Disipadores de Energia Fluido Viscoso

DISIPADORES DE ENERGIA FLUIDO VISCOSO

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Diplomado UPC en Estructuras

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INTRODUCCION • La experiencia nos indica que las estructuras NO VIBRAN INDEFINIDAMENTE una vez que haya sido excitada por un movimiento. • Esto se debe a la presencia de FUERZAS de FRICCION o de AMORTIGUAMIENTO, las cuales siempre están siempre presentes en cualquier sistema en movimiento, estas fuerzas son inherentes.

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INTRODUCCION • Estas fuerzas DISIPAN ENERGIA. • La presencia inevitable de estas fuerzas de fricción constituye un mecanismo por el cual la energía mecánica del sistema, energía cinética o potencial se transforma en otros tipos de energía, como el calor.

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INTRODUCCION • Cuando se considera las fuerzas de amortiguamiento o fricción en el análisis dinámico de las estructuras se presume que éstas son proporcionales a la velocidad y opuestas a la dirección del movimiento. y

K M

C

  5% 1:35 a.m.

F(t)

y

Ky cy

M

F(t)

m y  c y  Ky  F t  y  2  y   2 y  F t  m Diplomado UPC en Estructuras

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DISTRIBUCION DE LA ENERGIA EN UN SISTEMA La energía que se introduce en un sistema se transforma, y eventualmente se disipa:

ET  E K  E S  E I  E ET = es la energía que un agente externo (Sismo o Viento) introduce a un sistema EK = Energía cinética, es la parte de la energía total que se transforma en movimiento. ES = Energía elástica de deformación, es la parte de la energía que se transforma en deformación de los elementos del sistema. EI = Energía inelástica, es la parte de la energía relacionada con la deformación inelástica de los elementos del sistema. Eξ = Energía de amortiguamiento, es la parte de la energía que es disipada por fuentes de amortiguamiento. 1:35 a.m.


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ENFOQUE PARA LA DISIPACION DE ENERGIA ET  E K  E S  E I  E Se puede aumentar la capacidad de disipador de energía para reducir la amplitud de las vibraciones. Para ello se puede transformar parte de la energía cinética EK en calor (aumentar Eξ). Eξ

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dispositivos disipadores de energía


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DISIPADORES DE ENERGIA Son dispositivos que transforman la energía en calor: - Disipadores por deformación (metálicos) - Disipadores de comportamiento viscoelásticos - Disipadores de comportamiento FLUIDO VISCOSO

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Disipadores por deformación: DISIPADORES DE FLUENCIA • La energía se disipa por calor al deformarse las placas en forma de X por encima de su límite de fluencia • La forma del dispositivo favorece la disipación de energía por calor en una superficie muy grande.

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Disipadores por deformación: DISIPADORES POR FRICCION • Son dispositivos metálicos que se caracterizan por tener un comportamiento histéretico que se logra a través de la fricción entre sólidos metálicos y de este modos disipar energía por calor. • El principio básico de estos disipadores consiste en utilizar la deformación relativa entre dos puntos de una estructura para disipar energía a través de fricción. 1:35 a.m.


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Disipadores por velocidad: DISIPADORES VISCOELASTICOS • Es una tecnología desarrollada originalmente para la industria aeroespacial. • El principio básico de funcionamiento consiste en movilizar un elemento a través de un material viscoelástico. Esto genera fuerzas que se oponen al movimiento del elemento, de magnitud proporcional a la velocidad.

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Disipadores por velocidad: DISIPADORES VISCOELASTICOS • El material viscoelástico: coplímeros, material vidrioso… • Son materiales industriales modernos, muy estables ante ciclos repetidos de carga y descarga pero cuyas propiedades sufren variaciones con la temperatura. • La disipación de energía se obtiene debido a la deformación por cortante de un material con propiedades viscoelásticas.

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DISIPADORES FLUIDO VISCOSOS • Esta tecnología fue desarrollada principalmente para la industria militar y para la industria pesada. • Un amortiguador de fluido viscoso disipa la energía, empujando el líquido a través de un orificio, produciendo una presión de amortiguamiento que crea una fuerza , la cual no aumenta significativamente las cargas sísmicas para un grado comparable de la deformación estructural.

