escuela de ingeniería civil en obras civiles

7/30/2019 Escuela de Ingeniera Civil en Obras Civiles

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Escuela de Ingeniera Civil en Obras Civiles

"DISPOSITIVOS PARA EL CONTROL DE VIBRACIONES"

Tesis para optar al Ttulo de

Ingeniero Civil en Obras Civiles

Profesor Patrocinante : Sr. Galo Valdebenito M.Ingeniero Civil

Comisin de Tesis : Sr. Adolfo Castro B.Ingeniero Civil

M. Sc. Eng. CivilSr. Jos Soto M.

Ingeniero Civil

M. Sc. Eng. CivilRAL MARCELO AVILS SALAZARVALDIVIA, 2001


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AGRADECIMIENTOS Y DEDICACIN

Quiero comenzar dando gracias a Dios por haberme acompaado siempre y permitirmealcanzar sta primera meta de mi vida.

Es un placer para m expresar mi gratitud a mis padres, recordndoles mi admiracin yorgullo por ellos, pues son quienes a travs de mucho esfuerzo, perseverancia y amor han hechoposible mis logros actuales.

Gracias a mi profesor patrocinante por su siempre buena disposicin y apoyo durante eldesarrollo de la presente Memoria de Ttulo.

Y por ltimo, agradezco a todas aquellas personas que de una u otra manera me hanayudado durante el transcurso de mi carrera; profesores, compaeros, amigos y familiares;queriendo destacar entre stos ltimos a mi to Lucho, mis primas Malu y Katty, y en especial ami ta Emilia (Q.E.P.D.), por su cario y apoyo.

Con profundo sentimiento, staMemoria de Ttulo se la dedico a mis padres,por su amor, comprensin y apoyoincondicional; y a mi hijo Luciano, por serfuente continua de inspiracin en mi vida.


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RESUMEN

El tipo de edificacin ms utilizado en Chile es en base a muros de hormign armado, y apesar de haber tenido un comportamiento adecuado en sismos pasados, ha producido cuantiosasprdidas por daos en la estructura, en elementos no estructurales y en el contenido. De igualforma, el gran dao observado durante recientes terremotos (Northridge, E.E.U.U.; Kobe, Japn),justifica la preocupacin y crtica a la filosofa y prctica corriente en el anlisis y diseo deestructuras sismorresistentes.

Una alternativa de diseo sismorresistente diferente a la tradicional y que actualmenteconstituye una alternativa factible, es el Diseo Sismorresistente mediante Sistemas de Control deVibraciones; tcnica que ha tenido muy buenos resultados en los terremotos mencionadosanteriormente.

La presente Memoria de Ttulo efecta una recopilacin de los principales antecedentessobre los dispositivos ms importantes que se utilizan actualmente para el control de vibraciones

en estructuras. Cada uno de los cuales se encuentra clasificado de acuerdo con el mecanismoutilizado y sus caractersticas histerticas en sistemas de control pasivos, activos e hbridos.

Se describen los sistemas pasivos, activos e hbridos, y se presentan tambin los modelosde anlisis para stos sistemas.

En la Memoria se aborda, adems, el tema del costo ssmico y los costos econmicos queinvolucra la incorporacin de los sistemas de control; junto con la actual situacin de lasnormativas y regulaciones de algunos pases con mayor desarrollo en materia de control devibraciones.

Por ltimo, se presenta la realidad nacional a travs de la descripcin de algunas de lasprincipales aplicaciones de la aislacin ssmica en Chile; y tambin se presenta una aplicacinconceptual que demuestra las bondades de una estructura con aislacin en la base con respecto auna de base fija.


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NDICE

CAPTULO I INTRODUCCIN ...........................................................................................1

1.1 Antecedentes Generales .................................................................................................1

1.2 Objetivos Generales .......................................................................................................3

1.3 Alcances .........................................................................................................................3

1.4 Sistemas de Control de Vibraciones ..............................................................................3

1.5 Historia del Control de Vibraciones de Edificios ..........................................................7

CAPTULO II SISTEMAS DE CONTROL PASIVO ........................................................11

2.1 Sistemas de Absorcin de Energa ...............................................................................11

2.1.1 Sistemas de Amortiguamiento Histertico ....................................................12

2.1.1.1 Amortiguador Honeycomb .............................................................13

2.1.1.2 Amortiguador de Junta ...................................................................16

2.1.1.3 Dispositivo ADAS ..........................................................................20

2.1.1.4 Amortiguador de Vibracin Penguin-PVD ....................................23

2.1.1.5 Amortiguador de Extrusin de Plomo ............................................27

2.1.1.6 Dispositivo Pall...............................................................................30


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2.1.1.7 Dispositivo Sumitomo ....................................................................35

2.1.1.8 Dispositivo de Dorka ......................................................................38

2.1.2 Sistemas de Amortiguamiento Viscoso ........................................................43

2.1.2.1 Amortiguador de Aceite de Alto Amortiguamiento-HiDAM ........44

2.1.2.2 Amortiguador Viscoso de Taylor-TFVD .......................................48

2.1.2.3 Amortiguador Viscoelstico 3M ....................................................53

2.1.2.4 Amortiguador SAVE ......................................................................57

2.1.2.5 Amortiguador V-SAVE ..................................................................58

2.2 Sistemas de Efecto-Masa .............................................................................................60

2.2.1 Dispositivo S-TMD ...........................................................................61

2.2.2 Amortiguador de Masa Pasivo IHI ....................................................66

2.2.3 Dispositivo SSD ................................................................................68

2.3 Sistemas de Aislacin Basal ........................................................................................72

2.3.1 Antecedentes Generales ................................................................................72

2.3.1.1 Flexibilidad .....................................................................................74

2.3.1.2 Disipacin de Energa ....................................................................75


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2.3.1.3 Rigidez Alta para Bajos Niveles de Carga .....................................76


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2.3.1.4 Aspectos Constructivos ..................................................................77

2.3.2 Tipos de Sistemas de Aislacin Basal ...........................................................78

2.3.2.1 Apoyo de Goma Laminada ............................................................79

2.3.2.2 Apoyos de Goma de Alto Amortiguamiento ..................................82-Aisladores Ssmicos de Bridgestone .................................82

2.3.2.3 Apoyo de Goma con Ncleo de Plomo ..........................................86

2.3.2.4 Sistemas de Aislacin Basal Shimizu ............................................89

2.3.2.5 Sistema de Pndulo Friccional-FPS ...............................................95

2.3.2.6 Sistemas Elsticos Friccionantes ..................................................101

2.3.2.7 Sistema de Aislacin Basal TASS ...............................................103

2.3.2.8 Sistemas GERB ............................................................................106

2.3.2.9 Sistema de Piso de Aislacin Ssmica ..........................................112

CAPTULO III SISTEMAS DE CONTROL ACTIVO ...................................................121

3.1 Introduccin ...............................................................................................................121

3.2 Aspectos Bsicos del Control Activo de Estructuras .................................................121

3.2.1 El Control Automtico ................................................................................121

3.2.2 Caractersticas Bsicas de un Sistema de Control Activo de Estructuras ...123


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3.2.3 Estrategias Utilizadas en el Control Activo de Estructuras ........................124

3.3 Mecanismos de Control Activo .................................................................................125

3.3.1 Sistema AMD ..............................................................................................129

3.3.2 Sistema de Rigidez Variable-AVS ..............................................................136

CAPTULO IV SISTEMAS DE CONTROL HBRIDOS ................................................142

4.1 Introduccin ...............................................................................................................142

4.2 Sistemas de Amortiguadores de Masa Activos e Hbridos ........................................142

4.2.1 Tipo Mecanismo de Movimiento XY .........................................................142

4.2.2 Tipo Apoyo de Goma Multiplataforma ......................................................143

4.2.3 Tipo Pndulo Multiplataforma ....................................................................143

4.2.4 Tipo Pndulo de Cuerpo Rgido ..................................................................144

4.3 Tipos de Sistemas de Control Hbridos .....................................................................144

4.3.1 Dispositivo S-HMD ....................................................................................145

4.3.2 Amortiguador de Masa Hbrido en Forma de V IHI ...................................149

4.3.3 Sistema de Amortiguador de Masa Hbrido Yokogawa .............................155

4.3.4 Sistema DUOX-Amortiguador de Masa Hbrido ........................................158


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CAPTULO VMODELOS DE ANLISIS DE LOS SISTEMAS DE CONTROL DEVIBRACIONES ..........................................................................................162

5.1 Modelo Dinmico del Sistema de Aislacin Basal ....................................................162

5.1.1 Modelacin de los Dispositivos de Apoyo de Aislacin ............................163

5.2 Modelo Dinmico de un Edificio con Dispositivo HiDAM ......................................164

5.3 Modelo Dinmico con Dispositivos de Friccin en la Estructura .............................165

5.4 Modelo Dinmico para el Amortiguador de Masa Hbrido, Pasivo y Activo ...........165

CAPTULO VI ESTUDIO DE COSTOS ...........................................................................169

6.1 Costo Ssmico y Economa ........................................................................................169

6.2 Costos Econmicos de la Incorporacin de Sistemas Aislantes ................................169

CAPTULO VIINORMATIVA Y REGULACIONES ....................................................175

7.1 Situacin de Estados Unidos ......................................................................................175

7.2 Situacin de Japn .....................................................................................................177

7.3 Situacin de Nueva Zelandia .....................................................................................178

7.4 Situacin de Chile ......................................................................................................179

CAPTULO VIIIESTUDIO CHILENO EN MATERIA DE CONTROL DEVIBRACIONES ......................................................................................180


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8.1 Principales Aplicaciones de la Aislacin Ssmica sobre Estructuras Chilenas .........181

8.1.1 Edificio Aislado, Comunidad de Andaluca, Santiago ...............................181

8.1.2 Puente Marga-Marga, Via del Mar ...........................................................185

8.1.3 Metro-Tren de Santiago ..............................................................................187

8.2 Desarrollo de Cdigos ...............................................................................................188

8.3 Nuevos Proyectos ......................................................................................................188

8.4 Nuevas Facilidades de Ensayos .................................................................................189

8.5 Proyectos de Investigacin Recientes ........................................................................190

CAPTULO IX APLICACIN CONCEPTUAL ..............................................................193

9.1 Comparacin entre las respuestas de dos marcos idnticos, salvo la condicin de

apoyo .........................................................................................................................193

9.2 Reduccin de acero al utilizar aislacin en la base ....................................................200


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CAPTULO X COMENTARIOS Y CONCLUSIONES ..................................................201

BIBLIOGRAFA .......................................................................................................................206ANEXO N1 ................................................................................................................................209ANEXO N2 ................................................................................................................................243


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Introduccin

CAPTULO I

INTRODUCCIN

1.1 ANTECEDENTES GENERALESEl objetivo fundamental del diseo estructural frente a solicitaciones ssmicas es el demantener la respuesta estructural dentro de lmites marcados por la seguridad, servicio y conforthumano. Dicho objetivo puede alcanzarse aplicndose los conceptos bsicos del diseosismorresistente convencional.

