Dispositivos de amortiguación

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En los últimos años, ha habido un constante desarrollo de tecnología de protección sísmica, como es el caso de los sistemas de disipación de energía, resultando de la necesidad del diseño incremental de edificios de gran altura localizados en áreas altamente sísmicas, con la principal meta de mejorar el desempeño sísmico. [1]

El uso de amortiguadores o dispositivos de disipación de energía es uno de los métodos de control de la vibración de las estructuras bajo cargas sísmicas. Las aplicaciones de estos dispositivos en el diseño de los edificios nuevos y la modernización de la existencia de edificios son posibles

Uno de los enfoques para controlar el daño sísmico en los edificios y mejorar su desempeño sísmico es mediante la instalación de amortiguadores sísmicos en lugar de elementos estructurales, como los apoyos diagonales. Estos amortiguadores actúan como los amortiguadores hidráulicos en los automóviles: gran parte de los tirones repentinos se absorben en los fluidos hidráulicos y, solo un poco se transmite al chasís del automóvil. Cuando la energía sísmica se transmite a través de ellos, los amortiguadores absorben parte de ella y, por lo tanto, amortiguan el movimiento del edificio. [2]

Dispositivos de disipación de energía

Por lo tanto, al equipar un edificio con dispositivos adicionales que tienen una gran capacidad de amortiguación, podemos reducir en gran medida la energía sísmica que ingresa al edificio. Los amortiguadores funcionan así para absorber los choques de terremoto, asegurando que los miembros estructurales, es decir, la viga y las columnas permanecen ilesas.

Hay cuatro tipos de amortiguadores, es decir, Viscoelástico, Fricción, Rendimiento Metálico y Fluido Viscoso.

Referencias:

[1] Santos  M.F. (2011). Energy dissipation systems for buildings. Department of Cvil Engineering, Architecture and Georesources, Instituto Superior Técnico, Technical University of Lisbon – Portugal. Recuperado de: https://fenix.tecnico.ulisboa.pt/downloadFile/395143135967/Extended%20Abstract_Mauro%20Monteiro.pdf. Acceso: 1 de junio de 2018.

[2] Dispositivos de disipación de energía para diseño de edificios resistentes a terremotos. Arquitectura inspurada, portal web sobre cotenidos de arquitectura, ingeniería y construcción. Recuperado de: http://articles.architectjaved.com/earthquake_resistant_structures/energy-dissipation-devices-for-earthquake-resistant-building-design/. Acceso: 15 de mayo de 2018.

Amortiguamiento en estructuras

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Los edificios altos no pueden estar aislados en la base o podrían volcarse. Al ser muy flexible en comparación con edificios de poca altura, es necesario controlar su desplazamiento horizontal. Esto se puede lograr mediante el uso de amortiguadores, que absorben una buena parte de la energía que hace que el desplazamiento sea tolerable. El reacondicionamiento de edificios existentes a menudo es más fácil con amortiguadores que con aisladores de base, especialmente si la aplicación es externa o no interfiere con los ocupantes.

Se considera que las estructuras de hormigón armado poseen un 5% de amortiguamiento inherente, mientras que las estructuras de acero se cree que tienen un 2% de amortiguación. Sin embargo, las mediciones reales del sitio han demostrado que la amortiguación intrínseca de los edificios es mucho más complicada y variable que las cifras genéricas de 1.3 y 5%. La amortiguación se reduce a medida que aumenta la altura y también los niveles de amortiguación difieren mucho de un edificio a otro. Para construir hasta 50 metros de altura, la amortiguación intrínseca medida se vio que variaba de 1 a 5%, mientras que para estructuras muy altas de más de 200 metros de altura, la amortiguación intrínseca era solo de 0,5 a 1%. Lo que es más preocupante es que esta amortiguación intrínseca no se puede conocer o calcular con precisión en la etapa de diseño. [1]

La única manera de determinar la amortiguación correcta es mediante pruebas físicas y mediciones una vez que se construye el edificio. Esta incertidumbre en los niveles de amortiguación puede resultar fatal en condiciones sísmicas.

Para probar el caso en cuestión si en realidad la amortiguación es de 1%, mientras el diseñador ha diseñado el edificio suponiendo un 5% de amortiguación, entonces la estructura así diseñada no podrá funcionar a los estándares esperados en caso de un terremoto.

Esto enfatiza el proceso de pensamiento de que los diseñadores deben asumir un valor de amortiguación conservador mientras diseñan, de lo contrario es casi seguro que incluso con el análisis y diseño asistido por computadora, los edificios diseñados serían inseguros.

