Edificaciones con Disipadores de Energía – Genner Villarreal Castro | Libro PDF

Características

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Descripción

En los últimos años los investigadores en el área de la mecánica estructural, han ido incrementando diversos cuidados, con la finalidad que los edificios sean diseñados acorde con los requerimientos mínimos de fuerza lateral de los códigos de diseño. Recientes sismos han mostrado que los edificios diseñados y construidos de acuerdo a los códigos más recientes proveen una buena respuesta, pero el costo de reparación de daños y el tiempo necesario para implementar estas reparaciones son más grandes que las anticipadas. Diversos esfuerzos en
Estados Unidos, Japón y Rusia, se han centrado en desarrollar criterios de diseño sísmico y procedimientos para asegurar objetivos específicos de desempeño. El incremento en las fuerzas de diseño no mejora todos los aspectos del desempeño. Tres técnicas innovadoras han sido propuestas para usarse individualmente o en combinación, con la finalidad de mejorar el desempeño sísmico de los edificios: aislamiento sísmico, dispositivos suplementarios de disipación de energía y control estructural activo o híbrido. Esta investigación está orientada a la metodología de cálculo de edificaciones con dispositivos pasivos de disipación de energía.
En la actualidad, dicho sistema constructivo se usa con mucha frecuencia en la práctica y se considera un campo abierto en la investigación sísmica, representando el presente trabajo un aporte importante en la actualización de los métodos de cálculo de edificaciones con dispositivos pasivos de disipación de energía.
En la presente investigación se realizó el análisis dinámico no-lineal de un edificio de concreto armado de 3 pisos, siendo utilizado como soporte informático el programa SAP2000 v.10.0.1. Para obtener las rotulas plásticas se han tomado las secciones de los elementos con sus áreas especificas de acero de refuerzo longitudinal. Las aceleraciones del registro sísmico fueron escaladas a 400 Gals.
Después de realizar el análisis dinámico lineal del edificio, el diseño de los disipadores fue hecho para obtener un amortiguamiento efectivo acorde con las distorsiones de los requerimientos de la Norma Peruana de Diseño Sismorresistente E030-2006. Luego, se procedió a realizar el análisis lineal del edificio con los disipadores no-lineales para obtener la respuesta con el amortiguamiento adicionado. Como resultado, se obtuvo, que con los disipadores se puede reducir la fuerza actuante en el edificio; también los desplazamientos, velocidades y aceleraciones de los entrepisos, y, finalmente, se obtuvo la influencia de los disipadores en la energía.
La presente investigación consta de una introducción, 4 capítulos, conclusiones y bibliografía.
En la introducción se fundamenta la actualidad del tema, se formula el objetivo y problemas de investigación, los aportes científicos y el valor práctico de la investigación.
En el primer capítulo, se analiza el estado del arte en sistemas avanzados de control de la respuesta dinámica. En una primera parte se describe en forma general los distintos sistemas avanzados de control estructural ante sismos y, en una segunda parte, se presentan los dispositivos pasivos de disipación de energía realizados hasta el momento.
En el segundo capítulo, se presenta una discusión más detallada del desempeño de los dispositivos pasivos y de los sistemas, con énfasis en el desarrollo de modelos matemáticos apropiados. Se presentan dos mecanismos, el primer mecanismo incorpora ambos, es decir, los dispositivos histeréticos y los dispositivos viscoelásticos. Incluidos en el primer grupo están los dispositivos que operan en los principios, tales como la fluencia de metales y los friccionantes por deslizamiento. El segundo grupo consiste de dispositivos que involucran deformación de sólidos viscoelásticos o fluidos y aquellos que emplean orificios para el paso de
los fluidos.
En el tercer capítulo, se mencionan las características geométricas del modelo analítico y las propiedades de los materiales empleados en el análisis. También se describen las características de los elementos y las hipótesis adoptadas. Se presentan los resultados de los análisis dinámicos con comportamiento elástico de la estructura y con comportamiento inelástico de cada uno de los cuatro tipos de disipadores, y con la utilización de un registro sísmico peruano representativo. Luego con los resultados obtenidos se escoge el disipador con mejor comportamiento y se realiza un análisis inelástico de la estructura con el tipo de disipador escogido para tal fin.
En el cuarto capítulo se presentan los requerimientos generales para el diseño de los disipadores de energía. Se procede luego a seleccionar los criterios del desempeño estructural, diseñando dispositivos pasivos de disipación de energía a ser utilizados en el modelo. Luego se procede al análisis del modelo con la inclusión de los disipadores de energía diseñados para un determinado criterio de desempeño estructural. Finalmente, se presentan los resultados obtenidos realizando una comparación del comportamiento del modelo con y sin disipadores de energía.
En las conclusiones se discuten los resultados y las recomendaciones sobre el comportamiento estructural y los beneficios reportados por los disipadores de energía al sistema sismorresistente, así como la orientación de las futuras líneas de investigación.
La presente investigación está dirigida a ingenieros civiles, postgraduandos e investigadores en el área de Mecánica Estructural.

