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El presente artculo hace parte de las memorias del VII Congreso
Nacional de Ingeniera Ssmica organizado por la Universidad de los
Andes y la
Asociacin Colombiana de Ingeniera Ssmica. Bogot, Mayo de
2015.
Evaluacin experimental de una estrategia de control
semiactivo
en una estructura a escala reducida.
Experimental evaluation of a semi-active control strategy on a
reduced scale
structure.
Salvador Matilla1, Alexander Solarte2, Mateo Gonzlez3*, Carlos
Riascos4, Peter
Thomson5
1Est. Maestra en Ingeniera, Escuela de Ingeniera Civil y
Geomtica, Universidad del Valle, Cali, Colombia
2Est. Maestra en Ingeniera, Escuela de Ingeniera Civil y
Geomtica, Universidad del Valle, Cali, Colombia
3Est. Ingeniera Civil, Escuela de Ingeniera Civil y Geomtica,
Universidad del Valle, Cali, Colombia
4Est. Doctorado en Ingeniera, Escuela de Ingeniera Civil y
Geomtica, Universidad del Valle, Cali, Colombia
5Profesor Titular, Escuela de Ingeniera Civil y Geomtica,
Universidad del Valle, Cali, Colombia Grupo de Investi-
gacin G-7.
RESUMEN
En este artculo se describe la construccin y evaluacin de un
amortiguador semiactivo de friccin variable (ASAFV) como
sistema
de control de bajo costo para reducir las vibraciones generadas
por sismos en estructuras. Para este fin, se dise, construy y
caracteriz dinmicamente una estructura metlica de pruebas,
similar a una estructura benchmark, la cual ha sido utilizada
por
otros investigadores en el campo del control estructural. Dicha
estructura es modular y tiene la posibilidad de armarse en hasta
seis
pisos. La caracterizacin de la estructura se hizo utilizando el
simulador ssmico de la Universidad del Valle para someter la
estruc-
tura a movimientos en su base. Se instrument la estructura con
una configuracin de tres pisos con acelermetros en cada nivel,
se
procesaron los resultados mediante anlisis modal espectral y se
encontr que las frecuencias naturales asociadas a los primeros
tres
modos de vibracin son 2.48 Hz, 7.11 Hz y 10.40 Hz, y las razones
de amortiguamiento modal 0.71%, 0.32% y 0.28%. El ASAFV
consiste en un freno hidrulico con pastillas de resina adaptado
a un servomotor el cual puede controlarse desde un procesador.
Se
caracterizaron experimentalmente las fuerzas de friccin dinmicas
generadas por el ASAFV y se encontr que este dispositivo
puede controlarse para producir una fuerza de hasta un 70% del
peso de la estructura. En funcin de los resultados de la
caracteri-
zacin de la estructura de pruebas y del ASAFV, se someti la
estructura de pruebas, controlada con el ASAFV, a excitaciones
ssmicas en la base, utilizando el simulador ssmico uniaxial. Con
estos ensayos se alcanzaron reducciones de ms del 50% en los
desplazamientos RMS.
Palabras clave: Control semiactivo, friccin, mesa ssmica.
ABSTRACT
This article describes the construction and evaluation of a
semi-active variable friction damper (SAVFD) as a low cost
control
system to reduce the structural earthquake response. A steel
test structure, similar to a benchmark structure used by other
re-search-
ers in the field of structural control, was designed, built and
experimentally characterized. This structure is modular and has
the
possibility of having up to six stories. The characterization of
the structure was performed on the shaking table of the
Universidad
del Valle. A three-story structure was instrumented with
accelerometers in each level, and the data was processed using
spectral
modal analysis. The natural frequencies associated with the
first three vibration modes are 2.48 Hz, 7.11 Hz and 10.40 Hz, and
the
reasons for modal damping 0.71%, 0.32% and 0.28%. The SAVFD
consists of a hydraulic brake with resin pads adapted to a
servomotor, which can be controlled from a processor. The
dynamic friction forces generated by the SAVFD were
characterized
experimentally and it was found that this device can be
controlled to produce a force of up to 70% of the weight of the
structure.
