AMORTIGUACION EN CIMENTACIONESMETODOLOGIA 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.

Amortiguacin en cimentaciones1 1

Soto- Rodrguez J.R, 1Perez-Torres F.J, 1Luque-Perez R., 1Ruelas-Soto M.L

Universidad Autnoma de Sinaloa Facultad de Ingeniera Mochis. Fuente de Poseidn y Prol. A. Flores S/N, C.U. Los Mochis, Sin. Mxico. C.P. 81223

Antecedentes: Cuando el hombre prehispnico decidi 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 ao de 1960 cuando predominaban las bandas delictivas de mafias organizadas en la ciudad de chicago, los grandes padrinos de la mafia tenan en comn un banco en especial, edificado a su conveniencia. Esta ciudad en aquellos aos ocurran fuerzas ssmicas muy concurrentes y de gran magnitud por lo que esta ciudad sufra de daos econmicos como tambin en sus edificaciones, para esto se opto por construir un banco con una cimentacin de tal forma que al presentarse un sismo no ocurriera nada sobre la edificacin, por lo que con este hecho se comenz el estudio para disear edificaciones ms seguras ante eventos ssmicos, para dar solucin a este problema se opto por colocar la cimentacin sobre una cama de arena con el fin de disipar la energa de fuerzas ssmicas. En la ciudad de Mxico se diseo el edifico Torre mayor con un sistema de amortiguacin en su estructura con la finalidad de disipar la fuerza producida por los vientos que tienen lugar en lo alto del edificio, as como tambin reducir la magnitud de un sismo sobre el edificio, el sistema de amortiguacin fue pensado debido a que el edificio esta cimentado sobre un suelo con un comportamiento muy inestable y por mas mnimo que sea la fuerza de una accin ssmica tendra grandes consecuencias en la superficie de la ciudad. El Taipi 101 es uno de los edificios ms altos de mundo, que cuenta con novedosos adelantos tecnolgicos y uno de los ms 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 bsicamente en un enorme bloque - bola de acero y hormign colgando como un pndulo que contrarresta los vaivenes y movimientos laterales habituales en este tipo de edificios, desplazndose en el sentido contrario a estos ... La esfera estabilizadora del Taipi 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 Taiwn, una de las zonas con ms temblores del mundo ...

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Definicin del problema. Como construir edificaciones grandes, seguras y estables en zonas ssmicas. ltimamente en los ltimos aos se ha registrado gran cantidad de eventos ssmicos en todo el mundo, debido a esto nace la preocupacin por estudiar estos eventos que afectan a las estructuraciones de los edificios consecuentemente afecta a la actividad humana. Justificacin. Al construir edificios grandes se evita el crecimiento radial de una ciudad y consecuentemente tambin la tala inmoderada de arboles, por lo tanto, existe menos destruccin de hbitats de fauna y flora, y provocando una reduccin de contaminantes hacia el medio ambiente Adems de plantear una alternativa que garantic mayor seguridad ante un sismo, dentro de un edificio.

Objetivo Conocer los tipos de cimentaciones amortiguadas que se puedan usar dependiendo del tipo de edificacin y el tipo de sismicidad registrada en cada zona en especial. Renovar un sistema de amortiguacin que consista en mejorar la eficiencia de la cimentacin considerando este el impacto hacia el medio ambiente y de simple funcionamiento. Hiptesis Si se construye con un sistema de amortiguacin en cimentaciones, las edificaciones tendrn mayor resistencia y estabilidad ante las acciones de un sismo en lugares donde las magnitudes de estos son muy elevadas, se podra 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 terico Se denomina cimentacin al conjunto de elementos estructurales cuya misin es transmitir las cargas de la edificacin al suelo. Debido a que la resistencia del suelo es, generalmente, menor que la de los pilares o muros que soportar, el rea de contacto entre el suelo y la cimentacin ser proporcionalmente ms grande que los elementos soportados (excepto en suelos rocosos muy coherentes). La cimentacin es importante porque es el grupo de elementos que soportan a la superestructura. Hay que prestar especial atencin ya que la estabilidad de la construccin depende en gran medida del tipo de terreno.

