REQUISITOS PARA EL DISEÑO SÍSMICO

DE ESTRUCTURAS CON SISTEMAS PASIVOS

DE DISIPACIÓN DE ENERGÍA

(Norma Borrador, elaborada por ACHISINA)

AICE, Hotel Atton Vitacura, 27-06-2013

Mauricio Sarrazin

Tipos de Disipadores Pasivos de Energía

Viscosos: dependen de la velocidad (F=kf(va))

• Deformación de materiales viscoelásticos

• Fluidos viscosos

Histeréticos: dependen de los desplazamientos (F=kf(u))

•Deformación plástica o extrusión de metales

•Disipadores por fricción

Otros

•Materiales superelásticos o con memoria de forma

•Amortiguadores de masa sintonizada

Tipos de disipadores y sus modelos

Viscosos, Viscoelásticos

• Fluido viscoso

• Viscoelástico

• Muros con

amortiguamiento

viscoso

Amolanas, Chile La Rambla, España

Metálicos

• Acero

• Plomo

Nueva Zelanda

Puente South Rangitikei, 1981

315 mts, cepa 78 mt

Barras de pandeo restringido

Santa Clara Medical Centre Hospital

ADAS

Fricción • Pall

• EDR Patentado por Fluor

• “Slotted Bolted Connections” Grigorian and Popov, 1992

Paper 1011

13wcee

Sumitomo

Superficie de Cu

con grafito

Otros sistemas de disipación

no contemplados en la norma

•Amortiguadores de masa sintonizada (AMS)

•Amortiguadores semi-activos (Ej. MRD)

•Amortiguadores activos

Incorporación de disipadores:

Principios Básicos

•Distribución espacial de los disipadores: en

cada piso y a cada lado del edificio

•Redundancia de disipadores: Al menos 2

disipadores en la misma línea de acción

•Para el sismo máximo considerado, los

disipadores y sus conexiones deben diseñarse

para evitar fallas (no ser el punto débil)

•Los elementos que transmiten las fuerzas de los

disipadores a la estructura deben permanecer

elásticos

Filosofía de diseño

1.La metodología es aplicable a todo tipo de

sistemas disipadores.

2. La metodología proporciona criterios de diseño

mínimos, con objetivos comparable a los de

sistemas sismorresistentes convencionales

(pero permite también criterios de diseño que e

leven los niveles de desempeño).

3. La metodología requiere que los edificios

con disipadores tengan una estructura sismo-

resistente que cumpla con los requerimientos de

la NCh433 para edificios sin disipadores.

4. Se requiere el diseño de los disipadores y el

ensayo de prototipos para desplazamientos,

velocidad y fuerzas correspondientes al terre-

moto máximo posible.

5. La norma provee método de análisis

modal espectral aplicable en muchas

estructuras, siempre que cumplan con

cierta configuración y ciertos criterios de

diseño mínimos (por ejemplo, ser regulares en

planta y altura, al menos 2 disipadores por piso

para resistir torsión).

Pero se requiere análisis no lineal en el tiempo

para confirmar la respuesta máxima de

estructuras que no cumplan con esos criterios.

PROYECTO DE NORMA CHILENA

Trabajo de comisión de ACHISINA comenzó en 2006

Borrador final se entregó en enero de este año (versión N°26)

1. ASPECTOS GENERALES Está basada en ASCE-7-2010.

Es, en algunos aspectos, más conservadora que ésta

1.1 ALCANCE:

Tipos de disipadores

No es aplicable a amortiguadores AMS

Si se usan en un sistema de aislación, debe

usarse NCh2745

1.2 DEFINICIONES:

Estructura sismorresistente

Sistema disipador

Sistema sismorresistente (la suma de las

anteriores)

Sismo de diseño: 10% en 50 años

Sismo máximo: 10% en 100 años

(1.2 DEFINICIONES)

ESTRUCTURA SISMORRESISTENTE: Todos los elementos que

forman la estructura, excluyendo los disipadores.

SISTEMA DISIPADOR: Conjunto de los elementos disipadores.

SISTEMA SISMORRESISTENTE: Estructura sismorresistente +

Sistema Disipador.

