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ESTRUCTURAS II ALUMNA: PANEZO SABANDO CAMILA NICKOLE DOCENTE: ING. DARIO PÁEZ CURSO: 6° SEMESTRE “A”
INFORME ACERCA DEL 1er INTERNACIONAL DE ESTUDIANTES Y PROFESIONALES PROFESIONALES TEMA: “EMPLEO DE DISIPADORES DE ENERGÍA PARA REDUCIR LA VULNERABILIDAD SÍSMICA D ESTRUCTURAS EXISTENTES ” PONENTE: DR. GUSTAVO PALAZZO
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ÍNDICE 1.- Introducción 2.-Desarrollo del informe 2.1.-Planteo del problema: Hall Center FRM-UTN (construido en 1966) 2.2.- Conceptos básicos 2.3.-Etapas del proceso evaluación/ rehabilitación 2.4.-Evaluación sísmica de la estructura existente 2.5.-Energía disipada de una construcción tradicional 2.6.- Rehabilitación sísmica mediante disipadores de energía 2.7.-Energpia disipada 2.8.-Amortiguamiento efectivo 3.-Bibliografía
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INTRODUCCIÓN En el presente informe se detalla lo expuesto por el doctor Gustavo Palazzo, el día 11 de diciembre del presente año, en la exposición se presentó el tema del empleo de disipadores de energía para reducir la vulnerabilidad sísmica de estructuras existentes, dicho tema nos explico acerca del correcto uso de los disipadores de energía en base a las normas de construcción ecuatorianas, estos disipadores son capaces de absorber la energía generada por terremotos de grado 8, cuando se producen sismos de gran intensidad los disipadores se activan absorbiendo la energía en puntos específicos protegiendo así al resto de elementos del edificio. Los disipadores de energía permiten construir estructuras en altura más económicas y con altos niveles de seguridad durante sismos severos. La disipación de energía se logra mediante la introducción de dispositivos especiales en una estructura, con el fin de reducir las deformaciones y esfuerzos sobre ella. Estos dispositivos reducen la demanda de deformación y esfuerzos producidos por el sismo mediante el aumento del amortiguamiento estructural. Como resultado los esfuerzos inducidos por el sismo en la estructura pueden ser hasta un 50% menores que los correspondientes a la estructura sin disipadores, reduciendo sustancialmente las incursiones inelásticas (daño) de la estructura. La estructura sin disipadores de energía sobrevive el sismo severo disipando energía en sus elementos principales, los que sufren daño. En la estructura con disipadores, la energía es absorbida por estos dispositivos reduciendo significativamente las deformaciones y el daño estructural. Los disipadores de energía modifican la propiedad dinámica de amortiguamiento del sistema estructural de modo que las vibraciones inducidas por la excitación son absorbidas por estos dispositivos. Su utilización es especialmente adecuada en edificios flexibles fundados sobre cualquier tipo de suelo.