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COMPONENTES DEL DISIPADOR FLUIDO VISCOSO • Son fabricados de acero inoxidable y el líquido de amortiguamiento es aceite de silicona.

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COMPONENTES DEL DISIPADOR FLUIDO VISCOSO

• La acción de amortiguamiento es proporcionada por el flujo del fluido o a través de la cabeza del pistón. La cabeza del pistón es introducido con una holgura entre el interior del cilindro y el exterior de la cabeza del pistón, el cual forma un orificio anular.

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COMPONENTES DEL DISIPADOR FLUIDO VISCOSO

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¿COMO TRABAJAN LOS DISPADORES VISCOSOS? • El disipador fluido viscoso reduce los esfuerzos y la deflexión al mismo tiempo porque la fuerza del disipador está completamente fuera de fase con las esfuerzos debido a la flexión de las columnas. • Esto sólo se cumple con el amortiguamiento de fluido viscoso, donde la fuerza del disipador varía con la velocidad.

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¿COMO TRABAJAN LOS DISPADORES VISCOSOS? SISMO

D máximo corresponde a fuerza máxima en estructura, en ese momento la fuerza en el disipador viscoso es mínima. 1:35 a.m.


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¿COMO TRABAJAN LOS DISPADORES VISCOSOS? SISMO

D máximo corresponde a fuerza máxima en estructura, en ese momento la fuerza en el disipador viscoso es mínima. 1:35 a.m.


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¿CÓMO AFECTA A LA ESTRUCTURA OTROS TIPOS DE DISIPADORES?

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FUERZA DEBIDO AL AMORTIGUAMIENTO DEL DISIPADOR • En un disipador viscoso, la respuesta del amortiguador es:

F  CV

a

donde: • F = es la fuerza del disipador, lb • V = velocidad relativa entre el amortiguador ,pulg/seg • C = constante de amortiguamiento (lb x seg / pulg) Determinada principalmente por el diámetro de la compuerta y el área del orificio • a = exponente de velocidad (0.3 - 1.0). El valor exacto de a depende de la forma de la cabeza del pistón 1:35 a.m.


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FUERZA DEBIDO AL AMORTIGUAMIENTO DEL DISIPADOR • En un disipador viscoso, la respuesta del amortiguador es:

F  CV

a

Los valores de α, los cuales han demostrado ser más populares están en el rango de 0.4 to 0.5 para el diseño de edificaciones con registros sísmicos.

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MODELAMIENTO DE LOS DISIPADORES VISCOSOS • En muchas aplicaciones los disipadores son modelados como un modelo MAXWELL simple.

• El disipador viscoso es modelado como un amortiguador en serie con la rigidez elástica del elemento diagonal. • El modelo es adecuado para aplicaciones de diseño, pero no es suficientemente refinado para evaluaciones de colapso. Los límites de fuerzas y desplazamientos son desconocidos. 1:35 a.m.


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ESTILOS BASICOS DE INSTALACION DE LOS DISIPADORES VISCOSOS • Los amortiguadores de fluido viscoso se pueden instalar como miembros diagonales de varias maneras, o puede atarse en los arriostres (Chevron braces).

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ESTILOS BASICOS DE INSTALACION DE LOS DISIPADORES VISCOSOS

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&

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TAYLOR DEVICES INC. Fundada en 1955 North Tonawanda New York - USA

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TAYLOR DEVICES INC. Es la empresa líder en amortiguadores para soluciones industriales y de construcción en el mundo. Los amortiguadores TAYLOR para edificios dan una efectiva protección ANTI-SÍSMICA (Fluid Viscous Damper)

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TAYLOR DEVICES INC.- Experiencia El uso de disipadores fluido viscoso para la disipación de energía sísmica sobre estructuras netamente de ingeniería civil empezó en 1993. La primer aplicación fue sobre cinco edificios del CENTRO MEDICO SAN BERNARDINO COUNTY - Los Angeles, California – USA (84,000m2) Se colocaron 186 disipadores F = 145.6t

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TAYLOR DEVICES INC.- Experiencia El segundo proyecto significante fue un edificio de Servicios de Comunicación de emergencia PACIFIC BELL, Sacramento – California – USA. Se colocaron 62 disipadores Chevron, F = 13t

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TAYLOR DEVICES INC.- Experiencia Una tercera aplicación significante fue THE WOODLAND HOTEL, localizado en la ciudad de Woodland, CaliforniaUSA.

