DISIPADORES DE ENERGIA - mabieperu.com · • El disipador viscoso es modelado como un amortiguador en serie con la rigidez elástica del elemento diagonal. • El modelo es adecuado

DISIPADORES DE ENERGIA FLUIDO VISCOSO

DISIPADORES DE ENERGIA FLUIDO VISCOSO

1:35 a.m. 1Diplomado UPC en Estructuras

INTRODUCCION• La experiencia nos indica que las estructuras NO

VIBRAN INDEFINIDAMENTE una vez que haya sido excitada por un movimiento.

• Esto se debe a la presencia de FUERZAS de FRICCION o de AMORTIGUAMIENTO, las cuales siempre están siempre presentes en cualquier sistema en movimiento, estas fuerzas son inherentes.

• La experiencia nos indica que las estructuras NO VIBRAN INDEFINIDAMENTE una vez que haya sido excitada por un movimiento.

• Esto se debe a la presencia de FUERZAS de FRICCION o de AMORTIGUAMIENTO, las cuales siempre están siempre presentes en cualquier sistema en movimiento, estas fuerzas son inherentes.


INTRODUCCION• Estas fuerzas DISIPAN ENERGIA.• La presencia inevitable de estas fuerzas de

fricción constituye un mecanismo por el cual la energía mecánica del sistema, energía cinética o potencial se transforma en otros tipos de energía, como el calor.

• Estas fuerzas DISIPAN ENERGIA.• La presencia inevitable de estas fuerzas de

fricción constituye un mecanismo por el cual la energía mecánica del sistema, energía cinética o potencial se transforma en otros tipos de energía, como el calor.


INTRODUCCION• Cuando se considera las fuerzas de

amortiguamiento o fricción en el análisis dinámico de las estructuras se presume que éstas son proporcionales a la velocidad y opuestas a la dirección del movimiento.

• Cuando se considera las fuerzas de amortiguamiento o fricción en el análisis dinámico de las estructuras se presume que éstas son proporcionales a la velocidad y opuestas a la dirección del movimiento.

MM

KK

CC

MM F(t)F(t)F(t)F(t)

yy

ycKy

mtFyyytFKyycym

22 %5

1:35 a.m. 4

yy

Diplomado UPC en Estructuras

DISTRIBUCION DE LA ENERGIA EN UN SISTEMA

ET = es la energía que un agente externo (Sismo o Viento) introduce a un sistema EK = Energía cinética, es la parte de la energía total que setransforma en movimiento.ES = Energía elástica de deformación, es la parte de la energía quese transforma en deformación de los elementos del sistema.EI = Energía inelástica, es la parte de la energía relacionada con la deformación inelástica de los elementos del sistema.Eξ = Energía de amortiguamiento, es la parte de la energía que esdisipada por fuentes de amortiguamiento.

EEEEE ISKT

La energía que se introduce en un sistema se transforma, y eventualmente se disipa:

ET = es la energía que un agente externo (Sismo o Viento) introduce a un sistema EK = Energía cinética, es la parte de la energía total que setransforma en movimiento.ES = Energía elástica de deformación, es la parte de la energía quese transforma en deformación de los elementos del sistema.EI = Energía inelástica, es la parte de la energía relacionada con la deformación inelástica de los elementos del sistema.Eξ = Energía de amortiguamiento, es la parte de la energía que esdisipada por fuentes de amortiguamiento.


ENFOQUE PARA LA DISIPACION DE ENERGIA

Se puede aumentar la capacidad de disipador de energía para reducir la amplitud de las vibraciones.Para ello se puede transformar parte de la energía cinética EK en calor (aumentar Eξ).

Eξ dispositivos disipadores de energía

EEEEE ISKT

Se puede aumentar la capacidad de disipador de energía para reducir la amplitud de las vibraciones.Para ello se puede transformar parte de la energía cinética EK en calor (aumentar Eξ).

Eξ dispositivos disipadores de energía


DISIPADORES DE ENERGIASon dispositivos que transforman la energía en calor:

- Disipadores por deformación (metálicos)- Disipadores de comportamiento viscoelásticos- Disipadores de comportamiento FLUIDO VISCOSO

Son dispositivos que transforman la energía en calor:

- Disipadores por deformación (metálicos)- Disipadores de comportamiento viscoelásticos- Disipadores de comportamiento FLUIDO VISCOSO


Disipadores por deformación: DISIPADORES DE FLUENCIA

• La energía se disipa por calor al deformarse las placas en forma de X por encima de su límite de fluencia

• La forma del dispositivo favorece la disipación de energía por calor en una superficie muy grande.