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DESARROLLO DEL INFORME PLANTEO DEL PROBLEMA: HALL CENTER FRM-UTN (construido en 1966) CONCEPTOS BÁSICOS Rehabi litación sísmi ca: Mejora en el desempeño sísmico de elementos estructurales o no
estructurales de una construcción, para corregir deficiencias detectadas en una evaluación sísmica. Para saber si una estructura necesita ser rehabilitada o no, debe ser evaluada; para ello se han desarrollado diferentes métodos, los cuales varían de acuerdo al Reglamento de cada país. Es cierto que en muchos lugares no existe una legislación al respecto (donde aparezcan normas especiales aplicables a edificaciones o diversas estructuras). En nuestro país utilizamos las normas establecidas por el NEC-11 la cual dice que: “ La rehabilitación sísmica de edificios se ejecutará de acuerdo a la norma SEISMIC REHABILITATION OF EXISTING BUILDINGS, ASCE 41.” Cuando del estudio de la evaluación de la seguridad estructural de una edificación se concluya que ésta cumple la normativa vigente y sólo presenta daños ligeros y locales, se hará un proyecto de rehabilitación que considere la restauración de dichos elementos. Si, a la inversa, se concluye que no cumple con la normativa vigente, se presentan daños graves y generalizados o se detectan situaciones que ponen en peligro la estabilidad de la estructura, deberá elaborarse un proyecto de rehabilitación que considere no sólo la restauración de los elementos dañados sino el refuerzo y la reestructuración del inmueble. El estudio de evaluación podrá igualmente recomendar la demolición total o parcial de la estructura. Evaluación sí smica: Metodología o procedimiento para determinar deficiencias en un
edificio, según objetivos de rehabilitación. Su objetivo es evaluar con una aproximación razonable y en corto tiempo la seguridad de las edificaciones afectadas. Las personas que realicen esta evaluación, deben ser dos ingenieros civiles, de los cuales al menos uno debe ser especialista en estructuras, con experiencia en diseño estructural y comportamiento sísmico de edificaciones. Se debe efectuar la revisión de los antecedentes de peligro sísmico de la región, con el objeto de determinar el riesgo sísmico de la estructura. Se deben validar las características del sismo máximo probable definidas en el estudio sismológico, desde la perspectiva de la demanda máxima creíble que puede afectar al edificio. Para la determinación de las características del movimiento fuerte se pueden utilizar procedimientos tanto determinísticos como probabilísticos. Criterios para evaluación: “EMPLEO DE DISIPADORES DE
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a. Habitable: - El sistema resistente no presente reducción significativa en su capacidad y no existe inestabilidad potencial. - La capacidad de resistir cargas no se ha visto disminuida. - No hay peligro de falla o caída de objetos. - No existen asentamientos de terreno ni daños importantes en la subestructura. - Las escaleras y salidas principales son accesibles. b. Cuidado: - Existen dudas serias acerca de la seguridad estructural. - Incertidumbre acerca de la posibilidad de daños adicionales por peligros geotécnicos. c. Insegura: - Es posible el derrumbe por la propia carga gravitacional. - Deslizamiento de talud, etc. En la imagen del pórtico de hormigón armado se muestra que este está siendo sometido a vibraciones que simulan sismos.
Ilustración 1 Pórtico de Hormigón Armado ensayado en mesa vibradora
ETAPAS DEL PROCESO EVALUACIÓN/REHABILITACIÓN Evaluación sísmica de la construcción en su estado actual, en función de los objetivos de desempeño. Diseño de la rehabilitación sísmica (si es necesaria). Evaluación sísmica de la estructura rehabilitada.
ETAPA DEL PROCESO DE REHABILITACIÓN SÍSMICA La ejecución de un estudio de rehabilitación debe contener al menos lo siguiente: “EMPLEO DE DISIPADORES DE
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2013-2014 • Definición del objetivo de rehabilitación • Selección de estrategias de rehabilitación • Levantamiento de información y ensayos • Modelación, análisis y • Diseño y Rehabilitación
ETAPAS DEL PROCESO DE EVALUACIÓN SÍSMICA Cubicación Estudio del detallamiento del refuerzo estructural Definición de cargas Determinación de mecanismo de falla Criterio de modelación Análisis de factores de esfuerzos y factores de utilización
EVALUACIÓN SÍSMICA DE LA ESTRUCTURA EXISTENTE Puede plantearse un diseño sísmico basado en desempeño: Hay que definir el nivel de desempeño esperado para la estructura, para distintos niveles de intensidad del input sísmico.
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Simulación numérica para la evaluación sísmica (modelo computacional)
Procedimientos de análisis (estático y dinámico): . Lineales . No lineales
Control de la simulación numérica mediante identificación de sistemas
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Defin ición del in put sísmi co
Resultados de la evalu ación sí smica: considerar los criterios de aceptación del
reglamento, en función del desempeño esperado.
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Considerar el mecanismo de colapso (análisis estático no lineal)
Puede indicarse hora si es necesaria una rehabilitación sísmica
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ENERGÍA DISIPADA DE UNA CONSTRUCCIÓN TRADICIONAL La variación de las cantidades de energía en una estructura durante un terremoto se puede visualizar a través de la analogía del flujo de agua.