SISMO DE DISEÑO: 10% probabilidad de excedencia en 50 años

SISMO MÁXIMO POSIBLE: 10% prob. de excedencia en 100 años

(1. ASPECTOS GENERALES)

(2. REQUERIMIENTOS GENERALES DE DISEÑO)

2.1 REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA.

Se permite satisfacer los requisitos de deformación entre pisos

considerando también el sistema disipador

2.1.1 ESTRUCTURA SISMORRESISTENTE.

• Debe cumplir con disposiciones de la norma NCh433 (en lo que no

se contraponga con esta norma).

• Además:

1) Corte basal mínimo:

Vmin = Mayor de (V/B1 , ISAoP/6g) Se permite usar el primer valor si se cumple la deformación máx entre pisos de NCh433

2) Elementos de la estructura sismorresistente que además

formen parte del sistema disipador: requerimientos adicionales

(cláusulas 5.1.2 o 5.2.2)

2.1.2 SISTEMA DISIPADOR

1) Elementos de soporte: diseño elástico.

2) Diseño del sistema disipador para el sismo máximo posible.

3) Puntos de conexión de disipadores deben poder acomodar

desplazamientos en tres direcciones.

4) Debe haber medios de acceso y un programa de inspección.

5) Profesional responsable del diseño debe establecer un

plan de control para la fabricación de los disipadores.

(2. REQUERIMIENTOS GENERALES DE DISEÑO)

2.2 MOVIMIENTO DEL SUELO

2.2.1 ESPECTRO ELÁSTICO DE DISEÑO

- Para Estructura Sismorresistente: NCh433

- Para Disipadores: 1.2 (espectro elástico de diseño de techo NCh433)

- Espectros específicos para suelos D, E, F o si el edificio se encuentra a menos de 10 km de una falla activa.

2.2.2 REGISTROS SÍSMICOS

Cuando se tiene una de las situaciones siguientes:

1) Si Sistema Disipador se modela explícitamente y se

usa análisis dinámico no-lineal

2) Si se ha desarrollado un espectro específico

del lugar

Entonces se deben usar registros de aceleración del sismo de diseño y del sismo máximo posible de acuerdo a NCh2745.

2.3 SELECCIÓN DEL PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS

Pueden usarse procedimientos lineal, no-lineal o una combinación.

- Si el suelo es tipo D según NCh433 o si se cumple el punto 1) de 2.2.2,

deberá utilizarse análisis dinámico no-lineal según la cláusula 3.

- Si la estructura está en suelo E o F, o se encuentra

a menos de 10 km de una falla activa, además de lo anterior hay que

considerar la cláusula 5.1 para la respuesta dinámica máxima.

2.3.1 PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS NO-LINEAL (Cláusula 3.)

Puede usarse para cualquier estructura con disipadores pasivos.

2.3.2 PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS MODAL ESPECRAL (Cláusula 4)

Puede usarse si se cumple:

- La estructura es regular en elevación y planta

- En la dirección de análisis hay al menos dos

disipadores por piso

- Si R1 es menor o igual que 3

3. PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS

DINÁMICO NO-LINEAL

Se definen los modelos matemáticos a utilizar, los movimientos

sísmicos a considerar y los ensayos de los disipadores

3.1 MODELAMIENTO DE LA ESTRUCTURA

Se deberá considerar, entre otros:

- Distribución espacial de las masa

- Comportamiento histerético de los elementos,

basado en ensayos

- Degradación de resistencia y rigidez

- En sistemas regulares con sistemas sismorresistentes

ortogonales se permiten modelos 2D

- Amortiguamiento inherente según 4.3.4

3.2 MODELAMIENTO DEL SISTEMA DISIPADOR

Se deberá considerar, entre otros:

- Para disipadores dependiente de la

deformación, el modelo debe representar el

comportamiento histerético experimental

- Para disipadores dependientes de la

velocidad se deberá incluir un coeficiente

de velocidad consistente con los datos

experimentales

- Si las propiedades de los disipadores

cambian durante el análisis, se permite usar

la envolvente considerando propiedades

máxima y mínima de los disipadores

3.3 PARÁMETROS DE RESPUESTA

Se deberá considerar los siguientes parámetros de

respuesta:

- Esfuerzo máximo de los elementos

- Desplazamiento máximo entre pisos

- Desplazamiento y velocidad máxima en

disipadores, según sea el caso

Se podrá usar el promedio de las respuestas en caso de

utilizarse 7 o más registros, de otra forma debe usarse el la

respuesta máxima, con un mínimo de 3 registros.

4. PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS

MODAL ESPECTRAL

El procedimiento es iterativo, a no ser que el sistema disipador

sea lineal viscoso.

El procedimiento es aproximado porque la matriz de

amortiguamiento no es clásica. Es posible obtener una solución

exacta empleando espacio de estado y variables complejas.

Este procedimiento se puede usar sólo si:

- R1<3 (equivale a estructura prácticamente elástica)

- La Estructura Sismorresistente es regular

- El lugar se encuentra lejos de una falla activa

- El suelo no es de los tipos D, E o F para el Sistema Disi-

pador o E o F para la Estructura Sismorresistente.

4.1 MODELAMIENTO

- El modelo de la Estructura Sismorresistente deberá

satisfacer los requerimientos de NCh433 para análisis

modal.

- Los elementos del Sistema Disipador, que no sean los

disipadores mismos, deberán ser modelados

explícitamente.

- La rigidez de los disipadores deberá modelarse de

acuerdo al tipo y propiedades del disipador que

corresponda.

4.2 PARÁMETROS DE RESPUESTA

Se deberá usar la combinación CQC de la norma NCh433, con

un coeficiente de acoplamiento modal dado por:

r = Ti /Tj

Suma masas equivalentes > 95%

𝜌𝑖𝑗 =8 𝛽𝑖𝛽𝑗 𝛽𝑖 + 𝑟𝛽𝑗 𝑟

3/2

1 − 𝑟2 2 +

4𝛽𝑖𝛽𝑗𝑟 1 + 𝑟2 + 4 𝛽𝑖

2 + 𝛽𝑗2 𝑟2

4.2.1 SISTEMA DISIPADOR

Fuerzas de diseño en los disipadores:

Dependerán del tipo de disipador.

Desplazamiento entre pisos

𝑆𝑑𝑒(T) = Espectro desplaz. para sismo max

∆𝑖𝑚 = 𝛿𝑖𝑚 − 𝛿 𝑖−1 𝑚

Velocidad relativa entre pisos: a partir de la pseudovelocidad

𝛻𝑖𝑚 = 𝛼𝑚2𝜋

𝑇𝑚∆𝑖𝑚

𝛼𝑚 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛

𝛿𝑖𝑚 = Г𝑚𝜙𝑖𝑚𝑆𝑑𝑒 𝑇𝑚𝐵𝑚

4.2.2 ESTRUCTURA SISMORRESISTENTE

Fuerzas laterales para el piso i

𝐹𝑖𝑚 = 𝑚𝑖Г𝑚𝜙𝑖𝑚𝑆𝑎𝑒 𝑇𝑚𝑅1𝐵𝑚

𝐵𝑚 𝑇𝑚, 𝛽𝑚 = 𝑑𝑒 𝑇𝑎𝑏𝑙𝑎 2

4.3 MODIFICACIÓN DE LA RESPUESTA POR AMORTIGUAMIENTO

4.3.1 COEF. DE AMORTIGUAMIENTO

4.3.2 AMORT. VISCOSO EQUIVALENTE

𝛽𝑚 = 𝛽𝑖 + 𝛽𝑎𝑚

𝛽𝑖 = amortiguamiento inherente

𝛽𝑎𝑚 = amort. viscoso equivalente

Tabla 1. Factor de corrección de la seudo velocidad

(𝐚𝑚).

𝑇𝑚 [s] 𝛽𝑚

0,05 0,10 0,15 0,20 0,30 0,40 0,50

0,1 0,77 0,71 0,66 0,64 0,59 0,56 0,54

0,2 0,91 0,88 0,86 0,84 0,81 0,78 0,76

0,3 0,98 0,96 0,95 0,94 0,93 0,91 0,90

0,4 1,03 1,04 1,03 1,03 1,01 1,01 1,01

0,5 1,01 1,02 1,05 1,06 1,09 1,11 1,12

1,0 1,21 1,26 1,28 1,33 1,40 1,47 1,53

1,5 1,33 1,41 1,51 1,57 1,68 1,79 1,87

2,0 1,50 1,59 1,68 1,78 1,90 2,01 2,12

2,5 1,67 1,80 1,93 2,01 2,18 2,35 2,47

3,0 1,83 2,01 2,11 2,24 2,45 2,60 2,71

Tabla 2. Coeficiente de amortiguamiento (𝐵𝑚)

