Disipadores y Aisladores de Energia

Índice. Introducción. 2 Objetivos. 3 1.- Sistemas pasivos. 4 1.1.- Aisladores Sísmicos 4 1.2.- Aisladores riccionales ! - "#ndulo riccional ! - $esli%adores & - $ispositivo '"( & - Aislador )riccional con anillo de *oma & - Sistema de aislación de piso & 1.3.- $isipadores de ener*ía. 1+ - $isipadores ,ister#ticos 1+ - $isipadores )riccionantes 12 - $isipadores viscoelsticos 14 1.4.- Osciladores resonantes. 1/ 2.- Sistemas Activos. 10 3.- Sistemas íbridos. 1! 4.- Sistemas Semi - Activos. 1! S565AS I78I97S 1& 6omentarios : conclusiones. 2+ uentes utili%adas. 21 8in;s en la ltimos a?os la in*eniería sísmica en todo el mundo ,a en)ocado muc,os de sus es)uer%os a investi*ar e implementar m#todos para debilitar la amena%a de las comunidades ms vulnerables. ntre estos@ los sistemas pasivos de disipación de ener*ía para el dise?o : re)or%amiento de estructuras ,an tomado *ran au*e@ *racias a la a:uda de los procesadores electrónicos : la dinmica estructural ,o: en día eisten numerosos ejemplos de estructuras construidas o re)or%adas en al*unos de los países del mundo ms propensos a la amena%a sísmica. s por ello Bue el presente in)orme tiene la )inalidad de dar a conocer los principales tipos de aislantes : disipadores sísmicos en la construcción de estructuras : edi)icios@ dando a conocer al*unas características de #stos como el )uncionamiento@ el material u tili%ado : sus aplicaciones@ entre otros. 6on la )inalidad de disminuir los e)ectos de los sismos en las estructuras o edi)icios se usa la aislación sísmica : los disipadores de ener*ía@ esperando así un buen nivel de desempe?o en cuanto a la protección de la vida de las personas : previniendo el colapso de la estructura. 8os sistemas de protección sísmica empleados en la actualidad comprenden una amplia variedad@ estos van desde sistemas simples como los son los dispositivos de control pasivo@ ,asta sistemas ms avan%ados como los dispositivos de control activo. 8os sistemas de protección sísmica se constitu:en en 1- Sistemas Sistemas pasivos aC Aislamiento sísmico.

bC $isipadores de ener*ía cC Oscilador resonante D$ 2- Sistemas activos aC Arriostres activos bC endones activos cC Oscilador activo AD$ 3- Sistemas ,íbridos aC Aislamiento activo bC Oscilador ,ibrido D$ 4- Sistemas semi-activos aC $isipadores de ori)icio variable bC $ispositivos de )ricción variable cC $isipadores )luido controlables

i*ura 7E1 $ia*rama de protección sísmica. 8as primeras aplicaciones de los aisladores de base actuales )ueron en puentes debido a Bue estas estructuras normalmente se apo:an sobre placas de neopreno para permitir el libre despla%amiento ocasionado por los cambios de temperatura. sto permitió la sustitución de las placas de neopreno por aisladores de base. l primer intento moderno por utili%ar un sistema de aislamiento en edi)icaciones se dio en la scuela einric, "estalo%%i@ en S;opje@ Fu*oslavia@ en 1G0G@ mediante un m#todo sui%o denominado HAislamiento total de la base en tres direcciones utili%ando vi*as de cauc,o natural sin re)or%ar. A partir de este edi)ico empe%ó la eperimentación@ implementación : patentado de sistemas en los stados 5nidos@ (apón : 7ueva Jelanda principalmente. Objetivos. K $ar a conocer los distintos tipos de protección sísmica en las estructuras@ centrndose principalmente en los aislantes sísmicos : los disipadores de ener*ía. K acer comparaciones entre los distintos sistemas. K Dostrar las características ms bsicas del )uncionamiento de los sistemas de protección sísmica. K $ar a conocer ejemplos de al*unas estructuras Bue actualmente usan ciertos tipos de protección sísmica. 1.- Sistemas pasivos. 8os sistemas de control pasivo reducen la respuesta dinmica por medios totalmente mecnicos. stos emplean dispositivos bastante simples como i*ura 7E2 Sistema de control pasivo. 1.1.- Aisladores Sísmicos

