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DISIPADORES DE ENERGIA

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by

Carmen Mamani Villalobos

on 13 November 2013

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Transcript of DISIPADORES DE ENERGIA

DISIPADORES DE ENERGÍA
design by .. for Prezi
Los disipadores de Energía o fusibles sísmicos, son dispositivos que se pueden usar en edificios nuevos e instalarlos en los ya construidos. El objetivo de estos es absorber un porcentaje de la energía producida por las fuerzas de inercia durante un sismo severo.
Al absorber energía, el impacto en la estructura será menos severo, por lo tanto las deformaciones en el rango inelástico serán menores y el daño en los elementos también.

Beneficios
Como muestra el espectro, con los disipadores de energía el amortiguamiento se incrementa y la aceleración máxima disminuye. Esto se puede interpretar como que la estructura recibirá un sismo menos severo.
Usos
Se puede usar en todo tipo de edificaciones,permitiendo la reducción del peso de la estructura.
También se puede usar en otro tipo de estructuras como puentes y estadios .
- Bajo peso

- No requiere mantenimiento luego de terremotos

- Amortiguan entre 20 -50% dependiendo del tipo de disipador.

-La seguridad estructural es entre un 50 y un 100% mayor que un edificio convencional

- Permite reducir dimensiones por lo tanto, habrá ahorro de concreto y acero.

- Reduce daños en elementos no estructurales.
- Fácil montaje e instalación
Construcción e
Video
Torre Titanium - Chile
Según el tipo de conexión pueden ser de conexión directa, indirecta o especial. Usualmente se les conecta en el plano del pórtico del sistema estructural principal.
Instalación
Peligro sísmico
El peligro sísmico depende de la ubicación, mientras más cerca de las fallas se encuentre, mayor será la magnitud del sismo probable. En el Perú la mayoría de los sismos se producen por subducción de las placas tectónicas de Nazca bajo la Placa Sudamericana.

El peligro sísmico se calcula a partir de registros sísmicos, se da para un tiempo de vida útil y un porcentaje de excedencia. El valor que se da es el de aceleración máxima por ejemplo 0.60g para 100 años de vida útil con una probabilidad de ser excedido del 10%.

Las zonas de Tumbes, Piura, Ica, Tacna y Norte de Chile tienen los valores más altos de aceleración, 0.50g y 0.60g para 50 y 100 años de vida útil respectivamente.
El gráfico de isoaceleraciones muestra la distribución espacial de la actividad sísmica, la cual está distribuida en dos fajas sísmicas longitudinales a los Andes; una occidental a los Andes y exclusivamente producto de la subducción; y la otra, oriental a los Andes que involucra tanto a procesos de subducción como procesos debido a la acción compresiva del escudo brasilero contra el cinturón andino.
En el diseño, también se debe tomar en cuenta , la frecuencia de estos sismos.

Daños en estructuras por sismos
Sismo del 23 de junio del 2001. Arequipa -Tacna
-moguegua
características del sismo
MAGNITUD Mw = 8.4 (USGS)
MAGNITUD mv = 6.9 (IGP)
MAGNITUD Ms = 7.9 (IGP)

Detalle de falla por efecto de columna corta
Falla en los extremos de una columna
Falla en unión de vigas en local de registros públicos
Sismo de Pisco del 15 de agosto de 2007
En edificios de buen diseño y construcción

El diseño adecuado de una estructura debe estar preparado para que frente a sismos de baja magnitud, que son los mas frecuentes, la estructura no presente ningún daño.

Ante sismos de magnitud intermedia se puede esperar daño leve que la estructura se agriete un poco, siempre y cuando sean daños reparables.

Finalmente ante un sismo de gran magnitud se espera que pueda ocurrir daño considerable, sobre todo en columnas que son los elementos más importantes ya que soportan vigas y techos. Se puede esperar que se deformen y agrieten visiblemente pero en ningún caso que colapsen.


Disipación de energía histerética
Es la energía disipada por comportamiento estructural no lineal, es decir en forma de deformación permanente o daño estructural que debe ser reparado luego del sismo.
comportamiento histerético
Disipación de energía con disipadores de energía
Descripción de los disipadores de energía
• Disipadores por amortiguamiento viscoso
Funciona generando fuerzas opuestas al movimiento y proporcionales a la velocidad. En esta categoría encontramos a los amortiguadores de líquido viscoso u otro basado en la deformación de algún material visco- elástico.
• Disipadores por extrusión
Estos disipan energía por medio de la deformación de un material que se introduce en otro, usualmente el material extruido es plomo.
• Disipadores por deformación no lineal
Como su nombre lo dice, funciona deformando un material que usualmente es acero, en el rango inelástico. Por ejemplo, los conectores de cortante en donde una trabe de acero de pequeña longitud se pandea por cortante disipando gran cantidad de energía en forma estable y controlada.
• Disipadores por fricción
Ese tipo de disipadores aprovechan el deslizamiento relativo entre dos superficies usualmente planas