Ciertos detalles de diseo, que se encuentran prcticamente en todas las normativas delmundo, tienen como objetivo disipar una parte de esta energa a fin de evitar aceleracionesexcesivas y desplazamientos (corrimientos) que la estructura no pudiera resistir. Precisamente, ladisipacin suele conseguirse mediante la plastificacin de algunos elementos estructurales que,

en el caso de edificios, son por lo general, en las vigas cerca de las intersecciones con lascolumnas. Es entonces, paradjico que la proteccin de una estructura se realice a costa dedesperfectos en parte de la misma.

Los principios bsicos actuales de diseo sismorresistente de edificios, tanto en Chilecomo en el resto del mundo, estn orientados a lograr estructuras que:-resistan sin daos movimientos ssmicos de intensidad moderada;-limiten los daos en elementos no estructurales durante sismos de mediana intensidad;-aunque presenten daos, eviten el colapso durante sismos de intensidad excepcionalmente

1

severa.

Aunque sta filosofa es atractiva intuitivamente, posee serias deficiencias tales como:

(1) La definicin de un sismo de moderada intensidad, de mediana intensidad y de intensidadexcepcionalmente severa es, a lo menos, poco operativa, sobre todo para un fenmeno queaun se desconoce en muchos aspectos.(2) La definicin de los estados lmites de deformacin y resistencia asociados a cada uno destos niveles de excitacin no es explcito.(3) No es una filosofa conocida por los propietarios y usuarios que parecen no estar informadosadecuadamente de que para un terremoto severo se acepte dao masivo en la estructura, lo

que se traduce en una prdida econmica total de la estructura (aunque se prevenga elcolapso).


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Introduccin

(4) La filosofa no dice nada sobre los contenidos de las estructuras que en muchos casos superancon creces en valor a la estructura en s.Tradicionalmente, el diseo sismorresistente se basa en satisfacer la ecuacin de demandaexterna y capacidad de la estructura. La demanda considera las fuerzas y deformacionesgeneradas en las estructuras por el sismo; la capacidad considera la resistencia y deformabilidadque puede ser desarrollada por la estructura sin comprometer su estabilidad. As un diseo seguroes el que cumple con Capacidad > Demanda para cualquier respuesta estudiada. El diseosismorresistente convencional ha tratado siempre de satisfacer sta desigualdad por medio delaumento de la capacidad de los elementos estructurales, entendiendo por ello un aumento deresistencia o un aumento de capacidad de deformacin (ductilidad). El mayor inconveniente ensta lnea de diseo es que la demanda permanece inalterada y es lo que la naturaleza quiera. Ycomo nuestro estado del conocimiento sobre la demanda es aun precario, se debe garantizar stadesigualdad a travs del incremento en la capacidad para alcanzar un determinado margen deseguridad.

En muchos pases, durante los ltimos diecisiete aos, y con mayor fuerza durante losltimos seis aos, un nuevo mtodo comenz a aparecer, denominado "Diseo Sismorresistentemediante Sistemas de Control de Respuesta" o "Diseo Sismorresistente mediante Sistemas deControl de Vibraciones", distinguible del diseo sismorresistente tradicional.

Hace algunos aos atrs, la razn por la cual el desarrollo tecnolgico relativo a lareduccin de vibraciones no se extenda a las estructuras sometidas a sismos erafundamentalmente "el costo". Es fcil reconocer que el costo de stos sistemas ir bajandoprogresivamente en forma inevitable en la medida que se comiencen a utilizar cada vez ms.Qu faltaba para que stos sistemas fueran mundialmente aceptados?, una dcada deinvestigaciones sobre el tema no logr lo que treinta segundos s: Northridge en 1994 y Kobe en

1995. Los resultados de estructuras con sistemas de reduccin de vibraciones en stos sismos,especialmente Kobe, han revolucionado la ingeniera ssmica, y estamos ciertos que para bien; enla medida que se diseen estos sistemas en forma cuidadosa.

Qu es lo diferente que aportan stas nuevas tecnologas que no aporta el diseosismorresistente convencional?. En realidad es muy simple, satisface la desigualdad Capacidad >Demanda reduciendo la demanda. Esto no significa que se altere la excitacin, lo que seraesencialmente imposible; pero si que alteremos lo que percibe nuestro sistema a travs demodificar sus propiedades dinmicas de rigidez y amortiguamiento de modo que las vibracionesinducidas por la excitacin sean considerablemente menores.

1 NCh 433.Of96, art. 5.1.1


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Introduccin

1.2 OBJETIVOS GENERALESLa presente Memoria tiene como principal objetivo entregar una visin global de losdispositivos para el control de vibraciones en estructuras de mayor relevancia a nivel mundial yque tienen una aplicacin real en la actualidad.

Debido al gran desarrollo que ha experimentado recientemente el anlisis y diseo deestructuras con sistemas de reduccin de vibraciones, es muy posible que nuevos dispositivos,quizs ms innovadores y adecuados que los mencionados aqu sean propuestos. Sin embargo, lopresentado en ste trabajo es suficientemente general para poder explicar y entender nuevasideas.

1.3 ALCANCESLa intencin fundamental es proporcionar los elementos bsicos, de manera sencilla yequilibrada, de los dispositivos para el control de vibraciones en estructuras, destinadafundamentalmente para la consulta de estudiantes de Ingeniera Civil, Construccin Civil y

Arquitectura. Presumindose, sin embargo, el conocimiento de conceptos bsicos de la dinmicade estructuras y del diseo sismorresistente. La Memoria constituye adems una buena fuente dereferencia para todos los profesionales vinculados con el rea de la construccin de estructuras deedificios.

Desde el captulo II hasta el captulo IV se presenta una descripcin de los sistemaspasivos, activos e hbridos junto con los principales dispositivos para el control de vibracionesusados en la actualidad, con alguna mencin de aplicaciones sobre estructuras existentes. En elcaptulo V se exponen modelos de anlisis para algunos sistemas de control de vibraciones. Elcaptulo VI aborda el estudio de los costos de la incorporacin de stos dispositivos. Se presentanalgunos casos de edificios reales. El captulo VII trata las normativas y regulaciones existentes

sobre el control de vibraciones en estructuras. El captulo VIII presenta la realidad nacional enmateria de control de vibraciones. En el captulo IX se presenta una aplicacin conceptual de laaislacin de base. Y por ltimo, en el captulo X se exponen los comentarios y conclusionesfinales respecto a los dispositivos para el control de vibraciones.

1.4 SISTEMA DE CONTROL DE VIBRACIONESEl sistema de control de vibraciones reduce y controla la respuesta de la estructura paratodo gnero de vibraciones causadas no solo por el movimiento ssmico, sino tambin por elviento, trfico, maquinaria y una variedad de otras fuentes.


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Introduccin

El objetivo del control de vibraciones de edificios posee dos aspectos importantes aconsiderar en el diseo de edificios:

-Hacer que los perodos naturales de vibracin del edificio sean muy diferentes de los perodospredominantes de la excitacin ssmica, con el objeto de evitar el fenmeno de resonancia.

-Lograr que el amortiguamiento del edificio sea alto, y as reducir las deformaciones debidas a lasolicitacin ssmica.

El terremoto de Mxico de 1985 mostr la importancia del primer aspecto, muchos de losedificios de mediana altura (10 a 20 pisos) colapsaron en la zona de terreno blando, mientras losedificios bajos de muros de hormign armado se comportaron satisfactoriamente en el mismotipo de terreno. Si el diseador da una gran atencin a estos dos aspectos, se dice que laestructuratiene "vibraciones controladas".

De acuerdo con el mecanismo utilizado y sus caractersticas histerticas los sistemas decontrol de vibraciones o de respuesta se pueden clasificar como sistemas de control pasivos,activos o hbridos como se muestra en la Fig. 1.1. Los sistemas de control pasivo son aquellos enlos cuales se utilizan dispositivos en los que no es necesario ningn tipo de energa externa paralograr su accin, por ejemplo los dispositivos en base a fluencia, friccin y viscoso que actansobre el desplazamiento relativo de la estructura; los sistemas de control activo se activan a travsde energa externa, y sistemas de control hbrido que son una combinacin de diferentes sistemasde control pasivo con sistemas de control activo que necesitan mucho menos energa ymaquinaria que los sistemas de control activo.

DiseoElsticoDiseoElsto-PlsticoDiseoSismorresistenteConvencionalSistemade controlPasivoSistemade control

HbridoSistemade controlActivoDiseo Sismorresistentemediante Sistemas deControl de VibracionesDiseo


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SismorresistenteFig. 1.1 Clasificacin del Diseo Sismorresistente.

Es as, que la demanda social por altos niveles de seguridad, comodidad y alivio del temorcausado por los movimientos ssmicos son otra razn que ha hecho florecer la construccin de


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Introduccin

edificios con sistemas de control de vibraciones, sobre todo en Japn. Para ello la mayora de lasprincipales empresas constructoras japonesas han construido primero sus propios edificios conmecanismos para el control de vibraciones de manera de probar sus efectos. Tales edificios estndotados con sistemas de observacin de terremotos para registrar las caractersticas reales de larespuesta, de manera de verificar la validez de sus mtodos analticos y obtener algunainformacin nueva que no se pueda predecir por modelos y simulaciones de computador.

