MARCO TEORICO

ANALISIS DE LOS DISIPADORES DE ENERGIA SISMICA EN ESTRUCTURAS DE CONCRETO ARMADO

INDICE:

Concepto Ventajas Teoría Dispositivo - Disipadores metálicos - Disipadores friccionales - Disipadores viscosos - Disipadores viscoelásticos

1. CONCEPTOLa disipación de energía se logra mediante la introducción de dispositivos especiales en una estructura, con el fin de reducir las deformaciones y esfuerzos sobre ella.Estos dispositivos reducen la demanda de deformación y esfuerzos producidos por el sismo mediante el aumento del amortiguamiento estructural. Como resultado los esfuerzos inducidos por el sismo en la estructura pueden ser hasta un 50% menores que los correspondientes a la estructura sin disipadores, reduciendo sustancialmente las incursiones inelásticas (daño) de la estructura.

Edificio SIN disipadores de Energia Edificio CON disipadores de Energia

2. VENTAJAS La seguridad estructural es entre un 50 y un 100% mayor que un edificioconvencional

Se protegen los contenidos Se evita la paralización post-sismo Se puede utilizar tanto en edificios como en equipos industriales para el control de vibraciones A modo de ejemplo, en los terremotos de Northridge, USA (1994) y Kobe, Japón (1995) se pudo comprobar con éxito las ventajas que poseen las estructuras provistas de sistemas de disipación de energía, al observar el excelente comportamiento de este tipo de edificios frente a los convencionales.

3. TEORIALos disipadores de energía modifican la propiedad dinámica de amortiguamiento delsistema estructural de modo que las vibraciones inducidas por la excitación son absorbidas por estos dispositivos. Su utilización es especialmente adecuada en edificios flexibles fundados sobre cualquier tipo de suelo.

Espectro de desplazamiento para el registro deLllolleo (1985) con amortiguamientos de 5, 10

y 15%

3.1 MOVIMIENTOS SISMICOS DEL TERRENO

Las características de los movimientos sísmicos del terreno pueden variar deaquellos cercanos a las entradas sinusoidales, tales como el sismo de México de 1985, o medios ciclos o ciclos completos de ondas seno, tales como el sismo

de California de 1992. Su aceleración del espectro de respuesta (SA), especto de respuesta de velocidad (SV), o espectro de respuesta de desplazamiento (SD) describe estas variaciones en las características del movimiento del terreno. Estos espectros son definidos, respectivamente, como la aceleración máxima absoluta de la masa, la velocidad máxima relativa de la masa y el desplazamiento máximo relativo de la masa como función del período natural de la estructura.

Históricamente (Newmark and Hall, 1982), el máximo desplazamiento relativo entre la masa y su base fue computado desde un movimiento de aceleración registrada del terreno para diferentes períodos estructurales para obtener el desplazamiento espectral, SD. Los correspondientes valores de seudos-SA y seudos-SV fueron calculados por factores de períodos desde SD. Estos valores de seudo-SA y seudo- SV han sido mostrados razonablemente cercanos a los valores actuales de SA y SV cuando el amortiguamiento es pequeño (menos del 10%). Para amortiguamientos más grandes, esta relación matemática simple no trabaja tan bien, y el actual valor de SA siempre igualará o excederá el valor de la seudo-SA. Para ser consistente con la práctica actual, esta investigación toma la SA como el valor de la seudo-SA y SV como el valor de la seudo-SV, a menos que se indique algo diferente.

La disipación de energía se realiza a través del comportamiento plástico de metales dúctiles, la extrusión del plomo, la deformación de corte de polímeros viscoelásticos, la pérdida de energía en fluidos viscosos circulando a través de orificios, la fricción seca entre superficies en contacto bajo presión, etc.

4. TIPOS DE DISPOSITIVOS

4.1 Disipadores Metálicos

Los dispositivos metálicos se caracterizan por tener un comportamiento histerético dúctil que es, en gran medida, independiente de la velocidad de deformación.

4.2 Disipador ADAS

Este sistema consiste en un conjunto de placas paralelas de forma ahusada de modo que la fluencia sea uniforme en la altura.

Disipador ADAS Core Pacific Shopping center, Taiwan

4.3 Disipador TADASConjunto de placas triangulares dispuestas a flexión fuera de su plano. Es muy similar al ADAS.

Disipador TADAS

4.4 Disipador Honey-Comb

Este dispositivo consiste también en placas ahusadas como el ADAS, pero trabajando en su plano.

Disipador Honey – Comb4.5 "Unbonded Braces"

Consiste en una diagonal de acero que fluye dentro de una sección de hormigón que la confina. Su principio básico de funcionamiento es prevenir el pandeo de Euler cuando el elemento de acero fluye en compresión.

Instalación del dispositivotipo "unbonded braces"

4.6 Disipadores Friccionales

Los dispositivos metálicos se caracterizan por tener un comportamiento histéretico que se logra a través de la fricción seca entre dos metales. El principio básico de los disipadores friccionales consiste en utilizar la deformación relativa entre dos puntos de una estructura para disipar energía a través de fricción.

4.7 Conexión SBC (Slotted Bolted Connection)

Este dispositivo es el más simple de todos. Consiste en una unión de dos placas paralelas (de acero) interconectadas entre si a través de láminas (p.e. de bronce) y pernos de alta resistencia. El deslizamiento entre las placas se produce a través de orificios ovalados.

4.8 Dispositivo de fricción por golillas

En este caso la disipación se logra por la fricción producto del giro relativo entre placas metálicas.

