SISTEMAS DE CONTROL PASIVOELABORADO POR : ALAN ORLANDO

ZARATE SILVA

ENFOQUE: DIDÁCTICO

OBJETIVOS:1.- OFRECER LOS DIFERENTES

SISTEMAS DE CONTROL PASIVO ASÍ COMO LA IMPLEMENTACIÓN DE LOS MISMOS EN DIFERENTES ESTRUCTURAS PARA DISMINUIR EL DAÑO ANTE LA ACCIÓN DE UN

SISMO .

ANTECEDENTESLOS ESTUDIOS GEOLÓGICOS Y EL REGISTRO

DE ACTIVIDADES SÍSMICAS PERMITEN IDENTIFICAR ZONAS DE MAYOR TENDENCIA O

RIESGO SÍSMICO, ESTAS PRESENTAN GENERALMENTE UNA FALLA TECTÓNICA CUYA RUPTURA GENERA LOS EVENTOS SÍSMICOS,

• LOS MOVIMIENTOS SÍSMICOS SE PRESENTAN TENIENDO O NO UNA FALLA TECTÓNICA YA QUE SE GENERAN ONDAS SÍSMICAS QUE POSEEN CARACTERÍSTICAS SIGNIFICATIVAS AFECTANDO LAS ZONAS COLINDANTES.

DEBIDO A REGISTROS DE DAÑOS QUE SE GENERARON EN LAS ESTRUCTURAS EN DISTINTOS PAÍSES SE GENERÓ LA CONTROVERSIA DE LA EFECTIVIDAD ANTE PRESENCIA SÍSMICA DE LOS DIFERENTES SISTEMAS ESTRUCTURALES CONVENCIONALES, ES POR ESTO QUE SE HAN OPTADO POR TENDENCIAS EN DISEÑOS ESTRUCTURALES CON SISTEMAS DE CONTROL ANTE UN EVENTO SÍSMICO

1.MARCOS EXCÉNTRICOS EN ESTRUCTURAS DE ACERO2. DISIPADORES DE ENERGÍA EXTERNOS A LA

ESTRUCTURA, 3. SISTEMA DE AISLAMIENTO SÍSMICO4. SISTEMAS INTELIGENTES DE DESACOPLAMIENTO DE

FRECUENCIA SÍSMICA EN GENERAL LO QUE SE TIENE COMO OBJETIVO ES LA REDUCCIÓN DE DAÑOS EN LAS ESTRUCTURAS ANTE PRESENCIA SÍSMICA

FORMAS DE CONTROLAR ENERGÍA

ENERGÍA SÍSMICALA ENERGÍA SÍSMICA ES AQUELLA QUE SE CREA AL HABER MOVIMIENTO ENTRE PLACAS SE PRODUCE CUANDO DOS PLACAS ROZAN, CUANDO DOS PLACAS CHOCAN , CUANDO UNA PLACA SE DESPLAZA...

ENERGÍA SÍSMICA

SISTEMAS ESTRUCTURALES DE CONTROL PASIVOS

• LOS SISTEMAS ESTRUCTURALES DENTRO DE LOS CUALES SE IMPLEMENTAN SISTEMAS DE CONTROL PASIVO, SE BASAN EN ELEMENTOS QUE ACTÚEN DE FORMA INERCIAL A LA FUERZA SÍSMICA, A DIFERENCIA DEL RESTO DE LOS SISTEMAS.

DICHOS SISTEMAS PASIVOS PRODUCEN RESPUESTA A MOVIMIENTOS ESTRUCTURALES CONTROLANDO LA ENERGÍA TOTAL DE LA ESTRUCTURA DE FORMA PASIVA

TIPOS DE SISTEMAS PASIVOS• LOS SISTEMAS PASIVOS PUEDEN SER CLASIFICADOS, DENTRO DE 2 TIPOS BÁSICOS, EL PRIMERO REPRESENTADO POR APOYOS ELASTÓMEROS Y EL SEGUNDO POR APOYOS FRICCIONANTES. SIN EN CAMBIO EN LA ACTUALIDAD SE HAN DESARROLLADO SISTEMAS PASIVOS ADICIONALES