En la Figura 1.2 se encuentra la clasificacin de los ms importantes dispositivos para elcontrol de vibraciones, divididos segn el tipo de Sistema al cual pertenezcan, es decir, pasivos,activos e hbridos.

SISTEMAS DE CONTROL PASIVO

1.-Sistemas de Absorcin de Energa

Mecanismos de Amortiguamiento Histertico:Amortiguador de Panal (Honeycomb)Amortiguador de Junta:-Tipo Bell-Tipo Dumbell

Dispositivos Histerticos

-Tipo HourglassDispositivo ADASAmortiguador de Plomo PVD

Amortiguador de Extrusin de PlomoDipositivo Pall

Dispositivos de Friccin

Dispositivo SumitomoDispositivo Dorka

Mecanismos de Amortiguamiento Viscoso:Amortiguadores ViscososDispositivo HiDAMAmortiguador Viscoso de Taylor TFVD

Amortiguador 3MAmortiguadores Viscoelsticos Amortiguador SAVEAmortiguador V-SAVE

2.-Sistemas de Efecto -Masa

Amortiguadores de MasaSintonizada


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Tipo de apoyo de gomamultiplataformaTipo pndulomultiplataformaDispositivo S-TMDDispositivo TMD -IHITipo masa lquida Dispositivo SSD

3.-Sistemas de Aislacin BasalSistemas ElastomricosSistemas DeslizantesOtros SistemasApoyos de Goma LaminadaApoyos de Goma de Alto AmortiguamientoApoyos de Goma con Ncleo de PlomoSistemas ShimizuSistemas de Pndulo de Friccin FPS

Sistema TASSSistemas GERBSistemas de Piso de Aislacin Ssmica


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Introduccin

SISTEMAS DE CONTROL ACTIVO1.-Sistemas de Control por Fuerza Amortiguador de Masa Activa(AMD)2.-Sistemas de Caractersticas EstructuralVariableSistema de Rigidez Variable Activa(AVS)SISTEMAS DE CONTROL HBRIDO

1.-Dispositivos de Efecto -Masa

Tipo apoyo de goma

Dispositivo S-HMD

multiplataforma

Amortiguadores de MasaHbridos (HMD)

Tipo pndulo de cuerpo rgido

HMD en forma de V IHI

Tipo pndulo multiplataforma

HMD de Yokogawa

Sistema de Amortiguacin de

Sistema DUOX

Masa Sintonizada Compuesto

Figura 1.2 Clasificacin de los principales dispositivos para el control de vibraciones deestructuras fabricados por empresas especializadas.


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Introduccin

1.5 HISTORIA DEL CONTROL DE VIBRACIONES DE EDIFICIOSAlgunos edificios tradicionales antiguos parecen tener control de vibraciones. Un ejemploes la pagoda de cinco pisos construida en Japn, que se muestra en la Fig. 1 .3. La ms antiguatiene alrededor de 1200 aos. No hay seguridad respecto a si la pagoda de cinco pisos tienebuenas caractersticas ssmicas en general, o si slo las buenas permanecen. Al parecer la pagodatiene las siguientes caractersticas:

Figura 1.3 Pagoda de cinco pisos en Nara, Japn.

1. Se construy en buen terreno.2. La torre es flexible y su perodo natural es mucho ms largo que los perodos predominantesesperados durante movimientos ssmicos.3. La parte exterior de la torre est compuesta de muchas piezas de madera que actan comoamortiguadores de friccin cuando son severamente agitados (alto amortiguamiento).

4. Un pesado madero al centro cuelga de la parte exterior con el objeto de balancear el peso delos techos en voladizo, es decir, este madero trabaja como un pndulo. As, la pagoda tiene dosperodos predominantes y la respuesta es muy pequea para otros perodos.


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Introduccin

La idea de mejorar el comportamiento ssmico de estructuras mediante sistemas deaislacin basal no es nueva. Kirikov describe varios procedimientos utilizados en la antigedadpor los constructores sumerios, griegos, romanos, bizantinos, etc., con el fin de proteger susestructuras del efecto de los terremotos. Algunos de estos procedimientos parecieran que tienencomo objetivo, el aumento de la ductilidad de la rgidas construcciones de mampostera de piedra

o de ladrillo utilizadas en aquellos tiempos. otros intentaban mejorar el comportamiento ssmicode tales estructuras mediante sistemas de aislamiento de su base. El aumento de ductilidad selograba, en el caso de los muros de ladrillos, mediante la utilizacin de morteros con arcilla ybetn. Los muros de piedra, que en la Grecia antigua se realizaban sin mortero, se lograbanductilizar fijando las piedras entre s mediante chapas metlicas selladas con plomo. De estamanera se lograba que las construcciones no se comportasen como slidos completamentergidos, sino que absorbieran parte de la energa de los sismos. Algunas veces, la mampostera secolocaba solamente en la parte inferior de los muros, constituyendo un verdadero aislamiento dela construccin. Este es el caso del palacio Toprak-Kala, en la regin del curso inferior del ro

Amu Daria, en Asia Central, que data del siglo III A.C.El procedimiento ms usual de aislamiento antissmico utilizado en la antigedadconsista en colocar una capa de arena fina debajo de las cimentaciones de la construccin, a finde conseguir una especie de apoyo deslizante. Este procedimiento lo tomaron los constructores deKnossos (Creta), 2000 aos A.C., en varios edificios de esta ciudad e incluso en su clebrepalacio. Procedimientos similares se utilizaron en muchas de las ciudades griegas, tales como laciudad de Chokrak, en la costa del mar de Azov. La cimentacin de su templo del siglo III A.C.se ha construido sobre una capa gruesa de arcilla y de otras dos capas, una de piedras dedimensin mediana y la segunda de piedras pequeas. Una solucin bastante similar se utiliz enla proteccin antissmica del anfiteatro de los Flavios de Roma, ms conocido como Colliseum,en el siglo I D.C.

Un sistema mucho ms parecido a lo que se entiende hoy en da por aislacin antissmicase utiliz en la construccin del templo griego de Ponticapa, del reino de Bsforo, del norte delMar Negro, que data de los siglos VI-IV A.C.. Dicha aislacin se realiz con barras de maderacolocadas entre los muros y la cimentacin.

Todas estas medidas de proteccin antissmica eran, tal vez, intuitivas o empricas,basadas en la experiencia extrada de la tradicin y de la prctica de los constructores de laantigedad. Estudios ms rigurosos que constituyen el punto de partida de los conceptosfundamentales utilizados hoy en da en la aislacin antissmica de estructuras, han empezado adesarrollarse al comienzo de este siglo. En este sentido hay que destacar que K. Kawai present


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Introduccin

una idea de aislacin basal en la revista del Instituto de Arquitectura de Japn en 1891 despusdel terremoto de Nobi. Desde entonces han surgido variadas peticiones de patentes para laaislacin basal, es as como Jacob Betchtold, de Munich, Alemania, en 1906 en Estados Unidos,construye un edificio a prueba de terremotos consistente en una base rgida que sustenta eledificio y unos cuerpos rgidos que soportan libremente la base. En 1909 un mdico ingls J.A.Calantarient, solicit una patente britnica para un sistema de apoyo consistente en capas de talcoque aislasen el edificio de las perturbaciones del terreno. En 1929, Robert Wladislas de Montalkde Wellington, Nueva Zelandia, solicit una patente para un procedimiento mediante el cual uncolchn se sita entre la base del edificio y su cimentacin, estando compuesto el colchn por unmaterial que absorba o minimice los choques y que, por lo tanto, proteja al edificio.

En los aos 20 y 30 se propuso la construccin de edificios con la planta baja flexible.Esta tcnica consista en dar menor rigidez a las columnas del primer nivel, con el propsito deque en caso de terremotos las deformaciones se concentrasen en la planta baja y de esta manerase absorbiera ms energa. Posteriormente, se propuso una tcnica derivada de sta, denominada

planta baja elastoplstica, Consistente en disear las columnas de la planta baja de modo que seformasen rtulas plsticas que absorbiesen parte de la energa ssmica. Aunque el concepto deplanta baja ya no se plantea en la actualidad, frecuentemente se disean, por razones estticas,edificios con la planta baja de altura mayor de lo habitual. Comportndose, bajo cargas ssmicas,como si tuviera la planta baja flexible.

Hoy en da se sabe que este tipo de estructuracin puede llevar al colapso de la estructura,fenmeno conocido como piso dbil o piso blando.

Un siguiente paso hacia el desarrollo de la aislacin antissmica en su forma actual, loconstituyeron los aparatos de apoyo compuestos por rodillos metlicos que sostienen un edificio

impidiendo la transmisin de energa. R. Oka, en la dcada del 30 dise una estructura conaislacin basal cuyo mecanismo es un rodillo doblemente articulado y una de las articulacionestiene friccin que trabaja como amortiguador. Este edificio aun existe en Himeji, Japn. Losrodillos metlicos tienen un rozamiento muy bajo, lo que hace necesario la colocacin deamortiguadores que impidan el desplazamiento cuando la estructura se ve sometida al empuje dela accin ssmica. Al carecer los aparatos de apoyo de fuerzas restitutivas, los corrimientos de labase respecto del terreno son permanentes. A diferencia de los rodillos metlicos utilizados comoapoyos para puentes, los instalados como aislacin antissmica pueden permanecer inactivosdurante largo tiempo, con el consiguiente riesgo de que se produzca la soldadura en fro de losmateriales, quedando el aparato inutilizado.