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A eleccin del tipo de cimentacin depende especialmente de las caractersticas mecnicas del terreno, como su cohesin, su ngulo de rozamiento interno, posicin del nivel fretico y tambin 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 cimentacin. Siempre que es posible se emplean cimentaciones superficiales, ya que son el tipo de cimentacin menos costoso y ms simple de ejecutar. Cuando por problemas con la capacidad portante o la homogeneidad del mismo no es posible usar cimentacin superficial se valoran otros tipos de cimentaciones. Cimentaciones superficiales Cimentaciones semi-profundas Cimentaciones profundas

Vibracin mecnica: es el movimiento de vaivn de las molculas de u cuerpo o sistema debido a que posee caractersticas energticas cinticas y potenciales. En cualquiera que sea el caso, la excitacin es el suministro de energa. Como ejemplos de excitacin instantnea tenemos el golpeteo de una placa, el rasgue de las cuerdas de una guitarra el impulso y de formacin inicial de un sistema masa resorte, etc. El amortiguador es un dispositivo que absorbe energa, utilizado normalmente para disminuir las oscilaciones no deseadas de un movimiento peridico o para absorber energa proveniente de golpes o impactos .Los amortiguadores funcionan como elementos estructurales que permitan disipar la energa ssmica. Los dispositivos absorben dicha energa y la transforman a movimientos, es decir que no permiten que toda la energa la absorba la superestructura, sino que la mayor parte quede concentrada y disipada en la subestructura. Similar a lo que se entiende por histresis en una estructura, pero aplicado en un dispositivo. El amortiguador se desplaza un poco de su posicin original y se mueve a medida que va absorbiendo la energa, y evita que los dems elementos estructurales (columnas y vigas) reciban el impacto directo y total del sismo. Despus vuelve dicho amortiguador a su posicin inicial. Desgraciadamente este tipo de dispositivos son bastante caros y no fcilmente se comercializan (50mil dlares un dispositivo comn). Por lo que si la edificacin requiere varios de estos dispositivos ya resulta econmicamente no viable su construccin. Y resulta mas econmico el disear los elementos estructurales para soportar dichas fuerzas ssmicas.

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Tipos de sistemas de proteccin: Se revisan los sistemas de proteccin adaptados a las estructuras para mitigar el dao 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 comprensin de estos sistemas, se revisan los conceptos bsicos sobre teora de vibraciones aplicables a estructuras. Se identifican tres tipos de estos sistemas: de aislamiento ssmico, de disipacin pasiva de energa, y controles activos. Se describen sus efectos y se listan los ms conocidos. De aislamiento ssmico Estos dispositivos son colocados en la base o cimentacin de la estructura. Se distinguen los siguientes: Soportes con elastmeros. Soportes de plomo y caucho. Soportes con elastmeros con dispositivos disipadores de energa. Pndulo de friccin deslizante. Soportes deslizantes planos con dispositivos de restauracin de fuerzas. Soportes deslizantes lubricados con dispositivos de disipacin de energa.

La flexibilidad y capacidad de absorcin de estos dispositivos les permite absorber y reflejar parcialmente la energa del sismo antes de su transmisin a la estructura. Con ello se reduce la demanda de disipacin de la energa en la estructura aumentando su tiempo de vida til.

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De disipacin pasiva de energa Los dispositivos de este tipo son usados tanto para solicitaciones ssmicas como para cargas de vientos. Introducen el concepto de disipacin de energa asociado al de amortiguacin suplementaria. Se incorporan a las estructuras con la finalidad de absorber o consumir una porcin de la energa de ingreso. Se trata de los siguientes. Amortiguadores metlicos. Amortiguadores de friccin. Amortiguadores visco-elsticos. Amortiguadores viscosos. Amortiguadores de masa calibrados. Amortiguadores lquidos calibrados.

Estos dispositivos reducen la demanda de disipacin de energa en los principales componentes de la estructura y minimizan los posibles daos estructurales.

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De controles activos Se dispone de un rea de proteccin estructural y de un suministro externo de energa. El movimiento de la estructura es controlado o modificado por la accin de sistemas de control. Se distinguen los siguientes. Sistema activo de abrazaderas. Amortiguadores activos de masa. Sistema activo de amortiguacin rigidez variable. Sistemas de pulso. Apndices aerodinmicos.