sta estrate*ia de dise?o se basa en la idea de aislar una estructura del suelo mediante elementos estructurales Bue reducen el e)ecto de l os sismos sobre la estructura. 8os aisladores reducen notablemente la ri*ide% del sistema estructural@ ,aciendo Bue el periodo )undamental de la estructura aislada sea muc,o ma:or Bue el de la misma estructura con base )ija. stos dispositivos pueden ser de di)erentes tipos : )ormas@ los mas conocidos son los basados en *oma de alto amorti*uamiento@ *oma con n>cleo de pl omo@ neoprenicos o )ricciónales. 8os apo:os elastom#ricos emplean un elastómero de cauc,o natural o neopreno re)or%ado con )inas lminas de acero. 8a notable )leibilidad lateral en el elastómero permite el despla%amiento lateral de los etremos del aislador@ mientras Bue las lminas de re)uer%o evitan el abultamiento del elastómero : le proporcionan una *ran ri*ide% vertical. Al utili%ar estos elementos@ la estructura su)re un cambio en la )orma como se mueve durante un sismo : una reducción importante de las )uer%as Bue act>an sobre ella durante un sismo. 8os tipos de apo:o elastom#ricos ms usados son K Apo:os de cauc,o natural L7=C K Apo:os de cauc,o con n>cleo de plomo L8=C K Apo:os de cauc,o de alta disipación de ener*ía L$C 8os apo:os desli%antes poseen una super)icie de desli%amiento Bue permite la disipación de ener*ía por medio de las )uer%as de ro%amiento. i*ura 7E3 Apo:o elastom#ricos. 8as placas intermedias de acero del aislador restrin*en la epansión lateral del dispositivo@ evitando así las ecesivas de)ormaciones laterales de #ste. Se pueden alcan%ar valores si*ni)icativos de amorti*uamiento mediante una modi)icación Buímica de la *oma alcan%ando un amorti*uamiento del 12M al 1&M@ para un amplio ran*o de )recuencias : de)ormaciones típicas de dise?o. Adems se puede a?adir un n>cleo de plomo en el centro del dispositivo con)inado por las lminas de *oma : acero alcan%ando niveles de amorti*uamiento de un 2+M a un 4+M. ste n>cleo en el dispositivo permite ri*idi%ar la estructura lateralmente para car*as de servicio : eventuales como l o es el viento. ambi#n aumenta el amorti*uamiento del aislador a trav#s de )luir bajo de)ormación lateral  Actualmente eisten numerosas aplicaciones de sistemas de aislamiento de base en países como (apón@ stados 5nidos@ 7ueva Jelanda e Italia. 5no de los edi)icios en los Bue se demostró la )actibilidad de los sistemas de aislamiento sísmico es el ire 6ommand and 6ontrol acilit: en 8os An*eles. stos estudios estimaron Bue el costo con aislamiento sísmico era un 0M menor Bue el correspondiente al edi)icio con un dise?o convencional. n c,ile la aplicación de esta tecnolo*ía lo constitu:e el di)icio Andalucía Bue )ue el primer  edi)icio ,abitacional en 6,ile con aislación sísmica de base. Actualmente tambi#n se utili%a esta tecnolo*ía en obras civiles como el 'iaducto Dar*a-Dar*a Bue )ue el primer puente carretero construido con aislación sísmica de base. i*ura 7E4 Aislador edi)icio Andalucía. i*ura 7E/ Aislador edi)icio Andalucía. n 6,ile@ tambi#n se muestran usando actualmente este sistema@ las si*uientes estructuras KK Santia*o@ 6,ile L2++1C. /2 aisladores elastom#ricos L22 con n>cleo de plomoC.

