1. Sistema de control de respuesta dinámica.
Generalmente
a la hora de diseñar un edificio o cualquier tipo de obra civil, lo primero que
se debe considerar es la acción gravitacional, como ejemplo un edificio siempre
estará en presencia de esta carga y además de resistirla durante toda su vida
útil. Esta carga gravitacional es fácil de calcular ya que se basa en el peso de la edificación.
Además
cuando una edificación está sometida a cargas laterales se utiliza la misma
forma de cálculo dicha anteriormente. Como ejemplo tenemos las solicitaciones
provenientes de los vientos los que se idealizan como cargas estáticas que
deberán ser resistidas por la estructura durante toda su vida útil. Para poder mejoras estas respuestas se han
elaborado una alta gama de elementos externos para disipar la respuesta
dinámica. La parte de la mecánica estructural que maneja estos conceptos es
denominada control
estructural. En la imagen 1 se pueden ver los sistemas de control
estructural ante sismos.
Como se puede ver en la
imagen anterior existen 4 tipos de sistemas los que se describirán brevemente:
1- Sistema
de control pasivo.
- Este
sistema se trabaja con elementos que responden de forma inercial a la acción
sísmica, la diferencia que tienen con el resto de los sistemas es que no
requieren de una fuente de energía para funcionar.
2- sistemas
semi-activos, híbridos y activos.
- La
característica de esos sistemas es que se encuentran elaborados por actuadores
de fuerza y/o también por elementos pasivos, controlador a tiempo real y
sensores situados en la estructura.
Diferentes fuentes de
investigación certifican que los sistemas de disipación de energía son los
dispositivos más eficientes para controlar las vibraciones inducidas por un
sismo en un edificio de estructuración metálica. (Como es el caso que abordaremos
a continuación). Más adelante solo nos enfocaremos en describir los sistemas de
control pasivo, ya que la información de los otros sistemas de control de
vibración es muy extenso.
1.2- Sistema de control pasivo.
Los elementos de este sistema son de carácter reactivo, lo
cual hace que su respuesta no sea controlable y dependerán de las condiciones
de trabajo a las que sean sometidos.
Las características de estos dispositivos es que
intervienen una estructura alterando sus propiedades dinámicas e induciendo un
reajuste de su respuesta sísmica, gracias a esto se obtendrán ventajas
económicas, este sistema se pueden clasificar como:
·
Control pasivo con
aislamiento en la base.
·
Control pasivo con
sistemas inerciales acoplados.
·
Control pasivo con
disipadores de energía.
Los sistemas de control
pasivo podrían clasificarse como:
a) De absorción de energía: aumento artificial de la capacidad de disipación de
energía de una estructura.
b) De efecto-masa: utilizan la resonancia de una gran masa colocada en la
parte superior de la estructura (péndulo).
c) De aislamiento basal: combinación de medidas estructurales como la reducción
del número de vínculos entre la estructura y el terreno, con otras de carácter
no estructural como la utilización de aparatos de apoyo especiales.[1]
1.2.1 Sistemas de absorción de energía
La energía proveniente de un sismo es absorbida mediante
vibradores, existen dos tipos de dispositivos.
·
Sistema de
amortiguamiento histérico: este sistema trasforma la energía sísmica en energía calórica, a través de la fricción
de dos metales
·
Sistema de
amortiguamiento viscoso: la energía proveniente de un sismo se disipa por medio de la deformación de un
líquido viscoso o un material visco-elástico, igual que en caso anterior la
energía sísmica pasa a energía calórica.
1.2.1.1 Disipadores histéricos.
Estos dispositivos trabajan con la ductilidad de los
metales, unos de los metales más utilizados en la construcción de edificios es
el acero, ya que trabaja en el rango
elástico, adquiriendo propiedades sumamente dúctiles, aparte de ser un material
larga durabilidad.