1.APOYOS ELASTÓMEROS2.APOYOS FRICCIONANTES3.DISIPADORES DE ENERGÍA4.OSCILADORES

RESONANTES5.CABLES DE PRESFUERZO6.AISLADORES DE BASE

APOYOS ELASTÓMEROS• POSEEN BAJA RIGIDEZ, VARÍAN EL PERIODO

FUNDAMENTAL DE LA ESTRUCTURA EVITANDO LA RESONANCIA DEBIDO A LAS EXCITACIONES SÍSMICAS.• ESTÁN CONFORMADOS POR LÁMINAS DE CAUCHO

INTERCALADAS CON PLACAS FORMADAS DE ACERO, LAS CUALES SON VULCANIZADAS ENTRE SÍ, DEBIDO AL TIPO DE COMPOSICIÓN, SE LOGRA OBTENER UN GRAN DESPLAZAMIENTO HORIZONTAL Y UNA ALTA RIGIDEZ VERTICAL LO CUAL AYUDA A LA ESTRUCTURA

• AISLADORES ELASTOMÉRICOS:CONJUNTO DE LÁMINAS PLANAS DE ELASTÓMEROS INTERCALADAS CON CAPAS DE ACERO. LAS LÁMINAS DE ELASTÓMEROS SON VULCANIZADAS A LAS CAPAS DE ACERO Y, POR LO GENERAL, PRESENTAN UNA SECCIÓN CIRCULAR O CUADRADA.

• AISLADORES ELASTOMÉRICOS DE BAJO AMORTIGUAMIENTO (LDRB)

LOS AISLADORES TIPO LDRB PRESENTAN BAJO AMORTIGUAMIENTO (2-5% COMO MÁXIMO), POR LO QUE GENERALMENTE SE UTILIZAN EN CONJUNTO CON DISIPADORES DE ENERGÍA QUE PROVEEN AMORTIGUAMIENTO ADICIONAL AL SISTEMA

• AISLADORES ELASTOMÉRICOS CON NÚCLEO DE PLOMO (LRB):

SON AISLADORES ELASTOMÉRICOS SIMILARES A LOS LDRB PERO POSEEN UN NÚCLEO DE PLOMO, UBICADO EN EL CENTRO DEL AISLADOR, QUE PERMITE AUMENTAR EL NIVEL DE AMORTIGUAMIENTO DEL SISTEMA HASTA NIVELES CERCANOS AL 25-30%.

• AISLADORES ELASTOMÉRICOS DE ALTO AMORTIGUAMIENTO (HDRB):

SON AISLADORES ELASTOMÉRICOS CUYAS LÁMINAS DE ELASTÓMEROS SON FABRICADOS ADICIONANDO ELEMENTOS COMO CARBÓN, ACEITES Y RESINAS, CON EL FIN DE AUMENTAR EL AMORTIGUAMIENTO DE LA GOMA HASTA NIVELES CERCANOS AL 10-15%.

APOYOS FRICCIONANTES• SON SISTEMAS QUE FUNCIONAN ÓPTIMAMENTE

ANTE CARGAS SÍSMICAS CON MAGNITUD CONSIDERABLE, YA QUE SON DISPOSITIVOS QUE REDUCEN CONSIDERABLEMENTE LOS NIVELES DE ACELERACIÓN DE LA EDIFICACIÓN AL IGUAL QUE LA REDUCCIÓN DE LA ENERGÍA DEL SISMO SOBRE UN AMPLIO RANGO DE FRECUENCIAS.

DISIPADORES DE ENERGÍASON DISPOSITIVOS QUE CAMBIAN LA RIGIDEZ DE LA ESTRUCTURA Y SU FUNCIÓN ES CONCENTRAR EN ELLOS LA MAYOR CAPACIDAD DE ENERGÍA, SU FUNCIONAMIENTO DEPENDEN DE LOS DESPLAZAMIENTOS RELATIVOS DE LOS ENTREPISOS. SE UBICAN GENERALMENTE EN CONTRA VENTEOS PARA DISMINUIR O ELIMINAR LA DISIPACIÓN DE ENERGÍA EN LOS ELEMENTOS ESTRUCTURALES (EN CONEXIONES VIGA-COLUMNA).