Se ha desarrollado un amortiguador antissmico que consta esencialmente de un anillo ovalado de acero dctil, el cual se sujeta a la estructura de un edificio de tal forma que, cuando ocurre un sismo, el anillo sufre una deformacin semejante a la de una banda que transmite movimiento entre poleas. La resistencia del anillo a la deformacin 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 deformacin. Adems, constituye una alternativa de bajo costo en comparacin con los mtodos actualmente en uso. El diseo de una estructura amortiguada en esta forma debe hacerse de tal manera que sta se mantenga elstica en todo momento, para evitar que se dae, y a fin de que la deformacin plstica slo ocurra en los anillos. Para ello se ha esbozado un lineamiento general. El desafo ahora es elaborar un procedimiento prctico para el diseo y la aplicacin de estos dispositivos. Se vislumbra que estos amortiguadores tienen el potencial de salvar muchas vidas. El uso de amortiguadores con un fluido denominado magneto-reolgico, MR, que tiene la facultad de cambiar sus propiedades mecnicas ante un campo magntico Esto es, pasa de un estado lquido a semislido en milisegundos adquiriendo resistencia al corto, apto para ser usado en la disipacin de energa ssmica de las estructuras. Los amortiguadores magneto-reolgicos, AMR, tienen una cubierta cilndrica externa que forma parte del circuito magntico. Entre el dimetro exterior del pistn y el interior de la cubierta cilndrica del amortiguador existe un espacio que es atravesado por los fluidos debido al movimiento del pistn. La fuerza generada depende del movimiento relativo entre el pistn del amortiguador y el cilindro y pueden desarrollarse fuerzas muy grandes con la sola entrada de la suficiente energa de control para producir la resistencia a la fluencia deseada.

Por otro lado, en todo el planeta continuamente ocurren eventos ssmicos 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 ingeniera estructural es disear y

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construir estructuras capaces de soportar acciones ssmicas, y con ello proteger la vida. Para este fin se han planteado mltiples alternativas consignadas en reglamentos de construccin. Con ellas se han establecido mtodos de diseo ssmico que proporcionan a las estructuras propiedades que buscan disminuir su vulnerabilidad ante tales eventos. Los primeros diseos estructurales de la humanidad se basaban en construir edificaciones con diseos muy conservadores, esto es, estructuras muy robustas, con comportamientos elsticos pero susceptibles a fallas frgiles. En la actualidad realizar una estructura de ese tipo llevara a costos muy altos. Por lo tanto hoy se efectan diseos de estructuras inelsticas capaces de aceptar dao. Sin embargo, el problema radica en el total desconocimiento de las caractersticas del prximo terremoto, principalmente en sitios donde el peligro ssmico es mayor y pueden presentarse intensidades catastrficas. En Mxico existen poca informacin y estudios acerca del comportamiento de dispositivos MR en estructuras. Por ello surgieron la necesidad y el inters de estudiar la respuesta ssmica de estructuras controladas con amortiguadores magneto-reolgicos bajo las condiciones propias de nuestro medio. El diseo y la construccin de estructuras con AMR acarrearan costos mayores a los generados si no se utilizara este dispositivo. En el momento en que la estructura fuese sometida a un evento ssmico se vera el beneficio del dispositivo, ya que ste lograra que se mantuviera en un intervalo de comportamiento elstico sin sufrir daos. Se estudia el comportamiento de estructuras de edificios en las que se utilizan dispositivos de control a base de amortiguadores magneto-reolgicos para controlar su respuesta ssmica .Estos amortiguadores estn constituidos por fluidos controlables capaces de cambiar sus caractersticas reolgicas ante campos magnticos con lo que permiten modificar las propiedades dinmicas de la estructura. A partir del estudio de un modelo estructural de cinco pisos controlado con AMR se encontr 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 verificacin analtica y experimental de la transferencia de energa 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 atena 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 suspensin se puede llegar a amplificar hasta lmites 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 suspensin ha entrado en resonancia. Basta que dichas ondulaciones estn formadas a distancias simtricas, o que no ms de dos accidentes de la carretera se tarden en recorrer el mismo tiempo que el periodo T propio de la suspensin, para que la amplitud crezca por encima de lmites 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 superposicin de las energas producidas llega a un valor que, si no se disipa mediante algn sistema, acabara 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. Amortiguacin crtica Si, ante una compresin de la suspensin, la amortiguacin impide una nueva oscilacin, la habremos reglado justo en la amortiguacin crtica. Es decir, la amortiguacin critica es aquella bajo la cual, al comprimir hipotticamente la suspensin hasta el final de su recorrido y soltar, no se produce la menor oscilacin puesto que la fuerza de amortiguacin es superior a la energa potencial acumulada por el muelle en la compresin.

