amador terán gilmore - smie · los enfoques innovadores en ingeniería sísmica se centran en la...
TRANSCRIPT
Diseño de Sistemas Pasivos
de Disipación de Energía
1. Introducción
Amador Terán Gilmore
1.1. Papel del ingeniero
estructural en un
desarrollo sustentable
En cuestiones ambientales, es posible decir que el destino nos
alcanzó.
Aunque el calentamiento global ha aparecido mucho en las
noticias, este no es el único problema que tenemos…
Desde cada rincón de la sociedad nos llegan muestras
concretas de un compromiso con un desarrollo sustentable…
¿Y desde el rincón de los
ingenieros civiles?
Hechos
1. Los materiales de construcción son de los más usados en la tierra después del agua. Por ejemplo, cada año se fabrica un metro cúbico de concreto por cada habitante del planeta (somos casi 7000 millones).
Otros hechos:
2. La fabricación y uso de cemento es la fuente de gases
invernadero que exhibe una mayor tasa de
crecimiento. El cemento es ya la tercera fuente
generadora de dióxido de carbono (5 a 7% del total
mundial).
3. De acuerdo a cifras recientes, la industria del acero
contribuye entre 3 y 4% a la producción mundial de
gases invernadero.
Y más hechos:
3. En términos de su contribución al agotamiento de los
recursos naturales, es importante resaltar que la
industria de la construcción utiliza del 25 al 50% de
los recursos naturales vírgenes que anualmente
consume la humanidad regionalmente.
4. Además, dicha industria contribuye con porcentajes
similares en términos del desecho generado
anualmente por el ser humano.
¿Qué puede hacer el ingeniero
estructural?
Lograr mejores resultados
mediante el uso de menos
recursos naturales.
1.2. Hacia un nuevo
concepto de
sismorresistencia
En términos estructurales, hacer que una estructura
soporte su peso es mucho mas fácil que diseñarla para que
resista simultáneamente cargas gravitacionales y laterales
debidas a sismo. Bajo este contexto, es necesario invertir
más cuidado y recursos naturales en la construcción de
edificaciones sismorresistentes. El paradigma actual de
diseño no promueve el uso eficiente de los recursos
naturales del planeta. Deben hacerse cambios profundos
para hacer posible el desarrollo sustentable de México.
Para proteger los recursos naturales invertidos en
nuestro medio construido, es necesario entender que la
función del ingeniero estructural comprende la
obligación de satisfacer las cada vez más complejas
necesidades y expectativas que surgen de la construcción
de obras de ingeniería civil.
18.0%
62.0%
20.0%
13.0%
70.0%
17.0%
8.0%
48.0%
44.0%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Office Hotel Hospital
Contents
Nonstructural
Structural
Las pérdidas económicas por sismo no se deben en
su mayoría al daño estructural que sufren nuestras
estructuras.
(Fuente: Miranda)
¿Cómo invertimos nuestros recursos económicos y
ambientales?
Se requiere entonces un enfoque integral de control de
daño:
Estructura =
85-90% Valor Total
Sistema estructural
Sistema no estructural
Contenidos
¿Cómo se protegen los recursos invertidos?
El nivel de daño o de degradación que sufren los
elementos estructurales y no estructurales dependen
de los valores del desplazamiento lateral.
Un menor nivel de respuesta implica menor nivel de
daño.
Operación
InmediataSeguridad
de Vida
Prevención
De Colapso
En años recientes, se ha ido consolidado el planteamiento de
que el control de las demanda máxima de deformación
lateral es una manera racional y efectiva de controlar el
daño estructural y no estructural.
Fuente: Torres, Flores et al.
Fuente: Nakano et al.
Fuente: Moehle
Proteger los contenidos implica controlar las demandas
máximas de velocidad y aceleración.
Las propiedades estructurales de una estructura
deben proporcionarse para controlar, dentro de
límites técnicos y económicos aceptables, su
respuesta dinámica durante las excitaciones sísmicas
de diseño.
