DISIPADORES DE ENERGIA FLUIDO VISCOSO DISIPADORES DE

Transcripción

DISIPADORES DE ENERGIA
FLUIDO VISCOSO
1:35 a.m.
Diplomado UPC en Estructuras
1
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.
1:35 a.m.
2
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.
1:35 a.m.
3
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.
y
K
M
C
  5%
1:35 a.m.
F(t)
y
Ky
cy
M
F(t)
m y  c y  Ky  F t 
y  2  y   2 y  F t  m
4
DISTRIBUCION DE LA ENERGIA EN
UN SISTEMA
La energía que se introduce en un sistema se transforma, y
eventualmente se disipa:
ET  E K  E S  E I  E
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 se
transforma en movimiento.
ES = Energía elástica de deformación, es la parte de la energía que
se 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 es
disipada por fuentes de amortiguamiento.
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5
ENFOQUE PARA LA DISIPACION DE
ENERGIA
ET  E K  E S  E I  E
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
1:35 a.m.
dispositivos disipadores de energía
6
DISIPADORES DE ENERGIA
Son dispositivos que transforman la energía en calor:
- Disipadores por deformación (metálicos)
- Disipadores de comportamiento viscoelásticos
- Disipadores de comportamiento FLUIDO VISCOSO
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7
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.
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8
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.
• 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.
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9
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.
1:35 a.m.
10
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.
• La disipación de energía se
obtiene debido a la
deformación por cortante de
un material con propiedades
viscoelásticas.
1:35 a.m.
11
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
significativamente las cargas
sísmicas para un grado
comparable de la deformación
estructural.
1:35 a.m.
12
COMPONENTES DEL DISIPADOR
FLUIDO VISCOSO
• Son fabricados de acero inoxidable y el líquido de
amortiguamiento es aceite de silicona.
1:35 a.m.
13
FLUIDO VISCOSO
• 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.
1:35 a.m.
14
FLUIDO VISCOSO
1:35 a.m.
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¿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.
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16
VISCOSOS?
SISMO
D máximo corresponde a fuerza máxima en estructura, en ese momento la
fuerza en el disipador viscoso es mínima.
1:35 a.m.
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VISCOSOS?
SISMO
D máximo corresponde a fuerza máxima en estructura, en ese momento la
fuerza en el disipador viscoso es mínima.
1:35 a.m.
18
¿CÓMO AFECTA A LA ESTRUCTURA
OTROS TIPOS DE DISIPADORES?
1:35 a.m.
19
FUERZA DEBIDO AL
AMORTIGUAMIENTO DEL DISIPADOR
• En un disipador viscoso, la respuesta del amortiguador
es:
F  CV
a
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
1:35 a.m.
20
FUERZA DEBIDO AL
AMORTIGUAMIENTO DEL DISIPADOR
• En un disipador viscoso, la respuesta del amortiguador
es:
F  CV
a
Los valores de α, los cuales han demostrado ser más
populares están en el rango de 0.4 to 0.5 para el diseño
de edificaciones con registros sísmicos.
1:35 a.m.
21
MODELAMIENTO DE LOS
DISIPADORES VISCOSOS
• En muchas aplicaciones los disipadores son modelados
como un modelo MAXWELL simple.
• 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.
1:35 a.m.
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ESTILOS BASICOS DE INSTALACION
DE LOS DISIPADORES VISCOSOS
• Los amortiguadores de fluido viscoso se pueden
instalar como miembros diagonales de varias maneras,
o puede atarse en los arriostres (Chevron braces).
1:35 a.m.
23
1:35 a.m.
24
1:35 a.m.
25
1:35 a.m.
26
1:35 a.m.
27
1:35 a.m.
28
&
1:35 a.m.
29
TAYLOR DEVICES INC.
Fundada en 1955
North Tonawanda
New York - USA
1:35 a.m.
30
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)
1:35 a.m.
31
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 disipadores
F = 145.6t
1:35 a.m.
32
El segundo proyecto significante fue un edificio de
Servicios de Comunicación de emergencia PACIFIC BELL,
Sacramento – California – USA.
Chevron, F = 13t
1:35 a.m.
33
Una tercera aplicación significante fue THE WOODLAND
HOTEL, localizado en la ciudad de Woodland, CaliforniaUSA.
Se colocaron 16 disipadores F = 45t
1:35 a.m.
