ANANÁÁLISIS Y LISIS Y DISEDISEÑÑO DE UNA MESA O DE UNA MESA VIBRATORIA UNIAXIAL DE 5 X 5 METROS VIBRATORIA UNIAXIAL DE 5 X 5 METROS

CON CAPACIDAD DE 25 TONELADASCON CAPACIDAD DE 25 TONELADAS

Octubre 2007

Expositor: Ing. Juan Álvarez Reyes

Ph. D Francisco Yeomans ReynaM.C. Carlos Enrique Nungaray PérezM.C. Delma V. Almada Navarro

San Miguel de Allende, Gto.

CONTENIDO

IntroducciónObjetivoDescripciónConsideraciones de diseñoDescripción del sistemaConsideraciones del modelo para análisis.

Etapa IEtapa IIEtapa III

ConclusionesAgradecimientosReferencias

A lo largo de la historia, grandes catástrofes originadas por fenómenos naturales como sismos, inundaciones y erupciones volcánicas, entre otras, han ocasionado pérdidas incalculables de vidas y han generado pérdidas millonarias en la infraestructura básica de los países.

INTRODUCCIÓN

México es un país de fuerte actividad sísmica, como lo demuestran los sismos de la ciudad de México de 1985, en el cual murieron más de 9,500 personas, y el de Oaxaca, en 1999, en el cual murieron 20 personas.

Debido a lo anterior es de gran importancia la implementación de técnicas y sistemas que permitan conocer de una manera precisa el comportamiento en estructuras principalmente en sistemas de vivienda y en edificios de gran altura.

OBJETIVO.

Diseño y análisis de un simulador de aceleraciones sísmicas (shake table) para modelos a escala de diferentes geometrías y materiales de construcción para conocer el grado de daño estructural.

MESA VIBRATORIA (SHAKE TABLE)

Dispositivo mecánico que permite la generación de movimientos sísmicos sobre modelos estructurales.

Desplazamientos sobre los ejes X, Y y Z y tres rotaciones sobre cada uno de los ejes

El sistema es formado por:

Estructura metálicaGuías LinealesActuadorSistema HidráulicoDispositivos computacionales (Equipos y paquetes)

Vivienda de Adobe en mesa vibratoria.ITESM Departamento de Ingeniería Civil, Febrero 2002.

APLICACIONES

APLICACIONES

Modelo Casa-habitaciónUniversidad de California en San Diego, 11 Julio 2000.

CONSIDERACIONES DE DISEÑO

El diseño de la mesa vibratoria debe cumplir con ciertos requisitos para poder simular adecuadamente el fenómeno sísmico.

Dirección del movimiento.

Desplazamiento máximo.

Fuerza dinámica máxima.

Área de la superficie.

Peso de los modelos.

DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA

Es indispensable que la forma de estructuración de la mesa vibratoria proporcione:

ESTRUCTURA METÁLICA

a) Configuración

Alta rigidez para soportar las cargas verticales y horizontales actuantes

Frecuencia natural fundamental elevada

La mesa vibratoria presenta una configuración de los elementos de forma rectangular lo que permite:

Mayor rigidez al momento de aplicar las cargas horizontales.Disminuir la deflexión de la placa principal

b) Geometría

Aspectos para elección:

• Ligereza • Resistencia a la flexión• Resistencia a la fatiga• Disponibilidad en el mercado

Tabla de materiales

c) Materiales

GUÍAS LINEALES

Las guías lineales son dispositivos mecánicos que proporcionan el libre movimiento de la estructura metálica en una dirección.

Características:

Desplazamiento en una dirección

Bajo coeficiente de fricción

Estabilidad al movimiento

Alta resistencia a cargas de compresión y tensión.

Esta formada por la chumacera (parte superior) y el riel (parte inferior).

UBICACIÓN DE GUÍAS LINEALES.

ACTUADOR HIDRAÚLICO

Los actuadores son sistemas hidráulicos que generan un desplazamiento o rotación mediante una fuerza aplicada al modelo de prueba, de forma lineal o rotacional.

Características:

Genera movimiento en una dirección

Capacidad máxima 250 kN

Desplazamiento máximo 250 mm(± 125 mm)

Bajo coeficiente de fricción.

MODELO

Modelo de Mesa Vibratoria

CONSIDERACIONES DEL MODELO MEDIANTE EL ANALISIS POR ELEMENTOS FINITOS

El modelo es elaborado mediante un paquete de dibujo de ingeniería y exportado como formato SAT al ANSYS versión 11.

Dimensiones y volumetrías de los elementos.