Existen
resultados experimentales que indican que el acero ensayado bajo condiciones
cuasiestáticas puede llegar a manifestar valores del límite de fluencia y de
tensión máxima de rotura inferiores en un 17% y 3% respectivamente a los
obtenidos con velocidades de deformación del 10%/s. Pese a estos resultados se
han venido realizando estos ensayos. Probablemente, dada la alta variabilidad
de la acción sísmica, y observado el buen comportamiento de los modelos
adoptados basándose en la caracterización estática, la observación de una
caracterización dinámica aumenta la complejidad del problema de forma
desproporcionada.[2]
En referencia al texto citado anteriormente se puede
concluir que, para poder reducir la respuesta estructural se debe trabajar con
rangos bajos de fuerza y desplazamiento. Por lo cual es preferible utilizar
aceros con bajo limite elástico y con
gran capacidad de alargamiento.
A continuación se describirán los dispositivos de
amortiguamiento histérico.
1.2.1.1.1 Amortiguador Honeycomb
Este es un dispositivo que se le denomina tipo panal, como
su nombre bien lo dice. La característica geométrica de este dispositivo hace
que tenga propiedades de alta resistencia y buena capacidad de disipación de
energía, excitando una deformación
plástica por todo el dispositivo. La forma en que disipa la energía este
amortiguador es a través de su plastificación manipulando la deformación entre
miembros estructurales.
El material con el cual se fabrica es un acero que tiene
una tensión de fluencia de 24kgf/cm2 (BT-LYP24)
y cuyo rango de fluencia es superior a los aceros utilizados usualmente
en construcciones. En la imagen 2, se muestra un disipador Honeycomb.
Imagen 2
En
la imagen que veremos a continuación se ven todas las posibles aplicaciones de
este disipador en una estructura.
Imagen 3
1.2.1.1.2 Amortiguador de
junta.
Este amortiguador se creó para conectar dos o más
estructuras de edificios adyacentes.
Las normativas y códigos sísmicos, recomiendan que las estructuras vecinas estén separadas
un tanto porciento ya que a la hora de un evento sísmico dos estructuras que
estén relativamente cercas producen movimientos laterales, este tecnología
permite acortar esta separación de dos edificaciones ya que reducen los
desplazamientos. En la imagen 4, se pueden ver las distintas ubicaciones de
los amortiguadores de junta.
Imagen 4
Este disipador tiene grandes
características:
·
Alta rigidez lateral
·
Alta capacidad de
disipación de energía
·
Uniformidad de la
deformación plástica total
Existen variados tipos de
amortiguadores de juntas, pero los más usados son:
·
“Bell (tipo campana):
aplicable a estructuras pequeñas
·
Hourglass (tipo reloj
de arena): aplicable a estructuras medianas
·
Dumbbell (tipo pesa de
gimnasia): aplicable a estructuras grandes.”[3]
1.2.1.1.3 Dispositivo tipo TADAS
Este dispositivo se encuentra diseñado por un conjunto de
placas triangulares de acero ordenadas en paralelo. La base más grande es la
que se conecta al nivel de viga de una estructura de pórtico en cambio el otro
extremo se articula con un pasador. Este sistema es similar al dispositivo
ADAS, el que describiremos más adelante. En este caso la plastificación se
origina por flexión, debido a un deslizamiento entre los extremos de la placa
perpendicular a su plano.
Las ventajas de este dispositivo es que (…) “el efecto de
la cargas gravitacionales de la estructura se puede separar completamente del
disipador, usando en el extremo libre agujeros ovalados, de esta manera frente
a grandes deformaciones los desplazamientos verticales en ese extremo no se ven
restringidos”[4]
Por ende solo se origina plasticidad por flexión, además la
respuesta sísmica inelástica del dispositivo es predecible y por último, no hay
peligro de inestabilidad por cargas axiales.
Imagen 5
1.2.1.1.4 Dispositivo tipo ADAS.
Este dispositivo se encuentra formado por placas metálicas
en forma de X en paralelo unas con otras y unidas por topes rígidos. Su principal
ventaja de este tipo de dispositivo es que gracias a su forma en X, permite
distribuciones uniformes de las deformaciones plásticas en toda la elevación
del dispositivo.
También se pueden utilizar en procesos de reparación de
estructuras, que hayan sufrido algún tipo de daño estructural y no estructural después de un sismo,
reduciendo la respuesta sísmica, la cantidad de placas de acero con que se
diseña este dispositivo ADAS es acorde a cálculos previamente revisados y conforme a la estructura donde
serán implementados.