No ha daño si el com ortamiento es elástico lineal Del libro: Christoloulos, C. y Filiatrault, A. (2006). Principles of passive supplemental damping and seismic isolation. IUSS Press, Pavía, Italia
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Daño
REHABILITACIÓN SÍSMICA MEDIANTE DISIPADORES DE ENERGÍA
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Los sistemas de disipación pasiva de energía se incor poran a la estr uctu ra pr inci pal como dispositivos especiales. , ya que se busca que la disipación de energía se L a estr uctur a pri ncipal es protegida produzca principalmente en los dispositivos incorporados, los cuales pueden ser inspeccionados y reemplazados luego de un terremoto. Idealmente, si toda la ener gía se disipa en los dispositi vos menci onados, la estr uctura . pr incipal no suf riría dañ o Los r equeri mi entos para los sistemas de control de respuesta sísmica (sistemas de aislamiento sísmico, sistemas de disipación pasiva de energía y sistemas de control activo) se presentan en la sección 2.1.24 de las normas ecuatorianas de la construcción (NEC) las mismas que especifican lo siguiente: “Son sistemas y dispositivos adaptados a las estructuras que, al modificar las características dinámicas de las mismas, controlan y disipan parte de la energía de entrada de un sismo y permiten reducir la respuesta sísmica global de la estructura y mitigar su daño ante sismos severos. Pueden clasificarse en 3 grupos: sistemas de aislamiento sísmico, sistemas de disipación pasiva de energía y sistemas de control activo.” Un evento sísmico que tiene una probabilidad del 10% de ser excedido en 50 años, equivalente a un periodo de retorno de 475 años, determinado bien a partir de un análisis de la peligrosidad sísmica del sitio de emplazamiento de la estructura o a partir de un mapa de peligro sísmico, tal como el proporcionado por esta norma. Para caracterizar este evento, puede utilizarse un grupo de acelerogramas con propiedades dinámicas representativas de los ambientes tectónicos, geológicos y geotécnicos del sitio, conforme lo establece esta norma. Los efectos dinámicos del sismo de diseño pueden modelarse mediante un espectro de respuesta para diseño, como el proporcionado en esta norma.
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, para Sistemas de aislamiento: Consiste en r educir la apertur a del techo minimizar la cantidad de agua que ingresa a la construcción. Sistemas de di sipaci ón pasiva de ener gía : Consiste en minimi zar o eliminar la canti dad de agua almacenada en el r ecipi ente de energía histeré ti ca (directamente
relacionada con el daño). Del libro: Christoloulos, C. y Filiatrault, A. (2006). Principles of passive supplemental damping and seismic isolation. IUSS Press, Pavía, Italia EDI FI CACIONES DONDE SE HA N EM PLEAO DI SI PAORES DE ENE RGÍA
Fotografía 1 Torre TITANIUM (Santiago, Chile)
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Fotografía 2 Disipador de energía empleado en la Torre TITANIUM
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Fotografía 4 Escuela de Italia (Revista Proyectazione Sísmica, Setiembre 2013)
Fotografía 3 Escuela (Fip Industriale)
Fotografía 5 Empleo de los disipadores de energía en la Escuela de Italia
F ABRI CANTE S DE DI SI PADORES DE E NERGÍA
Entre los principales fabricantes de disipadores de energía se encuentra las empresas estadounidenses TAYLOR y THE UNBONDED BRACE, la empresa canadiense PALL DYNAMICS, la empresa italiana FIP INDUSTRIALE.
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Para el diseño sísmico de sistemas con disipación pasiva de energía se seguirá el Capítulo 15 del FE M A 450 (2004) el cual nos indica que cada estructura con un sistema de amortiguación y cada parte de la misma deberá ser diseñado y construido de acuerdo con los requisitos de estas disposiciones modificadas por el presente capítulo. Para estructuras con sistemas de control sísmico, y cuando Z > 0,30, la respuesta máxima se determinará mediante mé todos de análisis no lineal . La rehabilitación sísmica de edificios se realizará de acuerdo a la norma Seismic rehabilitation of existing building, ASCE / SEI 41 (2013) – basada en el FEMA 356.
