REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD CATÓLICA ANDRÉS BELLO ESTUDIOS DE POSTGRADO ÁREA DE INGENIERÍA ESPECIALIZACION EN INGENIERÍA ESTRUCTURAL INTRODUCCIÓN A LA DINÁMICA DE ESTRUCTURAS
TRABAJO NO. 3 AMORTIGUADORES VISCO ELÁSTICOS EN ESTRUCTURAS
Elaborado por: Carlos Da Costa Omaña C.I: 18.285.371
Maracaibo, Mayo de 2013.
1. Planteamiento del Problema Actualmente cuando se habla de diseño de edificaciones sismorresistente, los métodos tradicionales, que han funcionado en muchos países, están siendo objeto de fuertes análisis y cuestionamientos, debido a las perdidas tanto económicas como humanas que han causado los últimos sismos a nivel mundial. En Venezuela la norma COVENIN 1756:2001 “Edificaciones Sismo Resistentes” traza un mapa de 8 zonas sísmicas, esto de acuerdo a las condiciones geotécnicas de cada región, enumerando de menor a mayor la peligrosidad sísmica. Al mismo tiempo se especifican tres niveles de diseño que son aplicados de acuerdo a la zona donde se requiera elaborar un determinado proyecto, siendo el nivel de diseño tres (ND3) el más riguroso, esto con el fin de mantener la estructura en pie en caso de un sismo, salvando así el mayor número de personas posible. Es pertinente acotar que en pocos casos se usa nuevas alternativas para el diseño sismorresistente, generando esto un atraso significativo en la tecnología de construcción de edificaciones sismorresistente en comparación a la tendencia mundial de inclusión de dispositivos mecánicos en estructuras civiles con fines de protección sísmica. Una opción de diseño sismorresistente diferente a la tradicional y que actualmente constituye una alternativa factible, es el Diseño Sismorresistente mediante sistemas de control de vibraciones; técnica que ha tenido muy buenos resultados en los terremotos mencionados anteriormente. Por ello esta investigación se enfocara en la descripción de sistemas de amortiguamiento visco elásticos; enmarcados dentro de los sistemas de control de vibraciones; describiendo distintos dispositivos de amortiguamiento viscoso que están en el mercado, y haciendo el análisis dinámico de algunos de ellos.
2. Estrategia de Solución del Problema
Descripción de Dispositivos de Amortiguamiento Visco Elástico.
Los amortiguadores viscosos y los amortiguadores visco elásticos son clasificados como mecanismos de amortiguamiento viscoso. Estos amortiguadores utilizan materiales viscosos o visco elásticos. Los amortiguadores viscosos utilizan la resistencia viscosa, el cual opera como una función de la velocidad. Los amortiguadores visco elásticos aprovecha la deformación de corte de materiales basados en polímeros altamente disipativos.
Estos sistemas pueden funcionar para niveles de vibración muy pequeños. El efecto de amortiguamiento por unidad de volumen del dispositivo es limitada y por ello, estos amortiguadores deben ser grandes para compensar. Las funciones de los mecanismos de amortiguamiento viscoso son también afectados por factores como la temperatura y la velocidad de vibración. Durante el diseño de los amortiguadores se debe investigar la capacidad de deformación y amortiguamiento de éstos, bajo condiciones de temperatura locales. Debido a que la temperatura de los materiales viscosos y visco elásticos se elevan bajo repetidos ciclos de carga, los efectos de amortiguamiento descienden, es por ello que pueden ser necesario la utilización de placas de acero con gran capacidad térmica u otras medidas de resistencia al calor en el dispositivo. Los mecanismos de amortiguamiento viscoso requieren mantenimiento, tales como cambios de aceite de los amortiguadores de aceite, para prevenir la deterioración. A continuación se nombran distintos dispositivos de amortiguamiento viscoso que están en el mercado con algunos ejemplos de aplicación real:
Amortiguador de Aceite de Alto Rendimiento – HiDAM Amortiguador Viscoso de Taylor Amortiguador Visco elástico 3M Amortiguador SAVE
3. Desarrollo de la Solución del Problema
Amortiguador de Aceite de Alto Rendimiento – HiDAM
El amortiguador de aceite de alto rendimiento, denominado HiDAM, es producido por la empresa japonesa Kajima Corporation. Este dispositivo de control sísmico de tipo pasivo es un mecanismo de amortiguamiento viscoso. El amortiguador puede ser instalado entre la parte superior del arriostramiento y las vigas, o entre la parte inferior del arriostramiento y las vigas incorporando en cualquiera de los casos una gran capacidad de absorción de energía dentro de la estructura de un edificio alto. La eficiencia del amortiguamiento es lograda por el movimiento relativo del pistón y la resistencia del fluido (aceite) que pasa por las válvulas de control de presión que conectan ambas cámaras de aceite de manera que genera una gran fuerza de amortiguamiento por un pequeño golpe del pistón.
