DISIPADORES DE ENERGA EN BASE AL CAUCHO PARA LA PROTECCIN SSMICA DE ESTRUCTURAS

K.N.G. Fuller1, H.R. Ahmadi1, I.R. Goodchild1, G. Magonette2, Favio Taucer2, Claude Dumoulin3

Traduccin: Ing. Jorge Lezama G. Estructuras Antissmicas EIRL.

RESUMEN

La incorporacin de un amortiguador adicional dentro de una estructura proporciona una forma de reducir la magnitud de las respuestas de aceleracin y desplazamiento producidas por un sismo cuando el uso del aislamiento de base no es posible o apropiado. El presente trabajo comprende el desarrollo de un disipador basado en el caucho para su uso en un edificio aporticado de concreto armado, no obstante un dispositivo similar puede ser tambin adecuado para cualquier tipo de edificio con un rigidez de entrepisos comparable. El objetivo es que los amortiguadores proporcionen un mejoramiento de las prestaciones de los diseos convencionales de tal forma que el edificio responda elsticamente cuando est sujeto a cargas ssmicas a nivel de diseo. La eficiencia de los amortiguadores desarrollados ha sido establecida tanto analticamente como en pruebas seudodinmicas de un modelo de parte de la estructura de un edificio. El material desarrollado tiene un factor de prdida de alrededor de 0.4 y muestra un cambio en el mdulo de corte de alrededor de un factor de 3 entre -20 y 50 C; este material tiene mucho menor sensibilidad a la temperatura que cualquier material comercialmente disponible. El edificio es un bloque de oficinas de concreto reforzado de 4 niveles con una altura total de 13.6 mt. y 52.5 x 19.5 mt. de dimensiones en planta. El anlisis mostr que la respuesta del edificio puede ser elstica (desplazamiento de entrepisos < 10mm) mediante la insercin de un dispositivo con una rigidez de alrededor de 40MN/m en cada cruga externa sobre los lados ms largos del edificio. La eficiencia de los disipadores fue establecida mediante pruebas seudodinmicas (PsD) de una escala mock-up o maqueta de parte de la estructura. Los resultados obtenidos para registros tiempo-historia equivalentes a un registro ssmico para un edificio de tamao completo con una aceleracin mxima del suelo de 0.31g mostr que el desplazamiento de entrepisos del modelo fue solamente 8mm con la incorporacin de los dispositivos viscoelsticos. Sin los dispositivos amortiguadores el desplazamiento se increment a 36mm. Las pruebas PsD confirman as la eficiencia de los dispositivos disipadores viscoelsticos en la reduccin de las cargas ssmicas.

1 TARRC

2 JRC, Ispra, Italia

3 Bouygues, BTP, Francia

INTRODUCCIN

La proteccin ssmica de edificios importantes, puentes, plantas industriales potencialmente riesgosas y equipo vital es un concepto muy importante tanto en el campo econmico como de seguridad. Un mtodo disponible para reducir los desplazamientos y aceleraciones impuestas sobre una estructura durante un sismo es instalar amortiguadores auxiliares dentro de la estructura. La tecnologa es aplicable tanto a estructuras nuevas como existentes. Este documento est referido al desarrollo y evaluacin de un amortiguador relativamente novedoso basado sobre materiales viscoelsticos o hablando ms estrictamente materiales histersticos. Dichos dispositivos han sido usados (Fujita et al, 1992) para reducir el efecto de las cargas de viento en edificios altos, y la extensin de su aplicacin para cargas ssmicas es ahora el objetivo de investigacin y desarrollo en muchos centros (Aiken et al, 1990; Sause et al 1994). Los dispositivos requieren experimentar una cantidad mnima de desplazamiento durante un sismo para operar eficientemente. Consecuentemente, su uso puede dificultarse para estructuras muy rgidas tales como aquellas que contienen muros de corte. Los amortiguadores son ms adecuados en estructuras de acero y de concreto armado.

Este documento describe las propiedades fsicas y dinmicas de una nuevo material en base al caucho con mucho menor sensibilidad a los cambios de temperatura y menor costo que aquellos disponibles actualmente en forma comercial. Una excesiva dependencia de la temperatura a la rigidez del dispositivo hace que esta se reduzca con el incremento de la temperatura, no solamente restringe el rango de temperatura de servicio, sino que tambin produce una degradacin del funcionamiento debido al calor generado mientras estn operando durante un sismo. Se muestran las caractersticas de los amortiguadores prototipo producidos usando el nuevo material. Se presenta una evaluacin numrica del funcionamiento de los amortiguadores basados en este nuevo material e instalados en una estructura aporticada de concreto armado (RC) de un edificio. Se muestran los resultados de las pruebas seudo-dinmicas (PsD) realizadas sobre una parte mock-up o modelo de un edificio de concreto armado.