Se colocaron 16 disipadores F = 45t 1:35 a.m.


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TAYLOR DEVICES INC.- Experiencia LOS ANGELES CITY HALL Edificio de oficinas del gobierno de 32 pisos (140m) Se colocaron 52 disipadores F = 180t en paralelo con aisladores sísmicos. En la torre, 14 disipadores F = 135t

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TAYLOR DEVICES INC.- Experiencia SAN FRANCISCO CIVIC CENTER Edificio de pórtico de acero de 14 pisos Se colocaron 292 disipadores, F = 100t y 55t

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TAYLOR DEVICES INC.- Experiencia TORRE MAYOR -MEXICO Edificio más alto de México 55 pisos, destinado a oficinas. Se colocaron 98 disipadores, (74 FVD F = 280t y 24FVD 570t

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TAYLOR DEVICES INC.- Experiencia TORRE MAYOR -MEXICO

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TAYLOR DEVICES INC.- Experiencia The Pacific Northwest Baseball Stadium in Seattle, Washington Se colocaron 8 disipadores, F = 455t

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TAYLOR DEVICES INC.- Experiencia Torre Central del Aeropuerto Jorge Chávez – Lima- PERU Reforzamiento de estructura de la torre central de 10 pisos Se colocaron 42 disipadores, F = 49t y 71.2 t Se colocaron en configuración Chevron

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CONSIDERACIONES DE DISEÑO • Definir NIVEL DE DESEMPEÑO y NIVEL DEL SISMO • Sección agrietada de los elementos de concreto - Vigas: 0.50Ig - Columnas: 0.70Ig • Estudio de Peligro Sísmico – Registros de fuentes cercanas o registros sintéticos (5 registros como mínimo) • Análisis Tiempo Historia No Lineal • Análisis Dinámico Ritz Vectors

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PROCEDIMIENTO DE DISEÑO Procedimiento iterativo usando como herramienta de diseño ETABS o SAP • Se propone valores para las propiedades de los disipadores -Rigidez Axial: corresponde a la rigidez de la diagonal = EA/L - Constante de amortiguamiento del disipador, C (KN-sec/mm) - Potencia de velocidad, a (0.4 – 0.5) • Se define el arreglo y ubicación de los disipadores • Se modela los disipadores colocando las diagonales sin propiedad alguna (NONE) y se le asigna el tipo de disipador que se ha definido anteriormente. 1:35 a.m.


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EJEMPLO PRACTICO - Edificio de concreto armado (240m2) - Sistema apórticado de 12 pisos - Tipo de suelo S2 - Nivel de desempeño : Seguridad de Vida - Nivel de sismo de Diseño - Columnas: .45x.45 Vigas: .30x.60

Tf = 0.52 seg 1:35 a.m.


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EJEMPLO PRACTICO ANALISIS DINAMICO EN EL ETABS Definición de propiedades de los DISIPADORES VISCOSOS

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EJEMPLO PRACTICO ANALISIS DINAMICO EN EL ETABS

K C a

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EJEMPLO PRACTICO ANALISIS DINAMICO EN EL ETABS Ubicación de los DISIPADORES VISCOSOS

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EJEMPLO PRACTICO ANALISIS DINAMICO EN EL ETABS Ubicación de los DISIPADORES VISCOSOS

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Eje 1 y Eje 4 UPC en Estructuras Diplomado