Se puede agregar muy fácilmente una amortiguación diseñada y precisa adicional a los edificios mediante la instalación de ciertos dispositivos mecánicos llamados amortiguadores. Los amortiguadores pueden proporcionar una amortiguación de hasta el 25-30% de los críticos, lo que garantiza que el edificio funcionará muy bien en condiciones sísmicas como también fuertes vientos en el caso de edificios muy altos.

Los amortiguadores actúan disipadores de energía durante cualquier tipo de movimiento y evitan que el edificio se dañe. Mediante el uso de amortiguadores, el diseñador puede superar las incertidumbres de baja amortiguación intrínseca y esto ayuda a predecir la respuesta dinámica con precisión. Al agregar amortiguación adicional, la rigidez y la masa del edificio también pueden reducirse, garantizando que el edificio esté ahora sometido a fuerzas sísmicas más bajas.

Las ventajas de la amortiguación adicional son la reducción de la oscilación del edificio evitando daños a componentes estructurales y no estructurales, fuerzas de diseño reducidas, ya que gran parte de la energía es disipada por los amortiguadores y la incertidumbre en el nivel de amortiguación intrínseca se supera mediante amortiguación suplementaria.

La amortiguación suplementaria es también la forma más eficiente y rentable de lograr la disipación de energía en los edificios. Esto significaría inadvertidamente una disminución de la demanda de disipación de energía en los componentes estructurales, es decir, vigas / columnas / losas, aumentando así la capacidad de supervivencia de la estructura del edificio. Los amortiguadores son dispositivos mecánicos cuya función es absorber y disipar la energía suministrada por el movimiento del suelo durante un terremoto, de modo que el edificio permanezca ileso.

Cuando el edificio está en movimiento durante un terremoto o vientos excesivos, los amortiguadores ayudan a evitar que el edificio se balancee excesivamente y, por lo tanto, previene el daño estructural. La energía absorbida por los amortiguadores se convierte en calor que luego se disipa inofensivamente en la atmósfera..

Referencias:

[1] Ensayo: Aplicación de dispositivos de disipación energética como técnicas resistentes a terremotos en la estructura. Essay UK, Student Academic Services Limited. Reino Unido. Recuperado de: http://www.essay.uk.com/essays/engineering/essay-application-of-energy-dissipation-devices-as-earthquake-resistant-techniques-on-structure/. Acceso: martes 29 de mayo de 2018.

Sistema de aislador de base cinemático

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El aislador cinemático se propuso inicialmente como una solución de bajo costo para la protección sísmica de viviendas para personas de bajos ingresos, generalmente ubicadas en la periferia de las grandes ciudades, donde las condiciones normales a malas son comunes. Por lo tanto, el aislador también es una base de pilotes con un cable pretensado central y dos superficies de acero rodante en los extremos superior e inferior. Variando las formas de las superficies de rodadura extremas, se pueden obtener diferentes relaciones constitutivas de fuerza-deformación para el aislador. La disipación de energía se introduce al ceder el refuerzo pasivo en la interfase rodante. Además de indicar la formulación de deformación grande del elemento, aquí se estudian varios aspectos relevantes del comportamiento de estos dispositivos, como el aumento de la tensión del cable pretensado central, responsable de la acción autocentrante del aislador, la elevación del suelo que resulta de la geometría del aislador y la estabilidad vertical del sistema. [1]

Modelo a escala de un sistema de aislamiento cinemático

Referencias:

[1] Pinochet, Julio & de la Llera, Juan & Lüders, C. (2006). Analysis of a kinematic self‐centring seismic isolator. Earthquake Engineering & Structural Dynamics. 35. 1533 – 1561.

Sistema de placas oscilantes: Aislamiento de Alaska

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Un nuevo concepto que supera la mayoría de las limitaciones de diseños de aislamiento de base más antiguos. Con la invención de la placa oscilante como parte de la viga oscilante, nació un nuevo componente de construcción. Este sistema de aislamiento de base tiene el propósito de absorber la energía de desplazamiento de la onda sísmica en todas las direcciones. Este diseño único puede ampliarse para cargas muy grandes y pesadas o reducirse para proteger equipos sensibles de cargas y movimientos destructivos. Esta invención es particularmente adecuada para reducir el choque inicial del desplazamiento de tierra horizontal. Este sistema tiene una forma de diseño simple y, por lo tanto, es económico de construir, es fácil de diseñar y desplegar, no requiere material poco común y requiere muy poco mantenimiento o una electrónica avanzada.