34
LOS ANGELES CITY HALL
Edificio de oficinas del gobierno de 32 pisos (140m)
F = 180t en paralelo con aisladores
sísmicos.
En la torre, 14 disipadores F = 135t
1:35 a.m.
35
SAN FRANCISCO CIVIC CENTER
Edificio de pórtico de acero de 14 pisos
Se colocaron 292 disipadores, F = 100t y 55t
1:35 a.m.
36
TORRE MAYOR -MEXICO
Edificio más alto de México 55 pisos, destinado a oficinas.
Se colocaron 98 disipadores, (74 FVD F = 280t y 24FVD 570t
1:35 a.m.
37
TORRE MAYOR -MEXICO
1:35 a.m.
38
The Pacific Northwest Baseball Stadium in
Seattle, Washington
Se colocaron 8 disipadores, F = 455t
1:35 a.m.
39
Torre Central del Aeropuerto Jorge Chávez –
Lima- PERU
Reforzamiento de estructura de la torre central de 10 pisos
Se colocaron 42 disipadores, F = 49t y 71.2 t
Se colocaron en configuración Chevron
1:35 a.m.
40
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
1:35 a.m.
41
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO
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.
1:35 a.m.
42
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
Tf = 0.52 seg
1:35 a.m.
43
EJEMPLO PRACTICO
ANALISIS DINAMICO EN EL ETABS
Definición de propiedades de los DISIPADORES VISCOSOS
1:35 a.m.
44
EJEMPLO PRACTICO
K
C
a
1:35 a.m.
45
EJEMPLO PRACTICO
Ubicación de los DISIPADORES VISCOSOS
1:35 a.m.
46
EJEMPLO PRACTICO
Ubicación de los DISIPADORES VISCOSOS
1:35 a.m.
Eje 1 y Eje
4 UPC en Estructuras
Diplomado
Eje A y Eje E
47
EJEMPLO PRACTICO
Análisis Tiempo Historia
• 5 registros escalados a un SISMO DISEÑO
1.600
1.400
1.200
1.000
0.800
0.600
0.400
0.200
0.000
0
1:35 a.m.
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
48
EJEMPLO PRACTICO
Análisis Tiempo Historia
• 5 registros escalados:
 dt = 0.02seg
 Tiempo duración = 80seg
1:35 a.m.
49
EJEMPLO PRACTICO
Resultados
ESTRUCTURA SIN DISIPADORES
1:35 a.m.
ESTRUCTURA CON DISIPADORES
50
EJEMPLO PRACTICO
Resultados
DRIFT EN DIRECCION X
PISO
A. Espect
STORY12
0.0028
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0.0047
STORY10
0.0062
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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
1:35 a.m.
51
EJEMPLO PRACTICO
Resultados
PISO
STORY12
STORY11
STORY10
STORY9
STORY8
STORY7
STORY6
STORY5
STORY4
STORY3
STORY2
STORY1
A. T HistoriaMax
0.0028
0.0046
0.0058
0.0067
0.0080
0.0091
0.0098
0.0103
0.0110
0.0113
0.0107
0.0070
> 0.0070
1:35 a.m.
52
EJEMPLO PRACTICO
PISO
STORY12
STORY11
STORY10
STORY9
STORY8
STORY7
STORY6
STORY5
STORY4
STORY3
STORY2
STORY1
A. T HistoriaMax
0.0021
0.0035
0.0045
0.0050
0.0056
0.0059
0.0057
0.0060
0.0064
0.0070
0.0070
0.0053
< = 0.0070
ESTRUCTURA CON DISIPADORES
1:35 a.m.
53
EJEMPLO PRACTICO
COMPARACION DE RESULTADOS
Edific.
SINEdific.
CON
AISLADORES AISLADORES
PISO
STORY12
STORY11
STORY10
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STORY6
STORY5
STORY4
STORY3
STORY2
STORY1
1:35 a.m.
0.0028
0.0046
0.0058
0.0067
0.0080
0.0091
0.0098
0.0103
0.0110
0.0113
0.0107
0.0070
0.0021
0.0035
0.0045
0.0050
0.0056
0.0059
0.0057
0.0060
0.0064
0.0070
0.0070
0.0053
Reducción
25%
23%
22%
25%
30%
35%
42%
41%
42%
38%
35%
24%
54
EJEMPLO PRACTICO
FUERZAS DE LOS DISIPADORES
PISO
STORY6
STORY6
STORY6
STORY6
STORY5
STORY5
STORY5
STORY5
STORY4
STORY4
STORY4
STORY4
STORY3
STORY3
STORY3
STORY3
STORY2
STORY2
STORY2
STORY2
1:35 a.m.