Modelación a base de sólidos

Separaciones adecuadas para definir el tipo de contacto

MODELACIÓN

Consideraciones:

SIMULACIÓN

Para la simulación del sistema se consideran tres etapas:

Simulación de guías lineales

La simulación es realizada mediante un análisis dinámico flexible (Flexible Structural Analysis)

• Conexión (Connections - Frictional).

ETAPA I

• Mallado del modelo (Mesh).

• Condiciones de Análisis (Analysis Settings)

• Peso propio (Standard Earth Gravity).

• Apoyo friccionante (frictionless support).

• Condiciones iniciales de apoyo (Fixed Support).

• Condiciones de Movimiento (Displacement).

• Deformaciones Totales (Total Deformation).

RESULTADOS

• Esfuerzos Equivalentes(Equivalent Stress).

• Deformaciones Totales (Total Deformation).

Simulación

• Esfuerzos Equivalentes(Equivalent Stress).

Simulación de la Mesa Vibratoria

Es importante mencionar que al exportar el modelo no se consideraron:

• Actuador• Base de soporte• Barras de fijación• Ángulos sobre la placa principal

ETAPA II

• Mallado del modelo (Mesh).

• Condiciones de Movimiento (Displacement).

• Conexión (Connections - Frictional).

• Apoyo friccionante (frictionless support).

• Condiciones iniciales de apoyo.

• Condiciones de Análisis (Analysis Settings).

• Peso propio (Standard Earth Gravity).

Los siguientes aspectos se aplicaron de manera similar a la Etapa I.

• Deformaciones Totales (Total Deformation).

RESULTADOS

• Esfuerzos Equivalentes(Equivalent Stress).

• Análisis Modal (Modal Analysis).

Simulación de Vivienda

ETAPA III

Características de los materiales

Malla Electro soldada 66-66 F’y = 5,000 kg/cm2

Concretof’c = 200 kg/cm2

Mezcla cemento-agua-arena:: 1:2:3Mortero Estructural LigeroResistencia a la tensión 20 kg/cm2

Resistencia a la compresión 150 kg/cm2

Varilla #3Diámetro: 3/8”fy = 4,200 kg/cm2

Alambron #2 f’y = 2,800 kg/cm2

ArmexF’y = 5,000 kg/cm2

Diámetro: 3/8”

Proceso constructivo

Vivienda

Modelos

ViviendaMesa Vibratoria

• Deformaciones Totales (Total Deformation).

RESULTADOS

• Esfuerzos Equivalentes(Equivalent Stress).

• Esfuerzos Normales (Normal Stress).

RESULTADOS

• Reacciones en los apoyos

CONCLUSIONES

Al colocar el modelo sobre la mesa vibratoria se tiene un efecto de volteo, presentándose sobre la superficie fuerzas de compresión y de tensión.

Es necesario tomar en cuentas estos resultados para el diseño y selección de los accesorios de rodamiento, además de definir el tipo y forma de fijación de los elementos barra (perfiles W).

Mediante los resultados del análisis se pudo evaluar los niveles de esfuerzos y desplazamientos máximos para las condiciones de carga preestablecidas y se comprobó que no afectan el comportamiento de las vigas de acero.

AGRADECIMIENTOS

La presente investigación fue desarrollada con el apoyo del Centro de Diseño y Construcción del Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey y del CONACYT/CONAFOVI. El proyecto fue patrocinado por el ITESM vía el programa CONA 34 y a través de la Cátedra de Desarrollo e Innovación de Procesos y Tecnologías de Vivienda.

Danaher Motion, “Linear Ball Bushing Bearings and Components, 2003-2004 edition”, Wood. Dale,Illinois.

Nagarajaiah, S., Gozdowski, E., “Unidirectional Shaking Table for Testing Small Scale Structural Models: Design and Development”. Engineering Mechanics: A Force for the 21st Century, Proceedings of the 12th Engineering Mechanics Conference, pp. 779-782, May, 1998

La Jolla, C.A “Proceedings of the 1998 Engineering Mechanics Conference”, ASC. May 17-20, 1998.

http://soil.princeton.edu/~igor/shaker.html

Thompson, W., “Concept of an Earthquake-Proof Hut for Mexico (and Other Countries).” Renewable Energy, Vol. 6., No. 8., pp. 977-981, 1995.

Harris, H. y Sabnis, G. (1999). “Structural Modeling and Experimental Techniques”, Segunda Edición, CRC Press, United States, Marzo, 1999 (808 pp).

REFERENCIAS

GRACIAS !!GRACIAS !!