Influence of friction coefficient on the Shear Forces of a TPFB Using FEM

Main Article Content

Henry Anderson Ramos Rodriguez
https://orcid.org/0000-0001-8981-6345
Steeven Sebastian Lamiña Mera
https://orcid.org/0009-0003-3495-1672
Carlos Antonio Suárez Cárdenas
https://orcid.org/0009-0000-4220-6347
Jaela Belén Vaca Castro
https://orcid.org/0009-0003-4836-1841

Abstract

Mechanical systems like friction isolators and friction pendulum systems (FPS) are integrated into structures to mitigate the adverse impacts of earthquakes. These systems absorb a portion of the energy exerted on buildings during seismic activity, thereby reducing structural responses. In such systems, the coefficient of friction influences shear forces and displacements; as shear forces increase, displacements and restoring forces decrease. The mechanical behavior of FPS can be simulated using the finite element method (FEM), where the hysteresis curve remains complete and consistent, affirming the accuracy of the theoretical model and the results derived from such analyses. This study aims to develop a finite element model of a triple pendulum isolator to examine how the friction coefficient affects shear forces and to assess the viability of this technique for isolation system analysis. For this purpose, a nonlinear dynamic analysis of the isolator under compression was performed, varying the friction coefficients using finite element modeling software. Upon comparing the hysteresis, it was observed that for friction coefficients of 6% and 7%, the shear forces increased, but the maximum displacements decreased. For a friction coefficient of 5%, it was noted that the displacements and shear forces were lower compared to the other two models. Furthermore, it can be concluded that applying FEM models in isolation systems is safe and practical, as these results were validated through investigations using experimental and numerical models via structural analysis software.

Downloads

Download data is not yet available.

Metrics

Metrics Loading ...

Article Details

How to Cite
Ramos Rodriguez, H. A., Lamiña Mera, S. S., Suárez Cárdenas, C. A., & Vaca Castro, J. B. (2025). Influence of friction coefficient on the Shear Forces of a TPFB Using FEM. FIGEMPA: Investigación Y Desarrollo, 20(2), e8088. https://doi.org/10.29166/revfig.v20i2.8088
Section
Artículos
Author Biographies

Henry Anderson Ramos Rodriguez, Universidad Central del Ecuador

Universidad Central del Ecuador. Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas. Av. Universitaria. 170129. Quito, Pichincha, Ecuador.

Steeven Sebastian Lamiña Mera, Universidad Central del Ecuador

Universidad Central del Ecuador. Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas. Av. Universitaria. 170129. Quito, Pichincha, Ecuador.

Carlos Antonio Suárez Cárdenas, Universidad Central del Ecuador

Universidad Central del Ecuador. Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas. Av. Universitaria. 170129. Quito, Pichincha, Ecuador.

Jaela Belén Vaca Castro, Universidad Central del Ecuador

Universidad Central del Ecuador. Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas. Av. Universitaria. 170129. Quito, Pichincha, Ecuador.

References

Aguiar, R. y Chunga, K. (2013) “Microzonificación sísmica del centro norte de Quito”, Segunda Jornada de Investigación científica desde las Aulas. Quito, mayo 2013. Disponible en: https://www.researchgate.net/publication/287196109_Microzonacion_sismica_del_Centro_Norte_de_Quito_Segunda_Jornada_de_Investigacion_cientifica_desde_las_Aulas_2013

Aguiar, R. et al. (2014) “Análisis sísmico de una estructura con aisladores FPS de primera y segunda generación y elastoméricos con núcleo de plomo”, Revista Internacional de Ingeniería de Estructuras, 19(1), pp. 35– 89. Disponible en: https://www.researchgate.net/publication/277813054_ANALISIS_SISMICO_DE_UNA_ESTRUCTURA_CON_AISLADORES_FPS_DE_PRIMERA_Y_SEGUNDA_GENERACION_Y_ELASTOMERICOS_CON_NUCLEO_DE_PLOMO