i*ura 7E0 6línica san 6arlos de ApoBuindo. N KK Santia*o@ 6,ile L2++2C. 42 aisladores elastom#ricos L1! con n>cleo de plomoC  11 desli%adores. i*ura 7E! di)icio San A*ustín de la "onti)icia 5niversidad 6atólica d e 6,ile. N N N 1.2.- Aisladores riccionales - "#ndulo riccional ste dispositivo L"SC busca disipar ener*ía por )ricción@ consiste en un Pdesli%adorP Bue se mueve sobre una super)icie es)#rica cóncava@ el cual ante cualBuier movimiento de la base de la estructura producir un despla%amiento del Pdesli%adorP a lo lar*o la super)icie cóncava. 6omo este despla%amiento ocurre sobre una super)icie curva la )uer%a vertical transmitida por el Pdesli%adorP provee una componente tan*encial Bue tiende a centrar al sistema. i*ura 7E& "#ndulo )riccional. N N "ara evitar Bue la super)icie es)#rica de acero se ra:e : así no impedir el despla%amiento libre del desli%ador se utili%a una )orma lenticular es)#rica para #ste@ de modo Bue un rea de este est en contacto con la super)icie cóncava : no un solo punto@ como sería el caso de un desli%ador )riccional enteramente es)#rico. Adems el desli%ador est recubierto con )luoropolímero de alta resistencia@ lo Bue permite trabajar con altas presiones de dise?o cercanas a los /++ Q*Rcm2. "or >ltimo el "S puede ser colocado tanto en su posición basal como invertida@ mejorando así la posibilidad de mantener limpia la super)icie es)#rica a pesar de Bue eiste un sello de *oma alrededor del aislador Bue evita el in*reso de polvo : a*ua. N N - $esli%adores $ispositivo en Bue la disipación de ener*ía se lo*ra mediante la )ricción seca entre super)icies de materiales distintos@ como por ejemplo )luoropolímero : acero. i*ura 7EG $esli%ador )riccional. NN - $ispositivo '"( ste dispositivo consiste en un aislador metlico )ormado por 10 elementos en )orma de 6@ el cual busca disipar ener*ía a trav#s de la plasti)icación de los elementos@ teniendo en sí una resistencia uni)orme en todas direcciones. - Aislador )riccional con anillo de *oma $ispositivo en Bue la disipación de ener*ía se lo*ra mediante la )ricción seca entre super)icies de materiales distintos@ como por ejemplo )luoropolímero : acero. i*ura 7E1+ Aislador )riccional con anillo de *oma. NN