F (t)
45.76
43.78
46.41
46.93
41.01
42.78
43.10
42.89
47.16
47.30
46.88
45.80
49.74
48.92
49.28
50.48
56.07
55.07
57.24
57.10
F (KN)
V (mm/sec) D (mm)
448.91
80.61
13
429.48
73.78
13
455.28
82.91
14
460.38
84.78
13
402.31
64.74
14
419.67
70.45
15
422.81
71.51
15
420.75
70.81
15
462.64
85.61
15
464.01
86.12
15
459.89
84.60
16
449.30
80.75
16
487.95
95.24
15
479.91
92.12
15
483.44
93.48
15
495.21
98.09
16
550.05
121.02
17
540.24
116.74
17
561.52
126.12
19
560.15
125.51
18
55
EJEMPLO PRACTICO
LAZO HISTERETICO DE DISIPADOR DE SEGUNDO PISO
Variar las propiedades de los amortiguadores para
lograr ciclos amplios y de buena disipación.
1:35 a.m.
56
EJEMPLO PRACTICO
COSTO DE DE DISIPADORES VISCOSOS
DISIPADOR SISMICO VISCOSO TAYLOR
EDIF. 12 PISOS APORTICADO DE CONCRETO
16 DISIPADORES F= 500KN
4 DISIPADORES F=750 KN
total
1:35 a.m.
$ 140,000.00
57
EJEMPLO PRACTICO
DIESEÑO 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 estructurales
convencionalmente.
1:35 a.m.
58
EJEMPLO REAL
EDIFICIO GERAPAL (7 Sótanos + 13 pisos)
1:35 a.m.
59
EJEMPLO REAL
Resultados
EJE 2
1:35 a.m.
EJE 11
60
EJEMPLO REAL
Resultados
1:35 a.m.
MIN
12VO P
12VO P
12VO P
12VO P
11VO P
11VO P
11VO P
11VO P
10MO P
10MO P
10MO P
10MO P
9NO P
9NO P
9NO P
9NO P
8VO P
8VO P
8VO P
8VO P
7MO P
7MO P
7MO P
7MO P
6TO P
6TO P
6TO P
6TO P
5TO P
5TO P
5TO P
5TO P
L52
L53
L62
L63
L39
L40
L60
L61
L52
L53
L62
L63
L39
L40
L60
L61
L52
L53
L62
L63
L39
L40
L60
L61
L52
L53
L62
L63
L39
L40
L60
L61
F (KN)
MAX
-473.83
-493.79
-489.51
-500.51
-468.59
-410.76
-452.49
-423.82
-392.49
-393.08
-339.94
-388.15
-386.73
-428.48
-355.24
-372.83
-357.95
-343.66
-361.03
-355.84
-393.5
-396.54
-397.87
-390.49
-385.54
-436.11
-430.28
-472.88
-499.54
-512.86
-532.07
-603.29
V (mm/sec)
491.24
478.55
497.07
488.23
414.63
466.79
423.31
450.02
389.02
396.52
381.77
354.08
431.74
383.41
383.62
350.19
337.92
363.87
346.78
381.63
395.58
389.17
379.87
407.58
425.54
389.82
466.89
445.28
504.28
495.37
601.43
540.91
614
598
621
610
518
583
529
563
486
496
477
443
540
479
480
438
422
455
433
477
494
486
475
509
532
487
584
557
630
619
752
676
82
78
83
81
62
75
64
71
55
57
54
47
66
54
54
46
44
50
46
54
57
55
53
60
64
56
75
69
85
83
114
96
61
EJEMPLO REAL
Resultados
F (KN)
16Disipadores
750
16Disipadores
500
32DISIPADORES
C (KN-sec/mm)
5 - 12 PISO
1:35 a.m.
50
a
0.6
62
EJEMPLO REAL
1:35 a.m.
63
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.
1:35 a.m.
65
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66

DISIPADORES DE ENERGIA FLUIDO VISCOSO DISIPADORES DE

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