Eje A y Eje E

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EJEMPLO PRACTICO ANALISIS DINAMICO EN EL ETABS Análisis Tiempo Historia • 5 registros escalados a un SISMO DISEÑO 1.600 1.400 1.200 1.000 0.800 0.600 0.400 0.200 0.000 0

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0.5

1

1.5

2

2.5


3

3.5

4

4.5

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EJEMPLO PRACTICO ANALISIS DINAMICO EN EL ETABS Análisis Tiempo Historia • 5 registros escalados:  dt = 0.02seg  Tiempo duración = 80seg

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EJEMPLO PRACTICO ANALISIS DINAMICO EN EL ETABS Resultados

ESTRUCTURA SIN DISIPADORES 1:35 a.m.


ESTRUCTURA CON DISIPADORES 50

EJEMPLO PRACTICO ANALISIS DINAMICO EN EL ETABS Resultados

DRIFT EN DIRECCION X PISO

A. Espect

STORY12

0.0028

STORY11

0.0047

STORY10

0.0062

STORY9

0.0072

STORY8

0.0080

STORY7

0.0085

STORY6

0.0090

STORY5

0.0096

STORY4

0.0102

STORY3

0.0109

STORY2

0.0111

STORY1

0.0077



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EJEMPLO PRACTICO ANALISIS DINAMICO EN EL ETABS DRIFT EN DIRECCION X

Resultados

PISO STORY12 STORY11 STORY10 STORY9 STORY8 STORY7 STORY6 STORY5 STORY4 STORY3 STORY2 STORY1

A. T HistoriaMax 0.0028 0.0046 0.0058 0.0067 0.0080 0.0091 0.0098 0.0103 0.0110 0.0113 0.0107 0.0070

> 0.0070



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EJEMPLO PRACTICO ANALISIS DINAMICO EN EL ETABS PISO STORY12 STORY11 STORY10 STORY9 STORY8 STORY7 STORY6 STORY5 STORY4 STORY3 STORY2 STORY1

A. T HistoriaMax 0.0021 0.0035 0.0045 0.0050 0.0056 0.0059 0.0057 0.0060 0.0064 0.0070 0.0070 0.0053

< = 0.0070

ESTRUCTURA CON DISIPADORES 1:35 a.m.


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EJEMPLO PRACTICO ANALISIS DINAMICO EN EL ETABS COMPARACION DE RESULTADOS DRIFT EN DIRECCION X Edific. SINEdific. CON AISLADORES AISLADORES

PISO

STORY12 STORY11 STORY10 STORY9 STORY8 STORY7 STORY6 STORY5 STORY4 STORY3 STORY2 STORY1 1:35 a.m.

0.0028 0.0046 0.0058 0.0067 0.0080 0.0091 0.0098 0.0103 0.0110 0.0113 0.0107 0.0070

0.0021 0.0035 0.0045 0.0050 0.0056 0.0059 0.0057 0.0060 0.0064 0.0070 0.0070 0.0053


Reducción

25% 23% 22% 25% 30% 35% 42% 41% 42% 38% 35% 24% 54

EJEMPLO PRACTICO ANALISIS DINAMICO EN EL ETABS FUERZAS DE LOS DISIPADORES PISO STORY6 STORY6 STORY6 STORY6 STORY5 STORY5 STORY5 STORY5 STORY4 STORY4 STORY4 STORY4 STORY3 STORY3 STORY3 STORY3 STORY2 STORY2 STORY2 STORY2 1:35 a.m.

F (t) 45.76 43.78 46.41 46.93 41.01 42.78 43.10 42.89 47.16 47.30 46.88 45.80 49.74 48.92 49.28 50.48 56.07 55.07 57.24 57.10

F (KN) V (mm/sec) D (mm) 448.91 80.61 13 429.48 73.78 13 455.28 82.91 14 460.38 84.78 13 402.31 64.74 14 419.67 70.45 15 422.81 71.51 15 420.75 70.81 15 462.64 85.61 15 464.01 86.12 15 459.89 84.60 16 449.30 80.75 16 487.95 95.24 15 479.91 92.12 15 483.44 93.48 15 495.21 98.09 16 550.05 121.02 17 540.24 116.74 17 561.52 126.12 19 560.15 125.51 18 Diplomado UPC en Estructuras

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EJEMPLO PRACTICO ANALISIS DINAMICO EN EL ETABS LAZO HISTERETICO DE DISIPADOR DE SEGUNDO PISO

Variar las propiedades de los amortiguadores para lograr ciclos amplios y de buena disipación. 1:35 a.m.