N - Sistema de aislación de piso ste sistema consiste en un piso )lotante bajo la estructura mediante secciones de apo:os de bola : unidades de amorti*uamiento )ormado por amorti*uadores viscosos : resortes ,elicoidales. "ermitiendo así separar la estructura del terreno desempe?ando el mismo principio de los apo:os elastom#ricos.  Al*unas estructuras )uera de c,ile con aislamiento sísmico son K 8os n*eles 6it: all@ 8os n*eles@ 5SA. 4/+ aisladores elastom#ricos@ !+ apo:os desli%antes : !+ amorti*uadores viscosos. K 8os n*eles 6it: all@ 8os n*eles@ 5SA. 4/+ aisladores elastom#ricos@ !+ apo:os desli%antes : !+ amorti*uadores viscosos. K Aeropuerto Internacional de San rancisco@ San rancisco@ 5SA. 2!2 p#ndulos )riccionales L"SC. K Aeropuerto Internacional de stambul@ stambul@ urBuía. 13+ p#ndulos )riccionales L"SC. K "uente =enicia-Dartíne%@ San rancisco@ 5SA. 22 p#ndulos )riccionales L2 por pilaC. K anBue de Almacenamiento de 9as 7atural@ Isla de evit,oussa@ 9recia. 212 p#ndulos )riccionales L"SC. K 'iaducto Autopista An;ara@ stambul@ urBuía. GG aisladores metlicos L'"(C : 14++ apo:os desli%antes. K "arlamento de 7ueva Jelanda@ Tellin*ton@ 7ueva Jelanda. 3!/ aisladores elastom#ricos L14/ con cora%ón de plomoC : 42 aisladores )riccionales K 6ompa?ía de Se*uros Sumitomo@ Qobe@ (apón. 22 aisladores elastom#ricos K San rancisco 6it: all@ 6ali)ornia@ 5SA. /3+ aisladores elastom#ricos con cora%ón de plomo K 6orte de Apelaciones de San rancisco@ 6ali)ornia@ 5SA. "S 1.3.- $isipadores de ener*ía. 8os disipadores de ener*ía estn basados en la idea de aumentar la capacidad de perder ener*ía de una estructura durante un sismo@ reduciendo las de)ormaciones : los es)uer%os sobre la estructura. l principio bsico es el aumento del amorti*uamiento estructural. 6omo resultado los es)uer%os inducidos por el sismo en la estructura pueden ser ,asta u n /+M menores Bue los correspondientes a la estructura sin disipadores@ reduciendo sustancialmente las incursiones inelsticas Lda?oC de la estructura.  Al*unas estructuras tienen mu: poco amorti*uamiento@ por lo Bue eperimentan *randes amplitudes de vibración incluso para sismos moderados. "or lo Bue mientras ma:or es la capacidad de disipación de ener*ía@

menor ser la amplitud de las vibraciones. 8os m#todos Bue incrementan la capacidad de disipación de ener*ía son mu: e)ectivos para reducir la amplitud de la vibración. 8a disipación de ener*ía puede ser alcan%ada :a sea por la conversión de ener*ía cin#tica en calor@ o por la trans)erencia de ener*ía entre modos de vibración. l primer m#todo inclu:e dispositivos Bue operan en base a principios tales como la )ricción@ )luencia de metales@ trans)ormaciones de )ase en metales@ de)ormaciones de sólidos viscoelsticos o )luidos. l se*undo m#todo inclu:e la incorporación de osciladores adicionales@ los cuales act>an como absorbedores de vibraciones dinmicas. 8a división estructuras-construcción del $epartamento de In*eniería 6ivil de la 5niversidad de 6,ile investi*a la )orma de desarrollar este tipo de tecnolo*ía : aplicarla en 6,ile. ruto de estos trabajos son aplicaciones pioneras de la aislación sísmica de base en 6,ile@ tales como el edi)icio Andalucía Bue es el primer edi)icio ,abitacional antisísmico del país@ el 'iaductos Dar*a-Dar*a Bue introdujo en el país la aplicación de aislación sísmica en obras viales : el "uente Amolanas Bue introdujo la aplicación de disipación de ener*ía en obras viales. 8os disipadores de ener*ía pueden ser clasi)icados principalmente como ,ister#ticos@ )riccionantes o viscoelsticos. - $isipadores ,ister#ticos sta clasi)icación comprende los disipadores metlicos : los disipadores )riccionantes@ estos dependen esencialmente de los despla%amientos de la estructura. 8os disipadores metlicos estn basados en la )luencia de los metales debido a )leión@ corte@ torsión@ o etrusión. Se caracteri%an por tener un comportamiento ,ister#ticos d>ctil Bue es@ en *ran medida@ independiente de la velocidad de de)ormación. KK $isipador A$AS ste disipador es uno de los dispositivos metlicos ms reconocidos@ est compuesto por placas de acero con sección transversal en )orma de U instaladas en paralelo sobre los arriostres@ de modo Bue la )luencia sea uni)orme en la altura. i*ura 7E11 $isipador A$AS. KK $isipador A$AS ste disipador consiste en un conjunto de placas trian*ulares dispuestas a )leión )uera de su plano@ disipando así la ener*ía sin Bue esta lle*ue con tanta intensidad en la estructura. i*ura 7E12 $isipador A$AS. N N KK $isipador one:-6omb ste dispositivo consiste tambi#n en placas a,usadas como e l A$AS@ pero trabajando en su plano. i*ura 7E13 $isipador one:-6omb. N N KK P5nbonded =racesP