MATERIAL PARA LOS AMORTIGUADORES

El nfasis en el desarrollo del material viscoelstico fue mejorar la rigidez y amortiguamiento el cual no deba cambiar excesivamente en un rango total de temperatura (de 25 a 40 C) ms que sobre la obtencin de niveles altos de amortiguamiento. La seleccin del material fue hecha en base a una mejor eficiencia sobre un rango global de caractersticas principales, adems del factor de prdida, estas son:

(a) Variacin del mdulo de corte con la temperatura. (b) Efecto de la amplitud de la fuerza. (c) Efecto de los ciclos repetidos sobre el mdulo y el amortiguamiento. (d) Efecto de la historia de fuerza. (e) Fuerza para falla cortante. (f) Estabilidad de largo plazo del mdulo y amortiguamiento.

Se estableci un rango de materiales. La Figura 1 muestra la variacin del mdulo complejo de corte (G*) y el factor de prdida (tg ) sobre un rango de temperatura de 70 C para el componente usado en la produccin de dispositivos para la estructura modelo. El mdulo de corte vara por menos de un factor de 3 sobre un rango de temperatura de operacin de 50 C. El factor de prdida para este componente varia entre 0.45 a 0.6 sobre el rango de

temperatura de prueba. La magnitud de los cambios con la temperatura representa una mejora significativa sobre los actuales componentes comercialmente disponibles. La Tabla 1 resume otras propiedades para el componente utilizado. El cambio del mdulo con ciclos continuados (tipificado por la relacin G(3)/G(10)) es claramente pequeo despus de los primeros dos ciclos. El componente es bastante no lineal, pero esta caracterstica no se ve como una desventaja en esta aplicacin. Existe un gran margen entre la deformacin por corte en la rotura y se ha elegido una deformacin al 100% para las excitaciones de nivel de diseo. Los resultados de envejecimiento acelerado sugieren propiedades razonablemente estables en un periodo de largo plazo.

Efecto de la Temperatura sobre las propiedades dinmicas de la formulacin.

Fig. 1. El efecto de la temperatura sobre las propiedades dinmicas del componente de alto amortiguamiento para los dispositivos prototipo. Mdulo de corte dinmico normalizado con

respecto al mdulo a 24 C. Los tringulos son para una deformacin al 100% y los cuadrados para una deformacin del 50%. Las mediciones son para el 3er Ciclo a 1 Hz.

Tabla 1. Propiedades fsicas y dinmicas del componente usado en la fabricacin de los disipadores

G(3)/G(10)* G(10%)/G(100%)** Falla por Corte H G(MPa)I Deformacin al Corte

% Sin envejec. Envejecido

1.07 4.64 450 0.76 0.86 Tang I Esfuerzo de Tensin (MPa) Alargamiento a la Rotura (%)

Sin envejec. Envejecido Sin envejec. Envejecido Sin envejec. Envejecido 0.52 0.50 6.06 7.5 640 630

* Nmero entre parntesis da el valor del Mdulo para el ciclo, los valores estn referidos al 100% de deformacin cortante y para 0.1 Hz.

** Deformacin de corte dada entre parntesis. Datos del tercer ciclo para 0.1 Hz. Muestra estirada al 100% /s Propiedades dinmicas acotadas para una deformacin de 100% y 1 Hz.

CARACTERSTICAS DEL DISPOSITIVO

El diseo elegido para el amortiguador viscoelstico (VED) se muestra esquemticamente en la Figura 2. Este consiste en una nica capa de caucho adherida entre planchas de acero. La deformacin de diseo en el caucho es calculada para que sea alrededor del 100% en cortante simple. Para los dispositivos de pruebas PsD la capa de caucho es de 7mm de espesor y tiene una dimensin en planta de 240x170mm; la capa est adherida a las planchas de metal de 330x330x15mm de espesor.