Los dispositivos activados por desplazamiento di sipan ener gía a tr avé s del desplazamiento . Son en general independientes de la relativo que se produce entre los puntos de conexión frecuencia del movimiento.
Disipador metálico ADAS de Bechtel Co.
Disipador de fricción de Pall D namics Ltd. “EMPLEO DE DISIPADORES DE
Sistema de autocentrado para nudo resistente a momento en estructura metálica, propuesto por Christopoulos el
Disi ador de fluido viscoso
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Fotografía 7 Relación de desplazamiento de fuerza de amortiguador histerético
Se introduce un segun do recipiente de agua para la salida del r ecipiente de energía de , con una descarga a un nivel inferior que para el recipiente de energía deformación
histerética. Este recipiente representa la cantidad de energía de deformación crítica que es absorbida por la estructura cuando se activan los disipadores de energía activados por desplazamiento. De esta manera se reduce el f lujo de agua al recipi ente de energía histeré . ti ca
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Los dispositivos activados por velocidad disipan energía a tr avé s de la velocidad r elativa que se pr oduce entr e los puntos de conexi ón . La respuesta fuerza – desplazamiento es en general dependiente de la frecuencia del movimiento. Además, la fuerza generada por estos dispositivos en la estructura, y debidas al movimiento, está usualmente fuera de fase respecto de las fuerzas internas generadas en ella. Esto conduce a menores fuerzas de diseño en la estructura y en las fundaciones.
Fotografía 1 Amortiguador viscoso, relación fuerza desplazamiento bajo carga sinusoidal
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La presencia de los disipadores hace que la pé r dida de fluj o del agua que cir cul a por la bomba que conecta los recipientes de energía cinética y energía de deformación sea mayor . Se reduce de esta manera el flujo de energía total en la estructura. Los dispositivos activados por movimiento modifican el f lu jo de energía en l a estr uctu r a a . Ejemplo: amortiguadores de masa tr avé s de la vi br ación de un segundo sistema sintonizada, que es un sistema masa – resorte relativamente pequeño que se incorpora en la estructura a los efectos de reducir la respuesta dinámica. Este sistema es sintonizado para estar en resonancia con la estructura principal donde se instala. Bajo una excitación dinámica el TMD vibrará con la misma frecuencia que la estructura principal, pero fuera de fase, desviando el input de energía desde la estructura principal a este segundo sistema. El input de energía es disipado por las fu er zas de inercia aplicadas por el TM D sobre la estru ctura pr in cipal. Tienen aplicaciones sísmicas solo en años recientes.
TMD instalado en 1973, la torre nacional de Canadá, en Toronto, para reducir los efectos del viento. “EMPLEO DE DISIPADORES DE
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La introducción de TMD pr oduce un a r educci ón de la ener gía ci né ti ca desde el recipiente del sistema principal al recipiente correspondiente al TMD. Si el sistema TMD fuera perfecto, toda el agua que se acumula en el recipiente de energía cinética del sistema principal pasaría al recipiente del TMD, sin que hubiera flujo que circule hacia el recipiente de energía de deformación.
ENERGÍA DISIPADA La energía disipada es la energía que ha perdido el cuerpo y corresponderá, según el teorema de las fuerzas vivas, a la variación de energía cinética. La disipación de energía se logra mediante la introducción de dispositivos especiales en una estructura, con el fin de reducir las deformaciones y esfuerzos sobre ella. Estos dispositivos reducen la demanda de deformación y esfuerzos producidos por el sismo mediante el aumento del amortiguamiento estructural. Como resultado los esfuerzos inducidos por el sismo en la estructura pueden ser hasta un 50% menores que los correspondientes a la estructura sin disipadores, reduciendo sustancialmente las incursiones inelásticas (daño) de la estructura M odelo matemáti co expresado en f uer za m x(t ) c x (t ) k x( t ) f (t )
M odelo matemáti co expr esado en energía
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() () ()
()
() () ()
En er gía vibr acional: porción del input de energía, que no ha sido disipada por
amortiguamiento viscoso o por el sistema de disipación agregado a la estructura. La estructura principal estará más protegida cuando E vb(t) sea mínima en todo tiempo t .
