AMORTIGUACION AMORTIGUACION EN CIMENTACIONES CIMENTACIONES METODOLOGIA DE LA INVESTIGACION
IMPARTIDO POR:
MARIA MAGDALENA ZAYAS ESQUER ELABORADO POR:
RUELAS SOTO MARIO LUIS LUQUE PEREZ RICARDO PEREZ TORRES FRANCISCO J. SOTO RODRIGUEZ JOSE R.
Amortiguación en cimentaciones 1
Soto- Rodríguez J.R, 1Perez-Torres F.J, 1Luque-Perez R., 1Ruelas-Soto M.L
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Universidad Autónoma de Sinaloa Facultad de Ingeniería Mochis. Fuente de Poseidón y Prol. A. Flores S/N, C.U. Los Mochis, Sin. México. C.P. 81223
Antecedentes:
Cuando el hombre prehispánico decidió construir sus hogares fuera de las cuevas, trato de elaborar casas seguras y resistentes a las acciones de la naturaleza como, los fuertes vientos, lluvias, sismos, etc. En el año de 1960 cuando predominaban las bandas delictivas de mafias organizadas en la ciudad de chicago, los grandes padrinos de la mafia tenían en común un banco en especial, edificado a su conveniencia. Esta ciudad en aquellos años ocurrían fuerzas sísmicas muy concurrentes y de gran magnitud por lo que esta ciudad sufría de daños económicos como también en sus edificaciones, para esto se opto por construir un banco con una cimentación de tal forma que al presentarse un sismo no ocurriera nada sobre la edificación, por lo que con este hecho se comenzó el estudio para diseñar edificaciones más seguras ante eventos sísmicos, para dar solución a este problema se opto por colocar la cimentación sobre una cama de arena con el fin de disipar la energía de fuerzas sísmicas. En la ciudad de México se diseño el edifico “ Torre mayor” con un sistema de
amortiguación en su estructura con la finalidad de disipar la fuerza producida por los vientos que tienen lugar en lo alto del edificio, así como también reducir la magnitud de un sismo sobre el edificio, el sistema de amortiguación fue pensado debido a que el edificio esta cimentado sobre un suelo con un comportamiento muy inestable y por mas mínimo que sea la fuerza de una acción sísmica tendría grandes consecuencias en la superficie de la ciudad. El Taipéi 101 es uno de los edificios más altos de mundo, que cuenta con novedosos adelantos tecnológicos y uno de los más seguros debido a que cuenta con un sencillo pero eficaz amortiguador estabilizador, un amortiguador de masa destinado a contrarrestar los efectos de huracanes y temblores de tierra sobre el edificio ... Se trata de un mecanismo simple que consiste básicamente en un enorme bloque - bola de acero y hormigón colgando como un péndulo que contrarresta los vaivenes y movimientos laterales habituales en este tipo de edificios, desplazándose en el sentido contrario a estos ... La esfera estabilizadora del Taipéi 101 se llama Damper Baby, pesa 660 toneladas ... su actividad prioritaria es columpiarse haciendo tolerables los tifones y los terremotos que asaltan habitualmente a este rascacielos por estar construido en Taiwán, una de las zonas con más temblores del mundo ...
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Definición del problema.
Como construir edificaciones grandes, seguras y estables en zonas sísmicas. Últimamente en los últimos años se ha registrado gran cantidad de eventos sísmicos en todo el mundo, debido a esto nace la preocupación por estudiar estos eventos que afectan a las estructuraciones de los edificios consecuentemente afecta a la actividad humana. Justificación.
Al construir edificios grandes se evita el crecimiento radial de una ciudad y consecuentemente también la tala inmoderada de arboles, por lo tanto, existe menos destrucción de hábitats de fauna y flora, y provocando una reducción de contaminantes hacia el medio ambiente Además de plantear una alternativa que garanticé mayor seguridad ante un sismo, dentro de un edificio.