Diseño de disipadores de energía
Uso de disipadores en el mundo
Los disipadores de energía permiten construir estructuras en altura más económicas y con altos niveles de seguridad durante sismos severos.
Torre Titanium- Chile
Los Angeles City Hall
Torre mayor- México
La torre tiene una altura de 230,4 m y 55 pisos.
Dada la sismicidad de la Ciudad de México, el edificio contó con 98 amortiguadores sísmicos
Edificio de oficinas, altura de 194 metros. 52pisos mas 4 niveles hasta helipuerto
Torres Petronas-Malasia
Estas torres cuentan con una altura de 452 metros. Las torres con 88 pisos son de hormigón armado, acero y vidrio.
Uso de disipadores en Perú
Casino Mubarak
Se colocaron disipadores de energía en la torre central en los pisos 1, 3, 5 y 7


Aeropuerto Jorge Chavez
El Centro Empresarial Reducto se desarrolla en un edificio de categoría de 14 pisos con 2 locales comerciales y una distribución de 5 oficinas por piso.
Centro empresarial Reducto
Proyectos de edificios en Perú y en el mundo por ejecutar
Hospital de Talca Chile
Comportamiento de edificios con disipadores de energía


Se forman menos rótulas plásticas por lo que el edificio se comporta casi elásticamente. Además se tiene mayor control de la deformación y del desplazamiento.
Centro empresarial reducto - Perú
Formación de rótulas plásticas en edificio rígido.
Formación de rótulas plásticas en edificio con disipadores
Costos
Al evaluar los costos de las estructuras con disipadores de
energía, se deben de tener en cuenta que con el uso de estos se tendría:

- Ahorro en elementos y placas.
- Ahorro en cimentación
- Ahorro de tiempo de reparación y puesta en servicio de la
estructura.
- Costo de reparación en elementos estructurales y
acabados.
- Daño en instalaciones eléctricas, sanitarias, gas
natural, etc.
- Mayor seguridad por incendios pos-sismo.
- Estructura nueva o existente
MsC° Ing. Ricardo Oviedo S.
Balance de energía
La ecuación de energía absoluta muestra:




En donde E(t) es la energía demandada por el sismo,igualado a la capacidad de la estructura.
E(t) :energía de entrada
Ek(t): energía cinética
Ed(t): energía de amortiguamiento
Es(t): energía elástica no disipada
Eh(t): energía de deformación plástica o histerética.

En el diseño sísmico convencional, la capacidad de la estructura se apoya en términos de deformaciones inelásticas transformando gran parte de la energía de entrada en energía histerética . Para evitar dichas incursiones inelásticas se emplean amortiguadores, donde la capacidad de disipación de energía se da mediante la adición de energía de amortiguamiento, disminuyendo la participación de los componentes estructurales.
Disipadores de energía viscosos
Los disipadores viscosos no cambian significativamente el período de vibración de la estructura, con lo cual la modelación es más sencilla.

Son mecanismos llenos de líquido viscoso que disipan energía forzando su flujo a través de un orificio. Los disipadores dependen de la velocidad, por lo que no incrementan esfuerzos en la estructura ya que aquellos que ésta desarrolla están fuera de fase con las fuerzas actuantes en los disipadores durante el movimiento.
Consiste de un cilindro metálico lleno de un líquido viscoso, como aceite o silicona, y una cabeza de pistón con orificios que separa al cilindro en dos cámaras. Una de las cámaras posee un acumulador que compensa el cambio de volumen del fluido debido al posicionamiento del pistón durante el movimiento como se muestra en la figura.
Disipador viscoelástico sólido
Disipador viscoelástico líquido
Instalación de disipador fluido- viscoso
Para instalaciones típicas, el pistón es fijado al piso superior, mientras que el acumulador es fijado al piso inferior. Usualmente se disponen en diagonal y chevron.
Disposición chevron
Algunas características comunes de ambas disposiciones en DFV son:
-No alteran la frecuencia natural de la estructura por poseer una rigidez mínima en comparación al sistema estructural.
- La disipación de la energía se da en cualquier dirección, reduciendo los esfuerzos y deformaciones de la estructura con una fuerza que depende únicamente de la velocidad.