1:35 a.m. 8

• La forma del dispositivo favorece la disipación de energía por calor en una superficie muy grande.


Disipadores por deformación: DISIPADORES POR FRICCION

• Son dispositivos metálicos que se caracterizan por tener un comportamiento histéretico que se logra a través de la fricción entre sólidos metálicos y de este modos disipar energía por calor.

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• El principio básico de estos disipadores consiste en utilizar la deformación relativa entre dos puntos de una estructura para disipar energía a través de fricción.


Disipadores por velocidad: DISIPADORES VISCOELASTICOS

• Es una tecnología desarrollada originalmente para la industria aeroespacial.

• El principio básico de funcionamiento consiste en movilizar un elemento a través de un material viscoelástico. Esto genera fuerzas que se oponen al movimiento del elemento, de magnitud proporcional a la velocidad.

• Es una tecnología desarrollada originalmente para la industria aeroespacial.

• El principio básico de funcionamiento consiste en movilizar un elemento a través de un material viscoelástico. Esto genera fuerzas que se oponen al movimiento del elemento, de magnitud proporcional a la velocidad.


Disipadores por velocidad: DISIPADORES VISCOELASTICOS

• El material viscoelástico: coplímeros, material vidrioso…• Son materiales industriales modernos, muy estables ante

ciclos repetidos de carga y descarga pero cuyas propiedades sufren variaciones con la temperatura.

1:35 a.m. 11

• La disipación de energía se obtiene debido a la deformación por cortante de un material con propiedades viscoelásticas.


DISIPADORES FLUIDO VISCOSOS

• Esta tecnología fue desarrollada principalmente para la industria militar y para la industria pesada.

• Un amortiguador de fluido viscoso disipa la energía, empujando el líquido a través de un orificio, produciendo una presión de amortiguamiento que crea una fuerza , la cual no aumenta

• Esta tecnología fue desarrollada principalmente para la industria militar y para la industria pesada.

• Un amortiguador de fluido viscoso disipa la energía, empujando el líquido a través de un orificio, produciendo una presión de amortiguamiento que crea una fuerza , la cual no aumenta

1:35 a.m.12

significativamente las cargas sísmicas para un grado comparable de la deformación estructural.


COMPONENTES DEL DISIPADOR FLUIDO VISCOSO

• Son fabricados de acero inoxidable y el líquido de amortiguamiento es aceite de silicona.

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• La acción de amortiguamiento es proporcionada por el flujo del fluido o a través de la cabeza del pistón. La cabeza del pistón es introducido con una holgura entre el interior del cilindro y el exterior de la cabeza del pistón, el cual forma un orificio anular.

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1:35 a.m.15


¿COMO TRABAJAN LOS DISPADORES VISCOSOS?

• El disipador fluido viscoso reduce los esfuerzos y la deflexión al mismo tiempo porque la fuerza del disipador está completamente fuera de fase con las esfuerzos debido a la flexión de las columnas.

• Esto sólo se cumple con el amortiguamiento de fluido viscoso, donde la fuerza del disipador varía con la velocidad.

• El disipador fluido viscoso reduce los esfuerzos y la deflexión al mismo tiempo porque la fuerza del disipador está completamente fuera de fase con las esfuerzos debido a la flexión de las columnas.

• Esto sólo se cumple con el amortiguamiento de fluido viscoso, donde la fuerza del disipador varía con la velocidad.


¿COMO TRABAJAN LOS DISPADORES VISCOSOS?SISMO

D máximo corresponde a fuerza máxima en estructura, en ese momento la fuerza en el disipador viscoso es mínima.


¿COMO TRABAJAN LOS DISPADORES VISCOSOS?

SISMO

D máximo corresponde a fuerza máxima en estructura, en ese momento la fuerza en el disipador viscoso es mínima.


¿CÓMO AFECTA A LA ESTRUCTURA OTROS TIPOS DE DISIPADORES?