DE ACUERDO CON LA MANERA EN QUE DISIPAN ENERGÍA, PUEDEN CLASIFICARSE DE LA SIGUIENTE MANERA:

• DISPOSITIVOS DE MATERIALES CON COMPORTAMIENTO ELASTOPLÁSTICO• POR EXTRUSIÓN DE MATERIALES• POR FRICCIÓN• DISPOSITIVOS DE MATERIALES CON COMPORTAMIENTO VISCOELÁSTICO• DISIPADORES ACTIVADOS POR DESPLAZAMIENTOS• DISIPADORES METÁLICOS• DISIPADORES AUTOCENTRANTES• DISIPADORES ACTIVADOS POR VELOCIDAD• MUROS VISCOSOS• DISPOSITIVOS ACTIVADOS POR MOVIMIENTO• DISPOSITIVOS FLUIDO-VISCOSOS

• DISPOSITIVOS DE MATERIALES CON COMPORTAMIENTO ELASTOPLÁSTICO

• DISIPACIÓN POR FRICCIÓN

• DISPOSITIVOS DE MATERIALES CON COMPORTAMIENTO VISCOELÁSTICO

• DISIPADORES ACTIVADOS POR DESPLAZAMIENTOS

DISIPADORES METÁLICOS

• DISIPADORES AUTOCENTRANTES

• MUROS VISCOSOS

• DISPOSITIVOS ACTIVADOS POR MOVIMIENTO

OSCILADORES RESONANTESUN OSCILADOR RESONANTE ES UN SISTEMA DE UN GRADO DE LIBERTAD, UN ELEMENTO RESTITUTIVO Y UN MECANISMO DE DISIPACIÓN DE ENERGÍA, COLOCADO EN LA PARTE SUPERIOR DE LA ESTRUCTURA. PARA QUE EL OSCILADOR PUEDA REDUCIR LA RESPUESTA DINÁMICA DE LA ESTRUCTURA DEBE EXISTIR UNA COINCIDENCIA ENTRE LAS FRECUENCIAS NATURALES DE VIBRACIÓN DE LA ESTRUCTURA Y DEL OSCILADOR RESONANTE.

LOS OSCILADORES RESONANTES SON BASTANTE EFECTIVOS EN LA REDUCCIÓN DE LAS VIBRACIONES PRODUCIDAS POR EL VIENTO EN EDIFICIOS ALTOS Y PARA LA REDUCCIÓN DE LA RESPUESTA SÍSMICA.

• SIGUIENTE SESIÓN

• DISEÑO DE UN EDIFICIO IMPLEMENTADO SISTEMAS PASIVOS DENTRO DEL CALCULO

• COSTOS RELACIONADOS CON LA EL SISTEMA PASIVO A UTILIZAR

•GRACIAS POR SU ATENCIÓN

EJEMPLO REALIZADO CON NORMATIVA DE CFE EN EL DISEÑO DE ESTRUCTURAS CON SISTEMAS PASIVOS ENFOCADO A DISIPACIÓN DE ENERGÍA:

• DISEÑAR EL SISTEMA DE AISLAMIENTO CON APOYOS DE NEOPRENO CON CORAZÓN DE PLOMO (ALNP) PARA UN EDIFICIO DE TRES NIVELES DE CONCRETO REFORZADO DESTINADO A OFICINAS, CUYO PERIODO SOBRE BASE FIJA ES TE=0.38 S.

• EL EDIFICIO SE LOCALIZA EN UN TERRENO DURO, ALEJADO DE UNA FALLA ACTIVA, CON UNA ACELERACIÓN MÁXIMA DEL TERRENO DE ACUERDO CON SU UBICACIÓN GEOGRÁFICA DE 485 CM/S2 , PERIODO DE VIBRACIÓN TS = 0.5 Y VELOCIDAD DE ONDAS DE CORTANTE VS = 710 M/S.