𝑇𝑚 [s] 𝛽𝑚

0,05 0,10 0,15 0,20 0,30 0,40 0,50

0,05 1,00 1,08 1,13 1,16 1,21 1,24 1,27

0,10 1,00 1,25 1,41 1,54 1,72 1,88 2,01

0,20 1,00 1,31 1,56 1,77 2,15 2,46 2,75

0,30 1,00 1,34 1,61 1,85 2,26 2,62 2,96

0,50 1,00 1,32 1,59 1,83 2,29 2,73 3,14

2,00 1,00 1,26 1,48 1,66 1,98 2,27 2,54

3,00 1,00 1,23 1,43 1,60 1,90 2,16 2,40

4.3.3 AMORT. VISCOSO EQUIVALENTE ADICIONADO

𝛽𝑎𝑚 = 𝑊𝑗𝑚𝑗

4𝜋𝑊𝑚

𝑊𝑗𝑚 = Trabajo del j − ésimo disipador

𝑊𝑚= Energía de deformación máxima para desplazamiento de diseño del modo m

4.3.4 AMORTIGUAMIENTO INHERENTE, 𝜷𝒊

< 3% para diseñar el sistema disipador < 5% cuando se diseñe la estructura sismorresistente

5. ESTADOS DE CARGA SÍSMICA Y CRITERIOS DE

ACEPTACIÓN

En este artículo se establece los requisitos que deben cumplir los parámetros

de los diferentes sistemas estructurales y los estados de carga a considerar.

Estos son específicos para cada procedimiento de análisis:

Respuesta en el tiempo

Modal espectral

5.1 PROCEDIMIENTO DINÁMICO NO-LINEAL

5.1.1 ESTRUCTURA SISMORRESISTENTE

• Requisitos de resistencia de NCh433, método de análisis modal.

• Deformación entre pisos: la de la norma NCh433 x R1.

5.1.2 SISTEMA DISIPADOR

• Debe verificarse considerando el sismo máximo posible

5.1.3 COMBINACIÓN DE CARGAS

• La combinación con cargas de gravedad debe hacerse según NCh3171

5.1.4 CRITERIOS DE ACEPTACIÓN PARA LOS PARÁMETROS DE RESPUESTA

• Estructura sismorresistente y sistema disipador: evaluarse según

criterios por resistencia, considerando un factor de reducción de

resistencia = 1.

• Considerar factores de mayoración según NCh3171.

• No es necesario verificar los elementos de la estructura sismo-

resistente para los esfuerzos del análisis no-lineal.

5.2 PROCEDIMIENTO MODAL ESPECTRAL

5.2.1 ESTRUCTURA SISMORRESISTENTE

Fuerzas máximas de diseño:

1. Del análisis modal espectral del sistema sismorresistente.

Los esfuerzos deberán escalarse según el corte mínimo y

deberán considerarse las fuerzas de los disipadores sobre

la estructura.

2. Análisis estático del sistema sismorresistente con las fuerzas

de diseño de los disipadores dependientes de la velocidad.

5.2.2 SISTEMA DISIPADOR

Los disipadores y sus componentes deben diseñarse para resistir

las fuerzas, desplazamientos y velocidades provenientes del análisis

modal considerando el sismo máximo posible.

5.2.3 COMBINACIONES DE CARGA

Al igual que para el caso de respuesta en el tiempo, las cargas

deben combinarse según la norma NCh3171.

6. REVISIONES DEL DISEÑO

El proyecto de norma contempla la revisión del proyecto por parte

de un “equipo revisor autorizado independiente”.

7. ENSAYOS

Las propiedades fuerza-velocidad y fuerza-desplazamiento

usadas en el diseño deberán basarse en ensayos de prototipos.

7.1 ENSAYOS DE PROTOTIPO

7.2 ENSAYOS DE PRODUCCIÓN

Antes de instalarse los disipadores en el edificio los

disipadores deberán ensayarse según un programa

definido por el Ingeniero Responsable del Diseño