Tabla De Contenido

INTRODUCCION ………………………………………………………………………….. 06
CAPITULO 1. ESTADO ACTUAL DEL PROBLEMA DE INVESTIGACION
1.1. Diseño sismorresistente ……………………………………………..… 10
1.2. Efecto del amortiguamiento viscoso en la respuesta dinámica .….. 13
1.2.1. Movimientos del terreno impulsivo y sinusoidal ..…………… 13
1.2.2. Movimientos sísmicos del terreno ….…………………………. 17
1.3. Sistemas de control de la respuesta dinámica …..………….……… 22
1.3.1. Sistemas de control activo ..………………………..………..… 24
1.3.2. Sistemas de control híbrido ……………………………………. 26
1.3.2. Sistemas de control semiactivo ……………………………….. 27
1.3.4. Sistemas de control pasivo ……………………………………. 29
1.4. Dispositivos pasivos de disipación de energía ….…………………. 32
1.4.1. Disipadores histeréticos ………………………………………… 32
1.4.2. Disipadores con comportamiento viscoelástico ……………… 40
1.5. Estructura con disipadores de energía vs. Estructura tradicional … 43
1.5.1. Incremento significativo en el amortiguamiento ……………… 43
1.5.2. Amortiguamiento no proporcional ……………………………… 44
1.5.3. No-linealidades del dispositivo de disipación ………………… 44
CAPITULO 2. MODELAMIENTO MATEMATICO
2.1. Sistemas viscoelásticos ……………………………………………….. 47
2.1.1. Disipadores viscoelásticos sólidos ……………….…………… 47
2.1.2. Disipadores viscoelásticos de fluído …………………………. 52
2.2. Sistemas histeréticos …………………………………………………… 58
2.2.1. Disipadores por plastificación de metales ……….…………… 59
2.2.2. Disipadores por fricción …………..……………………………. 67
2.3. Amortiguamiento y rigidez equivalente …..….………………………. 72

CAPITULO 3. ANALISIS SISMICO DE EDIFICACIONES CON DISIPADORES DE ENERGIA
3.1. Objeto de investigación ……………………………………………….. 74
3.2. Registro sísmico ………………………………….……………………. 77
3.3. Modelación del edificio por el programa SAP2000 …………..……. 78
3.4. Diseño de los dispositivos pasivos de disipación de energía …..… 81
3.4.1. Disipadores viscoelásticos no-lineales ………………………. 81
3.4.2. Disipadores viscoelásticos sólidos …………………………… 82
3.4.3. Disipadores por fricción ……………………………………….. 83
3.4.4. Disipadores por plastificación de metales …………………… 83
3.5. Resultados de la investigación numérica …………………………… 85

CAPITULO 4. ANALISIS COMPARATIVO Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
4.1. Análisis comparativo ………………………………………………….. 90
4.1.1. Comparación Modelo disipadores viscosos no-lineales /
Modelo sin disipadores ……….……………………………….. 90
4.1.2. Comparación Modelo disipadores viscoelásticos / Modelo
sin disipadores ………………………………………………… 90
4.1.3. Comparación Modelo disipadores por fricción / Modelo
sin disipadores ………………………………………………… 91
4.1.4. Comparación Modelo disipadores por fluencia / Modelo
sin disipadores ………………………………………………… 92
4.2. Distribución de energía ………………………………………………. 93
4.3. Formas de vibración …………………………………………………. 98
4.4. Discusión de resultados ……………………………………………… 104
4.5. Costo de estructura con disipadores vs. Costo de estructura
tradicional ……………………………………………………………… 115
CONCLUSIONES ………………………………………………………………………… 117
BIBLIOGRAFIA ………………………………………………………………………….. 120

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Sobre el Autor

CIVILARQ

La ingeniería civil es la disciplina de la ingeniería profesional que emplea conocimientos de cálculo, mecánica hidráulica y física para encargarse del diseño, construcción y mantenimiento de las infraestructuras.