DISIPADORES A FRICCION - QUAKETEK
Con el paso del tiempo, se han implementado nuevas técnicas de reforzamiento sismorresistente en estructuras, como son el el uso de post-tensores, aisladores en la la base, amortiguadores de masa y disipadores sísmicos. Una técnica que en la actualidad tiene gran aceptación, debido a sus respuestas positivas en pruebas de desempeño en mesas vibratorias por po r parte de las asociaciones de ingeniería más reconocidas del mundo, son los disipadores a fricción. El disipador a fricción, fricción, inventado en 1984 por el Dr. Avtar Pall en Canadá, opera bajo los principios de la teoría de Coulomb, transformando la energía cinética inducida por el sismo, en calor; a través de la fricción de sus componentes. Su uso se está haciendo más común en la actualidad, debido a sus importantes beneficios en reducción de costos y construcción; ya que los elementos que soportan la estructura pueden ser optimizados al máximo reduciendo sustancialmente cantidades de acero de refuerzo, si se trata de hormigón armado, o reduciendo secciones transversales si se trata de acero estructural. A diferencia de tecnologías alternativas en protección sísmica, como aisladores de base o disipadores viscosos, los cuales deben ser diseñados para la frecuencia y velocidad de los sismos de diseño; este sistema no dependen de la velocidad, es decir, para su diseño estructural, se requieren los desplazamientos y la fuerza de a ccionamientos axiales. BENEFICICIOS
PROTECCION MAXIMA Uso de disipadores a fricción: Uno de los beneficios de este sistema, es que la estructura estará protegida ante sismos sin deformarse permanentemente, ya que dicha estructura permanece operacional durante y después de un sismo. Estructuras diseñadas con elementos estructurales sismorresistentes: Las estructuras diseñadas bajo el reglamento sismorresistente evitan el colapso y protegen vidas, las edificaciones quedan gravemente deterioradas luego del sismo, ya que hacen uso de la ductilidad para la disipación de la energía, por lo que sufren deformaciones inelásticas.
AHORROS EN COSTOS DE CONSTRUCCION Y VIDA UTIL En estructuras nuevas:
1. 2-5% de ahorros en costos totales de proyecto comparado con edificios que disipan la energía mediante la ductilidad de los elementos. 2. No requiere mantenimiento 3. Evita deformaciones permanentes en la estructura 4. Ahorro en refuerzo adicional para ductilidad 5. Reducciones significativas en costos de mantenimiento futuro de la edificación después de un sismo. En estructuras resistentes:
1. 30-60% en ahorros de costos totales de proyecto. 2. No requiere de mantenimiento 3. Adaptable virtualmente a cualquier sistema estructural existente: muros de corte, pórticos a momento, etc. 4. Instalación adaptable a cualquier tipo de material: madera, hormigón armado, acero estructural, etc. CONSTRUCCION SOSTENIBLE El ahorro de materiales de construcción, como el acero estructural, permite librar al medio ambiente de 4 kg de CO2 por cada Kg que no se instala en un edificio.
Torre Cuarzo, Cuidad de México, México. Usa más de 450 disipadores a fricción.
SIMPLICIDAD EN DISEÑO ESTRUCTURAL Y MODELADO Es posible modelarlo como cualquier otro elemento elastoplástico (una barra metálica, un perfil I o Tubular), esto hace que el disipador tenga una curva histerética constante independiente de la velocidad de la aplicación de la fuerza. En el software, el disipador es simulado como un contraviento metálico. Indiferente al tipo de análisis estructural, estático, dinámico o espectral; El disipador siempre muestra el mismo comportamiento que cualquier otro elemento de la estructura (viga o columna), en otras palabras, es parte integral de la misma. En el momento de un sismo, el brazo del contraviento real no se deforma, sino que el disipador se acciona antes que el brazo llegue a su limite de elasticidad absorbiendo la energía sísmica en la fricción de sus componentes. Así, una vez pasado el sismo, el disipador y el contraviento vuelven a su posición original.
SIMPLICIDAD EN INSTALACION El diseño de sus conexiones es tan simple como el de cualquier sistema de contraviento común.