Based on the results of the characterization of the test
structure and the SAVFD, the controlled test structure was excited
with a
seismic waveform using the uniaxial shaking table. The SAVFD was
effective in producing a reduction of 50% in the RMS of the
structural displacement response.
* [email protected]
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Keywords: Semi-active control, friction, shaking table.
1 INTRODUCCIN
Las vibraciones excesivas que producen las cargas dinmicas
(antrpicas, elicas, mecnicas y ssmicas) sobre las estructuras
civiles pueden producir inconformidad en sus ocupantes y daos en
sus elementos estructurales y no estructurales. Disminuir la
respuesta estructural es una necesidad y un objetivo del diseo
sismo resistente, con el cual se garantiza la rigidez, resistencia
y ductilidad de la edificacin, y la seguridad de sus ocupantes
(Gmez, Marulanda, & Thomson, 2008).
Los sistemas de control son considerados una alternativa
efectiva para el control de vibraciones (Yalla, Kareem, &
Kantor, 2001) y son clasificados segn su requerimiento de energa
en: pasivos, semiactivos, activos e hbridos. Los sistemas de
control pasivos son aquellos que no requieren de una fuente de
potencia externa para funcionar, ya que responden al movimiento de
la estructura; entre los ms destacados estn los aisladores ssmicos,
los amortiguadores visco-elsticos y los amortiguadores de masa
sintonizada. Los sistemas activos utilizan actuadores que generan
una fuerza externa, la cual tiende a oponerse a las vibraciones no
deseadas; entre estos sistemas estn los amortiguadores de masa
activa y los sistemas de tendn activo. Los sistemas de control
semiactivos son controlados con requerimientos de energa menores
que los sistemas de control activo, entre estos estn los
amortiguadores de orificio variable y los amortiguadores
electroreolgicos.
Estas alternativas han sido investigadas y ampliamente usadas
principalmente en Japn y Estados Unidos. Sin embargo, en Colom-bia
su aplicacin aumenta paulatinamente (Gmez, Marulanda, &
Thomson, 2008), como es el caso de la Clnica Comfandi (El Pas,
2010), el Hospital el Tunal (Oviedo & Duque, 2009), Hospital
Departamental Universitario del Quindo (Hospital Departamental
Universitario del Quindo, 2011), entre otros.
Los amortiguadores semiactivos de friccin variable (ASAFV) son
considerados una buena alternativa para reducir la respuesta de la
estructura, disipando la energa a travs de la friccin que genera el
desplazamiento relativo entre la edificacin y el dispositivo.
Debido a que las cargas dinmicas generalmente son muy
impredecibles, este sistema es controlado por algoritmos que le
indican al dispositivo cmo comportarse, esto con el fin de disipar
la mayor energa posible y as reducir la respuesta de la edificacin.
En este artculo se presenta la evaluacin experimental de un
algoritmo de control Clipped en una estructura a escala reducida,
con el fin de determinar la mejor estrategia para controlar el
dispositivo cuando la estructura est sometida a un sismo.
2 MATERIALES Y MTODOS
2.1 Estructura de pruebas
Para este estudio se dise, construy y caracteriz una estructura
metlica en escala reducida (ver Figura 1). Cada nivel tiene una
altura de 30 cm y un ancho de 43 cm, aproximadamente, y est
instrumentada con acelermetros en cada piso (ver Figura 2).
Figura 2: Acelermetro.
Figura 1: Estructura de pruebas.