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Introduccin

En 1963, la ciudad Skopje que es la capital de la Repblica de Macedonia, en la ex-Yugoslavia, se vio severamente afectada por un terremoto. La ciudad se ha reconstruido con lacooperacin de las Naciones Unidas y varios pases extranjeros. Un colegio, con el nombre dePestalozzi, fue donado por Suiza y el diseador suizo quera hacerlo a pruebas de terremotos. Elpropuso el uso de elastmero como aisladores basales. As, el primer edificio en el mundo sobreapoyo de elastmeros como aislacin basal se construy en 1969. Cuando se proyect esteedificio, la tecnologa de los dispositivos de apoyo de goma laminada o de neopreno zunchado noestaba tan desarrollada como en la actualidad y se utilizaron bloques de caucho natural sinrefuerzo. Al ser la rigidez vertical de los apoyos la misma que la horizontal, el edificio sebalanceaba sobre los dispositivos de apoyo.

En resumen, los sistemas de control de vibraciones comenzaron a desarrollarseprincipalmente con distintos tipos de aislacin basal, ya en la antigedad, tal vez basados en laintuicin de los constructores.


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Sistemas de Control Pasivo

CAPTULO II

SISTEMAS DE CONTROL PASIVO

Bajo la denominacin de sistema de control pasivo se encuentra una serie de medidas,algunas de tipo estructural, que tienen como objetivo el de concentrar la disipacin de energa(proporcionar ductilidad) en ciertas zonas preestablecidas de la estructura, protegiendo de estaforma las zonas crticas de ella y otras: y las de tipo no estructural, que consisten en incorporar enla estructura ciertos mecanismos externos que absorban parte de la energa inducida por laexcitacin y, consecuentemente, aumentar el amortiguamiento de la estructura. Los sistemaspasivos absorben la energa de la excitacin incrementando el amortiguamiento de la estructura ymodificando sus frecuencias naturales de vibracin alejndolas de las frecuencias presentes en laexcitacin. Dichos mecanismos deben disearse estimando previamente el rango de frecuenciasde la excitacin.

El sistema de control pasivo se divide en:

1. Sistemas de Absorcin de Energa que estn basados en el aumento artificial de la capacidadde disipacin de energa de una estructura, que puede ser obtenido por el uso de dispositivosespeciales,2. Sistemas de Efecto-Masa, que utilizan la resonancia de una gran masa colocada en la partesuperior de la estructura.3. Sistemas de Aislacin Basal que combina medidas estructurales como la reduccin del nmerode vnculos entre la estructura y el terreno, con otras de carcter no estructural como lautilizacin de aparatos de apoyo especiales.

2.1 SISTEMAS DE ABSORCIN DE ENERGALos sistemas de absorcin de energa estn basados en amortiguadores los cualesabsorben la energa de entrada de los sismos para reducir la respuesta de vibracin de laestructura. Tales sistemas son:

-Sistema de amortiguamiento histertico, los cuales cambian la energa de entrada del sismoen energa trmica a travs de la histresis plstica de metal o energa friccional.


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-Sistemas de amortiguamiento viscoso, los cuales convierten la energa de entrada delsismo en energa trmica por medio de la deformacin de un lquido viscoso o un materialvisco elstico.

Los sistemas de absorcin de energa utilizan el desplazamiento relativo de pisos queocurre en las estructuras durante excitaciones ssmicas o de vientos. Estos desplazamientos dela estructura causan el desplazamiento o velocidad del amortiguador haciendo que este trabaje.

Los sistemas de absorcin de energa pueden ser usados independientemente o en conjuntocon otros sistemas. Tambin existen amortiguadores que utilizan el desplazamiento relativo entreestructuras durante sismos o vientos fuertes para reducir la vibracin de la estructura.

Las razones para adoptar este tipo de sistemas son para disminuir la respuesta estructuralcausadas tanto por fuertes vientos como sismos o ambos.

2.1.1 SISTEMAS DE AMORTIGUAMIENTO HISTERTICOLos mecanismos de amortiguamiento histertico, por lo general, utilizan la plasticidad delacero. Estos mecanismos ofrecen la ventaja de tener una gran capacidad de amortiguamientodesde un volumen del dispositivo relativamente pequeo. El efecto de amortiguamiento vara conla amplitud vibracional. Los efectos de amortiguamiento de los amortiguadores de histresisdependen del nivel ssmico y de la razn de la fuerza total de los amortiguadores instalados en eledificio al peso total de estructura, que en muchos casos, la fuerza de amortiguamiento total esalrededor de un 2% del peso total de la estructura. Los amortiguadores de histresis soneconmicos, no se deterioran en largos perodos de tiempo y son altamente confiables.

A continuacin se describen distintos dispositivos de amortiguamiento histertico que estn

en el mercado con algunos ejemplos de aplicacin real.


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2.1.1.1 Amortiguador HoneycombEste dispositivo fabricado por la empresa japonesa Kajima Corporation es un tpicoejemplo de un amortiguador de acero histertico, el cual es un amortiguador de placa de acerocon muchas aberturas en forma de rejillas en el medio de l. Es por ello su nombre que significapanal de abeja. Este dispositivo acta en una sola direccin.

Este tipo de dispositivo utiliza como mecanismo disipador la deformacin relativa entrelos miembros estructurales principales para que de esta forma la deformacin del amortiguadordisipe la energa de vibracin y con ello reduzca el movimiento de respuesta de la estructura. Paraello utiliza las buenas propiedades de disipacin de energa del acero.

La tensin de fluencia de los amortiguadores es seleccionada ptimamente de acuerdo a laexcitacin de la perturbacin de entrada.

Se han desarrollado tres versiones de amortiguadores honeycomb. El material usado para

este amortiguador es el BT-LYP24 que es un tipo de acero que tiene una tensin de fluencia de24 kgf/mm2 y que cuyo rango de fluencia se extiende mucho ms que el de los materiales deacero usuales.

La forma del amortiguador es diseada as para que tenga una alta rigidez y una capacidadde disipacin de la energa que induce a la deformacin plstica alrededor de todo el cuerpo delamortiguador homogneamente. En la Fig. 2.1 se muestra dimensiones tpicas del amortiguador,adems se seala la zona de conexin con la estructura (parte Y), la zona del amortiguador quedisipa la energa (parte X) y la direccin en que acta la carga sobre el dispositivo.

Figura 2.1 Ejemplo de una unidad de amortiguamiento Honeycomb.


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Existen variados ejemplos de aplicacin tales como en la instalacin en muros, pilares yvigas como se muestra en la Fig. 2.2.

Figura 2.2 Mtodo de aplicacin de los amortiguadores Honeycomb.

En la Fig. 2.3 se muestra la comparacin entre las curvas de histresis dadas por unensayo de carga cclica y el modelo de histresis idealizado empleado para el anlisis.

Figura 2.3 Curva de histresis del amortiguador Honeycomb (Experimental e idealizada).

En cuanto al costo del dispositivo la empresa calcula que la razn de costodispositivo/edificio es entre un 0.1 y 0.2 % y que el ahorro en costo estructural obtenido deaplicaciones reales es entre un 1-2%.

En un ejemplo numrico que se realiz para un edificio residencial denominado Sea FortSquare, ubicado en Japn, bajo la excitacin del suelo, las reducciones en la fuerza de corteestaban entre 10 y 35%. Adems la energa total disipada por el amortiguador es


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aproximadamente 1/16 de la capacidad del dispositivo. En otras palabras, no sera necesarioreemplazar el amortiguador incluso despus de un sismo severo.

Otro ejemplo de aplicacin es en el edificio SHIP (Shoping Housing-lntelligent-Park),ubicado en Japn. Este es un complejo de dos edificios con 28 y 35 pisos, respectivamente. Losamortiguadores Honeycomb se han instalados en medio de las columnas, donde es esperado quelos momentos de flexin sean pequeos. Para el edificio de 28 pisos, cuatro unidades deamortiguador honeycomb son colocados en cada piso entre los pisos N2 y el N21. Usando estosdispositivos, la fuerza de corte fue reducida en 20 a 30%, conduciendo a importantes ahorros enla estructura.


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2.1.1.2 Amortiguador de JuntaEste es otro tipo de dispositivo de acero histertico producido por la empresa japonesaKajima Corporation.

Por medio de este tipo dispositivo histertico se pueden conectar dos estructuras deedificios adyacentes, con lo que se logra una reduccin del movimiento de respuesta de ambasestructuras.

Este tipo de dispositivo utiliza como mecanismo disipador el desplazamiento relativoentre las dos estructuras, producindose una deformacin de los amortiguadores, los cualesdisipan la energa de vibracin que llega a las estructuras de edificios bajo una excitacin ssmicagrande. Estos dispositivos de amortiguamiento usados para la deformacin elasto-plstica sonllamados Amortiguadores de Junta los cuales estn hechos de acero.

En la Fig. 2.4 se muestran varias aplicaciones de los amortiguadores de junta, tales como

en estructuras de diferentes alturas, en un edificio alto en medio de edificios ms bajos y enedificios separados. Segn el diseo estructural convencional de la mayora de los pases, loscdigos ssmicos recomiendan una amplia separacin entre las dos estructuras para permitir sumovimiento relativo debido a fuerzas laterales. Estos amortiguadores, sin embargo, reducenconsiderablemente el desplazamiento de respuesta relativa de las estructuras principales demanera que la separacin necesaria sea significativamente ms pequea.

Figura 2.4 Mtodo de aplicacin de los Amortiguadores de Junta.

El amortiguador histertico de Junta requiere de varias propiedades, entre las que se

destacan:1) una gran capacidad de disipacin de energa2) homogeneidad de la deformacin total3) requiere una capacidad de deformacin


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El acero tiene una gran capacidad de disipacin de energa y una alta confiabilidad comomaterial estructural, las cuales son las razones principales por las que se ha empleado el aceropara el desarrollo de los amortiguadores de junta. Pero estos amortiguadores requieren varioscriterios de diseos como tener una alta rigidez lateral, una tensin de fluencia adecuada, y unadeformacin plstica sobre toda la forma compacta del dispositivo.

Existen tres tipos de amortiguadores de junta desarrollados hasta ahora, todos ellos semuestran en la Figura 2.5 adems de algunos detalles de instalacin. EI amortiguador BeIl (tipocampana), el amortiguador Hourglass (tipo reloj de arena) y el amortiguador Dumbbell (tipo pesade gimnasia) que corresponden a escalas pequeas, medianas y grandes de estructuras de edificio,respectivamente.