DISEÑO ESTRUCTURAL CON DISIPADORES A FRICCION Ya teniendo un modelo preliminar pre-dimensionado de la estructura, se procede a integrar los contravientos haciendo de estos, parte integral de la estructura principal, tal como cualquier otro elemento de viga y columna. Luego de esto, se procede a cargar el modelo normalmente.
Paso 1: Localizando los contravientos Los disipadores tienen el mismo desempeño tanto en tensión y en compresión, por lo que se puede ubicar literalmente en cualquier lugar de la estructura sin importar su orientación respecto de la fuerza lateral. Pero técnicamente, cuanto más simétrica sea su distribución alrededor del centro de rigidez del modelo, la estructura tendrá un comportamiento menos complejo. Paso 2: Cantidad de contravientos por piso Según el criterio del diseñador estructural, varia la cantidad de contravientos por piso, en cuanto a que tan repartida quiere tener la resistencia lateral de la estructura. Por tanto, se manejan 2 opciones: 1. Igual número de contravientos por piso, aunque las resistencias de los contravientos en la estructura disminuirán proporcionalmente con la altura del nivel en que se instalan, tal como la fuerza sísmica cortante lo hace en el edificio. 2. Diferente número de contravientos por piso, según la fuerza cortante sísmica por piso, el diseñador puede reducir proporcionalmente el número de contravientos de un piso a otro. Los contravientos tendrán resistencias similares en todos los niveles, pero en conjunto sumaran una resistencia menor a medida que crece la elevación del piso en que se instalan. Para cualquiera de las 2 opciones, la fuerza de la acción del disipador es la que el software utiliza como fuerza elástica límite del contraviento “link”. Por tanto, la fuerza cortante del piso entre la fuera de acción del disipador se obtiene un numero de contravientos por piso. Paso 3: Parámetros de los contravientos “links” Es necesario introducirle al software de diseño estructural, cuales son las características de este. Así, el contraviento con disipador es mod elado como un brazo metálico que sigue el modelo de Wen para materiales elástico-plásticos tal como lo
haría un elemento metálico cualquiera (e.g. una barra metálica, un perfil H, I o Tubular).
El área de la sección transversal del brazo es la que determina en gran parte su rigidez lateral y axial. Conociendo el valor aproximado de la fuerza cortante por piso, se divide por el número de contravientos a colocar en dicho piso; y se divide por el esfuerzo límite elástico del acero. De esta forma se produce el área transversal a introducir el software (ver ejemplo). Al realizar el ejercicio de esta manera se logra que la rigidez lateral de los contravientos en conjunto sea siempre bastante mayor que la de los pórticos. Esto a su vez, permite al contraviento equipado con el disipador absorber primero una mayor porción de la fuerza lateral antes que el pórtico llegue a su límite elástico o a estados tempranos de deformación plástica. La fuerza optima del accionamiento del disipador: La fuerza óptima es la que garantiza la mayor cantidad de energía absorbida por el disipador para una misma configuración de pórtico para una misma fuerza sísmica. Se ha encontrado que esta fuerza es siempre menor al 50% del cortante sísmico del piso, pero variara de acuerdo a las restricciones que el diseñador encuentre en su Proyecto.
El disipador en la estructura real deberá accionarse a una fuerza igual al 75% de la resistencia elástica del brazo al que está conectado y sus conexiones. Esto para evitar que por ningún motivo el brazo o las conexiones sufran deformaciones permanentes. Esta aparente incongruencia entre la resistencia del área transversal del contraviento “link” en el software y la fuerza de accionamiento del disipador en el edificio real, no
representa problema alguno en materia de análisis porque cuando la fuerza, en el brazo real, alcanza la fuerza de acción del disipador este se activara y mantendrá esa fuerza constante de ahí en adelante. Esa fuerza constante es la del contraviento “link”
que se le introdujo al software en primer lugar. Por otro lado, esta fuerza de accionamiento deberá ser modificada si no resulta ser al menos 30% mayor que otras cargas de servicio (e.g. verticales y viento regular). Esto porque no se desea que en la estructura real, fuerzas de servicio normal activen el disipador cuando no es necesario. Paso 4: Listo para correr el análisis El edificio está listo para correr el análisis de acuerdo a loso requerimientos exigidos por el código de construcción que estés utilizando. Los parámetros que has introducido hasta este paso son suficientes para realizar cualquier tipo de análisis: estático linear y no linear o, Dinámico linear y no linear.