• SOLUCIÓN• ESPECTROS DE DISEÑO DE ACELERACIONES Y DESPLAZAMIENTOS

CLASIFICACIÓN DE LA ESTRUCTURA EN VISTA DE QUE SE TRATA DE UNA ESTRUCTURA CONVENCIONAL, EN LA QUE NO EXISTE RIESGO DE PÉRDIDA DE UN GRAN NÚMERO DE VIDAS O PÉRDIDAS ECONÓMICAS CUANTIOSAS, EL EDIFICIO SE CLASIFICA COMO ESTRUCTURA DEL GRUPO B. ACCIÓN SÍSMICA LAS ECUACIONES QUE DEFINEN EL ESPECTRO DE DISEÑO DE ACUERDO CON EL PRESENTE MANUAL SON:

• LOS VALORES CORRESPONDIENTES AL CASO EN ESTUDIO SON:

• ENTONCES, LAS ECUACIONES QUE DEFINEN EL ESPECTRO DE DISEÑO DE SEUDOACELERACIONES SON:

• ÁREA DE APOYOS EL ÁREA MÍNIMA DE LOS APOYOS SE DETERMINA CON BASE EN LAS CARGAS VERTICALES QUE DEBEN SOPORTAR. EN ESTE CASO, LA DESCARGA MÁXIMA PARA LOS APOYOS OBTENIDA DEL ANÁLISIS DEL EDIFICIO PUEDE AGRUPARSE EN TRES CASOS DISTINTOS. • PARA LAS COLUMNAS CENTRALES P = 66.7 T• PARA LAS COLUMNAS DE ORILLA P = 37.1 T• PARA LAS COLUMNAS DE ESQUINA P = 20.9 T

• PARA ELEGIR LAS DIMENSIONES INICIALES DE LOS APOYOS, SE CONSIDERA QUE EL ESFUERZO ADMISIBLE A COMPRESIÓN DEL HULE ΣMÁX ESTÁ COMPRENDIDO ENTRE 50 KG/CM2 Y 100 KG/CM2 (PRIESTLEY, 1996). POR LO TANTO, EL ÁREA MÍNIMA DEL APOYO CONSIDERANDO ΣMÁX = 60 KG/CM2 ES:

• SE PROPONE EMPLEAR APOYOS DE 35 X 35 CM. COMO ESTRATEGIA DE DISEÑO SE DECIDE COLOCAR APOYOS CON LAS MISMAS DIMENSIONES EN TODAS LAS COLUMNAS PARA AHORRAR COSTOS DE FABRICACIÓN.

• MODELO LINEAL EQUIVALENTE PARA DETERMINAR LAS PROPIEDADES DE RIGIDEZ EFECTIVA (ECUACIÓN 13.28) Y AMORTIGUAMIENTO EQUIVALENTE (ECUACIÓN 13.33) DE LOS APOYOS, ES NECESARIO CONOCER LA DEMANDA DE DUCTILIDAD. COMO ESTA VARIABLE SE DESCONOCE AL INICIO DEL PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS, SE PUEDE PROPONER UN DESPLAZAMIENTO MÁXIMO INICIAL, MISMO QUE TENDRÁ QUE SER VERIFICADO AL FINAL DEL PROCEDIMIENTO. EN CASO DE QUE EL DESPLAZAMIENTO PROPUESTO AL INICIO SEA SUFICIENTEMENTE CERCANO AL DESPLAZAMIENTO FINAL, EL PROCESO SE DA POR TERMINADO, EN CASO CONTRARIO SE REPITE EL PROCEDIMIENTO UTILIZANDO COMO DESPLAZAMIENTO INICIAL EL VALOR OBTENIDO EN EL CICLO ANTERIOR.

• DESPLAZAMIENTO INICIAL PROPUESTO SE PROPONE UN DESPLAZAMIENTO MÁXIMO IGUAL QUE LA MITAD DE LA DIMENSIÓN DEL APOYO EN LA DIRECCIÓN DE ANÁLISIS, ES DECIR,

• POR LO TANTO SE PROPONE COMO DESPLAZAMIENTO INICIAL XI = 17.5 CM.

• CONOCIDO EL DESPLAZAMIENTO INICIAL, SE PROCEDE A DETERMINAR LA FUERZA DE FLUENCIA DEL APOYO FY, QUE SE ELIGE DE MANERA QUE NO SE PRODUZCAN DESPLAZAMIENTOS EXCESIVOS EN CONDICIONES DE SERVICIO, OCURRENCIA DE SISMOS MODERADOS, EFECTOS DEL VIENTO, ETC. PARA FINES DEL EJEMPLO SE CONSIDERA QUE LA FUERZA DE FLUENCIA DEBE SER MAYOR QUE EL 3% DEL PESO TOTAL DEL EDIFICIO FY = 17,342 KG, POR LO TANTO, EL ÁREA DEL ELEMENTO DE PLOMO, CONSIDERANDO QUE SE COLOCARÁN 15 APOYOS Y QUE EL ESFUERZO DE FLUENCIA DEL APOYO ES ΣY = 90 KG/CM2 , ESTÁ DADA POR (ECUACIÓN 13.17):

