Reforzamiento Con Disipadores de Energía Viscosos

REFORZAMIENTO CON DISIPADORES DE ENERGÍA VISCOSOS GENERALIDADES Como ya se mencionó en el subtitulo XXX, se reforzó la edificación con mayores dimensiones de placas para que tenga una mejor respuesta sísmica y de esta forma pueda cumplir con las disposiciones de la norma E030 (mínima fuerza cortante en la base y distorsión de entrepiso máxima). Sin embargo si se presentase un evento sísmico los daños estructurales provocados por las deformaciones plásticas (por la disipación de la energía entrante únicamente por la estructura) serían importantes. El desempeño estructural de la edificación puede ser optimizado incrementando el amortiguamiento a través de disipadores de energía La razón principal para introducir dispositivos de disipación de energía en un edificación es para reducir los desplazamientos y daños en el los porticos. La reducción del desplazamiento se consigue añadiendo rigidez y / o disipación de energía (generalmente denominada amortiguación) a la edificacion. Dispositivos de disipación de energía metálicos, de fricción y viscoelásticos típicamente introducen rigidez y amortiguación; Los amortiguadores viscosos generalmente sólo aumentarán el amortiguamiento en una edificacion. En esta investigación pretendemos optimizar el desempeño estructural de la edificación incrementando el amortiguamiento a través de disipadores de energía viscosos, de esta manera proyectamos aminorar la demanda de disipación de energía a través de la inelasticidad en los elementos estructurales ante un máximo evento sísmico.

Se emplearon normas americanas para:  Realizar el análisis estructural de la edificación (ASCE 7-10)  Calcular las propiedades del disipador de energía (Fema 273-274)

RECOMENDACIONES Y PROCEDIMIENTO PARA EL ANALISIS Se emplearon las recomendaciones de la norma ASCE 7-10 en su capítulo 18 (requerimientos de diseño sísmico para estructuras con sistemas de disipación) para la determinación del sismo de diseño, el mismo que se empleó para el cálculo de las propiedades de los disipadores. Así mismo

también se siguieron los lineamientos de la norma peruana de diseño sismo resistente y las recomendaciones de los especialistas de la empresa CDV representaciones los cuales emplean esta misma norma (ASCE 7-10) pero ajustando algunos criterios en concordancia a la realidad de nuestro país. RECOMENDACIONES Los registros sísmicos que se empleen deben reflejar la realidad del proyecto, es decir deben de haber sido tomados en suelos con características similares al suelo donde se desplantara la cimentación de la estructura. Se deben de emplear al menos 3 registros sísmicos en sus dos componentes horizontales. La norma peruana señala que estos registros deben ser escalados a un espectro de diseño ,este espectro de seudo aceleraciones debe ser calculado fijando el valor del coeficiente de reducción sísmica a la unidad (R=1) B. PROCEDIMIENTO: Los pasos que se han de seguir para determinar el sismo de diseño son los siguientes: 1. Realizar el análisis dinámico espectral de la edificación y calcular las derivas de entrepiso considerando el coeficiente de reducción sísmica (R) igual a 1, esta reducción del valor de R se realiza para que el edificio entre en el rango inelástico ante un sismo severo, es importante tener en cuenta que para la obtención de derivas, los desplazamientos laterales calculados en el análisis ya no se multiplican por 0.75*R sino simplemente por 1. 2. Escalar los acelerogramas en sus dos componentes al espectro de diseño (paso 1). Para poder obtener una mayor exactitud se recomienda emplear un software especializado para tal tarea, en este trabajo se realizó el escalamiento con el programa Sismomatch versión 2.1.0. 3. Realizar el análisis tiempo historia con los acelerogramas escalados; es importante tener en cuenta que los registros sísmicos han sido tomados en dos componentes (E-W y N-S) de manera que el método correcto para analizar la estructura se muestra en las figuras 88 y 89. Por cada registro sismico que se emple en el analisis tiempo historia, deberan analisarse dos casos por separado ,el caso 1, cuando la componeten E-W del registro sismico actua sobre la la direccion X-X de la estructura mientras que sobre la direccion Y-Y lo hace la componente N-S y el caso 2 , donde la componeten N-S del registro sismico actua sobre la la direccion X-X mientras que sobre la direccion Y-Y lo hace la componente E-W. Finalmente, para determinar el sismo de diseño, realizar una comparación entre las derivas de entrepiso obtenidas del análisis dinámico espectral (paso 1) y del análisis tiempo historia (paso 3), el sismo de diseño será aquel que se ajuste más a las derivas obtenidas del análisis dinámico espectral (comportamiento esperado) A continuación se desarrolló el procedimiento expuesto y se determinó el sismo de diseño que se consideró para el diseño del sistema de disipación.