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FUERZA DEBIDO AL AMORTIGUAMIENTO DEL DISIPADOR

• En un disipador viscoso, la respuesta del amortiguador es:

donde:• F = es la fuerza del disipador, lb• V = velocidad relativa entre el amortiguador ,pulg/seg• C = constante de amortiguamiento (lb x seg / pulg)

Determinada principalmente por el diámetro de la compuerta y el área del orificio

• a = exponente de velocidad (0.3 - 1.0). El valor exacto de a depende de la forma de la cabeza del pistón

aCVF

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donde:• F = es la fuerza del disipador, lb• V = velocidad relativa entre el amortiguador ,pulg/seg• C = constante de amortiguamiento (lb x seg / pulg)

Determinada principalmente por el diámetro de la compuerta y el área del orificio

• a = exponente de velocidad (0.3 - 1.0). El valor exacto de a depende de la forma de la cabeza del pistón


FUERZA DEBIDO AL AMORTIGUAMIENTO DEL DISIPADOR


Los valores de α, los cuales han demostrado ser máspopulares están en el rango de 0.4 to 0.5 para el diseñode edificaciones con registros sísmicos.

aCVF

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Los valores de α, los cuales han demostrado ser máspopulares están en el rango de 0.4 to 0.5 para el diseñode edificaciones con registros sísmicos.


MODELAMIENTO DE LOS DISIPADORES VISCOSOS

• En muchas aplicaciones los disipadores son modelados como un modelo MAXWELL simple.

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• El disipador viscoso es modelado como un amortiguador en serie con la rigidez elástica del elemento diagonal.

• El modelo es adecuado para aplicaciones de diseño, pero no es suficientemente refinado para evaluaciones de colapso. Los límites de fuerzas y desplazamientos son desconocidos.


• Los amortiguadores de fluido viscoso se pueden instalar como miembros diagonales de varias maneras, o puede atarse en los arriostres (Chevron braces).

ESTILOS BASICOS DE INSTALACION DE LOS DISIPADORES VISCOSOS












&

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&


TAYLOR DEVICES INC.

North TonawandaNew York - USA

Fundada en 1955


TAYLOR DEVICES INC.

Es la empresa líder en amortiguadores para soluciones industriales y de construcción en el mundo.

Los amortiguadores TAYLOR para edificios dan una efectiva protección ANTI-SÍSMICA (Fluid Viscous Damper)

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Es la empresa líder en amortiguadores para soluciones industriales y de construcción en el mundo.

Los amortiguadores TAYLOR para edificios dan una efectiva protección ANTI-SÍSMICA (Fluid Viscous Damper)


TAYLOR DEVICES INC.- Experiencia El uso de disipadores fluido viscoso para la disipación de energía sísmica sobre estructuras netamente de ingeniería civil empezó en 1993.

La primer aplicación fue sobre cinco edificios del CENTRO MEDICO SAN BERNARDINO COUNTY - Los Angeles, California – USA (84,000m2)Se colocaron 186 disipadoresF = 145.6t

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La primer aplicación fue sobre cinco edificios del CENTRO MEDICO SAN BERNARDINO COUNTY - Los Angeles, California – USA (84,000m2)Se colocaron 186 disipadoresF = 145.6t


TAYLOR DEVICES INC.- Experiencia El segundo proyecto significante fue un edificio de Servicios de Comunicación de emergencia PACIFIC BELL, Sacramento – California – USA.

Se colocaron 62 disipadores Chevron, F = 13t


TAYLOR DEVICES INC.- Experiencia

Una tercera aplicación significante fue THE WOODLAND HOTEL, localizado en la ciudad de Woodland, California-USA.

1:35 a.m. 34

Se colocaron 16 disipadores F = 45tDiplomado UPC en Estructuras

TAYLOR DEVICES INC.- Experiencia LOS ANGELES CITY HALLEdificio de oficinas del gobierno de 32 pisos (140m)

Se colocaron 52 disipadoresF = 180t en paralelo con aisladores sísmicos.En la torre, 14 disipadores F = 135t

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Se colocaron 52 disipadoresF = 180t en paralelo con aisladores sísmicos.En la torre, 14 disipadores F = 135t


TAYLOR DEVICES INC.- Experiencia SAN FRANCISCO CIVIC CENTEREdificio de pórtico de acero de 14 pisos

Se colocaron 292 disipadores, F = 100t y 55t


TAYLOR DEVICES INC.- Experiencia TORRE MAYOR -MEXICOEdificio más alto de México 55 pisos, destinado a oficinas.