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2.1.1 Propiedades dinmicas de la estructura de pruebas
Las propiedades dinmicas de la estructura de pruebas
(frecuencias naturales , razones de amortiguamiento n y formas
modales) se obtuvieron a partir de ensayos de vibracin libre y de
vibracin forzada utilizando el simulador ssmico de la Universidad
del Valle (ver Figura 6). Todas las pruebas que se hicieron a la
estructura fueron hechas en su direccin ms flexible. Se procesaron
los datos obtenidos de los ensayos mediante anlisis modal espectral
y se encontr que las frecuencias naturales asociadas a los primeros
tres modos de vibracin son 2.48 Hz, 7.11 Hz y 10.40 Hz, y las
razones de amortiguamiento modal 0.71%, 0.32% y 0.28%. En la Figura
3 se ilustran las formas modales obtenidas de un software
desarrollado en la Escuela de Ingeniera Civil y Geomtica de la
Universidad del valle.
2.2 Sistema de control
2.2.1 Amortiguador semiactivo de friccin variable
El amortiguador semiactivo de friccin variable (ASAFV) descrito
en este artculo reduce la respuesta dinmica de la estructura
aplicando una fuerza que se opone al desplazamiento de la misma.
Esta fuerza es producida por la friccin que se genera entre el
freno hidrulico y la lmina de acero delgada (ver Figura 4 (c)). La
presin que el freno ejerce sobre la lmina es regulada por una
manigueta que est conectada a un servomotor, el cual es controlado
con seales digitales. El dispositivo consiste en un freno hidrulico
con pastillas de resina, el cual se caracteriz dinmicamente y se
determin que puede aplicar a la estructura una fuerza de hasta 500
Newton.
Figura 3: Modos de vibracin estructura de pruebas.
-4 -2 0 2 40
1
2
3P
iso
s
Modo 1
Modo 2
Modo 3
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Figura 4: Estructura con ASAFV.
2.2.2 Algoritmo de control
Para controlar el amortiguador se utiliz un algoritmo de control
Clipped, el cual utiliza informacin del piso donde est
localizado
el dispositivo y a partir de sta define si debe cerrar o abrir
el freno. La informacin que obtiene el algoritmo es, en este
estudio, las
aceleraciones registradas por los acelermetros que la estructura
tiene en cada nivel. Aunque se registraron las aceleraciones en
los
tres niveles, el algoritmo control el dispositivo a partir de la
informacin obtenida del primer piso.
La respuesta dinmica de la estructura es disipada por la friccin
que se genera en el amortiguador. Entre ms fuerza necesite la
estructura para deslizarse por el amortiguador, ms energa se
disipa, pero si la estructura no se desliza por el amortiguador no
se
genera friccin en este y por lo tanto no se disipa energa (Xu,
Qu, & Chen, 2001).
El algoritmo contiene tres parmetros importantes: el intervalo
de tiempo entre decisiones, el incremento o decremento de
fuerza
en el agarre y el umbral para el cual el algoritmo define si
debe permitir ms desplazamiento en el freno o menos. El intervalo
de
tiempo se vari en funcin de la primera frecuencia natural de la
estructura. El cambio en la fuerza de agarre se determin para
que
pueda pasar de su condicin ms abierta del freno a la ms cerrada
en ocho decisiones. Tanto el intervalo de tiempo como el umbral
se variaron y se hizo varias pruebas con el sismo de Armenia
para determinar los ms efectivos.
2.3 Ensayos
Se realizaron ensayos en la mesa ssmica de la Escuela de
ingeniera Civil y Geomtica de la Universidad del Valle (ver Figura
5) para determinar la efectividad del sistema de control. Se someti
la estructura en su base a un barrido de frecuencias, un ruido
blanco y al sismo de Armenia. Los ensayos se hicieron en la
direccin ms flexible de la estructura.
(a)
(b)
(c)
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Se someti la estructura al sismo de Armenia para los siguientes
ensayos: se probaron 5 intervalos de tiempo de decisin (cada uno de
ellos en funcin de la primera frecuencia natural de la estructura)
y para cada intervalo de tiempo se probaron 3 umbrales (0.02, 0.05
y 0.10 gravedades).