Objetivo
Conocer los tipos de cimentaciones amortiguadas que se puedan usar dependiendo del tipo de edificación y el tipo de sismicidad registrada en cada zona en especial. Renovar un sistema de amortiguación que consista en mejorar la eficiencia de la cimentación considerando este el impacto hacia el medio ambiente y de simple funcionamiento. Hipótesis
Si se construye con un sistema de amortiguación en cimentaciones, las edificaciones tendrán mayor resistencia y estabilidad ante las acciones de un sismo en lugares donde las magnitudes de estos son muy elevadas, se podría construir edificaciones con crecimiento vertical con mayor seguridad y confianza y ayudara a que la ciudad tenga un crecimiento sin necesidad de hacerlo radialmente. Marco teórico
Se denomina cimentación al conjunto de elementos estructurales cuya misión es transmitir las cargas de la edificación al suelo. Debido a que la resistencia del suelo es, generalmente, menor que la de los pilares o muros que soportará, el área de contacto entre el suelo y la cimentación será proporcionalmente más grande que los elementos soportados (excepto en suelos rocosos muy coherentes). La cimentación es importante porque es el grupo de elementos que soportan a la superestructura. Hay que prestar especial atención ya que la estabilidad de la construcción depende en gran medida del tipo de terreno.
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A elección del tipo de cimentación depende especialmente de las características mecánicas del terreno, como su cohesión, su ángulo de rozamiento interno, posición del nivel freático y también de la magnitud de las cargas existentes. A partir de todos esos datos se calcula la capacidad portante, que junto con la homogeneidad del terreno aconsejan usar un tipo u otro diferente de cimentación. Siempre que es posible se emplean cimentaciones superficiales, ya que son el tipo de cimentación menos costoso y más simple de ejecutar. Cuando por problemas con la capacidad portante o la homogeneidad del mismo no es posible usar cimentación superficial se valoran otros tipos de cimentaciones.
Cimentaciones superficiales Cimentaciones semi-profundas Cimentaciones profundas
Vibración mecánica: es el movimiento de vaivén de las moléculas de u cuerpo o sistema debido a que posee características energéticas cinéticas y potenciales. En cualquiera que sea el caso, la excitación es el suministro de energía. Como ejemplos de excitación instantánea tenemos el golpeteo de una placa, el rasgueó de las cuerdas de una guitarra el impulso y de formación inicial de un sistema masa resorte, etc. El amortiguador es un dispositivo que absorbe energía, utilizado normalmente para disminuir las oscilaciones no deseadas de un movimiento periódico o para absorber energía proveniente de golpes o impactos .Los amortiguadores funcionan como elementos estructurales que permitan disipar la energía sísmica. Los dispositivos absorben dicha energía y la transforman a movimientos, es decir que no permiten que toda la energía la absorba la superestructura, sino que la mayor parte quede concentrada y disipada en la subestructura. Similar a lo que se entiende por histéresis en una estructura, pero aplicado en un dispositivo. El amortiguador se desplaza un poco de su posición original y se mueve a medida que va absorbiendo la energía, y evita que los demás elementos estructurales (columnas y vigas) reciban el impacto directo y total del sismo. Después vuelve dicho amortiguador a su posición inicial. Desgraciadamente este tipo de dispositivos son bastante caros y no fácilmente se comercializan (50mil dólares un dispositivo común). Por lo que si la edificación requiere varios de estos dispositivos ya resulta económicamente no viable su construcción. Y resulta mas económico el diseñar los elementos estructurales para soportar dichas fuerzas sísmicas.
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Tipos de sistemas de protección:
Se revisan los sistemas de protección adaptados a las estructuras para mitigar el daño de fuerzas ambientales adversas como los sismos, los vientos y las mareas. Se entienden como dispositivos que se agregan a las estructuras para desarrollar el efecto mitigante aludido. Para una mejor comprensión de estos sistemas, se revisan los conceptos básicos sobre teoría de vibraciones aplicables a estructuras. Se identifican tres tipos de estos sistemas: de aislamiento sísmico, de disipación pasiva de energía, y controles activos. Se describen sus efectos y se listan los más conocidos. De aislamiento sísmico
Estos dispositivos son colocados en la base o cimentación de la estructura. Se distinguen los siguientes: ·
Soportes con elastómeros.