Fig. 2. Vista esquemtica de los dispositivos VED

Los amortiguadores han sido probados en una configuracin de cortante doble sobre un rango de frecuencias y amplitudes. La Figura 3 muestra la rigidez dinmica y el factor de prdida; las pruebas abarcan amplitudes de deformacin de 10 a 100% para una frecuencia de 0.1 Hz. El efecto de los ciclos repetidos est indicado por la diferencia entre las dos lneas punteadas para el 1er. y 3er ciclo. Ciclos posteriores producen pequeos cambios en las propiedades dinmicas. Los cambios en las propiedades dinmicas producidos por la variacin de la frecuencia sobre las dos otras magnitudes son modestos (ver Tabla 2).

Tabla 2. Efecto de la Frecuencia sobre la Rigidez y Factor de Prdida de los dispositivos VED

Frecuencia Hz Rigidez kN/mm Factor de Prdida 0.01 3.1 0.35 0.1 3.4 0.35 1 4.1 0.34

Amplitud de deformacin al 50% Datos del 10 ciclo

Fig. 3. Efecto de la amplitud de deformacin en el caucho sobre la rigidez dinmica y factor de prdida de los dispositivos para la estructura modelo. Los cuadrados son para el 1er. Ciclo y

los tringulos son para los saldos del 3er Ciclo.

EVALUACIN NUMRICA DEL FUNCIONAMIENTO EN UN EDIFICIO DE PORTICOS DE CONCRETO ARMADO

El edificio es un bloque de oficinas localizado en una rea no-ssmica y ha sido diseado asumiendo que no existe una accin ssmica. Su frecuencia natural fundamental est situada dentro del rango mximo del espectro de respuesta para sismos severos tpicos. Consecuentemente puede estar sometida a los niveles ms altos de aceleracin que los del suelo durante un sismo. El objetivo de este estudio es para establecer los estndares de diseo de los aisladores para reforzar la estructura no ssmica de tal forma que el edificio responda elsticamente cuando est sometido a niveles de excitacin ssmica especificada en el Cdigo Europeo 8 (para suelos medios) (aceleracin mxima del suelo de 0.3g).

El edificio est compuesto de un piso de base y dos pisos superiores. El techo est soportado por una losa. La altura total del edificio es de 17.70 mt., el piso de base est a 1.50 mt. por encima del nivel de la cimentacin. La longitud total y el ancho del edificio son de 53.60 y 20.60 mt. respectivamente. La altura de cada piso es de 4 mt. El espaciamiento entre columnas a lo largo de la direccin longitudinal es de 7.1 mt.; las distancias entre las cuatro columnas a lo largo de la direccin transversal son 6.0, 7.5 y 6.0 mt. Las vigas que soportan los techos solamente se encuentran a lo largo del eje longitudinal. Existen tres tipos de columnas a lo largo de las fachadas; las columnas C1 tienen una seccin de 0.4 x 0.76 m. (con la mayor dimensin perpendicular a la fachada); en el centro del edificio las columnas C2 tienen una seccin cuadrada de 0.40 x 0.40 m.; en las esquinas, las columnas C3 tienen una seccin en L con alas de 0.75 m. y un espesor de 0.40 m. Existen dos tipos de vigas; las vigas exteriores tienen un ancho de 0.23 m y una altura de 0.75m; las dimensiones correspondientes a las vigas centrales son 0.3 x 0.75m. El espesor de la losa es de 0.2m.

Un modelo 2D simplificado fue usado para estimar la respuesta de la estructura cuando est sometida a un registro tiempo-historia sintetizado formado por el promedio de un nmero de acelerogramas sintetizados los cuales satisfacen el espectro de respuesta definido en el Cdigo Europeo 8 (suelo medio). Las frecuencias naturales de la estructura antes de la colocacin de los dispositivos fueron calculadas en 1.81 y 5.56 Hz. Los dispositivos fueron

modelados como una combinacin de un resorte lineal (k) y un amortiguador (c) en paralelo. La siguiente relacin entre la rigidez en fase (k) y fuera de fase (k) del dispositivo que fue usado es:

k c tg = ----- = ------- k k

= 2f, donde f es la frecuencia natural fundamental de la estructura de su eje largo, y es igual a 1.81 Hz.