Figura 2.5 Configuracin y detalle de instalacin del Amortiguador de Junta.

En cuanto al costo del dispositivo la empresa calcula que la razn de costodispositivo/edilicio es entre un 0.1 y 0.5 % y que el ahorro en costo estructural obtenido deaplicaciones reales es entre un 1-4%.

Una de las aplicaciones de estructuras separadas y de diferentes alturas fue en el edificioKI, donde los amortiguadores de junta fueron usados para conectar en varios lugares un edificiode 5 pisos en forma de L (estructura A) y un edificio de 9 pisos (estructura B) donde el espacio deseparacin entre las dos estructuras se utiliza como corredor como se muestra en la Fig. 2.6. Elamortiguador adoptado para este caso es el tipo Bell.


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Figura 2.6Esquema y detalle de instalacin de los amortiguadores de junta delEdificio KI (Tipo Bell).

No slo los movimientos laterales y torsionales de las dos estructuras fueron consideradospara anlisis dinmico que fue conducido para el diseo del amortiguador, sino que adems elamortiguador fue modelado como un miembro no lineal bidireccional con la rigidez verificadapor una prueba de carga esttica. La respuesta de la fuerza de corte que acta sobre ambasestructuras principales reducen en un 20-40% con respecto a la estructura A y en un 10-30% conrespecto a la estructura B.

Otro ejemplo es la cpula L que contiene la ms grande cancha de esqu bajo techo en elmundo. La estructura completa fue dividida en 4 bloques donde cada bloque posee su propiafrecuencia natural, que difiere una de la otra. Los amortiguadores de junta instalados dentro de la

gran estructura, que se muestran en las Figs. 2.7 y 2.8, estn pensados para disminuir ladeformacin de respuesta de cada bloque. Por otra parte, en la Fig. 2.7 se muestra la divisin dela estructura y la disposicin tanto en planta como en elevacin de los amortiguadores que en estecaso son del tipo Hourglass. La reduccin de respuesta esperada es alrededor del 40% entrminos de la fuerza de corte, y la disipacin de energa total debido a estos amortiguadores esmenor que 1/l0 de la capacidad total de ellos, que hace innecesario el reemplazo de ellos andespus de un sismo severo.


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Figura 2.7 Esquema de ubicacin de los amortiguadores de la Cpula L (Tipo Hourglass).

Figura 2.8 Detalle de instalacin del amortiguador de junta en la Cpula L (Tipo Hourglass).


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2.1.1.3 Dispositivo ADASEste dispositivo disipador de energa de tipo pasivo denominado ADAS cuyo nombreproviene de "added damping and stiffness", es desarrollado conjuntamente por Bechtel Power Co.y Counterquake Corporation. Este consiste de mltiples placas de acero dulce en forma de Xcombinadas en paralelo entre los topes rgidos (como si fueran sujeta libros y las placas fueranlos libros).

La ventaja principal de la placa en forma de X es que cuando es deformada, ladeformacin de esta es uniforme sobre su altura y por consiguiente, cuando es deformada dentrode su rango plstico, la fluencia sera uniformemente distribuida sobre la altura de la placa. Laplaca en forma de X es el resultado de la evolucin de un dispositivo de placa triangulardesarrollado en Nueva Zelandia, siendo primeramente desarrollado como un soporte de tuberas yelemento de disipacin de energa. La curva de histresis del dispositivo es estable.

La aplicacin a casos reales ha consistido en refaccionar con dispositivos ADAS, edificios

que han sufrido dao tanto estructural como no estructural despus de terremotos, para de estaforma reducir la respuesta ssmica. En la mayora de los casos, normalmente se encuentradificultades en la implementacin fsica de los refuerzos requeridos o en el fortalecimiento de losmiembros estructurales, que involucran algunas demoliciones locales, reemplazo de materiales,terminaciones y operaciones de construccin delicadas. Este tipo de operaciones son importantescuando son ejecutadas mientras el edificio est en operacin, causando disconformidad a susocupantes y alterando sus funciones. La implementacin de dispositivos ADAS, ha sidoapropiada para solucionar este tipo de inconvenientes.

Un ejemplo de ello, es el primer edificio en los Estados Unidos en incorporar undispositivo con amortiguamiento suplementario para reducir la respuesta ssmica. Los elementos

ADAS fueron usados para refaccionar una estructura de hormign armado de 2 pisos en el centrode la ciudad de San Francisco, California despus de que sufriera dao estructural y noestructural moderado en el sismo de Loma Prieta de 1989. El edificio de 1300 m2 construido en1967 est compuesto de dos pisos y un entresuelo (piso bajo levantado ms de un metro sobre elnivel de la calle), todo construido en la parte superior de un garaje de estacionamientosubterrneo que ocupa una cuadra completa. Las dimensiones en planta del edificio son de 24.7m por 24.7 m. Como estrategia de refaccionamiento se establecieron primeramente variosobjetivos de diseo, estos incluyen: limitar las fuerzas laterales en el edificio durante el sismo dediseo, as como no sobrecargar las fundaciones existentes; y, limitar las mximas deflexionesdel techo durante el sismo de diseo, aproximadamente a las deflexiones experimentadas duranteel sismo de Loma Prieta. Para ello, varias alternativas para la refaccin del edificio fueroninvestigadas, escogindose una solucin innovadora, que tiene un costo adecuado, una menor


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intrusin en el garaje de estacionamiento subterrneo y una menor molestia a los usuarios deledificio. La solucin elegida incluy la incorporacin de dispositivos ADAS, montados en laparte superior de la armazn del arriostramiento en forma de V invertida y colocada alrededor delpermetro del edificio. Tres y cuatro dispositivos de disipacin de energa fueron adheridos en el1er y 2do piso respectivamente. En la Fig. 2.9 se puede apreciar una fotografa de los dispositivosya instalados, los cuales fueron colocados expuestos al interior de las oficinas.

Figura 2.9

Los elementos ADAS usados son de 1.5 pulgadas (3.81 cm) de espesor y 9 pulgadas

(22.86 cm) de altura y la placa de acero de un 50 ksi (3600 kg/cm2). El edificio refaccionado fueanalizado usando tcnicas lineal, lineal equivalente y no lineal. El anlisis lineal equivalente fueusado para evaluar la viabilidad del esquema de refaccin propuesto, y para el tamao de los

arriostramientos en forma de V y elementos ADAS. En la Fig. 2.10 se muestra un esquema delelemento ADAS (placa en de X). El dispositivo ADAS est hecho de 4,6 o 7 placas de aceroASTM grado A-36.


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Figura 2.10 Esquema de elemento ADAS.

Otros edificios refaccionados con dispositivos ADAS son el Edificio Izazaga #38-40, elEdificio del Hospital de Cardiologa y el Edificio La Reforma #476 todos ubicados en Ciudad deMxico y que fueron daados en el Terremoto de Mxico de 1985.

En general el dispositivo ADAS provee una cantidad substancial de amortiguamientointerno suplementario a la estructura original que es beneficioso para reducir el espectro deaceleraciones y, por lo tanto las fuerzas ssmicas, como bien se conoce. Las refacciones condispositivos ADAS efectivamente incrementan la rigidez, y por consiguiente reduce el perododel edificio en la direccin a la cual se implement. Por tanto, disminuye las deformaciones y enconsecuencia el dao.

Las fuerzas impuestas por los arriostramientos a las columnas adjuntas y la demanda de

ductilidad requerida para permitir un comportamiento no lineal del marco con dispositivosADAS, algunas veces requiere fortalecer tales columnas si fuese necesario, en el caso de unedificio refaccionado.


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2.1.1.4 Amortiguador de Vibracin Penguin -PVDEl amortiguador de vibracin Penguin -PVD (Penguin Vibration Damper) es un nuevodispositivo de vibracin del inventor del "Apoyo de goma con ncleo de plomo" y el"Amortiguador de extrusin de plomo", los cuales son usados actualmente con gran xito enmuchos edificios y puentes en Japn, U.S.A., Italia y Nueva Zelandia.

El PVD es un amortiguador de corte de plomo, el cual es un dispositivo deamortiguamiento compacto y eficiente, desarrollado por la empresa neozelandesa PenguinEngineering Ltd. para ser usado como "amortiguamiento suplementario" por estructuras altas y/oflexibles por medio de la distribucin de varios dispositivos de pequea capacidad por todaspartes de la estructura. Satisfactorio para la proteccin de vibracin, de estructuras con perodosque caen fuera del rango prctico de aislacin ssmica, esta disposicin distribuye uniformementeel amortiguamiento por todas partes de una estructura. Esto crea efectivamente una estructuraaltamente amortiguada.

Este dispositivo facilita una gran cantidad de amortiguamiento para ser suministrado acualquier estructura. Un dispositivo estndar es sensible a movimientos tan pequeos que vandesde 2 micra, tal como el esperado por la vibracin inducida por el viento, hasta 10 mm comoel esperado en un sismo severo. Desplazamientos ms grandes vienen con dispositivos msgrandes, y tienen capacidades de desplazamientos de 1 metro para arriba, sin embargo, lasensibilidad disminuye a medida que aumenta el tamao. Los rangos asociados de fuerza deamortiguamiento van desde 1 kN a 1000 kN. Seis prototipos de PVD han sido ensayados conbuen xito y Penguin Engineering Ltd. se est preparando para la produccin.

Todos los resultados obtenidos, por medio del programa de ensayos para este dispositivo,han mostrado que el PVD se comporta como un dispositivo casi perfectamente plstico. Provee

un significativo amortiguamiento histertico a desplazamientos tan bajos como 2 micras y unrango confiable de desplazamientos de operacin de orden de magnitud 4. El PVD ha exhibidopropiedades constantes y confiables a lo largo de las extensas pruebas. Despus de un grandesplazamiento en el extremo superior de su rango de trabajo, el dispositivo permanece igual desensible en el extremo inferior de su rango de trabajo. A desplazamientos del orden de dos vecesel rango de trabajo, el dispositivo se ha mostrado confiable para proveer un amortiguamiento paramuchos ciclos, sin embargo, no es recomendado que un dispositivo permanezca en serviciotomando desplazamientos tan extremos. En las Figuras 2.11 (a), (b) y (c) se muestra elcomportamiento histertico de uno de los dispositivos ensayados a desplazamientos muypequeos (10 micrones), medio (1.1 mm) y grande (6.9 mm).