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Soportes de plomo y caucho.
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Soportes con elastómeros con dispositivos disipadores de energía.
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Péndulo de fricción deslizante.
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Soportes deslizantes planos con dispositivos de restauración de fuerzas.
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Soportes deslizantes lubricados con dispositivos de disipación de energía.
La flexibilidad y capacidad de absorción de estos dispositivos les permite absorber y reflejar parcialmente la energía del sismo antes de su transmisión a la estructura. Con ello se reduce la demanda de disipación de la energía en la estructura aumentando su tiempo de vida útil.
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De disipación pasiva de energía
Los dispositivos de este tipo son usados tanto para solicitaciones sísmicas como para cargas de vientos. Introducen el concepto de disipación de energía asociado al de amortiguación suplementaria. Se incorporan a las estructuras con la finalidad de absorber o consumir una porción de la energía de ingreso. Se trata de los siguientes. ·
Amortiguadores metálicos.
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Amortiguadores de fricción.
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Amortiguadores visco-elásticos.
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Amortiguadores viscosos.
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Amortiguadores de masa calibrados.
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Amortiguadores líquidos calibrados.
Estos dispositivos reducen la demanda de disipación de energía en los principales componentes de la estructura y minimizan los posibles daños estructurales.
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De controles activos
Se dispone de un área de protección estructural y de un suministro externo de energía. El movimiento de la estructura es controlado o modificado por la acción de sistemas de control. Se distinguen los siguientes. ·
Sistema activo de abrazaderas.
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Amortiguadores activos de masa.
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Sistema activo de amortiguación rigidez variable.
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Sistemas de pulso.
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Apéndices aerodinámicos.
Se ha desarrollado un amortiguador antisísmico que consta esencialmente de un anillo ovalado de acero dúctil, el cual se sujeta a la estructura de un edificio de tal forma que, cuando ocurre un sismo, el anillo sufre una deformación semejante a la de una banda que transmite movimiento entre poleas. La resistencia del anillo a la deformación amortigua las oscilaciones de la estructura. Para obtener un dispositivo de capacidad adecuada se utilizan unidades compuestas de varios anillos. La bondad del dispositivo ha quedado plenamente establecida en el laboratorio ya que tolera cientos de ciclos de deformación. Además, constituye una alternativa de bajo costo en comparación con los métodos actualmente en uso. El diseño de una estructura amortiguada en esta forma debe hacerse de tal manera que ésta se mantenga elástica en todo momento, para evitar que se dañe, y a fin de que la deformación plástica sólo ocurra en los anillos. Para ello se ha esbozado un lineamiento general. El desafío ahora es elaborar un procedimiento práctico para el diseño y la aplicación de estos dispositivos. Se vislumbra que estos amortiguadores tienen el potencial de salvar muchas vidas. El uso de amortiguadores con un fluido denominado magneto-reológico, MR, que tiene la facultad de cambiar sus propiedades mecánicas ante un campo magnético Esto es, pasa de un estado líquido a semisólido en milisegundos adquiriendo resistencia al corto, apto para ser usado en la disipación de energía sísmica de las estructuras. Los amortiguadores magneto-reológicos, AMR, tienen una cubierta cilíndrica externa que forma parte del circuito magnético. Entre el diámetro exterior del pistón y el interior de la cubierta cilíndrica del amortiguador existe un espacio que es atravesado por los fluidos debido al movimiento del pistón. La fuerza generada depende del movimiento relativo entre el pistón del amortiguador y el cilindro y pueden desarrollarse fuerzas muy grandes con la sola entrada de la suficiente energía de control para producir la resistencia a la fluencia deseada. Por otro lado, en todo el planeta continuamente ocurren eventos sísmicos de diferente magnitud. Sin embargo, a lo largo de la historia ha habido sismos con intensidades tan altas que destruyen construcciones y arrasan con poblaciones humanas. Uno de los principales objetivos de la ingeniería estructural es diseñar y 6