Las Figuras 4 y 5 respectivamente muestran, como una funcin de la rigidez total por piso, la mxima aceleracin en el techo de la estructura y el mximo desplazamiento entrepisos entre el segundo y tercer piso. Los tres conjuntos de resultados son para la tg = 0, 0.5 y 0.8. El valor de 0.5 representa el factor de prdida objetivo para el componente de alto amortiguamiento para una deformacin cortante del 100%. La Fig. 4 ilustra la eficiencia de la incorporacin de amortiguamiento en la reduccin de los niveles de aceleracin del ltimo techo. Es interesante notar que un incremento de la rigidez de entrepisos de la estructura de 500 kN/mm (para la estructura no modificada) a 1040 kN/mm reduce las aceleraciones mximas en el techo del edificio de 16 m/s2 a 9 m/s2. Introduciendo los amortiguadores viscoelsticos con un factor de prdida de 0.5, se reduce la mxima aceleracin an ms a 5.5 m/s2. El efecto sobre el desplazamiento de entrepisos de incrementar el factor de prdida de 0.5 a 0.8 es menos significante (ver Fig. 5). Para establecer una respuesta elstica (ej. deformacin de entrepisos de 10mm) la rigidez de los dispositivos para cada piso debern estar alrededor de 540 kN/mm cuando su factor de prdida es 0.5, por esto, la rigidez total de los dispositivos en cada piso debern ser del orden de la rigidez de entrepisos de la estructura. La instalacin de 14 unidades por piso (una en cada cruja externa de la estructura a lo largo de su eje mayor), cada una con una rigidez de 40 kN/mm establecen la rigidez requerida. Cada unidad puede consistir en un par de dispositivos cada uno de seis veces ms rigido que los prototipos probados en la Fig. 3. Esto puede conseguirse mediante el incremento de las dimensiones en planta de la lmina de caucho a alrededor de 500mm por lado.

Fig. 4. Efecto de incorporar amortiguadores viscoelsticos sobre la respuesta de aceleracin en el techo en el edificio de Concreto Armado. El nmero en cada curva representa el factor de

prdida asumido en el anlisis.

Fig. 5. Efecto de introducir amortiguadores viscoelsticos sobre el desplazamiento de entrepisos en el primer nivel (entre la segunda y primera masa) del edificio de concreto

armado. La lnea punteada representa el lmite de deformacin elstica. El nmero en cada curva representa el factor de prdida asumido en el anlisis.

Es claro que los dispositivos pueden ser instalados para restringir el desplazamiento a niveles elsticos durante la excitacin ssmica de referencia, mucho de la reduccin en la respuesta, particularmente respecto al desplazamiento, viene del incremento de la rigidez en la estructura, niveles moderados de amortiguamiento conducen a mayores reducciones, pero se ve una pequea ventaja por encima de un dispositivo de factor de prdida de 0.5.

PRUEBAS SEUDO-DINMICAS DE UNA ESTRUCTURA DE CA EN MODELO A ESCALA NATURAL

Un modelo a escala natural de una parte del edificio de oficinas de concreto armado fue diseado y construido para pruebas en JRP, Ispra, Italia. El modelo (10m de largo, 4 m. de ancho y 5.2 m de alto) Fig. 6, representa una porcin del edificio escalado por en dimensiones y consiste en dos crujas de 5 m en la direccin de pruebas y de una cruja a lo largo de su ancho (ver Fig. 6). El modelo a escala representa un diseo no ssmico. El objetivo era graduarlo mediante la instalacin de amortiguadores de tal forma que la armadura responda elsticamente al nivel ssmico de diseo.

Fig. 6. Vista Isomtrica de la estructura modelo

Con la carga en funcin del tiempo, pueden ser escalados tres factores de escala independientes, denominados, masa M, longitud L, y tiempo T. Los otros factores de escala pueden ser derivados de acuerdo a los principios del anlisis dimensional. En las pruebas pseudo dinmicas se aplican las fuerzas y desplazamientos y son medidos, y la prueba es realizada en un pseudo tiempo, no obstante, el principal objetivo de las pruebas con modelos a escala es establecer una reduccin en el tamao (longitud a escala) del espcimen para determinar el espacio disponible en el laboratorio (como en este caso), o para reducir la carga (fuerzas a escala) a un nivel por debajo de la capacidad mxima de los actuadores, as, los nicos factores de importancia son la longitud y la fuerza. Los factores de escala para las otras magnitudes (tiempo y masa) son menos importantes ya que estas se usan solamente en los clculos numricos. La magnitud de los esfuerzos es mantenida cargando cada piso del modelo con masas hasta alcanzar las fuerzas verticales necesarias y el acelerograma puede ser escalado de acuerdo con la escala adoptada para el modelo de prueba, esto puede ser obtenido incrementando la amplitud de la aceleracin por 3/2 y disminuyendo la escala de tiempo por 2/3.