Se colocaron 98 disipadores, (74 FVD F = 280t y 24FVD 570t


TAYLOR DEVICES INC.- Experiencia TORRE MAYOR -MEXICO


TAYLOR DEVICES INC.- Experiencia The Pacific Northwest Baseball Stadium in Seattle, Washington

Se colocaron 8 disipadores, F = 455t


TAYLOR DEVICES INC.- Experiencia

Torre Central del Aeropuerto Jorge Chávez –Lima- PERU

Reforzamiento de estructura de la torre central de 10 pisosSe colocaron 42 disipadores, F = 49t y 71.2 tSe colocaron en configuración Chevron

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Reforzamiento de estructura de la torre central de 10 pisosSe colocaron 42 disipadores, F = 49t y 71.2 tSe colocaron en configuración Chevron


CONSIDERACIONES DE DISEÑO• Definir NIVEL DE DESEMPEÑO y NIVEL DEL SISMO • Sección agrietada de los elementos de concreto

- Vigas: 0.50Ig

- Columnas: 0.70Ig

• Estudio de Peligro Sísmico – Registros de fuentes cercanas o registros sintéticos (5 registros como mínimo)• Análisis Tiempo Historia No Lineal• Análisis Dinámico Ritz Vectors

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• Definir NIVEL DE DESEMPEÑO y NIVEL DEL SISMO • Sección agrietada de los elementos de concreto

- Vigas: 0.50Ig

- Columnas: 0.70Ig

• Estudio de Peligro Sísmico – Registros de fuentes cercanas o registros sintéticos (5 registros como mínimo)• Análisis Tiempo Historia No Lineal• Análisis Dinámico Ritz Vectors


PROCEDIMIENTO DE DISEÑOProcedimiento iterativo usando como herramienta de diseño

ETABS o SAP• Se propone valores para las propiedades de los disipadores

-Rigidez Axial: corresponde a la rigidez de la diagonal = EA/L- Constante de amortiguamiento del disipador, C (KN-sec/mm)- Potencia de velocidad, a (0.4 – 0.5)

• Se define el arreglo y ubicación de los disipadores• Se modela los disipadores colocando las diagonales sin propiedad alguna (NONE) y se le asigna el tipo de disipador que se ha definido anteriormente.

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Procedimiento iterativo usando como herramienta de diseño ETABS o SAP• Se propone valores para las propiedades de los disipadores

-Rigidez Axial: corresponde a la rigidez de la diagonal = EA/L- Constante de amortiguamiento del disipador, C (KN-sec/mm)- Potencia de velocidad, a (0.4 – 0.5)

• Se define el arreglo y ubicación de los disipadores• Se modela los disipadores colocando las diagonales sin propiedad alguna (NONE) y se le asigna el tipo de disipador que se ha definido anteriormente.


EJEMPLO PRACTICO- Edificio de concreto armado (240m2) - Sistema apórticado de 12 pisos- Tipo de suelo S2- Nivel de desempeño : Seguridad de Vida- Nivel de sismo de Diseño- Columnas: .45x.45 Vigas: .30x.60

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Tf = 0.52 seg


EJEMPLO PRACTICOANALISIS DINAMICO EN EL ETABSDefinición de propiedades de los DISIPADORES VISCOSOS