• Y EL DIÁMETRO DEL ELEMENTO ES:

• ENTONCES, SE PROPONE USAR UN ELEMENTO DE PLOMO DE 4.13 CM (1 5/8”) CONOCIDA LA FUERZA DE FLUENCIA SE PROPONE LA DUCTILIDAD ESPERADA EN EL APOYO, DE MANERA QUE SE LOGRE UN TRABAJO EFICIENTE DEL DISIPADOR.

• PARA EL EJEMPLO SE PROPONE UNA DUCTILIDAD Μ = 12. EL DESPLAZAMIENTO DE FLUENCIA CORRESPONDIENTE ES:

• OBTENCIÓN DEL DESPLAZAMIENTO FINAL • CONOCIDAS LAS PROPIEDADES EQUIVALENTES DEL MODELO

(RIGIDEZ Y AMORTIGUAMIENTO), SE REALIZÓ EL ANÁLISIS DE LA ESTRUCTURA PARA OBTENER EL DESPLAZAMIENTO FINAL DEL AISLADOR, LOS DESPLAZAMIENTOS RELATIVOS Y LOS ELEMENTOS MECÁNICOS. SE EMPLEÓ UN MODELO TRIDIMENSIONAL UTILIZANDO EL PROGRAMA SAP2000 CONSIDERANDO ELEMENTOS BARRA CON PROPIEDADES ELÁSTICAS PARA REPRESENTAR A LOS ELEMENTOS DEL EDIFICIO, PUES SE PRETENDE QUE LA ESTRUCTURA SE MANTENGA DENTRO DEL INTERVALO ELÁSTICO. LOS AISLADORES SE REPRESENTAN POR RESORTES LINEALES CON LAS PROPIEDADES EQUIVALENTES QUE SE OBTIENEN EN CADA ETAPA DEL ANÁLISIS. EL PROCEDIMIENTO SEGUIDO PARA DETERMINAR EL DESPLAZAMIENTO FINAL CONSISTE DE LOS SIGUIENTES PASOS:

• LA RIGIDEZ INICIAL DE LOS RESORTES SE DETERMINA CON LA DUCTILIDAD QUE RESULTA DEL VALOR DE DESPLAZAMIENTO INICIAL PROPUESTO. SE REALIZA UN ANÁLISIS ESTÁTICO DEL EDIFICIO SOBRE RESORTES EQUIVALENTES, EMPLEANDO EL COEFICIENTE SÍSMICO DEL ESPECTRO REDUCIDO POR AMORTIGUAMIENTO (FACTOR B), PARA UN PERIODO OBJETIVO DE LA ESTRUCTURA SOBRE BASE AISLADA IGUAL A TRES VECES EL PERIODO SOBRE BASE FIJA, ES DECIR, T = 3*0.38 = 1.14 S. COMO RESULTADO DEL ANÁLISIS SE OBTIENE UN PERIODO DE LA ESTRUCTURA AISLADA TI+1 = 1.11 S Y UN DESPLAZAMIENTO DE LOS RESORTES XI+1 = 15.16 CM. LOS RESULTADOS DE ESTA PRIMERA ETAPA SE MUESTRAN EN EL PRIMER RENGLÓN DE LA TABLA 2.

• COMO EL DESPLAZAMIENTO INICIAL (17.5CM) DIFIERE DEL DESPLAZAMIENTO OBTENIDO DEL ANÁLISIS (15.16CM), SE DETERMINA NUEVAMENTE LA DUCTILIDAD DE LOS APOYOS Y LA RIGIDEZ Y AMORTIGUAMIENTO EQUIVALENTES, USANDO COMO DESPLAZAMIENTO INICIAL EL VALOR FINAL DE LA ETAPA ANTERIOR. SE REALIZA EL ANÁLISIS ESTÁTICO CON EL COEFICIENTE SÍSMICO REDUCIDO POR AMORTIGUAMIENTO (0.478) Y PARA UN PERIODO DE 1.11 S. EL PERIODO DE LA ESTRUCTURA ES AHORA DE 1.08S Y EL DESPLAZAMIENTO DE LOS RESORTES SE REDUCE A 13.68 CM. LOS RESULTADOS DE LA SEGUNDA ETAPA SE MUESTRAN EN LA TABLA 13.2. 3.