Los amortiguadores VE (viscoelsticos) estn instalados en pares con el material viscoelstico trabajando en cortante, siendo en total 16 dispositivos (8 pares), un par en cada cruja a lo largo de las dos fachadas longitudinales. La rigidez de los amortiguadores (~3kN/mm para cada uno) fue determinada previamente mediante un anlisis del modelo a escala con los dispositivos que tomaron en cuenta el factor de prdida (~0.4) para la deformacin de diseo (100% al cortante). La plancha central que se mueve est unida a la parte superior de los arriostres en K y a las planchas de acero externas, empernados a los

costados de los dispositivos VE estn anclados a la estructura de CA en la base de las columnas (Fig. 7). Los arriostres y las uniones fueron diseados para que sean rgidos comparados con los dispositivos para asegurarse que las deformaciones de la estructura aparezcan principalmente en las lminas de caucho. En el diseo del arriostramiento se ha tenido especial cuidado para prevenir cualquier inestabilidad en los arriostres (brazos) para evitar cualquier desplazamiento diferencial en las juntas en la base de la estructura y en las conexiones empernadas ya que esto puede proporcionar una disipacin de energa adicional. El sistema ha sido diseado de tal manera de que el arriostramiento puede ser desconectado completamente de la estructura modelo y as permitir las pruebas con la estructura sin arriostramiento.

Para la evaluacin de la eficacia de los amortiguadores VE, se realizaron experimentos pesudodinmicos de la estructura modelo a escala natural con y sin dispositivos antissmicos. El movimiento de excitacin correspondi a sismos generados artificialmente especificados por el Euro Cdigo 8 y condiciones de suelos medios. El nivel del sismo corresponde a 0.3g PGA para el edificio a tamao normal. Para permitir que los efectos del nivel de deformacin asociados a los amortiguadores VE, las fuerzas medidas durante estas pruebas pseudodinmicas fueron escaladas incrementndose en 49% en cada paso de integracin. El factor de escala fue obtenido de las pruebas sobre los dispositivos sobre un rango de niveles de deformacin.

Fig. 7. Detalles de las conexiones del VED a la estructura y arriostramiento en K

Los desplazamientos tiempo-historia para el segundo nivel del modelo se muestra en la Figura 8, el desplazamiento mximo se ve que se reduce en alrededor de 80%. Mucho de esta reduccin se atribuye al incremento de la rigidez (por un factor de 4) producida por la incorporacin de los dispositivos. El desplazamiento de entrepisos mximo fue de 8mm comparado con los 36mm sin los dispositivos. El desplazamiento de entrepisos con el sismo de diseo (0.3g PGA) se mantuvo dentro del rango de deformacin elstica.

Fig. 8. Respuesta de desplazamiento del segundo piso del modelo para aceleraciones tiempo historia de 0.3g PGA y suelo medio del EC-8 (EuroCdigo) (Bare = sin amortiguadores,

Protected Frame = con amortiguadores VE)

Las fuerzas mximas globales en la estructura protegida son similares a la estructura sin proteger. Una gran parte de la fuerza (55%) en la estructura protegida, no obstante, es asumida por los dispositivos. La rigidez adicional increment la frecuencia natural del modelo de 1.7 Hz a 3.5-5 Hz (esto dependa de la amplitud debido a la no-linealidad introducida por los dispositivos). El contenido de energa de la excitacin ssmica fue mucho mayor para las frecuencias altas y esto explica la similitud en las fuerzas mximas en la estructura sin proteger y protegidas. Sin el alto amortiguamiento obtenido con los dispositivos, el incremento de la rigidez de la estructura puede conducirnos a mayores niveles de fuerzas.

La instalacin de amortiguadores VE transformaron exitosamente el diseo no-ssmico de la estructura de CA a una capaz de restringir la respuesta para sismos de nivel de diseo a deformaciones elsticas.

CONCLUSIONES

Se ha desarrollado un amortiguador viscoelstico con rigidez y amortiguamiento insensibles a la temperatura. Los anlisis han mostrado que dichos amortiguadores pueden ser usados para establecer diseos antissmicos en edificios con estructura de concreto armado (CA) de tal forma que estos respondan elsticamente a las mximas aceleraciones de 0.3g. La eficiencia de los amortiguadores ha sido confirmada mediante pruebas pseudodinmicas de un modelo a escala de parte de un edificio.

AGRADECIMIENTO

El financiamiento bajo el programa EC Brite EuRam (Contrato N BRPR-CT96-0141) es reconocido con agradecimiento.