Paso N° 1

Nivel de amenaza sísmica.

Elegir el nivel de amenaza sísmica según el comité VISION 2000

Conceptualmente, el aislamiento reduce la respuesta de la superestructura al "desacoplar" el edificio del suelo Los sistemas de aislamiento típicos reducen las fuerzas transmitidas a la superestructura alargando el período del edificio y añadiendo cierta cantidad de amortiguación. La amortiguación añadida es una propiedad inherente de la mayoría de los aisladores, pero también puede proporcionarse mediante dispositivos de disipación de energía suplementaria instalados a través de la interfaz de aislamiento. Bajo condiciones favorables, el sistema de aislamiento reduce la deriva en la superestructura por un factor de al menos dos y a veces, tanto como un factor de cinco, de lo que ocurriría si el edificio no estuviera aislado. Las aceleraciones también se reducen en la estructura, aunque la cantidad de reducción depende de las características fuerza-deformación de los aisladores y puede no ser tan significativa como la reducción de la deriva. La reducción de la deriva en la superestructura protege componentes y elementos estructurales, así como componentes no estructurales sensibles al daño inducido por la deriva.

La reducción de la aceleración protege los componentes no estructurales que son sensibles a los daños inducidos por la aceleración.

Paso N° 1

Nivel de amenaza sísmica

Elegir el nivel de amenaza sísmica según el comité VISION 2000

Observación: Se aligera como sismo de diseño un sismo raro con periodo de retorno de 475 años, ya que lo se busca en el diseño de la edificación es permitir el resguardo de la vida o seguridad de los habitantes en caso de que exista un sismo severo. Paso N° 2

Nivel de desempeño

Estado de Daño

Nivel de Desempeño

Despreciable

Totalmente Operacional

Daño estructural y no estructural despreciable o nulo. Las instalaciones continúan prestando sus servicios y funcionan después del sismo.

Ligero

Operacional

Daños ligeros. Las instalaciones esenciales continúan en servicio y las no esenciales pueden sufrir interrupciones de inmediata recuperación.

Moderado

Seguridad

Severo

Pre-Colapso

Descripción

Daños moderados. La estructura sufre daños pero permanece estable. Seguridad de ocupantes. Algunos elementos no estructurales pueden dañarse. Daño estructural severo, en la proximidad del colapso estructural. Falla de elementos no

Completo

Colapso

estructurales. Seguridad de ocupantes comprometida. Colapso estructural.

FUENTE: SEAOC Vision 2000 commitee, 1995 Observación: Como se eligió en el paso N° 1 un sismo raro, corresponde un nivel de desempeño de Operacional. Paso N° 3

Sismo y comportamiento esperado

Nivel de Desempeño Sísmico

Movimiento sísmico de diseño

Totalmente Operacional

Frecuente

Estructuras Básicas

Operacional

Estructuras esenciales Estructuras seguridad critica

Ocasional Raro

Seguridad

Estructuras Básicas Estructuras esenciales

Estructuras Básicas

Estructuras Estructuras seguridad critica esenciales FUENTE: SEAOC Vision 2000 commitee, 1995

Muy Raro

Próximo al colapso

Estructuras Básicas

Observación: Debido a la selección en paso N° 1 y 2 se obtiene un Nivel recomendado de desempeño sismico de "Operacional" Paso N° 4

Valores medios de daño estructural según el tipo de edificación

Propiedades de la edificación Edificación Porticos de acero a momento Pórticos de acero arriostrados Pórticos de

Distorsión limite según el estado de daño

Tipo

Altura (m)