Auad, G. y Almazán, J.L. (2021) “Lateral Impact Resilient double concave Friction Pendulum (LIR-DCFP) bearing: Formulation, parametric study of the slider and three-dimensional numerical example”, Engineering Structures, 233. DOI: 10.1016/j.engstruct.2021.111892

Auad, G. y Almazán, J. L. (2023) “A physical model for dynamic analysis of structures equipped with variable curvature frictional isolators”, Procedia Structural Integrity, 44, pp. 1474–1481. DOI: 10.1016/j.prostr.2023.01.189

Braga, F. et al. (2022) “Numerical modelling of sliding isolators incorporating self-heating effects”, Structures, 46, pp. 1968–1980. DOI: 10.1016/j.istruc.2022.11.040

Calvi, P. M. y Calvi, G. M. (2018) “Historical development of friction-based seismic isolation systems”, Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 106, pp. 14–30. DOI: 10.1016/j.soildyn.2017.12.003

Chang, S. et al. (2022) “Theory and implementation of sub-model method in finite element analysis”, Heliyon, 8(11). DOI: 10.1016/j.heliyon.2022.e11427

Chimbo Shiguango, N. G. (2021) Análisis sísmico comparativo de un edificio de mediana altura, con base fija empotrada y con aisladores de triple péndulo de fricción. Tesis de grado. Universidad Estatal del Sur de Manabí. Disponible en: http://repositorio.unesum.edu.ec/handle/53000/2951 [Consultado 31-01-2025]

Constantinou, M. et al. (2016) “Desempeño de aislador FPT8833/12-12/8-5 en el análisis sísmico del centro de investigaciones y de post grado de la UFA-ESPE”, Revista Internacional De Ingeniería De Estructuras, 21(1). DOI: 10.24133/riie.v21i1.573

Cunalata, F. y Caiza, P. (2022) “Estado del Arte de Estudios de Vulnerabilidad Sísmica en Ecuador”, Revista Politécnica, 50(1), pp. 55–64. DOI: 10.33333/rp.vol50n1.06

Duan, C. (2022) “Experimental and Numerical Analysis of a High‐Rise Structure with a Dual FPS Isolation System”, Advances in Civil Engineering, 2022. DOI: 10.1155/2022/1567182

Forsberg, C.H. (2021) “Numerical methods (steady and unsteady)”. En: Forsberg, C.H. ed. Heat Transfer Principles and Applications. Londres: Academic Press. pp. 163–210. DOI: 10.1016/B978-0-12-802296-2.00005-6

Genatios, C. y Lafuente, M. (2016) Introducción al Uso de Aisladores y Disipadores en Estructuras. Serie GeóPolis. Caracas: CAF. Disponible en: https://scioteca.caf.com/handle/123456789/1213 [Consultado 02-02-2025]

Guerrero Bobadilla, H. et al. (2022) “Comportamiento sísmico de edificios con aisladores de péndulo de fricción en la zona del lago de la Ciudad de México”, Ingeniería sísmica, 107, pp. 1–21. DOI: 10.18867/ris.107.584

Gupta, B. S. (2013) “Manufacture, types and properties of biotextiles for medical applications”. En: King, M. W., Gupta, B. S. y Guidoin, R. eds. Biotextiles as Medical Implants. Cambridge: Woodhead Publishing. pp. 3–47. DOI: 10.1533/9780857095602.1.3

Gonzales Osorio, H. D. y Tovar García, R. D. (2019) Evaluación de la estructura aislada y no aislada en el proyecto Aulario PUCP y protocolo constructivo del sistema de aislación tesis. Tesis de grado. Universidad Ricardo Palma. Disponible en: https://hdl.handle.net/20.500.14138/2393 [Consultado 02-02-2025]

González Sosa, J. V., Zavala Osorio, Y., Hernández Rodríguez, J. A., Ávila Soler, E. (2023) “Evaluación con análisis de elemento finito en aplicaciones de ingeniería”, Pistas educativas, 45(145), pp. 509–525. Disponible en: https://pistaseducativas.celaya.tecnm.mx/index.php/pistas/article/view/3173