Fricción por golillas

4.9 Disipadores Viscosos

El principio básico de funcionamiento consiste en movilizar un elemento a través de un fluido viscoso. Esto genera fuerzas que se oponen al movimiento del elemento, de magnitud proporcional a la velocidad. Los fluidos viscosos (FV), tales como siliconas, aceites, etc. han sido utilizados con eficiencia en la generación de dispositivos disipadores de energía hace ya varias décadas en la industria militar y aeroespacial.

4.10 Esquema típico de un amortiguador viscoso

Disipadores Viscoelásticos

El principio básico de funcionamiento consiste en movilizar un elemento a través de un fluido viscoso. Esto genera fuerzas que se oponen al movimiento del elemento, de magnitud proporcional a la velocidad. Los fluidos viscosos (FV), tales como siliconas, aceites, etc. han sido utilizados con eficiencia en la

generación de dispositivos disipadores de energía hace ya varias décadas en la industria militar y aeroespacial.

Amortiguador viscoelástico

5. DISEÑO SISMORRESISTENTE

En el diseño sismorresistente convencional, el desempeño aceptable de unaestructura durante un evento sísmico está basado en que el sistema resistente de fuerza lateral sea capaz de absorber y disipar energía de una manera estable por un largo número de ciclos. La disipación de energía ocurre en regiones de rótulas plásticas dúctiles espacialmente detalladas en las vigas y en las columnas, las cuales también forman parte del sistema de carga por gravedad. Las rótulas plásticas son regiones de daño concentrado del pórtico de gravedad, el cual frecuentemente es irreparable. Estas características de diseño son aceptables por sus consideraciones económicas, por supuesto, que el colapso estructural es prevenido y que la seguridad de la vida de las personas está asegurada.

Existen situaciones en donde las características del diseño convencional no sonaplicables. Cuando una estructura debe permanecer funcional después de un sismo, como es el caso de estructuras importantes (hospitales, estaciones de policía, etc.), el diseño convencional es inapropiado. Para estos casos la estructura puede ser diseñada con suficiente resistencia para que la acción inelástica sea prevenida o sea mínima; lo que resulta bastante costoso. En algunas estructuras, precauciones especiales necesitan ser tomadas en salvaguarda del daño importante o la falla de sistemas importantes, los cuales son necesarios para la continuidad de la serviciabilidad. La experiencia reciente con dos de las instalaciones más nuevas de hospitales en el sismo de Northridge (Instituto de Investigación de Ingeniería Sísmica, 1995) demostró problemas que pueden ocurrir con un determinado diseño.

Existe un gran numero de estructuras antiguas que tienen insuficiente resistencia lateral y falta del detallado requerido necesario para un comportamiento dúctil. El reforzamiento sismorresistente de estas estructuras es necesario y debe ser conseguido con un diseño sísmico convencional, a pesar de que frecuentemente tiene un costo significante y un desagradable deterioro de las características arquitectónicas. Lo posterior es una consideración significante en el reforzamiento sismorresistente de estructuras históricas con importantes características arquitectónicas.

Procedimientos de diseño alternativo han sido desarrollados con incorporación de sistemas de protección sismorresistente en la estructura, estos sistemas pueden tomar la forma de sistemas de aislamiento sísmico o dispositivos suplementarios de disipación de energía. Un análisis al comportamiento y efectos de estos sistemas puede comenzar con la consideración de la distribución de la energía en la estructura. Durante un evento sísmico, una cantidad finita de energía entra a la estructura. Esta energía de entrada es11 transformada en energía cinética y energía potencial (deformación), las cuales deben ser absorbidas o disipadas a través del calor. Si no hubiese amortiguamiento, las vibraciones podrían existir por todo el tiempo. Por otro lado, siempre existe algún nivel de amortiguación inherente la cual absorbe parte de la energía de entrada y reduce laamplitud de vibración hasta que el movimiento cese. El desempeño estructural puede ser mejorado si una porción de la energía de entrada puede ser absorbida, no por la estructura misma, pero si por algún tipo de dispositivo suplementario. Esto se muestra claramente en la relación de la conservación de la energía:

Adicionalmente al incremento de la capacidad de disipación de energía por unidad de desplazamiento de una estructura, algunos sistemas de disipación de energía también incrementan la resistencia y rigidez. En estos sistemas están incluidos los siguientes tipos de dispositivos de disipación de energía: fluencia de metales, fricción y viscoelásticos. Los sistemas de disipación de energía llamados disipadores de fluido viscoso no incrementan la resistencia o rigidez de una estructura a menos que la frecuencia de excitación sea muy alta, por ejemplo en la figura 1.1 se muestran las curvas fuerza-deformación de una estructura simple de un nivel con y sin Sistemas de Disipación de Energía (SDE). Las curvas son mostradas hasta entrar al rango inelástico, como se espera sea el caso en las aplicaciones de peligro sísmico y mitigación.

MOVIMIENTOS DEL TERRENO IMPULSIVO Y SINUSOIDAL

La presencia de algún amortiguamiento (disipación de energía) en edificiosconvencionales ha sido reconocida y aceptada en la práctica por científicos eingenieros. A pesar que la naturaleza de la disipación de energía inherente en los edificios no ha sido explícitamente identificada, el amortiguamiento viscosoinherente equivalente de alrededor del 2-5% del amortiguamiento crítico ha sido aceptado en la práctica para el análisis de la respuesta lineal de edificios típicos. Por otra parte, la mayoría de los espectros de diseño desarrollados asumen el 5% del amortiguamiento viscoso crítico en el sistema. Asimismo, la adición de disipadores puede sustancialmente incrementar el amortiguamiento. En lo sucesivo, se resumirán los diferentes puntos de vista de los efectos del amortiguamiento en los sistemas de edificios; cuyo comportamiento lineal del sistema es asumido.