construir estructuras capaces de soportar acciones sísmicas, y con ello proteger la vida. Para este fin se han planteado múltiples alternativas consignadas en reglamentos de construcción. Con ellas se han establecido métodos de diseño sísmico que proporcionan a las estructuras propiedades que buscan disminuir su vulnerabilidad ante tales eventos. Los primeros diseños estructurales de la humanidad se basaban en construir edificaciones con diseños muy conservadores, esto es, estructuras muy robustas, con comportamientos elásticos pero susceptibles a fallas frágiles. En la actualidad realizar una estructura de ese tipo llevaría a costos muy altos. Por lo tanto hoy se efectúan diseños de estructuras inelásticas capaces de aceptar daño. Sin embargo, el problema radica en el total desconocimiento de las características del próximo terremoto, principalmente en sitios donde el peligro sísmico es mayor y pueden presentarse intensidades catastróficas. En México existen poca información y estudios acerca del comportamiento de dispositivos MR en estructuras. Por ello surgieron la necesidad y el interés de estudiar la respuesta sísmica de estructuras controladas con amortiguadores magneto-reológicos bajo las condiciones propias de nuestro medio. El diseño y la construcción de estructuras con AMR acarrearían costos mayores a los generados si no se utilizara este dispositivo. En el momento en que la estructura fuese sometida a un evento sísmico se vería el beneficio del dispositivo, ya que éste lograría que se mantuviera en un intervalo de comportamiento elástico sin sufrir daños. Se estudia el comportamiento de estructuras de edificios en las que se utilizan dispositivos de control a base de amortiguadores magneto-reológicos para controlar su respuesta sísmica .Estos amortiguadores están constituidos por fluidos controlables capaces de cambiar sus características reológicas ante campos magnéticos con lo que permiten modificar las propiedades dinámicas de la estructura. A partir del estudio de un modelo estructural de cinco pisos controlado con AMR se encontró que las reducciones de los desplazamientos y las fuerzas respecto a la respuesta de uno convencional para un sismo intenso fueron de hasta 96 por ciento.
La verificación analítica y experimental de la transferencia de energía de un sistema principal excitado externamente a otro sistema secundario no excitado acoplado al primero, dio origen a los amortiguadores de masa sintonizados (AMS). El AMS consiste en una masa, un resorte y un amortiguador viscoso, que colocado en el sistema vibrante principal atenúa las vibraciones no deseadas, cuando esta sintonizado con la frecuencia de la estructura principal.
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La amplitud de las oscilaciones de la suspensión se puede llegar a amplificar hasta límites intolerables, si la frecuencia propia de la masa suspendida coincide con la que producen las ondulaciones del asfalto. En este caso, se dice que la suspensión ha entrado en resonancia. Basta que dichas ondulaciones estén formadas a distancias simétricas, o que no más de dos accidentes de la carretera se tarden en recorrer el mismo tiempo que el periodo T propio de la suspensión, para que la amplitud crezca por encima de límites incompatibles no solamente con el confort, sino con la estabilidad, ya que pueden llegar a despegar las ruedas de la carretera. En realidad lo que ocurre es que la superposición de las energías producidas llega a un valor que, si no se disipa mediante algún sistema, acabaría por producir los efectos indeseados descritos. Los amortiguadores por lo tanto, cobran una importancia vital, en la estabilidad del coche y confort de los pasajeros. Amortiguación crítica
Si, ante una compresión de la suspensión, la amortiguación impide una nueva oscilación, la habremos reglado justo en la «amortiguación crítica». Es decir, la amortiguación critica es aquella bajo la cual, al comprimir hipotéticamente la suspensión hasta el final de su recorrido y soltar, no se produce la menor oscilación puesto que la fuerza de amortiguación es superior a la energía potencial acumulada por el muelle en la compresión.
En la figura precedente, la curva de línea continua es la de oscilación de un sistema de masa M sometido a la oscilación de un muelle de rigidez amortiguado. La curva de trazos es la correspondiente a la amortiguación crítica (AC).
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El principio del amortiguador de péndulo centrífugo se conoce desde hace décadas y ya se utiliza en los motores de los aviones. Sin embargo, su elevada masa oscilantes, de aproximadamente cinco kilos, así como la complejidad para incluirlos en los diseños de los motores, había impedido la aplicación de los conocimientos obtenidos en la aeronáutica en el campo de la auto moción. Luk ha logrado finalmente hacer viable este principio de amortiguador de péndulo centrífugo en la cadena cinemática del vehículo gracias a su unión con el moderno volante de doble masa. Otro de los puntos clave para el desarrollo de esta innovación ha sido comprobar la robustez y la fiabilidad del producto gracias a exhaustivos ensayos donde se han probado el funcionamiento, el desgaste del material y los aspectos relevantes para la seguridad de este conjunto. El resultado ha sido siempre el mismo: se garantiza el confort de una conducción óptima, ajustado a la vida útil del vehículo sin que aparezcan indicios de fatiga. Método
Para cubrir las necesidades planteadas en el objetivo (Conocer los tipos de cimentaciones amortiguadas que se puedan usar dependiendo del tipo de edificación y el tipo de sismicidad registrada en cada zona en especial.) en lo que concierne a este punto será necesario hacer lo siguiente: Hacer un estudio individual de cada tipo diferente de cimentaciones (superficiales, semiprofundas, profundas) en estado normal, es decir, analizar sus comportamientos sin ningún tipo de aditamentos de amortiguación y registrarlos en forma comparativa, para simular lo efectos sísmicos sobre las cimentaciones, sobre ellas se montaran edificaciones a escala, se harán ensayes de estas y se les harán pruebas en un simulador de sismos con graduación de diferentes tipos de magnitudes sísmicas reiterando sin ningún tipo mejoras, una vez concluido el análisis se examinara la referencia que es la edificación construida sobe la cimentación de esta y se tomara como resultado la evaluación de daños sobre la edificación. Se aplicara el mismo procedimiento a las cimentaciones, para esta vez, se elaborara a escala los diferentes tipos de sistemas de amortiguación (péndulo, fluidos magneto-reologicos, placas de hule, elastómeros, etc.) y se analizaran para cada tipo de cimentación mencionada y comparando el desempeño de cada una. La finalidad es de crear cimentaciones diseñadas para soportar las inclemencias de los movimientos sísmicos por lo que en esta prueba, la empleación de un péndulo será descartada ya que esta solamente se utiliza sobre la estructuración de la edificación Respecto a la simulación sísmica se simulara con 3 grados más en la escala usada respecto al sismo con mayor intensidad registrada en la historia con el fin de llevar al máximo a los sistemas de amortiguación para así diseñar, las cimentaciones con un factor de seguridad apropiado y complementarlo con un sistema de amortiguación analizado en la prueba anterior.
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Tomando en cuenta la eficiencia de los fluidos magneto-reologicos (FMR) mencionados en el marco teórico, es el sistema más estable de amortiguación comprobado con estudios de microscopia electrónica de barrido (SEM), difracción de rayos x (DRX), espectroscopia infrarroja (FTIR) y pruebas reológicas, todo esto se puede afirmar que el mejor sistema de amortiguación son los FMR, de acuerdo con el objetivo secundario de encontrar un sistema que sea de simple funcionamiento.
Difusión
El proyecto se dará a conocer por medio de la revista VIRGIN TECHNOLOGYC donde se explicara en toda una sección todo lo que trata este proyecto. También se realizara una exposición el día 12 de Mayo del año en curso en el teatro de la ciudad, ahí se explicara claramente el proyecto y se aclararan todas las dudas y comentarios relacionados al tema.
Presupuesto CONCEPTO
CANTIDAD
Materiales de construcción Fluido lord magneto-riologycal (1m3) Accesorios Renta de equipos de ensayo Otros gastos
$ 6,000.00 $ 250,000.00 $ 10,000.00 $ 50,000.00 $ 10,000.00
Total
$326,000.00
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Bibliografía
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