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EJEMPLO PRACTICO ANALISIS DINAMICO EN EL ETABS COSTO DE DE DISIPADORES VISCOSOS DISIPADOR SISMICO VISCOSO TAYLOR

EDIF. 12 PISOS APORTICADO DE CONCRETO

16 DISIPADORES F= 500KN 4 DISIPADORES F=750 KN total

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$ 140,000.00


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EJEMPLO PRACTICO DIESEÑO DE LOS ELEMENTOS ESTRUCTURALES

• Determinar el amortiguamiento alcanzado con el arreglo. • Modificar el espectro de la norma para considerar el amortiguamiento alcanzado (según FEMA u otro procedimiento conocido. • En el modelo, retirar todo el sistema de amortiguamiento. Realizar el análisis y diseñar los elementos estructurales convencionalmente.

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EJEMPLO REAL EDIFICIO GERAPAL (7 Sótanos + 13 pisos)

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EJEMPLO REAL EDIFICIO GERAPAL (7 Sótanos + 13 pisos) Resultados

EJE 2 1:35 a.m.


EJE 11 60


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MIN 12VO P 12VO P 12VO P 12VO P 11VO P 11VO P 11VO P 11VO P 10MO P 10MO P 10MO P 10MO P 9NO P 9NO P 9NO P 9NO P 8VO P 8VO P 8VO P 8VO P 7MO P 7MO P 7MO P 7MO P 6TO P 6TO P 6TO P 6TO P 5TO P 5TO P 5TO P 5TO P

L52 L53 L62 L63 L39 L40 L60 L61 L52 L53 L62 L63 L39 L40 L60 L61 L52 L53 L62 L63 L39 L40 L60 L61 L52 L53 L62 L63 L39 L40 L60 L61

F (KN) MAX -473.83 -493.79 -489.51 -500.51 -468.59 -410.76 -452.49 -423.82 -392.49 -393.08 -339.94 -388.15 -386.73 -428.48 -355.24 -372.83 -357.95 -343.66 -361.03 -355.84 -393.5 -396.54 -397.87 -390.49 -385.54 -436.11 -430.28 -472.88 -499.54 -512.86 -532.07 -603.29


V (mm/sec) 491.24 478.55 497.07 488.23 414.63 466.79 423.31 450.02 389.02 396.52 381.77 354.08 431.74 383.41 383.62 350.19 337.92 363.87 346.78 381.63 395.58 389.17 379.87 407.58 425.54 389.82 466.89 445.28 504.28 495.37 601.43 540.91

614 598 621 610 518 583 529 563 486 496 477 443 540 479 480 438 422 455 433 477 494 486 475 509 532 487 584 557 630 619 752 676

82 78 83 81 62 75 64 71 55 57 54 47 66 54 54 46 44 50 46 54 57 55 53 60 64 56 75 69 85 83 114 96

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F (KN)

16Disipadores

750

16Disipadores

500

32DISIPADORES

C (KN-sec/mm)

5 - 12 PISO

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50


a

0.6

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EJEMPLO REAL EDIFICIO GERAPAL (7 Sótanos + 13 pisos)

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INCIDENCIA DE UN AISLADOR – DISIPADOR Vs. COSTO CONSTRUCCION

Todos sabemos que estamos próximos a recibir un GRAN SISMO Existe la TECNOLOGIA y AHORA es muy factible de utilizar… Difundamos estos nuevos sistemas y esperemos que por lo menos edificaciones esenciales como puentes, colegios, Hospitales, Clínicas, cuenten con éstos Sistemas de Protección Antisísmica.

1:35 a.m.


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Disipadores de Energia Fluido Viscoso

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