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Figura 2.11 (a) Curva fuerza-desplazamiento histertico del prototipo 4 del dispositivo PVD.Ensayado a 0.0l mm.

Figura 2.11 (b) Curva fuerza-desplazamiento histertico del prototipo 4 del dispositivo PVD.Ensayado a 1.1 mm.


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Figura 2.22 (c) Curva fuerza-desplazamiento histertico del prototipo 4 del dispositivo PVD.Ensayado a 6.9 mm.

El amortiguamiento del PVD es alcanzado por medio de la deformacin plstica de unncleo de plomo. Esto lo habilita para ser sometido a muchos ciclos, disipando gran cantidad deenerga plstica, mientras mantiene sus propiedades mecnicas. Como el plomo es deformado yentonces recristalizado, sus propiedades mecnicas retornan al del estado recocido inicial. Estapropiedad del plomo significa que, con tal que la geometra de la componente de plomopermanezca inalterada, las propiedades del amortiguador permanecern constantes.

El PVD desarrollado por Penguin Engineering, est ahora en una etapa de prototipo depre-produccin.

Referente a los usos del PVD, este puede funcionar sin fallas a respuestas de vibracin de

todo tipo, no slo de un sismo, sino tambin a cualquier otro tipo de vibracin incluyendo vientosfuertes, trfico u otras fuentes de vibracin, ofreciendo un efectivo medio de control de vibracinde un edificio. Con la tendencia de construccin de edificios de gran altura, el desarrollo delnuevo PVD y su uso en aplicaciones prcticas estn en camino. El PVD puede ser usado parareducir la respuesta de vibracin en eventos de agitacin causado por fuertes vientos, o garantizarla seguridad en sismos.

El PVD es principalmente diseado para proveer amortiguamiento de vibracin en unaestructura flexible en cualquier punto de flexin donde un desplazamiento ocurre, tal como en elrefuerzo transversal en una viga columna, en el marco resistiendo momento, en el larguero deamarre sobre una caera de trabajo pesada, o en una planta industrial. En la Fig. 2.12 se muestra

el PVD en un muro de un edificio alto.


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Figura 2.24 El PVD en un muro de un edificio alto.

Como resumen podemos decir que:

1.-Este nuevo amortiguador de corte de plomo PVD se comporta como un dispositivo deamortiguamiento plstico capaz de trabajar a desplazamientos de un micrn a 10 mm o acualquier rango de ordenes de magnitud cuatro, capaz de un desplazamiento mximo de 1 metro.

2.-El amortiguador de corte de plomo provee lo siguiente:

a) Vida ilimitadab) Amortiguamiento confiablec) Operacin libre de mantenimientod) Diseo simple y compacto

e) Una solucin econmica a los problemas encontrados en estructuras flexibles.


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2.1.1.5 Amortiguador de Extrusin de PlomoEl amortiguador de extrusin de plomo es un dispositivo de disipacin de energa que, esdesarrollado por la empresa neozelandesa Penguin Engineering Ltd, los cuales son usadosactualmente con gran xito en muchos edificios y puentes en Japn, U.S.A., Italia y NuevaZelandia.

El amortiguador de extrusin de plomo, en que el plomo es extrudo cclicamente, esdecir, el material a extrusar (plomo) que se encuentra en el cuerpo cilndrico de acero delamortiguador, por medio de un mbolo se fuerza (al metal) a fluir a travs de un orificio. Elproceso de extrusin es un complejo problema elasto-plstico, en el que se producen grandesdeformaciones plsticas.

Existen dos versiones; el tipo "tubo contrado" y el tipo "vstago pandeado (hinchado)".El tipo "tubo contrado" consiste esencialmente de dos pistones sobre un vstago, los cualesfuerzan al plomo por medio de una constriccin (Fig. 2.13). El amortiguador de extrusin de

"vstago pandeado", en que un vstago pandeado es empujado por medio de un cilindro deplomo, siendo este ms fcil para fabricar en la prctica.

Figura 2.13 Esquema del amortiguador de extrusin de plomo tipo "tubo contrado".

En ambos tipos de dispositivos, el proceso de recuperacin de las propiedades mecnicasdespus y durante la deformacin plstica es rpido, va el proceso interrelacionado derecuperacin, recristalizacin y crecimiento granular. Estos procesos son particularmenteeficientes a temperatura ambiente a causa del bajo punto de fusin del plomo (327 C). En otraspalabras, la fluencia del plomo a un nivel bajo de tensiones (10 MPa), implica un aumento en el

amortiguamiento efectivo del sistema.

En la Fig. 2.14 se muestra la tpica curva de histresis fuerza desplazamiento elastoplsticade los amortiguadores, donde se observa su forma casi rectangular, es decir, sucomportamiento histertico es extremadamente regular y estable.


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Figura 2.14 Curva fuerza-desplazamiento del amortiguador de extrusin de plomo.

Estos amortiguadores son por lo general usados como parte de los sistemas de aislacinbasal donde proporcionan el amortiguamiento adicional reduciendo as, el desplazamiento de labase del edificio a travs de la disipacin de energa denominada histresis. Para conseguir lahistresis estos amortiguadores utilizan la deformacin plstica del plomo. El amortiguador deextrusin de plomo se comenz a utilizar en puentes en donde es bastante usado.

Un ejemplo de aplicacin real es en la nueva Estacin de Polica Central, ubicada en laciudad de Wellington, Nueva Zelandia, que fue terminada en 1991. Donde se incorporaronamortiguadores de extrusin de plomo a un sistema de aislacin ssmica. La aislacin fuealcanzada montando el edificio sobre 24 pilotes flexibles de 15 m de largo que proporcionan unperiodo calculado de 3.0 segundos y 24 amortiguadores de extrusin de plomo que proveen elamortiguamiento requerido. Cada amortiguador opera a una fuerza de 250 kN y tiene un

recorrido mximo de 400 mm. En la Fig. 2.15 se muestra la Estacin de Polica, donde se notanlos arriostramientos diagonales que hacen posible que el edificio de 10 pisos se mueva como uncuerpo rgido.

El diseo y construccin de este edificio present un desafo importante, puesto que seubica sobre tierra que ha sido ganada al mar, est cerca de la falla de Wellington y el edificiotiene un importante rol de emergencia civil. Al realizar una descripcin detallada del sistema deaislacin y la estructura, se percibi un ahorro del 10% en el costo estructural asociado con laopcin de aislacin ssmica.

El desplazamiento horizontal mximo calculado de la planta baja para los requerimientos

de diseo fue de 355mm. Esta gran demanda de desplazamiento, junto con la respuestarequerida casi elasto-plstica de los disipadores de energa, llevaron a la opcin de losamortiguadores de extrusin de plomo. Seis amortiguadores, cada uno con una fuerza de 250 kN


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y un recorrido de 400 mm, fueron montados a lo largo de cada lado, para as proporcionar unafuerza de amortiguamiento de 3MN, o 0.035 del peso ssmico del edificio, en cada direccinortogonal.

Puesto que el amortiguador de 250 kN fue casi el doble ms grande que cualquierafabricado previamente, se llev a cabo un extensivo programa de ensayos mecnicos. Losamortiguadores ensayados fueron sometidos a 6 ciclos de 250mm de desplazamiento a 0.1 Hz atemperatura ambiente. El comportamiento histertico de los amortiguadores fue satisfactorio ysimilar a los de amortiguadores ms pequeos ensayados. Aparte de perturbaciones menorescausadas por la naturaleza segmentada del ncleo de plomo, la carga permaneci estable frente acambios en la direccin de desplazamiento y hubo una continua disminucin en la carga yabsorcin de energa con el funcionamiento cclico, debido al calentamiento del plomo en elamortiguador.

Figura 2.15 Estacin de Polica Central de Wellington.


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2.1.1.6 Dispositivo PallLa compaa Pall Dynamics Limited, ubicada en Montreal, Canada, desarroll, dise ypatent al amortiguador de friccin Pall, denominado FDBF (Friction Damped Braced Frames).

Este es un dispositivo que consiste en elementos de arriostramientos diagonales, quetienen una interfase de friccin en su punto de interseccin, que estn conectados juntos porelementos de eslabones horizontales y verticales. En la Fig. 2.16 se muestra el esquema deldispositivo propuesto por S. Pall. La interfase de friccin es un simple cojinete de friccin/aceroinoxidable acoplado, que es activado por una fuerza normal especificada. En la Fig. 2.17 semuestra las superficies de friccin del dispositivo de friccin. Los elementos de eslabonesaseguran que, cuando la carga aplicada al dispositivo va los arriostramientos es suficiente parainiciar el deslizamiento del brazo tensionado, entonces el brazo en compresin tambin deslizaraen igual cantidad en la direccin opuesta.

Figura 2.16 Esquema del dispositivo Pall.

Figura 2.17 Superficies de friccin del dispositivo Pall.


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Para cualquier sistema friccional la cantidad de energa disipada por el sistema y elamortiguamiento en el sistema, son proporcionales a las excursiones de deslizamiento de loselementos friccionales. Esto significa que los elementos de amortiguamiento friccional en unsistema estructural llegaran a ser ms efectivo cuando la magnitud de la fuerza de entradaaumenta. Este patrn fue observado en una serie de ensayos realizados. Por lo anterior, eldispositivo no es diseado para deslizar bajo cargas de servicio y sismos moderados, sino que espara excitaciones ssmicas severas. Por otro lado, el dispositivo desliza a una cargapredeterminada. El deslizamiento de un dispositivo cambia la frecuencia natural de la estructura ypermite a sta alterar su forma del modo fundamental durante un sismo severo.

