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Control de la Respuesta de Edificios de Periodo LargoEmpleando Disipadores de Energía

Miguel Augusto DÍAZ FIGUEROA

Asesor: Dr. Taiki Saito (BRI)

Dr. Carlos Zavala (CISMID)

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAFacultad de Ingeniería Civil

XXII SIMPOSIO NACIONAL DE PREVENCIÓN DE DESASTRES

CENTRO PERUANO JAPONÉS DE INVESTIGACIONESSÍSMICAS Y MITIGACIÓN DE DESASTRES - CISMID

OS KA

- 000 0 00 50 200 250 30 350

Tim ( )

M

2

Introducción La respuesta de edificios de gran altura es amplificada

cuando es excitada por un sismo de periodo largo.

Se busca tener el control de la respuesta de este tipo deedificios para evitar los daños estructurales y asegurar laintegridad de las personas.

Existe un método de diseño de amortiguadores, basadoen la curva de desempeño del dispositivo para edificiosde mediana altura.

Se analiza este método para la aplicación en edificios degran altura, para controlar la respuesta.

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Estructura del estudio

Modelo de un edificiode gran altura

Diseño de dispositivos:método de desempeño

Modelo matemático deamortiguadores

Respuesta de edificiosin disipadores

Control de larespuesta

Estudio de sistemasde control pasivo

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Colocación de dispositivos

Tipo muro Tipo corte

Tipo stud Tipo conector

Tipo columna

Tipo brace

Tipo bracket

Tipo viga

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3

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Idealización de amortiguadores

Idealización delsistema

Modelo deamortiguador de acero

Modelo deamortiguador de aceite

Modelo deamortiguador viscoso

Amortiguador yelementos resistentes

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Curvas de comportamiento utilizadasen los amortiguadores estudiados

Amortiguador de acero Amortiguador de aceite Amortiguador viscoso

Modelo histeréticobilineal

Curva Fuerza-velocidaddel amortiguador

Curva Fuerza-velocidaddel amortiguador

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4

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Método de la curva de desempeño

Factor de reducción deldesplazamiento Rd

Fact

or d

e re

ducc

ión

dela

fuer

za R

a

Incremento de la rigidezdel amortiguador

Incremento de la rigidez delbrazo del amotiguador

Rd= Máx. distorsión objetivo

Máx. distorsión de la respuesta

8

Análisis de un edificio de granaltura

40 pisos (119 m): 1 sótano, 37 niveles principales(108.5 m) & 2 niveles secundarios.

Sistema estructural aporticado de concreto armado Sistema de observación de vibraciones Periodo fundamental de 1.97 s

Fuente:nakamuraGoogle 3D

Piso 37

Piso 18

Piso 1

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5

9

Análisis de un edificio de granaltura

Curva F-d

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025

Drift

Shea

r for

ce (t

f)Story-1

Story-5

Story-15

Story-10

Story-20

Story-25

Story-30

Story-35

Story-37

k1 c1

m1

ki ci

mi

k37 c37

m37

Programa MDOF-OS

10

Sismos usados en análisisVelocity Response Spectrum

h=3%

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Period (s)

Vel

ocit

y (c

m/s

)

BCJ-L2EL CENTRO 50KOBEOSAKANAGOYA

BCJ-L2 Sismo artificial

El Centro 194050 kine

Sismo artificial

Kobe 1995 Sismo

OsakaSismo artificialperiodo largp

NagoyaSismo artificialperiodo largp

Edificios de gran altura (h > 23 m)

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Respuesta del edificioMaximum Response

0

5

10

15

20

25

30

35

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014Drift (rad)

Stor

y i

BCJ-L2EL CENTRO 50KOBEOSAKANAGOYA

Sismo Cortante basal Máx distorción

BCJ-L2 6400 1/94 at 26-F

El Centro 50 5520 1/153 at 26-F

Kobe 6400 1/129 at 31-F

Nagoya 6400 1/80 at 14-F

Osaka 3290 1/284 at 15-F

Distorsión límite: 1/100Máx respuesta: 1/80

1/100

1/800.80Rd

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Diseño de amortiguador de acero

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

u: 1 u: 1.5 u: 2u: 2.5 u: 3 u: 4u: 8 u: 20 Ka/Kf: 0Ka/Kf: 0.2 Ka/Kf: 0.23 Ka/Kf: 0.35Ka/Kf: 0.4 Ka/Kf: 0.5 Ka/Kf: 1Ka/Kf: 2 Ka/Kf: 2 Ka/Kf: 5

Curva de rendimiento

fafiai KKKK

Distribución derigidez deldispositivo

Modelo

348.0fa KK

4

Ratio de reducción deldesplazamiento Rd

Rat

io d

e re

ducc

ión

dela

fuer

za R

a

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Diseño de amortiguador de aceroType