6onsiste en una dia*onal de acero Bue )lu:e dentro de una sección de ,ormi*ón Bue la con)ina. l principio bsico de este es el prevenir el pandeo de uler cuando el elemento de acero )lu:e en compresión. i*ura 7E14 Instalación del dispositivo tipo Punbonded bracesP. NN - $isipadores )riccionantes 8os disipadores )riccionantes son dispositivos metlicos Bue consisten en utili%ar la de)ormación relativa entre dos puntos de una estructura para disipar ener*ía a trav#s de )ricción. Son dise?ados para desli%ar a una car*a predeterminada@ : permanecen inactivos mientras no eiste una demanda sísmica importante sobre la estructura. stos dispositivos van desde las ms simples coneiones con ori)icios ovalados LS=6C ,asta complejos dispositivos como el $. A continuación se muestran al*unos de ellos. KK 6oneión S=6 LSlotted =olted 6onnectionC ste dispositivo consiste en la unión de dos placas de acero paralelas interconectadas entre sí a trav#s de lminas de bronce : pernos de alta resistencia. l ori)icio Bue atraviesa el perno es de )orma ovalada@ permitiendo así el movimiento de las placas : así la disipación de ener*ía. i*ura 7E1/ 6oneión S=6. N N KK Sistema "A88 ste sistema utili%a como medio de disipación la de)ormación relativa de entrepiso : la de)ormación an*ular del paralelo*ramo central@ es d ecir@ este disipador de ener*ía )unciona a medida Bue la estructura se va de)ormando. i*ura 7E10 Sistema "A88. N N KK Sistema $ Lner*: $issipatin* estraintC ste sistema utili%a resortes pretensados : topes para así tener un comportamiento de *ran capacidad de disipación. i*ura 7E1! $ispositivo $ Lluor-$anielC N N KK $ispositivo de )ricción por *olillas "roducto del *iro relativo de entre placas se lo*ra la disipación por la )ricción. i*ura 7E1& ricción por *olillas N N

- $isipadores viscoelsticos l )uncionamiento de estos dispositivos consiste en movili%ar u n elemento a trav#s de un )luido viscoso@ *enerando así )uer%as proporcionales a la velocidad Bue se oponen al movimiento del objeto. stos sistemas inclu:en K 8os sistemas de sólidos viscoelsticos 6onstituidos por una capa de material viscoelsticos ubicada entre dos placas de acero@ usualmente acopladas a los arriostres Bue conectan los etremos del entrepiso. i*ura 7E1G Sistema de sólidos viscoelsticos. K luidos viscoelsticos $isipan la ener*ía por medio de las de)ormaciones inducidas por un pistón en una sustancia altamente viscosa. i*ura 7E2+ Sistema de )luido viscoelsticos. K 8os disipadores )luido-viscosos $isipan ener*ía )or%ando el )lujo de un )luido a trav#s de un ori)icio. stos dispositivos son similares a los amorti*uadores de un automóvil@ pero operan con un ma:or nivel de )uer%as : son )abricados con materiales ms durables para lo*rar un ma:or tiempo de vida >til. i*ura 7E21 Amorti*uadores viscoelsticos. NN 1.4.- Osciladores resonantes. 5n oscilador resonante LD$C es un sistema de un *rado de libertad constituido por una masa@ un elemento restitutivo : un mecanismo de disipación de ener*ía@ usualmente montado en la parte superior de la estructura. "ara Bue el D$ pueda reducir la respuesta dinmica de una estructura debe eistir una coincidencia entre las )recuencias naturales de vibración de la estructura : del oscilador resonante. i*ura 7E22 Oscilador resonante. 2.- Sistemas Activos. stos sistemas se llaman activos debido a Bue modi)ican directamente la respuesta dinmica de la estructura mediante )uer%as de control. 8as )uer%as de control son aplicadas mediante actuadores inte*rados a un conjunto de sensores@ controladores : procesadores de in)ormación en tiempo real. l )uncionamiento de este sistema es el si*uiente 1C 8os sensores instalados en la estructura miden las ecitaciones eternas : la respuesta dinmica de la estructura. 2C 8os dispositivos de procesamiento en tiempo real procesan la in)ormación proveniente de los sensores : calculan las )uer%as de control necesarias para estabili%ar la estructura. 3C inalmente los actuadores *eneran las )uer%as necesarias para contrarrestar los movimientos sísmicos.