Los movimientos de giro de este dispositivo son nulos ya
que las placas de acero se encuentran prohibidas de movimientos en ambos
extremos, para que produzcan una distribución lineal de momentos flectores,
simetría y con doble curvatura. Finalmente el ancho del disipador se provee linealmente con la distribución de
momentos flectores.
Imagen 6
1.2.1.1.5 Dispositivo de tipo pletina ranurada.
Esta placa generalmente es de acero, de un solo espesor, la
ubicación de instalación es en caras inferiores de vigas y vigas columnas.
Esta pletina funciona recibiendo las cargas cortantes en
dirección paralela a su plano, teniendo una conducta estable frente a los múltiples ciclos carga y
descarga. “Estos dispositivos al depender del desplazamiento relativo se deben
instalar en sitios donde se garantice una magnitud suficiente de éstos y así
lograr su funcionamiento.”[5]
Imagen 7 dispositivo
de placa ranurada
1.2.1.1.6 Amortiguación de vibración PENGUIN – PVD
Este amortiguador viene fabricado con un núcleo de plomo el
cual tiene una resistencia de corte y se encuentra diseñado solamente para
pequeñas vibraciones. Puede ser utilizado como complemento en estructuras altas
o que sean muy flexibles. Estos elementos se distribuyen por toda la edificación.
Gracias al núcleo de plomo, pueden ser sometidos a muchos
ciclos y por ende es capaz de disipar grandes cantidades de energía plástica.
Pero siempre manteniendo sus propiedades mecánicas.
Las propiedades del PVD no se verán afectadas ya que el
plomo tiene la capacidad de volver a su estado inicial, permaneciendo sus características
constantes con el paso del tiempo. En la siguiente imagen 8 se muestra la
ubicación de los dispositivos PVD.
Imagen 8
1.2.1.1.7 Amortiguador de extrusión de plomo
Este dispositivo se encuentra fabricado en forma de
cilindro el cual en su interior tiene una central de plomo. Funciona en base a
la extrusión que se genera en su interior a causa del plomo que será forzado a fluir y a través de procesos cíclicos. Estos dispositivos generalmente se ubican a
nivel basal de una estructura. Existen dos tipos de estos dispositivos el
primero es un tubo contraído y el otro es de tipo vástago pandeado. El proceso
de recuperación de sus propiedades es bastante rápido después de haber sido expuestos a un sismo.
El comportamiento histérico de este amortiguador es de
forma regular y estable.
Imagen 9, amortiguador de extrusión de plomo
1.2.1.1.8
Disipadores PALL
Este dispositivo es el más utilizado comúnmente a nivel
mundial. Consiste en un proceso de Arriostramientos en diagonal, en el punto de
intersección, el cual se encuentra acoplado por elementos de eslabones tanto en
verticales como horizontales, (aseguran la carga aplicada) este amortiguador trabaja en base a la
fricción disipando la energía sísmica. Ver imagen 10, Dispositivo PALL.
La energía disipada y el amortiguamiento en un sistema
friccional son proporcionales al deslizamiento de los elementos friccionales. Esto
quieres decir que si mayor es la fuerza de entrada mejor desempeño de
amortiguamiento.
Imagen 10
1.2.1.1.9
Dispositivo SUMITOMO
La empresa que diseña y
fabrica este dispositivo es japonesa se llama Sumitomo metal Industries Ltd.
Este dispositivo “consiste en una seria de cuñas que actúan
unas en contra de las otras bajo una carga, las que al actuar sobre un resorte
crea fuerzas en los cojinetes, estos cojinetes deslizan directamente por sobre
la superficie de acero interior del dispositivo.[6]
Aprovechando los movimientos relativos entre la
viga y el Arriostramiento, disipando la energía proveniente de las vibraciones
y reduciendo el movimiento de respuesta de la edificación.
Los cojinetes de fricción son una aleación
entre grafito y cobre los que combinándose producen una lubricación seca al
sistema, asegurando buena fricción y reduciendo el ruido durante los
desplazamientos, cabe decir que a fuerzas menores no disipan energía ya que el
movimiento es cero. (Ver imágenes 11 y 12)
Imagen 11, sección longitudinal dispositivo Sumitomo.