1.3. Innovación dentro del
contexto del diseño
sismorresistente
Objetivos de diseño de una estructura de ocupación
estándar:
• Resistir sin daño niveles menores de movimiento
sísmico;
• Resistir sin daño estructural, aunque posiblemente
con algún tipo de daño no estructural, niveles
moderados de movimiento sísmico;
• Resistir sin colapso, aunque con algún tipo de
daño estructural y no estructural, niveles mayores
de movimiento sísmico.
Por ejemplo, las Normas Técnicas Complementarias
para Diseño por Sismo del RCDF definen el siguiente
alcance:
Bajo el sismo máximo probable las estructuras diseñadas
conforme a estas normas no exhibirán fallas estructurales
mayores ni resultarán en pérdida de vidas humanas.
El Código Chileno de Diseño Sismorresistente se
fundamente en la misma filosofía. ¿Cuál es el
resultado final de aplicar esta filosofía? ¿Como les fue
a los 15 millones de chilenos durante el sismo de Maule
de 2010?
• 500 muertes
• Pocos colapsos
• Dos millones de afectados
• 30+ billones de dólares en pérdidas
• Muchos edificios por demolerse
• 4+ años para reconstrucción
• Estructuras esenciales no operables (hospitales)
¡La ingeniería civil chilena logró alcanzar
el objetivo de diseño en el que se fundamenta su
código!
¡¡¡Y sin embargo!!!
¿Son aceptables las consecuencias del sismo de Maule?
¿Desde una perspectiva socio-económica? ¿Desde una
perspectiva de sustentabilidad?
No puede hablarse de un fracaso de la ingeniería
chilena. En todo caso, debe analizarse el alcance del
enfoque actual del diseño sismorresistente. Lo hechos
lo identifican como un enfoque incompleto, e incapaz
de satisfacer las necesidades de las sociedades
modernas. Es necesario y posible innovar.
Considere el caso de Japón: solicitudes para uso de
sistemas de aislamiento.
Número de Edificios
Día de Aprobación
Sismo de Kobe
1995
Fuente: Clark et al.
Desde 1999,
aproximadamente
el 70% de los
edificios de más de
60 metros
construidos en
Japón han sido
diseñados con
algún tipo de
dispositivo de
control.
La innovación en ingeniería sísmica puede entenderse
a partir del planteamiento de sistemas estructurales,
tradicionales o innovadores, que puedan controlar
adecuada y eficientemente el nivel de daño en las
estructuras a través de controlar su respuesta
dinámica durante excitaciones sísmicas de diferente
intensidad.
Los enfoques innovadores en
ingeniería sísmica se centran
en la adición de dispositivos
mecánicos o estructurales
especiales al sistema
estructural convencional (o
primario). Debido a su
vocación de controlar el nivel
de daño en la estructura, no
estructura y contenidos, estos
dispositivos se conocen como
sistemas o dispositivos
protectores.
1.3.1 Sistemas de
Aislamiento
Desacoplan los sistemas estructurales de edificios y puentes
de las componentes dañinas del movimiento del terreno.
Sa Sd
T (seg) T (seg)
TBR TAIS TBR TAIS
ξ = 0.02
ξ = 0.10-0.20
μ = 1 μ = 1
Fuente: De la Llera
1.3.2 Sistemas Pasivos de
Disipación de Energía
Fuente: Taylor
Proveen capacidad de disipación de energía a través de
fusibles estructurales discretos.
• Dependientes de la velocidad
– Dispositivos viscosos (líquidos)
– Dispositivos visco-elásticos (líquidos o sólidos)
• Dependientes del desplazamiento
– Dispositivos metálicos
– Dispositivos de fricción
• Otros
– Dispositivos auto-centrantes (aleaciones con memoria de forma)
Los dispositivos de disipación pasiva de energía pueden
clasificarse en:
Dispositivos viscosos
(líquidos)
Dependientes de la velocidad:
)(tPkuucum
)(tPkuucum
Fuerza
Desplazamiento
Fuerza
Desplazamiento
Sa Sd
T (seg) T (seg)
TBR TBR TAIS
ξ = 0.02
ξ = 0.10-0.20
μ = 1 μ = 1
Efecto en la respuesta dinámica de la estructura:
Cortante
Basal
Desplazamiento
de Azotea
Sin amortiguadores
Con amortiguadores
viscosos
¿Que tanto daño? ¿Economicamente factible?
Costo Directo
Desempeño
Ventajas:
• Confiabilidad
• Alta capacidad para acomodar fuerzas y desplazamientos
• No se añade rigidez a frecuencias bajas
• Fuerza de amortiguamiento fuera de fase con las fuerzas elásticas
• Dependencia moderada con respecto a la temperatura
• Posible plantear un análisis elástico (amortiguador lineal y estructura elástica)
• Costo Directo
• No se añade rigidez a frecuencias bajas
• Necesidad de análisis no lineal en la mayoría de los casos (en general no es posible añadir suficiente amortiguamiento como para eliminar las demandas plásticas en la estructura).
Desventajas:
Dispositivos visco-elásticos
(líquidos o sólidos)
Sólidos Líquidos
)(tPkuucum
Fuerza
Desp
Fuerza
Desp
Fuerza
Desp= +
Dependientes de la velocidad (y el desplazamiento):
Sa Sd
T (seg) T (seg)
ξ = 0.02
ξ = 0.10-0.30
μ = 1 μ = 1
Efecto en la respuesta dinámica de la estructura:
Cortante
Basal
Desplazamiento
de Azotea
Sin amortiguadores
Con amortiguadores
visco-elásticos
Costo Directo
Desempeño
¿Que tanto daño? ¿Economicamente factible?
Las ventajas y desventajas de los dispositivos visco-elásticos
son similares a las discutidas para los dispositivos viscosos.
La excepción es que los primeros añaden rigidez a la
estructura.
Dispositivos histeréticos
Metálicos (fluencia)
ADAS
TADAS
Fuerza
Desplazamiento
Vista en Planta
Núcleo
(fluye)
Vista lateral
Tubo de acero
A
A
Corte A-A
Tubo de
acero
Material
desadherenteNúcleo de
acero
Material
confinante
Vista en Planta
Núcleo
(fluye)
Vista lateral
Tubo de acero
A
A
Corte A-A
Tubo de
acero
Material
desadherenteNúcleo de
acero
Material
confinante
Contravientos restringidos contra pandeo
)()( tPtfucum s
Fuerza
Desplazamiento
Dependientes del desplazamiento:
Sa Sd
T (seg) T (seg)
ξ = 0.02
ξ = 0.10-0.30
μ = 1 μ = 1
Efecto en la respuesta dinámica de la estructura:
Un enfoque promisorio desde el punto de vista de
sismorresistencia se centra alrededor del concepto de
Sistemas Estructurales Tolerantes a Daño.
Lo de Tolerante a Daño se refiere a que el daño por sismo,
que debe controlarse a niveles aceptables, se concentre
en los dispositivos histeréticos. Su función es constituirse
en fusibles estructurales que protejan al sistema
primario.
Sistema
gravitacional
Elementos de
sacrificio
Sistema
gravitacional
Vb
δaz
Vb
δaz
Sistema completo
Vb
δaz
Elementos de
sacrificio
Cortante
Basal
Desplazamiento
de Azotea
Sin amortiguadores
Con amortiguadores
histeréticos
¿Que tanto daño? ¿Economicamente factible?
Ventajas:
• Confiabilidad
• Fuerza limitada
• Fáciles de construir
• Se modelan de manera directa
• Bajo Costo
• Añaden rigidez
Desventajas:
• Deben reemplazarse después de sismos mayores
• Comportamiento no lineal
• Posibles deformaciones residuales
• Añaden rigidez
1.3.3 Sistemas Activos
Aportan protección sísmica a través de imponer a la
estructura una serie de fuerzas internas que contrarrestan
las fuerzas inducidas por sismo. Estos sistemas están
conformados por actuadores controlados por computadora
que activan una serie de elementos estructurales
(contravientos o amortiguadores de masa) ubicados en la
estructura.
1.3.4 Sistemas Híbridos
Representan combinaciones de sistemas activos y pasivos.
1.4. Conceptos de
disipación pasiva de
energía
Ventajas
– Reducir deformaciones dañinas en elementos
estructurales y no estructurales del sistema principal
– Reducir los niveles de aceleración y velocidad en
contenidos
– Eficiencia
Desventajas
– Falta de normatividad
– Mayor conocimiento
– Tiempos
– Costos
Distinción entre amortiguamiento natural y adicional:
Amortiguamiento natural.
Es una propiedad estructural que depende
de la masa, rigidez y mecanismos inherentes
de disipación de energía del sistema
ξn = 1 a 7%
Amortiguamiento adicional.
Es una propiedad estructural que depende
de la masa y rigidez del sistema, y del
coeficiente de amortiguamiento de los
dispositivos que se añaden
ξa = 10 a 30%
Amortiguamiento natural:
Frecuencia
% de amortiguamiento
crítico
Aceleración máxima del terreno, %g
Ecuación de balance de energía
Energía histerética
Amortiguamiento inherente
Amortiguamiento viscoso adicional
HDADIKSI EEEEEE )(
Sistema gravitacional
Dispositivos histeréticos
Dispositivos viscosos o
visco-elásticos
Energía cinética
Energía de defor-
mación elástica
Tratamiento Matemático
Caso 1. Disipadores Viscosos
Análisis lineal o no lineal, amortiguamiento no clásico
)()( tumtfucucum gsan
Dispositivos viscosos
Marcos
Momento-resistentes
Fuerza
Desp
Caso 1. Simplificación
Análisis lineal, amortiguamiento clásico. Muy parecido
a lo que hacemos en un análisis dinámico modal pero con
mayor nivel de amortiguamiento.
)(tumkuucum geq
Dispositivos viscosos
lineales
Fuerza
Desp
Marcos
Momento-resistentes
Caso 2. Disipadores Visco-elásticos
Análisis lineal o no lineal, amortiguamiento no clásico
)()( tumtfucucum gsan
Dispositivos visco-elásticos
Fuerza
Desp
Marcos
Momento-resistentes
Caso 2. Simplificación
Análisis lineal, amortiguamiento clásico. Muy parecido
a lo que hacemos en un análisis dinámico modal pero con
mayor nivel de amortiguamiento.
)(tumukucum geqeq
Marcos
Momento-resistentes
Dispositivos visco-elásticos
Fuerza
Desp
Caso 3. Disipadores Histeréticos
)()( tumtfucum gs
Dispositivos histeréticos
Análisis no lineal, amortiguamiento clásico.
Marcos
Momento-resistentes
Caso 3. Simplificación
)(tumkuucum geq
Análisis lineal, amortiguamiento clásico.
Dispositivos histeréticos
Marcos
Momento-resistentes
Fuerza
Desp
Fuerza
Desp= +
Lo anterior implica:
Linearización de dispositivos dependientes del desplazamiento
Fuerza en
dispositivo
Rigidez efectiva del
dispositivo
Porcentaje
equivalente de
amortiguamiento
del dispositivo
Fu
erza
, F
Desplazamiento, D
Área, WD
Pendiente, keff
DkF eff
DD
FFkeff
22
1
aveeff
Deff
Dk
W
Observaciones Finales
Algunos procedimientos simplificados de análisis permitenel modelado elástico de la estructura con disipadores y un enfoque de amortguamiento clásico. Para ello, se estableceun porcentaje de amortiguamiento viscoso generalizadopara toda la estructura. Aunque este enfoque es útil parael diseño preliminar, normalmente se requieren de análisisno lineales estáticos (pushover) o dinámicos (paso a paso) para la revisión final del diseño.
En general, no es conveniente tratar de sustituir a nivel dispositivo un amortiguador dependiente del desplazamiento por uno dependiente de la velocidad. En particular, algunos procedimientos simplificados de análisis permiten tal sustitución a nivel estructura, para lo cual se establece un porcentaje de amortiguamiento viscoso generalizado para toda la estructura. Tal como se comentó antes, este enfoque es útil para el diseño preliminar, y no es conveniente utilizarlo para la revisión final del diseño.