EJEMPLO PRACTICOANALISIS DINAMICO EN EL ETABS

1:35 a.m. 45

KCa


EJEMPLO PRACTICOANALISIS DINAMICO EN EL ETABSUbicación de los DISIPADORES VISCOSOS


EJEMPLO PRACTICOANALISIS DINAMICO EN EL ETABSUbicación de los DISIPADORES VISCOSOS

1:35 a.m. 47Eje 1 y Eje 4 Eje A y Eje EDiplomado UPC en Estructuras

EJEMPLO PRACTICOANALISIS DINAMICO EN EL ETABSAnálisis Tiempo Historia

• 5 registros escalados a un SISMO DISEÑO

1.400

1.600

1:35 a.m. 48

0.000

0.200

0.400

0.600

0.800

1.000

1.200

1.400

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5


EJEMPLO PRACTICOANALISIS DINAMICO EN EL ETABSAnálisis Tiempo Historia

• 5 registros escalados: dt = 0.02seg Tiempo duración = 80seg


EJEMPLO PRACTICOANALISIS DINAMICO EN EL ETABSResultados

1:35 a.m. 50

ESTRUCTURA SIN DISIPADORES ESTRUCTURA CON DISIPADORES


EJEMPLO PRACTICOANALISIS DINAMICO EN EL ETABSResultados

PISO A. Espect

STORY12 0.0028

STORY11 0.0047

STORY10 0.0062

STORY9 0.0072

DRIFT EN DIRECCION X

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ESTRUCTURA SIN DISIPADORES

STORY9 0.0072

STORY8 0.0080

STORY7 0.0085

STORY6 0.0090

STORY5 0.0096

STORY4 0.0102

STORY3 0.0109

STORY2 0.0111

STORY1 0.0077


EJEMPLO PRACTICOANALISIS DINAMICO EN EL ETABSResultados DRIFT EN DIRECCION X

PISOA. T Historia-Max

STORY12 0.0028STORY11 0.0046STORY10 0.0058STORY9 0.0067STORY8 0.0080STORY7 0.0091 > 0.0070

1:35 a.m. 52

ESTRUCTURA SIN DISIPADORES

STORY7 0.0091STORY6 0.0098STORY5 0.0103STORY4 0.0110STORY3 0.0113STORY2 0.0107STORY1 0.0070

> 0.0070


EJEMPLO PRACTICOANALISIS DINAMICO EN EL ETABS

PISOA. T Historia-

MaxSTORY12 0.0021STORY11 0.0035STORY10 0.0045STORY9 0.0050STORY8 0.0056STORY7 0.0059STORY6 0.0057

< = 0.0070

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ESTRUCTURA CON DISIPADORES

STORY7 0.0059STORY6 0.0057STORY5 0.0060STORY4 0.0064STORY3 0.0070STORY2 0.0070STORY1 0.0053


EJEMPLO PRACTICOANALISIS DINAMICO EN EL ETABSCOMPARACION DE RESULTADOS

DRIFT EN DIRECCION X

PISO

Edific. SINAISLADORES

Edific. CONAISLADORES Reducción

STORY12 0.0028 0.0021 25%STORY11 0.0046 0.0035 23%

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STORY11 0.0046 0.0035 23%STORY10 0.0058 0.0045 22%STORY9 0.0067 0.0050 25%STORY8 0.0080 0.0056 30%STORY7 0.0091 0.0059 35%STORY6 0.0098 0.0057 42%STORY5 0.0103 0.0060 41%STORY4 0.0110 0.0064 42%STORY3 0.0113 0.0070 38%STORY2 0.0107 0.0070 35%STORY1 0.0070 0.0053 24%


EJEMPLO PRACTICOANALISIS DINAMICO EN EL ETABSFUERZAS DE LOS DISIPADORES

PISO F (t) F (KN) V (mm/sec) D (mm)STORY6 45.76 448.91 80.61 13STORY6 43.78 429.48 73.78 13STORY6 46.41 455.28 82.91 14STORY6 46.93 460.38 84.78 13STORY5 41.01 402.31 64.74 14STORY5 42.78 419.67 70.45 15

1:35 a.m. 55

STORY5 42.78 419.67 70.45 15STORY5 43.10 422.81 71.51 15STORY5 42.89 420.75 70.81 15STORY4 47.16 462.64 85.61 15STORY4 47.30 464.01 86.12 15STORY4 46.88 459.89 84.60 16STORY4 45.80 449.30 80.75 16STORY3 49.74 487.95 95.24 15STORY3 48.92 479.91 92.12 15STORY3 49.28 483.44 93.48 15STORY3 50.48 495.21 98.09 16STORY2 56.07 550.05 121.02 17STORY2 55.07 540.24 116.74 17STORY2 57.24 561.52 126.12 19STORY2 57.10 560.15 125.51 18


EJEMPLO PRACTICOANALISIS DINAMICO EN EL ETABSLAZO HISTERETICO DE DISIPADOR DE SEGUNDO PISO

1:35 a.m. 56

Variar las propiedades de los amortiguadores paralograr ciclos amplios y de buena disipación.