Imagen 12, Detalle
de instalación del dispositivo en base a una estructura de marcos arriostrados.
1.2.1.1.10 dispositivos DORKA
Este
dispositivo se creó con el fin de evitar las fallas típicas que se producían en
los dispositivos friccionales como:
·
No se podían inspeccionar in situ.
·
Mayormente los dispositivos eran
unidireccionales.
·
Disipaban muy poca energía, por lo cual se
necesitaba contar con un gran número de dispositivos en la estructura.
·
Podían ser peligros al excitar frecuencias
altas.
Por
estas razones se desarrolló un dispositivo con las capacidades de proveer
completamente un amortiguamiento de fricción,
durante un evento sísmico.
Este
dispositivo se compone esencialmente por una serie de anillos de acero
inoxidable planos, y gracias a discos guías se pudieron deslizarse
alternadamente, cuando el núcleo central es desplazado se desarrolla en la
superficie disipación mediante la fricción, los anillos se encuentran retenidos
por un manto exterior (ver imagen 13)
Imagen 13, Dispositivo Dorka.
1.2.1.2 Sistemas de amortiguamiento viscoso
Este tipo de sistema utiliza materiales viscosos o
viscoelásticos los cuales proporcionan
deformaciones de corte y así mantienen una estructura con alto amortiguamiento.
Dependiendo de la temperatura y a la velocidad de vibraciones a la que estén
sometidos los disipadores de este sistema tendrán comportamientos favorables o
desfavorables. Las temperaturas altas afectan el comportamiento de los
amortiguadores, es por esto que es necesario implementar placas de acero con
gran capacidad térmica o también contar con otras medidas de resistencia al
calor en el dispositivo. Para este sistema es necesario mecanismos de
mantención, principalmente cambio del aceite de los amortiguadores, así se
prevendrá un deterioro de este.
Este sistema su mejor desempeño lo tiene trabajando a
niveles pequeños de vibraciones, comparados con los mecanismos de histéresis, el efecto de
amortiguamiento por unidad de volumen del amortiguador es limitado, por esto es
que son diseñados con grandes dimensiones.
1.2.1.2.1 Amortiguador de aceite de alto amortiguamiento –HIDAM
Este sistema está basado en la resistencia del fluido
viscoso atrapado en cámaras de presión frente a la acción de un pistón.
La instalación puede ser en V o en V invertida, en
cualquiera de las dos formas que se instale el dispositivo tendrá una gran
capacidad de absorción.
La conexión es por Arriostramiento mediante anillos de
horquilla fijándolo en el extremo de la barra y en el cilindro. En la siguiente
imagen se muestra un amortiguador HiDAM.
Imagen 14
1.2.1.2.2 Amortiguador viscoso de TAYLOR
Este amortiguador tiene prácticamente las mismas
características del descrito anteriormente.
Se divide en 3 partes, donde en la primera parte se inicia
el proceso y así sucesivamente.
1. La carga, fuerza al pistón a comprimir el fluido viscoso de
la sección media
2. Fuerza al fluido a entrar en la primera sección, el que
absorbe e iguala la fuerza de la carga entrante.
3. El fluido es forzado a entrar a la tercera parte para
impedir que el pistón regrese bruscamente
Este dispositivo puede ser instalado de las siguientes
maneras (ver imagen 15):
a) En arriostramientos diagonales
b) En arriostramientos en forma de V invertida
c) Como parte un aislamiento de base
Además estos dispositivos son sumamente efectivos a eventos
sísmicos, siempre y cuando la edificación sea de baja altura, también se pueden
aplicar en puentes y carreras sobre nivel.
Imagen 15, Formas de instalación del amortiguador TAYLOR
Imagen 16, Amortiguador viscoso de TAYLOR
1.2.1.2.3 Amortiguador viscoelástico 3m
Como se muestra en la imagen 17 este dispositivo parece un
verdadero sándwich, el cual se ubica estratégicamente en los arriostramientos
de diagonales (ver imagen 18).