() Input de energía sísmica
() () Suma de la energía disipada por amortiguamiento viscoso en los
elementos de la estructura principal, y por el sistema de disipación agregado. Para que Evb(t) sea mínimo, la diferencia entre el input de energía sísmica y la suma de energías disipadas debe minimizarse. Entonces el criterio de diseño no es maximizar la cantidad de energía disipada por el sistema de disipación que se agrega, sino minimizar la diferencia entre energía input y la energía disipada por ese sistema.
AMORTIGUAMIENTO EFECTIVO M odelo físico: Modelo masa resorte, con un grado de libertad (sistema forzado y
amortiguado).
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2013-2014 m x(t ) c x (t ) k x(t ) f (t )
M odelo matemático:
() () () ()
La ener gía disipada por ciclo debida al amortiguamiento viscoso es igual al área de la elipse: Fuerza de amortiguación, cx
Amortiguación combinada y la fuerza estructural, cx+kx
Fuerza estructural, kx
P
P
P x
x
x
E v c
F Amort . visc. máx.
xmáx
p0 x0
2
E v
2 c x0
x0 x0
E v x0
2
E v 2 T
x0
2
2
E v 2
T
2
x0
2
T
Fuente: Clough y Penzien, Dinámica estructural La energía disipada por ciclo para un modelo elastoplástico es (si x0 > x y ): E ep 4 p y x0 x y Si se iguala la energía disipada por ciclo debida al amortiguamiento viscoso con la energía disipada para el modelo elastoplástico: E v 2
2 c x0
E ep
2
T c x0
E ep
E ep
2
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E ep x0
2
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eff
ceff ccrít k
2 E F
x0
ccrít eff
d
2
2 k
E ep 4 E F
d
1er Estado: Corresponde al tiempo para el cuál la estructura está en su máximo
desplazamiento. Este estado será crítico para estructuras con disipadores activados por desplazamiento. 2do Estado: Corresponde al tiempo para el cuál la estructura está en su máxima velocidad
y desplazamiento nulo. Este estado será crítico para estructuras con disipadores activados por velocidad. Se indican en el FEMA las ecuaciones correspondientes a las fuerzas a aplicar al modelo para este estado. 3er Estado: Corresponde al tiempo para el cuál la estructura experimenta sus
aceleraciones máximas, que corresponde a las cargas de inercia máximas aplicadas en la estructura en conjunto con las fuerzas correspondientes en los disipadores. Se indican en el FEMA las ecuaciones correspondientes a las fuerzas a aplicar al modelo para este estado. Las relaciones fuerza – desplazamiento y los valores de amortiguamiento asumidos en el diseño de la estructura con disipadores debe ser confirmada por ensayos. Además los estudios experimentales deben demostrar la robuztes de los dispositivos para demandas sísmicas importantes. Se consideran ensayos de prototipos sobre 2 dispositivos a escala real por cada clase y tamaño empleado en el diseño. El procedimiento de análisis y diseño de la construcción con disipadores debe ser revisado por un ingeniero independiente.
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BI BL I OGRAFÍA http://www.luisbozzo.com/files/Castellano/fil38941.pdf http://www.sigweb.cl/biblioteca/DisipacionEnergia.pdf http://bvpad.indeci.gob.pe/doc/pdf/esp/doc320/doc320_7b.pdf http://www.proteccioncivil.gob.mx/work/models/ProteccionCivil/Resource/59/2/images/bm.pdf http://es.scribd.com/doc/40088784/DISIPACION-DE-ENERGIA http://www.escire.com/tag/energia-cinetica/ Normas Ecuatorianas de la Construcción Capitulo 2 Normas Ecuatorianas de la Construcción Capitulo 2 http://www.wbdg.org/ccb/DHS/fema450_1.pdf
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