• LA ETAPA 3 SE INICIA CON UN DESPLAZAMIENTO DE 13.68 CM (VALOR FINAL DE LA ETAPA ANTERIOR) Y SE REALIZA NUEVAMENTE EL ANÁLISIS MODIFICANDO LAS PROPIEDADES DE RIGIDEZ, AMORTIGUAMIENTO Y COEFICIENTE SÍSMICO DEL ESPECTRO. EL PERIODO DE LA ESTRUCTURA AISLADA ES AHORA DE 1.07S Y EL DESPLAZAMIENTO DE 13.51 CM. 4. PARA FINES DEL EJEMPLO SE CONSIDERA QUE LA APROXIMACIÓN ES SUFICIENTE Y LOS VALORES DEL ANÁLISIS SERÁN LOS QUE SE UTILICEN PARA FINES DE DISEÑO.

• UNA VEZ ENCONTRADA LA CONVERGENCIA SE DECIDE SI LOS VALORES DE DISEÑO FINALES SON ADECUADOS, CON LO QUE SE ACEPTA EL AISLADOR PROPUESTO. EN CASO CONTRARIO SE REINICIA EL ANÁLISIS CON UN NUEVO AISLADOR DE BASE.

• EN LA FIGURA 13.4 SE PRESENTA EL ESPECTRO PARA UN AMORTIGUAMIENTO DEL 5% Y EL ESPECTRO REDUCIDO POR EL FACTOR DE AMORTIGUAMIENTO B=0.471. TAMBIÉN SE INDICAN LOS VALORES DE SEUDOACELERACIÓN DE DISEÑO PARA EL EDIFICIO SOBRE BASE FIJA (1537CM/S2 ) Y PARA EL EDIFICIO CON AISLADORES (547 CM/S2 ).

• CONSIDERACIONES PARA LA EVALUACIÓN ECONÓMICA• COSTOS: • • COSTO DE LOS DISPOSITIVOS.• - COSTOS DE PROYECTO. • - COSTO DE INSTALACIÓN. • - COSTOS DIRECTOS Y GASTOS GENERALES. • - COSTO DE ENSAYOS Y CERTIFICACIÓN. • - COSTOS DE LOS REFUERZOS LOCALES DE LA ESTRUCTURA REQUERIDOS PARA

LA INSTALACIÓN DE DISIPADORES. EN ALGUNOS CASOS EL COSTO DE LOS DISPOSITIVOS PUEDE SER MENOR AL DE LOS ELEMENTOS DE SUJECIÓN DEL DISPOSITIVO A LA ESTRUCTURA.

• - COSTOS GENERALES POR AUMENTO DE PLAZOS. • • COSTOS DE MANTENCIÓN Y/O REPOSICIÓN. • • COSTO DE POSIBLES RECINTOS QUE DEJAN DE UTILIZARSE PARA INSTALAR LOS

DISIPADORES

• BENEFICIOS:• • BENEFICIO DE REDUCCIÓN DE DAÑOS DURANTE SISMOS SEVEROS. • • DISMINUCIÓN DE LOS COSTOS DE REPARACIÓN DE DAÑOS, LUEGO DE

EVENTOS SÍSMICOS, DADO QUE SE REDUCEN: • - DAÑOS ESTRUCTURALES. • - DAÑOS DE COMPONENTES Y SISTEMAS NO ESTRUCTURALES. • • MENORES DAÑOS DE CONTENIDOS DE RECINTOS. • • BENEFICIO PARA EL MANDANTE EN REPUTACIÓN DE MARCA. AYUDA A

VENDER MEJOR LOS ATRIBUTOS DEL PRODUCTO. • • PERCEPCIÓN DE MAYOR SEGURIDAD DEL USUARIO. • • POSIBILIDAD DE REDUCCIÓN DE COSTOS DE ESTRUCTURA,

CONDICIONADO A LA NORMATIVA DE DISEÑO SÍSMICO VIGENTE.

•GRACIAS POR SU ATENCIÓN