Leve

Moderado

Extenso

Completo

Bajo Medio Alto Bajo Medio Alto Bajo

7.20 18.00 46.80 7.20 18.00 46.80 6.00

0.0060 0.0040 0.0030 0.0050 0.0033 0.0250 0.0050

0.0104 0.0069 0.0520 0.0087 0.0058 0.0043 0.0087

0.0235 0.0157 0.0118 0.0233 0.0156 0.0117 0.0233

0.0600 0.0000 0.0300 0.0600 0.0400 0.0300 0.0600

Medio 15.00 0.0033 0.0058 0.0156 Alto 36.00 0.0025 0.0043 0.0117 Bajo 6.00 0.0040 0.0084 0.0232 Muros de concreto Medio 15.00 0.0027 0.0056 0.0154 armado Alto 36.00 0.0020 0.0042 0.0116 FUENTE: Multi-Hazard Loss Estimation Methology HAZUS, 2010. concreto armado

0.0400 0.0300 0.0600 0.0400 0.0300

Observación: En el amalisis estatico se obtuvo un sistema estructural en el eje X de pido Dual y en el eje Y de tipo Muros de concreto armado, entonces la distorsión límite según el estado de daño crítico es: Dobjetivo

0.0042

Paso N° 5

Cálculo del factor de respuesta

Paso N° 6

Cálculo del factor de respuesta

B=

Paso N° 7

2.31−0.41 ln ⁡( β inh) 2.31−0.41 ln (β eff )

Cálculo del amortiguamiento de demanda

β Viscoso=β eff −β inh

Consideración adicional: Según los fabricantes, se recomienda que los disipadores de energía viscosos sean diseñados teniendo en consideración para el cálculo un amortiguamiento viscoso(βH) de entre 20 a 40%. Siguiendo estas consideraciones se elige un Amortiguamiento Viscoso (βH) de 20% en dirección X y en dirección Y del 29%. viscoso X viscoso Y

20.0000 29.0000

% %

Observación: Al ser un amortiguamiento mayor al que requiere la estructura, las derivas de entrepiso que se obtengan serán menores a la establecidade esta manera aplicando el procedimiento de manera inversa se puede estimar la deriva que se obtendría al considerar un amortiguamiento viscoso del 20% en X y 29% en Y Paso N° 8

Recalculo del amortiguamiento efectivo de la estructura

β eff =β viscoso + β inh

Paso N° 9

Cálculo del factor de respuesta B B=

2.31−0.41 ln ⁡( β inh) 2.31−0.41 ln(β eff )

Paso N° 10 Cálculo final de la deriva esperada B=

Dmax D esperada

Por lo tanto se espera una Deriva de X es 0.0035 y en Y es 0.0042, si utilizamos un valor de Amortiguamiento Viscoso en X del 20% y en Y del 29%. Paso N° 10 Elección del exponente de velocidad y parametros de lambda (λ) Consideración Adicional: Los especialistas de Miyamoto International y CDV Representaciones recomiendan utilizar valores de α entre 0.4 y 0.6 para estructuras comunes.

Paso N° 11 Periodo fundamental de la estructura T1

El periodo fundamental del primer modo de la estructura se obtiene de la tabla "Modal Participating Mass Ratios" del software ETABS v.2015.

Paso N° 12 Desplazamiento modal por niveles El desplazamiento modal de la estructura se obtiene de los tablas que el software plotea en la opción " Story Responce Plot".

Paso N° 13 Peso de las edificaciones por piso

Paso N° 14 Desplazamiento absoluto y relativo modal normalizado

Paso N° 15 Ángulos obtenidos de los disipadores

Paso N° 16 Calculo del numerador de la formula ¿ disip∗λ∗∑ cos

1+α

θ j∗Φ rj

1+α

Paso N° 17 Calculo del denominador de la formula

Paso N° 18 Cálculo del coeficiente de amortiguamiento viscoso

Paso N° 19 Cálculo de la rigidez de los brazos de los disipadores viscosos Módulo de elasticidad (Eacero)

29000

ksi

=

20389017.81

Detalle del brazo metálico que estará unido al dispositivo viscoso.

Tn/m2

Con los datos del perfil y la geometría de la estructura, se procede a definir la rigidez del sistema: