amador terán gilmore - smie · los enfoques innovadores en ingeniería sísmica se centran en la...

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.