Sistema de aislamiento con placas oscilantes

La tecnología de péndulo a horcajadas cuesta menos. Tiene un factor de forma simple que es fácil de construir. Manejará desplazamientos de tierra más grandes. Tiene muchas opciones para amortiguar el movimiento. Requiere muy poco mantenimiento. Tiene una larga vida útil con un rendimiento constante en condiciones de calor o frío extremos porque no contiene aceites ni cauchos. Y puede ser diseñado para actuar como un amortiguador de masa sintonizado. [1]

Todas las placas de acero planas forman ángulos rectos (muy fuertes) y luego se sueldan fácilmente para formar los componentes de paredes superiores e inferiores. Luego las bandejas de placas se encuentran encima de las paredes. Estas bandejas de placas tienen ranuras semicirculares para sostener el rodamiento cilíndrico redondo, el rodamiento del cilindro tiene una longitud de corte de ranura recta para sostener las placas oscilantes, las placas oscilantes pueden ser de 1/2 pulgada, hasta 3 pulgadas de grosor.

Funcionamiento de las placas oscilantes en el aislador de base

En la actualidad se está trabajando en una nueva unidad que incluya el amortiguamiento vertical.

Referencias:

[1] Larry Bowlus (2013). Aislamiento base de Alaska, tecnología de péndulo a horcadas. Recuperado de: http://straddlingpendulum.com. Acceso: jueves 31 de mayo de 2018.

Sistema con cojinetes de aire

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Ahora algunos ingenieros japoneses han llevado el aislamiento de base a un nuevo nivel. El sistema de aislamiento consiste en dispositivos que se basan en el concepto de flotación de la superestructura mediante cojines de aire. Sin embargo, flotar en cualquier momento puede ser un poco inestable ya que la estructura puede moverse no solo por la carga del terremoto sino también por la carga de viento o cualquier carga pequeña debido al contacto, por lo tanto es necesario saber si un terremoto ha ocurrido o no. Es por ello que el sistema utiliza una alerta temprana de terremoto (EEW por sus siglas en inglés)

Su sistema de hecho levita un edificio sobre un cojín de aire. El sistema consiste en cojinetes de aire para flotar la estructura, un aire compresor para proporcionar aire comprimido a los cojinetes, un aire tanque para acumular aire comprimido, una computadora para analizar información de EEW y determinar la activación del sistema.

Así es como funciona: los sensores de EEW en el edificio detectan la actividad sísmica reveladora de un terremoto. La red de sensores se comunica con un compresor de aire que, dentro de medio segundo de ser alertado, fuerza el aire entre el edificio y su base. El cojín de aire levanta la estructura hasta 1.18 pulgadas (3 centímetros) del suelo, aislándola de las fuerzas que podrían desgarrarla. Cuando el terremoto disminuye, el compresor se apaga y el edificio vuelve a su cimentación. [1]

Sistema de aislamiento inteligente con cojinetes de aire

Las características de este sistema de aislamiento inteligente son: [2]

  • El sistema tiene un rendimiento sísmico adecuado, porque la estructura aislada “flota” y se desliza sobre una superficie de baja fricción debido a una delgada película de aire. Además, el dispositivo aislante funciona con un compresor de aire, por lo que el sistema posee alta seguridad.
  • Si la estructura aún no está flotando cuando llega el movimiento principal, las almohadillas de soporte de los cojines de aire aíslan la estructura del movimiento del suelo por deslizamiento. Es decir, los cojines de aire se comportan como un aislante de fricción.
  • El sistema, además del EEW, posee sensores de ondas sísmicas, por lo tanto la estructura flotará antes que llegue la onda fuerte.
  • Posee un sistema de alimentación ininterrumpida (UPS, por sus siglas en inglés) que asegura el adecuado funcionamiento del sistema de aislamiento durante el terremoto.

Referencias:

[1] 10 Tecnologías que ayudan a los edificios a resistir los terremotos: La fundación levitante. Howstuffworks, plataforma web informativa. Recuperado de: https://science.howstuffworks.com/innovation/science-questions/10-technologies-that-help-buildings-resist-earthquakes1.htm. Acceso: 25 de mayo de 2018.

[2] Fujita S., Minagawa K., Tanaka V., Shimosaka H. (2011). Intelligent seismic isolation system using air bearings and earthquake early earing, Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 31, 223-230.