L Lr Ld Plate Ad A'd

mm mm mm cm2 cm2

A 4066 407 3253 PL-22x250 55.0 137.5

B 4066 407 3253 PL-28x300 84.0 210.0

C 4066 407 3253 PL-30x320 96.0 240.0

D 4066 407 3253 PL-32x380 121.6 304.0

E 4066 407 3253 PL-38x400 152.0 380.0

E' 5327 533 4262 PL-38x400 152.0 380.0

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Diseño de amortiguadores de aceite

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2

N u m b e r o f s te e l d a m p e r s

1

4

7

1 0

1 3

1 6

1 9

2 2

2 5

2 8

3 1

3 4

3 7

Sto

ry-

A B C D E E '

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8

15

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

0.1 0.2 0.3 0.4 0 5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Kb/Kf: 0.5 Kb/Kf: 1 Kb/Kf: 2Kb/Kf: 3 Kb/Kf: 4 Kb/Kf: 5K''d/Kf: 0.005 K''d/Kf: 0.1 K''d/Kf: 0.125K''d/Kf: 0.2 K''d/Kf: 0.5 K''d/Kf: 1K''d/Kf: 2 K''d/Kf: 3 K''d/Kf: 4K''d/Kf: 5 K''d/Kf: 8 K''d/Kf: 10

Diseño de amortiguadores de aceite

fdfidi KKKK

fbfibi KKKK

Distribución de rigidezdel dispositivo

125.0 fd KK5.0fb KK Modelo

Ratio de reducción deldesplazamiento Rd

Rat

io d

e re

ducc

ión

dela

fuer

za R

a

16

Diseño de amortiguadores de aceiteTipo

Fdy Cd Vd L L1 Lb

KN KN.s/cm cm/s mm mm mm

A 1500 1350 900 4066 3000 1066

B 1000 900 300 4066 3000 1066

C 1500 1350 900 5327 3000 2327

D 1000 900 300 5327 3000 2327

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Diseño de amortiguadores de aceite

0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0

N u m b er o f O il d a m p ers

1

4

7

1 0

1 3

1 6

1 9

2 2

2 5

2 8

3 1

3 4

3 7

Sto

ry-

A B C D

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Control de la respuesta

Condición Cortante basal Máx distorsión Ductilidad (μ)

Sin amortiguadores 6400 1/80 at 14-F 1.594

Amort de acero 8910 1/109 at 14-F 1.293

Amort de aceite 7430 1/114 at 14-F 1.216

M a x im u m R esp o n se

0

5

1 0

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

0 0 .0 0 2 0 .0 0 4 0 .0 0 6 0 .0 0 8 0 .0 1 0 .0 1 2 0 .0 1 4

D rift (ra d )

Sto

ry-i

N o d am p ers

S tee l d am p ers

O il d am p ers

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Conclusiones Se realizó un estudio del efecto del control pasivo en edificios de gran altura

empleando dispositivos de amortiguamiento del tipo acero, aceite y viscoso.

Se llevo a cabo un análisis dinámico tiempo-historia con un modelo cortante demúltiples grados de libertad, el cual fue calibrado con los datos extraídos delsistema de observación del edificio estudiado.

El control de la respuesta del edificio analizado se llevó a cabo mediante laadición de amortiguadores del tipo acero y aceite, considerando que la máximarespuesta obtenida debe ser controlada para obtener una distorsión máxima dediseño.

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Conclusiones El método de diseño basado en el desempeño de amortiguadores es válido

también para edificios de gran altura.

El control de la respuesta de edificios de gran altura mediante la adición deamortiguadores satisface las distorsiones límites de diseño (1/100); con lo quese evita daños severos en la estructura y se protege la integridad de sushabitantes, incluso para sismos de largo periodo donde la respuesta seamplifica.

CONTROL DE LA RESPUESTA DE EDIFICIOS DE PERIODO LARGO EMPLEANDO DISIPADORES DE ENERGÍA

Primera edición digital

Abril, 2011

Lima - Perú

© Miguel Augusto Díaz Figueroa

PROYECTO LIBRO DIGITAL

PLD 0068

Editor: Víctor López Guzmán

http://www.guzlop-editoras.com/.guzlopster@gmail.comguzlopnano@gmail.comfacebook.com/guzloptwitter.com/guzlopster428 4071 - 999 921 348 Lima - Perú

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En el aspecto legal:• Las autoras o autores ceden sus derechos para esa edición digital, sin perder su autoría, permitiendo que su obra sea puesta en internet como descarga gratuita.• Las autoras o autores pueden hacer nuevas ediciones basadas o no en esta versión digital. Lima - Perú, enero del 2011

“El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica”

Víctor López Guzmán

Editor

PROYECTO LIBRO DIGITAL (PLD)