Imagen 17 Vistas de
un amortiguador viscoelástico 3M
Imagen 18 Instalación típica de un amortiguador
viscoelástico 3M
Este dispositivo se encuentra compuesto por polímeros
altamente disipativos. Aprovechando el desplazamiento relativo entre
el Arriostramiento y al viga y así disipar la energía proveniente de un
terremoto o cualquier otras vibraciones de consideración.
Los amortiguadores
viscoelásticos exhiben curvas de histéresis elípticas, típicas de materiales
con propiedades que dependen de la velocidad. Tales curvas son de forma regular
y muestran un comportamiento estable. Estos amortiguadores no tienen un nivel
de fuerza de activación, como por ejemplo lo tienen los dispositivos de fricción.
De esta manera disipan energía para todos los niveles de excitación sísmica.[7]
1.2.1.2.4 Amortiguador SAVE
Este
dispositivo está compuesto por capas unas de acero y las otras de un material
viscoelástico (asfalto), este asfalto utilizado en amortiguadores tiene
propiedades mecánicas de un material polímero termoplástico. La ubicación de
este amortiguador es en el interior de muros, utilizando los desplazamientos,
absorbiendo las vibraciones de un sismo. El mejor desempeño lo obtienen
disipando energías provenientes de vientos y sismos de mediana intensidad.
Imagen 19 Amortiguador SAVE.
1.2.1.2..5 Amortiguador V-SAVE
Este dispositivo reduce las vibraciones verticales en los
pisos y vigas principales. A través de las deformaciones absorbe energía y
reduciendo las vibraciones verticales. Generalmente la ubicación de este
dispositivo es por debajo de la viga y su fijación es con pernos. A demás
debido a las cargas, generan movimientos en la placa de acero produciendo la
deformación del material viscoso.
Imagen 20, Descripción de la distorsión del dispositivo V-SAVE, ubicado debajo de la
viga
1.2.1.3 Sistemas de efecto masa
El principio de los dispositivos de este sistema es que
funcionan bajo el método de masa sintonizada, la que consiste en ubicar un
elemento de gran tonelaje en los niveles superiores de una estructura,
permitiendo que la frecuencia natural de vibración se aproxime a la frecuencia
fundamental de la estructura, alcanzando
el comportamiento del sistema con dos grados de libertad corresponda a
un sistema con menor rigidez. La ventaja de este sistema es que los
amortiguadores de masa sintonizada se pueden instalar sin modificar el esquema
resistente de la estructura.
1.2.1.3.1 Dispositivos
S-TMD
Sistema
compuesto por una masa auxiliar
soportada por apoyos de goma, los cuales se usan como resortes y como
apoyos estos tienen la capacidad de deformación en dirección horizontal.
Mediante
el sistema resonante de la masa re controlan las vibraciones de un edificio,
equiparando la frecuencia del amortiguador con la frecuencia de la estructura y
si la deformación es en exceso se instalara un sistema de freno en base a aire.
Imagen 21, Amortiguador S-TMD
Si se logra sintonizar los dos periodos el del
dispositivo y el edificio será sumamente efectiva su utilización.
1.2.1.3.2 Amortiguador de masa pasivo IHI
Del tipo péndulo multiplataforma, consiste en suspender una
masa deslizante por medio de cuatro columnas y vigas. Generando así un péndulo.
Además resortes son adheridos entre las superficies interiores de las columnas.
Proveyendo un amortiguamiento adecuado.
La principal característica de este amortiguador es que
posea la capacidad de cambiar la frecuencia natural de una estructura.
1.2.1.3.3 Dispositivo
SSD
Consiste en un tanque con varias divisiones horizontales
cuyo contenido es agua, pretendiendo reducir las vibraciones del edificio. La
instalación de este dispositivo es en la parte superior de la estructura,
necesita un espacio amplio, además necesita de instalaciones complementarias
como cañerías, tubos y plomería en general, la instalación es fácil y
económicamente baja comparado con otros dispositivos.
Imagen 22, Amortiguador SSD.
1.2.2 Consideraciones Economicas.
Para poder evaluar
económicamente la instalación de un sistema de disipación de energía sísmica
tendremos que considerar los siguientes puntos.