8as )uer%as de control pueden ser aplicadas a la estructura mediante KK 5na masa activa LAD$C "roporcionan la )orma ms simple : compacta de aplicar las )uer%as de control a una estructura. KK Arriostres activos LA=SC : endones activos eBuieren un dise?o ms complicado : se encuentran actualmente en nivel eperimental. 8a primera aplicación a escala natural de la tecnolo*ía del control activo se llevó a cabo en o;io@ (apón en el edi)icio Q:obas,i Seiltimos dos sistemas de protección sísmica L,íbridos : semi-activosC nacieron las llamadas Hestructuras inteli*entes LIC@ las cuales estn dotadas de un sistema computacional Bue se encar*a simultneamente de monitorear los movimientos del edi)icio a trav#s de un sistema de sensores@ : de accionar@ si es necesario@ uno o varios dispositivos electro-mecnicos con el propósito de reducir tales movimientos al mínimo posible. 8a si*uiente i*ura ilustra esBuemticamente este concepto i*ura 7E23 uncionamiento de I. 8a *ran ma:oría de las estructuras inteli*entes ,o : en día se encuentran en (apón@ donde eiste un incentivo especial para Bue las empresas inviertan en el desarrollo de nuevas

tecnolo*ías. n la si*uiente )i*ura se muestra el amorti*uador activo denominado I$AU@ desarrollado por la compa?ía japonesa Qajima 6orporation@ líder mundial en esta )ascinante tecnolo*ía. i*ura 7E24 Amorti*uador I$AU. 6omentarios : conclusiones. 8os sistemas de aislación sísmica buscan aumentar la se*uridad estructural de al*una estructura convencional@ prote*iendo los contenidos de esta : evitando la parali%ación post sismo. n un edi)icio con aislamiento sísmico@ se debe cuidar ,asta el >ltimo detalle en la coneión entre el edi)icio@ el aislador : la cimentación@ :a Bue debe eistir un claro deslinde entre la cimentación : la superestructura. l aislamiento sísmico no es un sistema Bue se pueda implementar en todos los casos@ :a Bue presenta limitaciones en ciertos ran*os de masas : secciones de aisladores. Adems las condiciones del suelo deben de ser tales Bue no ampli)iBuen el sismo en períodos medios o lar*os. 8a disipación pasiva de ener*ía es una tecnolo*ía Bue mejora el desempe?o de una edi)icación a?adiendo amorti*uación a su estructura@ adems de ser el sistema ms utili%ado actualmente en la disipación de ener*ía. a: dos )actores Bue in)lu:en importantemente en la e)ectividad de la respuesta de un edi)icio con aislamiento sísmico en la base bajo la acción de un sismo Bue lo lleve aun comportamiento no lineal@ los cuales son 8a cantidad de ener*ía Bue el dispositivo absorbe : el cambio del período en el primer modo de la edi)icación@ debido a la )leibili%ación de la estructura. 8os disipadores de ener*ía reducen@ i*ualmente@ la )uer%a en la estructura@ proporcionndole a su ve% una respuesta elstica@ en al*unos casos@ sin Bue deba esperarse la reducción de la )uer%a en estructuras Bue est#n respondiendo ms all de la )luencia. uentes utili%adas. 8in;s en la