En este sistema se presentan 5 estados fcilmente visualizables del sistema de marcoarriostrado cuando se somete a una carga cclica, los cuales se presentan en la Fig. 2.18 y sedescriben a continuacin:

1. En un principio tanto la diagonal de traccin como la de comprensin son solicitadas pero

permanecen en un rango elstico.2. Para una carga muy baja, la diagonal en comprensin se pandea mientras que la diagonal entraccin aun permanece elstica.3. El dispositivo est diseado para que se deslice antes que el material fluya en la diagonaltraccionada. Cuando el deslizamiento ocurre los cuatro elementos de unin del mecanismoespecial son activados y deformados en forma de romboide. Se asume que esta deformacinelimina el pandeo de la diagonal comprimida, por lo que al final del deslizamiento la carga dela diagonal comprimida seguir siendo P2, sin embargo se asume que la diagonal estcompletamente recta.4. Cuando la carga se invierte, la diagonal que ahora est recta puede inmediatamente absorberenerga en traccin.

5. Despusde un ciclo completo, el resultado de las reas de los ciclos de histresis soncompletamente idnticos en ambas diagonales. De esta manera, la disipacin de energa escomparable con la de una unin simple de friccin cuando es diseada para que no seproduzca pandeo en compresin. En otras palabras la energa disipada en cada ciclo esesencialmente el doble.


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V : Carga ssmicaP1: Carga en diagonal 1P2: Carga en diagonal 2D1: Desplazamiento en ACD2: Desplazamiento en BDFigura 2.18 Esquema de trabajo del dispositivo Pall.

Este amortiguador de friccin est siendo utilizado en la reparacin de muchos edificiosque han sido afectados por terremotos, entre los cuales se pueden mencionar el edificio Sir JohnCarling en Ottawa, la Biblioteca McConnel de la Universidad Concordia de Montreal (Fig. 2.19)y el Condominio One McGill Street tambin de Montreal (Fig. 2.20).


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Figura 2.19 Biblioteca McConnel de la Universidad Concordia de Montreal, Canad, bajoconstruccin.

Figura 2.20 Condominio One McGill Street, Montreal, Canad.


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Por ejemplo, el Condominio One McGill Street es un edificio de 11 pisos, construido en 1995, yde 35000 m2. La eleccin de la utilizacin del FDBF en ste edificio se bas en los siguientespuntos:

-Costo, pues utilizando el FDBF en lugar de muros de hormign, se redujo el costo estructuralen un 6%, y el costo de la construccin total en un 1.5%.

-Flexibilidad, debido a que el FDBF permite proyectar una flexibilidad mayor, pues adiferencia de los muros de corte, ste amortiguador de friccin no tiene que ser instalado unosobre otro en forma continua.

-Control de Daos, debido a que el FDBF mejora la distribucin de la energa ssmica,eliminando el depender de la ductilidad para reducir el dao ssmico.


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2.1.1.7 Dispositivo SumitomoPor muchos aos, la empresa Sumitomo Metal Industries Ltd. en Japn ha desarrollado ymanufacturado dispositivos amortiguadores de friccin para absorber golpes en carros de cargade trenes. Solo a mediados de los aos 80 los amortiguadores de friccin han sido llevados alcampo de la ingeniera estructural ssmica.

En la Fig. 2.21 se muestra un corte longitudinal y una seccin transversal de un tpicoamortiguador de friccin de Sumitomo.

Figura 2.21 Corte longitudinal y transversal del dispositivo de Sumitomo.

Este consiste en una serie de cunas las cuales actan unas en contra de las otras cuando seencuentran bajo una carga que al actuar sobre el resorte crea fuerzas en los cojinetes. Loscojinetes deslizan directamente por sobre la superficie de acero interior del dispositivo. Los

cojinetes de friccin son una mezcla de cobre que tiene incrustaciones de grafito los que proveenlubricacin seca al sistema, asegurndose de lograr una fuerza de friccin estable y reduciendo elruido durante el movimiento. Para fuerzas menores que la fuerza de deslizamiento, los cojinetesno se deslizan y en consecuencia no disipan energa.


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Este tipo de amortiguador aprovecha el desplazamiento relativo entre el arriostramiento yla viga para disipar la energa de vibracin y de esta forma reducir el movimiento de respuesta dela estructura. Tambin son usados como parte de sistemas de aislacin basal, donde su rango dedesplazamiento es bastante mayor que en el caso de marcos arriostrados.

Estos dispositivos tienen un gran rendimiento. Su comportamiento histertico esextremadamente regular y reiterable. Adems su comportamiento (respuesta fuerzadesplazamiento) no se ve afectado por la amplitud, ni la frecuencia, ni temperatura, ni el nmerode ciclos de cargas. El comportamiento histertico estable de este dispositivo de friccin hace quesean particularmente tratables para una modelacin exacta.

La empresa Nikken Sekkei Ltd., trabajando en conjunto con Sumitomo ha diseado variosedificios que han incorporado amortiguadores de friccin Sumitomo. El Sonic City OfficeBuilding terminado en 1988, est localizado en la ciudad de Omiya. Este es una estructura demarco de acero con paneles rellenados de hormign pretensado. Existen ocho dispositivos de 22

kip (97.9 kN) con un desplazamiento mximo de 6 cm en cada nivel, con cuatro dispositivosubicados en cada una las dos direcciones principales en planta. Los amortiguadores sonincorporados en el sistema estructural en las conexiones de los paneles rellenos al marco deacero. El modelo de anlisis del edificio consiste en 32 masas concentradas. El primer perodo delmodelo de anlisis es de 3.12 segundos sin amortiguador, y 2.88 segundos con amortiguador.Aunque el amortiguador aumenta la rigidez inicial y reduce el primer perodo un poco, ladiferencia del perodo es solo un 10% aproximadamente.

El Asahi Beer Azumabashi Building en Tokio fue terminado en 1989. Este edificio es unaestructura de marcos de acero arriostrado de 22 pisos que contienen dispositivos de 22 kip (97.9kN) con un desplazamiento mximo de 6 cm en cada nivel. Dos dispositivos son orientados en

cada una de las dos direcciones principales en planta en cada nivel y fueron instalados en 20 pisosdel edificio. Los amortiguadores son conectados entre el arriostramiento y el marco estructural.

En 1991 se termin de construir en Tokio, un edificio de hormign armado de 6 pisos conaislacin basal en donde se incorporaron amortiguadores de friccin Sumitomo como loselementos de absorcin de energa del sistema de aislacin basal. Este sistema contiene 12dispositivos de 22 kip (97.9 kN) con un rango de desplazamiento de 9 pulgadas (22.82 cm).La base del diseo de los dispositivos para el Sonic City Office Building y el Asahi BeerAzumabashi Building fue reducir la respuesta del edilicio para vibraciones producidas en elsuelo, microtemblores y sismos pequeos. El potencial de los dispositivos mejorasubstancialmente el comportamiento de los edificios en un sismo severo, aunque no fue unaconsideracin primaria en el diseo y seleccin de los dispositivos.

Detalles de instalacin del dispositivo a una estructura de marco arriostrado de acero semuestra en la Fig. 2.22. El dispositivo es apernado al lado de abajo de la viga de piso. En laconexin amortiguador arriostramiento, una placa gua de acero y tefln inoxidable es colocada


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asegurando de sta forma que la deformacin impuesta sobre el amortiguador sea a lo largo de sueje longitudinal. Una seccin transversal de una placa gua se muestra en la Fig. 2.23.

Figura 2.22 Instalacin del dispositivo Sumitomo en un marco arriostrado.

Figura 2.23 Seccin transversal de una placa gua.


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2.1.1.8 Dispositivo de DorkaEn 1993, DSC (Dorka Structural Control) ha establecido desarrollar y construirdispositivos para el control de estructuras. Despus de tres aos de desarrollo y pruebas, DSCpresenta la familia UHYDE-fs de dispositivos de friccin diseados para la proteccin deedificios bajo excitacin ssmica. El propsito fue desarrollar un dispositivo que no tuviera lastpicas fallas de los dispositivos de friccin disponibles en ese entonces, tales como:

-No poder ser chequeados y ajustados in situ-Muchos son slo unidireccional-Vienen slo con capacidades pequeas, por lo tanto se necesitan muchos dispositivos en unaestructura siendo ms costoso-Y todos exhiben un movimiento desde un sistema fijo a uno deslizante no gradual, que puedeser peligroso por excitar frecuencias altas en la estructura.

De esta manera, el dispositivo es capaz de proveer totalmente el potencial de

amortiguamiento de friccin para la proteccin de sismos.

En la Fig. 2.24 se muestra una vista isomtrica de la versin bidireccional delamortiguador de friccin UHYDE-fs.

Fig. 2.24 Dispositivo UHYDF-fs de Dorka.

El mecanismo consiste en una serie de anillos de acero inoxidable aplanados que puedendeslizar alternadamente con discos guas que contienen insertos de bronce cuyas superficies sonconvexas, y que estn en contacto con los discos deslizadores de acero inoxidable. En la

superficie de contacto se desarrolla la friccin cuando los disco de gua son movidos por elncleo central en forma paralela a los anillos planos, los cuales estn retenidos por un mantoexterno. El manto exterior y el ncleo interior presentan orificios de tal forma de lograr la unin


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del dispositivo a la estructura. Debido a las superficies convexas de los deslizadores de bronce, latransicin desde un sistema fijo a un sistema deslizante puro se da gradualmente. El dispositivono queda sometido a cargas verticales para as evitar influencias en la presin de confinamientoen las zonas friccin. La presin de confinamiento se controla, con una variacin del 3%, a travsde un mecanismo especialmente diseado que compensa cualquier cambio de fuerza depretensionado, el cual puede ser chequeado y reajustado in situ. Tanto el mecanismo de friccincomo el mecanismo de pretensionado se encuentran cubiertos y, por lo tanto, protegidos contralas influencias ambientales.

En ensayos al dispositivo y anlisis tridimensional de elementos finitos efectuados en laUniversidad de Kaiserslautern, Alemania, se optimizaron la presin de confinamiento y lacurvatura de las superficies de los insertos de bronce para proveerles una fuerza friccionalestable. Estos han sido ensayados con ms de cinco sismos de diseo, dando como resultado queno existe una prdida de la capacidad friccional del dispositivo, y as no hay necesidad dereemplazarlo despus de un sismo severo.