3 RESULTADOS
Los resultados (ver Figura 6) demuestran que si el propsito es
controlar aceleraciones, se debe implementar en el algoritmo un
tiempo de decisin corto con el umbral de 0.05 gravedades, por otro
lado, si lo que se desea es controlar desplazamientos, el
algo-ritmo de control debe tomar decisiones en intervalos de tiempo
cortos con un umbral pequeo de 0.02 gravedades. Los detalles de la
mejor respuesta para aceleracin y para desplazamiento estn en la
Figura 7.
(a) (b)
Figura 6: (a) Reduccin de aceleraciones en el primer piso para
cada lapso de decisin. (b) Reduccin de desplazamiento en el primer
piso para cada lapso
de decisin.
Figura 5: Mesa ssmica.
0 50 100 150 2000
20
40
60
80
100
Lapso Decisin [n%]
Red
ucc
in
[d
esp
. p
ico
%]
Umbral 2/100 g
Umbral 5/100 g
Umbral 10/100 g
0 50 100 150 2000
20
40
60
80
100
Lapso Decisin [n%]
Red
ucc
in
[a
cel. R
MS
%]
Umbral 2/100 g
Umbral 5/100 g
Umbral 10/100 g
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Andes y la
Asociacin Colombiana de Ingeniera Ssmica. Bogot, Mayo de
2015.
(a) (b)
Figura 7: (a) Mejor respuesta en aceleracin. (b) Mejor respuesta
en desplazamiento.
CONCLUSIONES
De este estudio se concluye que los amortiguadores semiactivos
de friccin variable disminuyen efectivamente la respuesta ssmica en
aceleracin y desplazamiento de la estructura. Tambin se concluye
que el algoritmo de control es ms eficiente con un lapso de decisin
pequeo (en este estudio se utiliz de la primera frecuencia natural
de la estructura) y el umbral debe escogerse segn lo que se desea
disminuir: si el propsito es reducir aceleraciones es mejor usar un
umbral no muy pequeo (en este estudio de 0.05 gravedades), pero si
el propsito es reducir desplazamientos es mejor utilizar un umbral
pequeo (en este estudio de 0.02 graveda-des).
AGRADECIMIENTOS
El grupo de investigacin G7 agradece a la Universidad del Valle
y al Departamento Administrativo de Ciencia, Tecnologa e
Innovacin (COLCIENCIAS) de la repblica de Colombia por la
financiacin del proyecto Desarrollo de Sistemas de Control
Estructural Semiactivo de Bajo Costo, identificado con el cdigo
1106-569-34424.
REFERENCIAS
El Pas. (23 de Enero de 2010). Comfandi, con nueva clnica. Gmez,
D., Marulanda, J., & Thomson, P. (2008). Sistemas de control
para la proteccin de estructuras civiles sometidas a cargas
dinmicas. Dyna, 77-89.
Hospital Departamental Universitario del Quindo. (2011).
Rehabilitacin por vulnerabilidad ssmica con disipadores pasivos.
Armenia.
Oviedo, J. A., & Duque, M. d. (2009). Situacin de las
tcnicas de control de respuesta ssmica en Colombia. EIA,
113-124.
Xu, Y. L., Qu, W. L., & Chen, Z. H. (2001). Control of
wind-excited truss tower using semiactive friction damper. Journal
of structural engineering, 861-868.
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El presente artculo hace parte de las memorias del VII Congreso
Nacional de Ingeniera Ssmica organizado por la Universidad de los
Andes y la
Asociacin Colombiana de Ingeniera Ssmica. Bogot, Mayo de
2015.
Yalla, S. K., Kareem, A., & Kantor, J. C. (2001).
Semi-active tuned liquid column dampers for vibration control of
structures. Engineering Structures, 23, 1469-1479.