EJEMPLO PRACTICOANALISIS DINAMICO EN EL ETABSCOSTO DE DE DISIPADORES VISCOSOS

DISIPADOR SISMICO VISCOSO TAYLOR

EDIF. 12 PISOS APORTICADO DE CONCRETO

1:35 a.m. 57

EDIF. 12 PISOS APORTICADO DE CONCRETO

16 DISIPADORES F= 500KN

4 DISIPADORES F=750 KN

total $ 140,000.00


EJEMPLO PRACTICODIESEÑO DE LOS ELEMENTOS ESTRUCTURALES

• Determinar el amortiguamiento alcanzado con el arreglo.

• Modificar el espectro de la norma para considerar el amortiguamiento alcanzado (según FEMA u otro procedimiento conocido.

• En el modelo, retirar todo el sistema de amortiguamiento.Realizar el análisis y diseñar los elementos estructuralesconvencionalmente.

1:35 a.m. 58

• Determinar el amortiguamiento alcanzado con el arreglo.

• Modificar el espectro de la norma para considerar el amortiguamiento alcanzado (según FEMA u otro procedimiento conocido.

• En el modelo, retirar todo el sistema de amortiguamiento.Realizar el análisis y diseñar los elementos estructuralesconvencionalmente.


EJEMPLO REALEDIFICIO GERAPAL (7 Sótanos + 13 pisos)


EJEMPLO REALEDIFICIO GERAPAL (7 Sótanos + 13 pisos)Resultados

1:35 a.m. 60

EJE 2 EJE 11



F (KN) V (mm/sec)MIN MAX

12VO P L52 -473.83 491.24 614 8212VO P L53 -493.79 478.55 598 7812VO P L62 -489.51 497.07 621 8312VO P L63 -500.51 488.23 610 8111VO P L39 -468.59 414.63 518 6211VO P L40 -410.76 466.79 583 7511VO P L60 -452.49 423.31 529 6411VO P L61 -423.82 450.02 563 7110MO P L52 -392.49 389.02 486 5510MO P L53 -393.08 396.52 496 5710MO P L62 -339.94 381.77 477 5410MO P L63 -388.15 354.08 443 47


10MO P L63 -388.15 354.08 443 479NO P L39 -386.73 431.74 540 669NO P L40 -428.48 383.41 479 549NO P L60 -355.24 383.62 480 549NO P L61 -372.83 350.19 438 468VO P L52 -357.95 337.92 422 448VO P L53 -343.66 363.87 455 508VO P L62 -361.03 346.78 433 468VO P L63 -355.84 381.63 477 547MO P L39 -393.5 395.58 494 577MO P L40 -396.54 389.17 486 557MO P L60 -397.87 379.87 475 537MO P L61 -390.49 407.58 509 606TO P L52 -385.54 425.54 532 646TO P L53 -436.11 389.82 487 566TO P L62 -430.28 466.89 584 756TO P L63 -472.88 445.28 557 695TO P L39 -499.54 504.28 630 855TO P L40 -512.86 495.37 619 835TO P L60 -532.07 601.43 752 1145TO P L61 -603.29 540.91 676 96


F (KN)

16Disipadores 750

16Disipadores 500


16Disipadores 500

32DISIPADORES

C (KN-sec/mm) a

5 - 12 PISO 50 0.6

EJEMPLO REALEDIFICIO GERAPAL (7 Sótanos + 13 pisos)


INCIDENCIA DE UN AISLADOR –DISIPADOR Vs. COSTO CONSTRUCCION

Todos sabemos que estamos próximos a recibir un GRAN SISMO

Existe la TECNOLOGIA y AHORA es muy factible de utilizar…

Difundamos estos nuevos sistemas y esperemos que por lo menos

edificaciones esenciales como puentes, colegios, Hospitales, Clínicas, cuenten

con éstos Sistemas de Protección Antisísmica.

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Todos sabemos que estamos próximos a recibir un GRAN SISMO

Existe la TECNOLOGIA y AHORA es muy factible de utilizar…

Difundamos estos nuevos sistemas y esperemos que por lo menos

edificaciones esenciales como puentes, colegios, Hospitales, Clínicas, cuenten

con éstos Sistemas de Protección Antisísmica.


www.cdvrepresentaciones.com

1:35 a.m. 66

Ing. MSc. Maribel Burgos [email protected]

Celular: 98 146*9970


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