La capacidad de cada dispositivo est determinada por el nmero de insertos por disco degua y el nmero de deslizadores de acero inoxidable planos ubicados uno encima del otro. Estopermite una gran variacin de las capacidades con unos pocos dispositivos estndares. De laTabla 2.1, el diseador puede elegir el dispositivo (o combinacin de dispositivos) msconveniente para la estructura, entre el nmero de deslizadores de acero y el nmero de insertospor disco gua. Con capacidades que van desde los 45 kN a los 646 kN. Estas versionesestndares debieran cubrir la mayora de las aplicaciones en puentes y edificios pero obviamente,se pueden disear dispositivos con capacidades mayores y menores sin ninguna dificultad.


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N dedeslizadoresCapacidad F (KN)H(mm)12N de insertos por disco gua24 404 45 95 1621265 56 119 2026 68 143 2427 79 166 2838 90 190 3239 101 214 363

19810 113 237 40411 124 261 44412 135 285 48513 146 309 52523414 158 332 56515 169 356 60616 180 408 646Tipo Dimensiones (mm) TamaoR15 333 358

DimetroR30 434 460B18 246/326 266/366 A/B

Tabla 2.1 Capacidades F (kN) y dimensiones del UHYDE-fs tanto para tipo R (circular) y B(rectangular).

Por ejemplo, un UHYDE-fs Tipo B18-12/4 tiene tina capacidad de F = 45 kN, A = 246mm, H = 126 mm. El UHYDE-fs Tipo R15-24/7 tiene tina capacidad de F = 283 kN, Dimetro =33 mm, H= 162 mm.

Con respecto a los requerimientos de desplazamiento friccional, no existe un lmite

inherente en el dispositivo. El UHYDE-fs puede ser diseado para desplazamiento del orden demilmetros al orden de diez centmetros. Adems, desplazamientos mximos pueden ser diferenteen direcciones diferentes permitiendo el control completo del movimiento admisible en planta.En todos los casos, se provee una seguridad extra por la capacidad de tensin de la cubierta queprotege el mecanismo de friccin.

A causa de su variabilidad, sofisticacin y pequeo tamao, el UHYDE-fs puede seraplicado en variadas situaciones, algunas de las cuales son brevemente presentadas aqu.


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Los UHYDE-fs pueden ser usados para refaccionar una hilera de edificios con el primerpiso flexible, una situacin a menudo encontrada en los sectores comerciales de una ciudad. Ental caso, la versin unidireccional (en forma de caja) de la familia UHYDE-fs podra ser aplicada.El funcionamiento interior es el mismo como de la versin bidireccional (de forma redonda) pero


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los desplazamientos son limitados a solo una direccin, esto hace que la versin unidirecional deldispositivo sea ms conveniente para sistemas de marcos. Durante un sismo, los marcossoportantes permanecen en el rango elstico mientras que todas las deformaciones inelsticas seconcentran en el UHYDE-fs. De esta manera, no slo el peligro del "primer piso flexible" esaminorado sino que tambin un lmite de fuerza fsica (la fuerza friccional) controla el diseoelstico del marco soportante. Despus de un sismo severo no se necesita ningn trabajo en elUHYDE-fs, excepto para la reubicacin de ste que se logra fcilmente soltando y reapretando eltornillo en el mecanismo de confinamiento.

La Fig. 2.25 muestra una aplicacin en un edificio de varios pisos, que puede ser como unrefaccionamiento o como en una estructura nueva. El arriostramiento concentra la energa dedeslizamiento de los pisos en los dispositivos causando la disipacin instantnea con un lmite defuerza bien definido. Estudios han demostrado que este tipo de sistemas (llamados DispositivosHisterticos o Sistemas Hyde) son capaces de limitar las fuerzas a valores de sistemas dctiles ylos desplazamientos a valores de sistemas rgidos, as se combinan las ventajas de las dos

filosofas de diseo tradicional sin sus inconvenientes. La razn para esto, yace en la disipacincasi instantnea de energa en el UHYDE-fs que permite entrar slo una pequea cantidad (5% a10%) de la energa total de entrada a la estructura que causa deformaciones y tensiones all. Estose traduce directamente en una mejor proteccin del contenido del edificio, una estructura msliviana y un edificio seguro y mas econmico.

Figura 2.25UHYDE-fs sobre un arriostramiento de acero construido dentro de un muro divisoriode un marco de hormign armado de varios pisos.


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Otro tipo de aplicacin del UHYDE-fs es en un puente de ferrocarril. Donde puede serutilizado parte del sistema de aislacin basal en conjunto con apoyos de goma.

Las ventajas del UHYDE-fs pueden ser resumidas como siguen:

-curvas de histresis muy estables y exactas.-rango grande de capacidad en pequeos dispositivos estandarizados .-ningn limite de desplazamiento inherente.-desplazamientos lmites ajustables para diferentes direcciones.-fuerza de confinamiento independiente de las influencias externas y ajustable dentro del 3% devariacin.-la fuerza de confinamiento pueden ser chequeada y reajustada in situ sin remover el dispositivo.-liberando la presin de confinamiento despus de un sismo y reapretando permite a la estructuraretornar a su posicin original (ningn levantamiento costoso, ningn reemplazo costoso).

-los deslizadores son de bronce en contacto con acero inoxidable: una combinacin bienconocida por su longevidad y aceptado por ingenieros alrededor del mundo.-exhibe un movimiento desde un sistema fijo a uno deslizante en forma gradual a causa deldiseo patentado de la superficie de contacto.


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2.1.2 SISTEMAS DE AMORTIGUAMIENTO VISCOSOLos amortiguadores viscosos y los amortiguadores viscoelsticos son clasificados comomecanismos de amortiguamiento viscoso. Estos amortiguadores utilizan materiales viscosos oviscoelsticos. Los amortiguadores viscosos utilizan la resistencia viscosa, el cual opera comouna funcin de la velocidad. Los amortiguadores viscoelsticos aprovecha la deformacin decorte de materiales basados en polmeros altamente disipativos.

Estos sistemas pueden funcionar para niveles de vibracin muy pequeos comparados conlos mecanismos de histresis. El efecto de amortiguamiento por unidad de volumen deldispositivo es limitada y por ello, estos amortiguadores deben ser grandes para compensar. Lasfunciones de los mecanismos de amortiguamiento viscoso son tambin afectados por factorescomo la temperatura y la velocidad de vibracin. Durante el diseo de los amortiguadores se debeinvestigar la capacidad de deformacin y amortiguamiento de stos, bajo condiciones detemperatura locales. Debido a que la temperatura de los materiales viscosos y viscoelsticos seelevan bajo repetidos ciclos de carga, los efectos de amortiguamiento descienden, es por ello que

pueden ser necesario la utilizacin de placas de acero con gran capacidad trmica u otras medidasde resistencia al calor en el dispositivo. Los mecanismos de amortiguamiento viscoso requierenmantenimiento, tales como cambios de aceite de los amortiguadores de aceite, para prevenir ladeterioracin.

A continuacin se describen distintos dispositivos de amortiguamiento viscoso que estn enel mercado con algunos ejemplos de aplicacin real.


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2.1.2.1 Amortiguador de Aceite de Alto Rendimiento -HiDAMEl amortiguador de aceite de alto rendimiento, denominado HiDAM, es otro tipo dedispositivo producido por la empresa japonesa Kajima Corporation. Este dispositivo de controlssmico de tipo pasivo es un mecanismo de amortiguamiento viscoso. El amortiguador puede serinstalado entre la parte superior del arriostramiento y las vigas ( para un arriostramiento en formade V invertida, ver Fig. 2.26) o entre la parte inferior del arriostramiento y las vigas (para unarriostramiento en forma de V), incorporando en cualquiera de los casos una gran capacidad deabsorcin de energa dentro de la estructura de un edificio alto. Tal como se muestra en la Figura2.27, el dispositivo encierra aceite en ambos lados de un pistn. La eficiencia delamortiguamiento es lograda por el movimiento relativo del pistn y la resistencia del fluido(aceite) que pasa por las vlvulas de control de presin que conectan ambas cmaras de aceite demanera que genera una gran fuerza de amortiguamiento por un pequeo golpe del pistn.

El dispositivo es conectado al arriostramiento por medio del anillo de horquilla fijado enel extremo de la barra y el cilindro.

Figura 2.26 Instalacin del amortiguador entre el arriostramiento y las vigas.

Figura 2.27 Amortiguador de Aceite de alto rendimiento (HiDAM).


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En cuanto al costo del dispositivo, la empresa calcula que razn de costodispositivo/edificio es entre un 0.5 y 1.5 % y que el ahorro en costo estructural obtenido deaplicaciones reales es entre un 1 -3%.

Aunque el dispositivo HiDAM ya fue instalado en edificios reales, se introduce aqu unejemplo de aplicacin del HiDAM a un edificio alto hipottico. El edificio expuesto, cuya plantase muestra en la Figura 2.28, es aproximadamente de 100 m de alto con 25 pisos construido deacero estructural. Los arriostramiento son ordenados como se muestran en la planta, y losdispositivos son instalados entre la parte superior del arriostramiento y las vigas. Contra lasperturbaciones externas, se aprovecha el desplazamiento relativo entre los arriostramientos y lasvigas, el dispositivo produce un efecto de amortiguamiento significativo que resulta en unareduccin de las vibraciones del edificio.

Las respuestas del edificio con este sistema son analizadas bajo los terremotos de ElCentro y Tokachioki (Hachinohe 1968 NS). En la Figura 2.29 se muestra el resultado del anlisis

donde se observa que la fuerza de corte de diseo convencional del edificio expuesto es mayorque la fuerza de corte que inducen los terremotos cuando se introducen los dispositivos HiDAM.

Figura 2.28 Planta del edificio hipottico.


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Figura 2.29 Fuerza de corte mximo para el edificio hipottico.

Como

escuela de ingeniería civil en obras civiles

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