·
Costos de los dispositivos.
o
Costo del proyecto
o
Costos de instalación. Costos directos y gastos
generales
o
Costos de ensayos y certificación
o
Costos de los esfuerzos locales de la
estructura requeridos para la instalación de disipadores. En algunos casos el
costo de los dispositivos puede ser menor al de los elementos de sujeción del
dispositivo a la estructura.
o
Costos generados por aumento de plazos
·
Costos de mantención y/o reposición
·
Costos de posibles recintos que dejan de
utilizarse para instalar los dispositivos.[8]
1.2.3 Ventajas.
A
continuación se darán a conocer algunas de las ventajas de la aislación sísmica
en edificios:
o
Reducción de daños durante un sismo de gran
intensidad
o
Disminución de costos post-sismo ya que la
estructura no se verá afectada, tanto sus elementos estructurales como los no
estructurales y menos en su contenido.
o
Menores daños en contenido de recintos
o
Las personas residentes en edificaciones
aisladas se siente más seguras a eventuales movimientos telúricos.
o Posibilidad de reducción de costos de estructura,
rigiéndose a las normativas sismo-resistentes vigentes.
[1]
Gatica Lagos, V. (2012). Respuesta sísmica de un edificio de estructura
metálica con aisladores. Alternativa de diseño. Trabajo fin de master. Escuela
técnica superior de ingeniería de caminos, canales y puertos. Madrid.
Recuperado el 05 de diciembre de 2013, desde: http://oa.upm.es/13787/1/Tesis_master_Victor_Gatica_Lagos.pdf
[2]
Villareal Castro, G; Oviedo Sarmiento, R. (2009). Edificaciones con disipadores
de energía. Recuperado el 06 de diciembre de 2013, desde http://blog.pucp.edu.pe/media/688/20090720-Disipadores%20de%20energia.pdf.
[3]
Gatica Lagos, V. (2012). Respuesta sísmica de un edificio de estructura
metálica con aisladores. Alternativa de diseño. Trabajo fin de master. Escuela
técnica superior de ingeniería de caminos, canales y puertos. Madrid.
Recuperado el 06 de diciembre de 2013, desde: http://oa.upm.es/13787/1/Tesis_master_Victor_Gatica_Lagos.pdf
[4]
Gatica Lagos, V. (2012). Respuesta sísmica de un edificio de estructura
metálica con aisladores. Alternativa de diseño. Trabajo fin de master. Escuela
técnica superior de ingeniería de caminos, canales y puertos. Madrid.
Recuperado el 06 de diciembre de 2013, desde: http://oa.upm.es/13787/1/Tesis_master_Victor_Gatica_Lagos.pdf
[5] Gatica
Lagos, V. (2012). Respuesta sísmica de un edificio de estructura metálica con
aisladores. Alternativa de diseño. Trabajo fin de master. Escuela técnica
superior de ingeniería de caminos, canales y puertos. Madrid. Recuperado el 06
de diciembre de 2013, desde: http://oa.upm.es/13787/1/Tesis_master_Victor_Gatica_Lagos.pdf
[6]
Gatica Lagos, V. (2012). Respuesta sísmica de un edificio de estructura
metálica con aisladores. Alternativa de diseño. Trabajo fin de master. Escuela
técnica superior de ingeniería de caminos, canales y puertos. Madrid.
Recuperado el 06 de diciembre de 2013, desde: http://oa.upm.es/13787/1/Tesis_master_Victor_Gatica_Lagos.pdf
[7]
Avilés Salazar, Raúl. (2001). Dispositivos para el control de vibraciones,
Ingeniero Civil. Universidad Austral de Chile. Chile. Recuperado el 07 de
diciembre de 2013, Desde: http://cybertesis.uach.cl/tesis/uach/2001/bmfcia958d/doc/bmfcia958d.pdf
[8] López C., Retamales R., Kannegiesser T.
(2011) Protección sísmica de estructuras, sistemas de aislación sísmica y
disipación de energía, 29: 22. Recuperado el 04-12-2013 http://www.cdt.cl/cdt/uploads/Proteccion%20Sismica%20de%20Estructuras.pdf
No hay comentarios:
Publicar un comentario