Modelo Dinámico de un Edificio con Dispositivo HIDAM
Considerando una estructura de marcos de acero, que consisten en columnas y vigas. Los arriostramientos que contienen a los elementos HiDAM, son representados por resortes de corte equivalentes (rigidez). El edificio con dispositivos HiDAM se modela como se muestra en la Figura 1. La ecuación de movimiento para una estructura con HiDAM es:
Donde [C] es el coeficiente de amortiguamiento interno del marco y [ ] H C es el coeficiente de amortiguamiento del dispositivo HiDAM.
Figura 1. Modelo de un edificio con dispositivo HiDAM.
Amortiguador Viscoso de Taylor
Este tipo de amortiguador viscoso es diseñado, fabricado y distribuido por la empresa Taylor Devices, Inc., de New York. Al dispositivo se le asigna el nombre de TFVD (Taylor Fluid Viscous Dampers) y posee prácticamente las mismas características del amortiguador HiDAM. El amortiguador se divide en tres secciones. La carga fuerza al pistón a comprimir al fluido viscoso de la sección central, el cual a la vez fuerza al fluido a entrar a la primera sección, el que absorbe e iguala la fuerza de la carga entrante. Entonces, en cuestión de milisegundos, el fluido es forzado a ingresar a la tercera sección para prevenir que el pistón regrese bruscamente.
Amortiguador Visco elástico 3M
El amortiguador de corte viscoelástico (VE), comprende dos o más capas de material con una configuración tipo sandwich como se muestra en la Fig. 2.43. Generalmente, son introducidos en los arriostramientos de diagonales simples. El material usado en los amortiguadores son polímeros altamente disipativos que tienen un comportamiento visco elástico. El más utilizado corresponde a una clase de copolímero dc acrílico que ha sido desarrollado por la empresa estadounidense 3M Co. (Minnesota Mining and Manufacturing (3M) Company). Este es uno de los
cuatro tipos de polímeros altamente disipativos, que se encuentran generalmente disponibles en 3M. Los materiales tienen características dinámicas estables, son químicamente inertes, y poseen buenas propiedades de envejecimiento. Además, son resistentes a los contaminantes ambientales. El comportamiento del material VE es influenciado por tres propiedades portantes. Estas son el módulo de pérdida de corte, el módulo de almacenamiento de corte y su razón, que es el factor de pérdida de corte. Estas propiedades son sensibles a la frecuencia de excitación, cambios de temperatura y al nivel de tensión de deformación, siendo la relación general la misma para todos los materiales. Así, una relación general puede ser usada para predecir las propiedades de los cuatro materiales. Esto es la base de los esquemas de propiedades del material desarrollado por el fabricante.
4. Casos Prácticos Como aplicación real se encuentra un edificio ubicado en la ciudad de Atsugi de la prefectura de Kanagawa, Japón (Fig. 2.30), de 26 pisos y de 57119 m2 se instalaron 80 dispositivos HiDAM localizados entre el 1ero y el 16avo piso. Estos amortiguadores son ubicados lejos del centro de masa del edificio para controlar los efectos torsionales. Los dispositivos son de 1.70 m de largo, 0.340 m de diámetro y con un peso aproximado de 0.8 toneladas y un recorrido máximo de ±6 cm desde el punto neutral. Como fue previsto por los diseñadores, los HiDAM reducen en general el corte basal de diseño en un 30% y el debido al viento en alrededor del 40%, relativo al diseño convencional. Todo lo cual trajo consigo una notable reducción del volumen de los miembros estructurales.
5. Bibliografía
Norma venezolana 1756:2001 “Edificaciones Sismorresistentes” Chopra, A. Dynamics of Structures: Theory and Applications to Earthquake Engineering. Raúl Marcelo Avilés Salazar. Dispositivos para el Control de Vibraciones. Tesis de grado, Universidad Austral de Chile. Valdivia, 2001