González Sosa, J. V. y Ávila-Soler, E. (2024) “Control del mallado con FEM para caracterizar una junta mecánica en aplicaciones de investigación y prototipaje”, Revista de ciencias tecnológicas, 7(1). DOI: 10.37636/recit.v7n1e302

Hacheem, Z. A. y AL-Shimmari, I. K. (2010) “Finite element analysis of a friction pendulum bearing base isolation system for earthquake loads”, Journal of Engineering, 16(03), pp. 5315–5336. DOI: 10.31026/j.eng.2010.03.03

Imran, I., Siringoringo, D. M. y Michael, J. (2021) “Seismic performance of reinforced concrete buildings with double concave friction pendulum base isolation system: case study of design by Indonesian code”, Structures, 34, pp. 462–478. DOI: 10.1016/j.istruc.2021.07.084

Koleci, X., Osmani, R. y Ziza, R. (2024) “A Review of Advanced Seismic Isolation Methods for Earthquake Resistant Structures: Role of Shear Walls in Construction”, International Journal of Engineering Inventions, 13(5), pp. 290–300. Disponible en: https://ijeijournal.com/papers/Vol13-Issue5/1305290300.pdf

Leblouba, M. (2022) “Selection of seismic isolation system parameters for the near-optimal design of structures”, Scientific Reports, 12. DOI: 10.1038/s41598-022-19114-7

Li, X., Cao, Y. y Pan, P. (2024) “Experimental investigation of tribological performance of PTFE-derived solid lubricants in sliding building bearings”, Construction and Building Materials, 436. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2024.136924

Li, Y. et al. (2013) “Development and characterization of a magnetorheological elastomer based adaptive seismic isolator”, Smart Materials and Structures, 22(3). DOI: 10.1088/0964-1726/22/3/035005

Lu, J. et al. (2018) “Experimental study on the hysteretic behavior of steel plate shear wall with unequal length slits”, Journal of Constructional Steel Research, 147, pp. 477–487. DOI: 10.1016/j.jcsr.2018.05.002

Martínez Pérez, F. (2022) “Ingeniería de Superficies. Aplicación en el desgaste”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 31(4). Disponible en: http://scielo.sld.cu/scielo.php?script=sci_abstract&pid=S2071-00542022000400010&lng=pt&nrm=iso&tlng=es

Moncayo Theurer, M., Velasco, G., Mora, Carlos, Montenegro, M., Cordova, J. (2017) “Terremotos mayores a 6.5 en escala Richter ocurridos en Ecuador desde 1900 hasta 1970”, Revista Académica de la FI-UADY, 21(2), pp. 55–64. Disponible en: https://www.redalyc.org/journal/467/46753192005/html/ [Consultado 04-02-2025]

Osgooei, P. M. et al. (2015) “Experimental and finite element study on the lateral response of modified rectangular fiber-reinforced elastomeric isolators (MR-FREIs)”, Engineering Structures, 85, pp. 293–303. DOI: 10.1016/j.engstruct.2014.11.037

Petti, L. et al. (2013) “Modelling and Analysis of Base Isolated Structures with Friction Pendulum System Considering near Fault Events”, Open Journal of Civil Engineering, 3(2), pp. 86–93. DOI: 10.4236/ojce.2013.32009

Quinde Martínez, P. D. y Reinoso Angulo, E. (2016) “Estudio de peligro sísmico de Ecuador y propuesta de espectros de diseño para la Ciudad de Cuenca”, Revista Ingeniería Sísmica , (94), pp. 1–26. DOI: 10.18867/ris.94.274

