acuerdo con algunos resultados publicados previamente); su uso podr�a extenderse a varios movimientos s�smicos de elevada intensidad.
Se presenta un an�lisis num�rico del comportamiento a pandeo de estos dispositivos formul�ndose algunos criterios de proyecto. Se identifican aspectos que requieren ser investigados en el futuro.