Comparación de ambas disposiciones:
- La instalación del disipador chevron requiere diseñar el sobreesfuerzo generado en la parte intermedia de la viga, mientras que el diagonal no tiene este requerimiento.
- En términos arquitectónicos la configuración chevron resulta más conveniente que la configuración diagonal, puesto que permite el libre tránsito a través de la zona reforzada.
- Los DFV chevron tienen un mejor control de derivas que los DFV diagonales, ya que poseen dos dispositivos de amortiguamiento a diferencia de los diagonales que solo poseen uno.
Disposición diagonal
- MAGNITUD = 8.0 grados en la escala sismológica de magnitud de momento
- IX en la escala de Mercalli
- Dejó 76.000 viviendas totalmente destruidas e inhabitables y 431 mil personas resultaron afectadas
Video- sismo de Japón
Fisuras en la tabiquería
Espectro de desplazamiento para el registro de Lllolleo (1985) con amortiguamientos de 5, 10 y 15%

Distribución de energía en el edificio con disipador viscoso

Distribución de energía en el edificio con disipador viscoelástico

Distribución de energía en el edificio con disipador por fricción

Distribución de energía en el edificio con disipador por fluencia

Sismo de Costa Rica- agosto del 2012
Tipos de disipadores
Disipadores pasivos y respuestas
Viscosos
Fluencia
Fricción
Viscoelásticos
- Análisis y elección de los tipos de disipadores de energía para edificaciones en zonas sísmicas.
- Ejecución de los cálculos de edificios con los diferentes tipos de disipadores de energía, de acuerdo al análisis tiempo-historia bajo la acción de un acelerograma real e intenso en la historia nacional.
- Comparación de los resultados obtenidos y la elaboración de las recomendaciones para el cálculo sísmico del edificio investigado, donde se consideró el efecto de disipación de energía.


Análisis tiempo- historia
Espectro de aceleraciones
Lima, Perú, I.G.P. 17/10/66 comp. N08E
Amortiguamientos: 0%, 2%, 5%, 10% y 20%
Registro completo

Registro completo de Lima, Perú, I.G.P. 17/10/66 comp. N08E

Espectro de velocidades
Lima, Perú, I.G.P. 17/10/66 comp. N08E
Amortiguamientos: 0%, 2%, 5%, 10% y 20%
Registro completo

Modelo tridimensional
Diseño del disipador
Propiedades de los disipadores de energía utilizados para análisis no-lineal

Periodos de vibración
Períodos de las 12 primeras formas de vibración

Desplazamientos tiempo- historia
Desplazamientos relativos máximos en el eje OX

Desplazamientos relativos máximos en el eje OY

Distorsiones tiempo- Historia
Distorsiones relativas máximas en el eje OX
Distorsiones relativas máximas en el eje OY

Fuerza axial y fuerza cortante máxima en el primer piso
Fuerza axial máxima del primer piso

El análisis, diseño, selección, fabricación e instalación de los
disipadores en una estructura, depende de varios factores como:
- Aceleración sísmica
- Condiciones del terreno de fundación.
- Tipo de estructura.
- Periodo de vida útil de la estructura.
- Objetivos de desempeño
- Cantidad de disipadores
- Ciclo de vida de los disipadores.
- Capacidad requerida de los disipadores.
- Reforzamiento requerido de los elementos
estructurales.
- Instalación y detalles constructivos.
- Interrupción de la ocupación y puesta en servicio
durante la construcción.
- Mantenimiento requerido, inspección y costos de
reemplazo.

Fuerza cortante máxima del primer piso

Momentos flector y de volteo
Momento flector máximo del primer piso

Momento torsor máximo del primer piso

Fuerzas máximas en columnas
Fuerza axial máxima en columnas

Fuerza cortante máxima en columnas

Momento flector máximo en columnas

Fuerzas máximas en vigas
Momento torsor máximo en columnas

Gráficos fuerza- deformación de los disipadores
Comportamiento del disipador viscoso

Comportamiento del disipador viscoelástico

Comportamiento del disipador por fluencia

Comportamiento del disipador por fricción

- Puente Alto de Sierra - Chile
El impacto económico fue de apenas el 0,5% del presupuesto total de la obra
Edificio que cuenta con 106 plantas (5 pisos subterráneos y 101 por encima del nivel del suelo). Tiene 509 metros de altura
Disipadores viscosos
- Estadio BC Place-Canadá
Instalación de disipadores pasivos
Disipador viscoso
Disipador viscoelástico
Disipador de fricción
Disipador de fluencia
Porcentajes de costos de los disipadores, reparación, estructura sin acabados y reforzamiento en relación al costo de departamentos por m2 de tres distritos de Lima.

Comparación de costos en edificaciones
Video
Gracias...
Taipei - Taiwan
Tuned Mass Damper

Estructura del año 1920
144m de altura, se le instalaron 52 disipadores
T-Tower proyecto de oficinas en Perú
oviedoingenieria@gmail.com
Video- proceso de subducción
video - Taylor devices
Video- formación de rótula plástica
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