En la figura precedente, la curva de lnea continua es la de oscilacin de un sistema de masa M sometido a la oscilacin de un muelle de rigidez amortiguado. La curva de trazos es la correspondiente a la amortiguacin crtica (AC).

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El principio del amortiguador de pndulo centrfugo se conoce desde hace dcadas y ya se utiliza en los motores de los aviones. Sin embargo, su elevada masa oscilantes, de aproximadamente cinco kilos, as como la complejidad para incluirlos en los diseos de los motores, haba impedido la aplicacin de los conocimientos obtenidos en la aeronutica en el campo de la auto mocin. Luk ha logrado finalmente hacer viable este principio de amortiguador de pndulo centrfugo en la cadena cinemtica del vehculo gracias a su unin con el moderno volante de doble masa. Otro de los puntos clave para el desarrollo de esta innovacin 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 conduccin ptima, ajustado a la vida til del vehculo sin que aparezcan indicios de fatiga. Mtodo Para cubrir las necesidades planteadas en el objetivo (Conocer los tipos de cimentaciones amortiguadas que se puedan usar dependiendo del tipo de edificacin y el tipo de sismicidad registrada en cada zona en especial.) en lo que concierne a este punto ser 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 ningn tipo de aditamentos de amortiguacin y registrarlos en forma comparativa, para simular lo efectos ssmicos sobre las cimentaciones, sobre ellas se montaran edificaciones a escala, se harn ensayes de estas y se les harn pruebas en un simulador de sismos con graduacin de diferentes tipos de magnitudes ssmicas reiterando sin ningn tipo mejoras, una vez concluido el anlisis se examinara la referencia que es la edificacin construida sobe la cimentacin de esta y se tomara como resultado la evaluacin de daos sobre la edificacin. Se aplicara el mismo procedimiento a las cimentaciones, para esta vez, se elaborara a escala los diferentes tipos de sistemas de amortiguacin (pndulo, fluidos magneto-reologicos, placas de hule, elastmeros, etc.) y se analizaran para cada tipo de cimentacin mencionada y comparando el desempeo de cada una. La finalidad es de crear cimentaciones diseadas para soportar las inclemencias de los movimientos ssmicos por lo que en esta prueba, la empleacin de un pndulo ser descartada ya que esta solamente se utiliza sobre la estructuracin de la edificacin Respecto a la simulacin ssmica se simulara con 3 grados ms en la escala usada respecto al sismo con mayor intensidad registrada en la historia con el fin de llevar al mximo a los sistemas de amortiguacin para as disear, las cimentaciones con un factor de seguridad apropiado y complementarlo con un sistema de amortiguacin analizado en la prueba anterior.

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Tomando en cuenta la eficiencia de los fluidos magneto-reologicos (FMR) mencionados en el marco terico, es el sistema ms estable de amortiguacin comprobado con estudios de microscopia electrnica de barrido (SEM), difraccin de rayos x (DRX), espectroscopia infrarroja (FTIR) y pruebas reolgicas, todo esto se puede afirmar que el mejor sistema de amortiguacin son los FMR, de acuerdo con el objetivo secundario de encontrar un sistema que sea de simple funcionamiento.

Difusin El proyecto se dar a conocer por medio de la revista VIRGIN TECHNOLOGYC donde se explicara en toda una seccin todo lo que trata este proyecto. Tambin se realizara una exposicin el da 12 de Mayo del ao en curso en el teatro de la ciudad, ah se explicara claramente el proyecto y se aclararan todas las dudas y comentarios relacionados al tema.

Presupuesto CONCEPTO Materiales de construccin Fluido lord magneto-riologycal (1m3) Accesorios Renta de equipos de ensayo Otros gastos Total CANTIDAD $ 6,000.00 $ 250,000.00 $ 10,000.00 $ 50,000.00 $ 10,000.00 $326,000.00

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