Rincon, A. (2021) Pre-design of Friction Pendulum Bearings as a Seismic Isolation System for Buildings. Tesis de maestría. Técnico Lisboa. Disponible en: https://www.google.com/url?sa=t&source=web&rct=j&opi=89978449&url=https://fenix.tecnico.ulisboa.pt/downloadFile/563345090420507/Versao%2520Final-%2520Msc.%2520Dissertation.%2520S.D.%2520FPS-IST197431%2520Adhonys%2520Rodrigues.pdf&ved=2ahUKEwj1uOeA_LWRAxXKs4QIHQ_ZB2AQmuEJegQISRAB&usg=AOvVaw23CXJGRlVn1LwNGti7RVBD

Ruiz Castro, P. W. (2017) Análisis y diseño de edificios con aisladores sísmicos de péndulo friccional doble y triple. Tesis de grado. Pontificia Universidad Católica de Perú. Disponible en: https://tesis.pucp.edu.pe/items/1f507536-e01d-44e7-a665-3a9e9d598702

Sanchez, J. (2023) Análisis del comportamiento sísmico de edificios de altura rigidizados con sistema de muros de pantalla. Tesis de máster. Universitat Politècnica de Catalunya. Disponible en: https://apren.upc.edu/en/materials/2117_384751

Sarkisian, M., Long E., Shook, D., Diaz, A. (2013) “A New Paradigm for Residential Construction in Regions of High Seismicity”. 1st Residential Building Design & Construction Conference. Pensilvania, 20- 21 febrero 2013, pp. 56- 57. Disponible en: https://www.phrc.psu.edu/assets/docs/Publications/2013RBDCCPapers/Sarkisian-2013-RBDCC.pdf

Sheikh, H., Van Engelen, N. C. y Ruparathna, R. (2022) “A review of base isolation systems with adaptive characteristics”, Structures, 38, pp. 1542–1555. DOI: 10.1016/j.istruc.2022.02.067

Srinivas, K. (2020) Verifications and Validations in Finite Element Analysis (FEA). DOI: 10.13140/RG.2.2.18000.52488

Tamae, H., Ueda, N. y Tozaki, Y. (2024) “A study of measurement of raceway direct measurement of rolling bearings”, Frontiers in Mechanical Engineering, 10. DOI: 10.3389/fmech.2024.1462450

Thomas, T. y Mathai, D. A. (2016) “Study of base isolation using friction pendulum bearing system”, IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineerin, 1(2), pp. 19–23. Disponible en: https://www.iosrjournals.org/iosr-jmce/papers/ICETEM/Vol.%201%20Issue%202/17-19-23.pdf

United States Geological Survey (2013) Studying the Setting and Consequences of the Earthquake. Disponible en: https://pubs.usgs.gov/of/1996/ofr-96-0263/mainshk.htm [Consultado 04-02-2025]

Vargas, W. y Verdugo, P. (2020) “Validación e Identificación de Modelos de Centrales de Generación Empleando Registros de Perturbaciones de Unidades de Medición Fasorial, Aplicación Práctica Central Paute - Molino”, Revista Técnica energía, 16(2), pp. 50–59. Disponible en: https://revistaenergia.cenace.gob.ec/index.php/cenace/article/view/352

Villavicencio Cedeño, E. G. (2016) Análisis sísmico estructural comparativo para edificios con aisladores de base tipo elastoméricos y friccionantes, para los diferentes tipos de suelos del Ecuador. Tesis de maestría. Escuela Politécnica Nacional. Disponible en: http://bibdigital.epn.edu.ec/handle/15000/15639 [Consultado 02-02-2025]

Zamyatina, E., Churin, D., Lanin, V., Lyadova, L. y Matta, N. (2022). “Simulation Model Validation based on Ontological Engineering Methods”. Proceedings of the 14th International Joint Conference on Knowledge Discovery, Knowledge Engineering and Knowledge Management. Malta: SciTePress, pp. 237-244. DOI: 10.5220/0011589000003335

Zhai, Z. et al. (2020) “Experimental and numerical study of S-shaped steel plate damper for seismic resilient application”, Engineering Structures, 221. DOI: 10.1016/j.engstruct.2020.111006