disipadores de energia
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INTEGRANTES:
Atencio Illescas James kennedyTrujillo Ortiz JhonelRequena Marcelo Deiby MijailCerrón Caqui Gilson OrlandoSánchez Félix Yonni Helbert
• La disipación de energía se logra mediante la introducción de dispositivosespeciales en una estructura, con el fin de reducir las deformaciones yesfuerzos sobre ella.
• Estos dispositivos reducen la demanda de deformación y esfuerzosproducidos por el sismo mediante el aumento del amortiguamientoestructural hasta un 50%.
SISTEMAS DE PROTECCIÓN SÍSMICASISTEMAS PASIVOS.
La disipación pasiva de energía es reconocida como un medio efectivo para defender a las estructuras de losefectos de los sismos. El principio es simple: si los sismos se originan mediante una liberación de energía del suelo,los elementos que estén íntimamente ligados al suelo tales como las estructuras, absorben esta energía durante unsismo y deberán liberarla de alguna manera.
1. Disipadores histeréticos.
Disipador ADAS (Added Camping And Stiffness).
Disipador TADAS (Triangular Added Damping And Stiffness).
Disipador Honey-Comb.
Unbonded Braces.
3. Disipadores Friccionales.
Conexión SBC (Slotted Bolted Connection).
Sistema PALL.
Dispositivo de fricción por golillas.
4. Disipadores viscoelasticos.
Disipadores viscoelasticos sólidos.
Disipadores viscoelasticos de fluidos.
5. Aislamiento de base.
Los aisladores de neopreno zunchado.
Los aisladores de fricción.
Aislador pendular.
DISIPADORES HISTERÉTICOS.
Disipador ADAS (Added Camping And Stiffness).Esta formado por un conjunto de chapas en paralelo, de espesor constante y secciónvariable en forma de X. Este sistema frontalmente es similar a dos trapecios unidos porla base menor. Cada placa del dispositivo se encuentra impedida de giro en ambosextremos, de forma que un desplazamiento relativo entre estos en direcciónperpendicular al plano de la placa produce una distribución de momentos flectoreslineales, simétricos y con doble curvatura.
Por lo general los disipadores histeréticos se comportan elásticamente para resistirlas cargas laterales producidas por viento y sismos menores, y trabajan en el rangoinelástico en el caso de sismos intensos disipando energía mediante estecomportamiento.
Disipador TADAS (Triangular Added DampingAnd Stiffness).
Está formado por un conjunto de placas trapezoidales de acero paralelas y deespesor constante. El hecho de que las placas se encuentren con un extremoempotrado y el otro articulado, condiciona la forma trapezoidal.
La base menor de la placa se conecta al nivel de viga a una estructura aporticada, mientras que la otra se articula con una unión a dos contravientosdirigidos a la base de los pilares del pórtico. Con un desplazamiento relativoentre extremos de la placa perpendicular a su plano.
DISIPADOR HONEY-COMB.Debido a los espacios vacíos que deja entre disipadores se le conoce genéricamentecomo disipador de tipo panal, y se comercializa con el nombre de “Honeycomb”. Sugeometría tiene como objeto una plastificación lo más uniforme posible en la zonadisipativa. Su comportamiento histerético es muy estable y de forma casi rectangular;es más flexible que los anteriores.
UNBONDED BRACES.Consiste en una diagonal de acero que fluye dentro de una sección de hormigón quela confina. Su principio básico de funcionamiento es prevenir el pandeo de Eulercuando el elemento de acero fluye en compresión.
DISIPADORES FRICCIONALES.
Conexión SBC (Slotted Bolted Connection).
Este dispositivo es el más simple de todos. Consiste en una unión de dosplacas paralelas (de acero) interconectadas entre sí a través de láminas debronce y pernos de alta resistencia. El deslizamiento entre las placas seproduce a través de orificios ovalados.
Los dispositivos metálicos se caracterizan por tener una fricción seca entre dosmetales. El principio básico de los disipadores friccionales consiste en utilizar ladeformación relativa entre dos puntos de una estructura para disipar energía a travésde fricción.La fuerza de fricción en cada conexión es igual al producto de la fuerza normal por elcoeficiente de rozamiento. Existen diversos dispositivos basados en la disipación porfricción. A continuación se muestran algunos de ellos.
Sistema PALL.Utiliza la deformación relativa de entrepiso y la deformación angular delparalelogramo central como medio de disipación.
Dispositivo de fricción por golillas.En este caso la disipación se logra por la fricción producto del giro relativo entre placas metálicas.
DISIPADORES VISCOELASTICOS.
Disipadores viscoelasticos sólidos.Son empleados en estructuras, son usualmente copolímeros o sustancias vidriosasque disipan energía cuando están sujetas a deformación por corte. Un disipadorviscoelástico consiste en capas viscoelásticas entre platos de acero. Cuando sonmontadas en una estructura, la deformación por corte y por consiguiente ladisipación de energía ocurre cuando la vibración estructural induce el movimientorelativo entre las láminas de acero exteriores y el plato central.
Este agrupamiento incluye disipadores viscoelásticos sólidos y disipadoresviscoelásticos fluidos. Las respuestas típicas fuerza-desplazamiento obtenidas paraestos dispositivos bajo amplitud constante, condiciones cíclicas de desplazamientocontrolado son provistas.En general, estos dispositivos exhiben amortiguamiento y rigidez, en muchasaplicaciones. Esto generalmente simplifica enormemente los procedimientos deanálisis requeridos. Los dispositivos viscoelásticos tienen potencial aplicación tantopara protección sísmica como para viento.
Disipadores viscoelasticos de fluidos.
Utilizan la acción de sólidos para mejorar el desempeño de la estructura adiversas acciones externas. Por otra parte los fluidos también pueden serefectivamente empleados para obtener el nivel deseado de control pasivo. Unesfuerzo significante ha sido orientado recientemente al desarrollo de losdisipadores de fluido viscoso para aplicaciones estructurales, primeramentehacia la conversión de la tecnología para la milicia y la industria pesada.
La disipación de energía ocurre vía conversión de la energía mecánica al calorrelacionada a la deformación del pistón y a la sustancia altamente viscosasimilar a un gel de silicona.
AISLAMIENTO DE BASE
Los aisladores de neopreno zunchado.Estos aisladores intercalan placas delgadas de acero en un bloque cúbico o cilindro deneopreno. Su rigidez vertical aumenta considerablemente, manteniendo suflexibilidad lateral. Estos dispositivos dotan de flexibilidad al edificio pero su capacidaddisipativa resulta baja.
El aislamiento de la base es una estrategia de diseño que se fundamenta en eldesacoplamiento de la estructura del movimiento del suelo, para proteger a esta delefecto de los sismos. Se consigue a partir de dispositivos flexibles al movimientohorizontal y rígido al desplazamiento vertical, ubicados entre los cimientos y lasuperestructura. Su presencia alarga el período fundamental, con lo cual desacoplade forma parcial la estructura del movimiento del terreno y limita la entrada deenergía a la estructura.
Los aisladores de fricción.
Estos trabajan de forma distinta a los aisladores de neopreno, al limitar lafuerza máxima transmitida a la estructura mediante el coeficiente de fricción.Su principal ventaja es el costo y no tener prácticamente limitación en lacarga vertical que puede transmitir. Un inconveniente es la modelación de lafricción a lo largo del tiempo y en función de la velocidad de deslizamiento yde la presión actuante.
Aislador pendular.
En la figura se muestra un sistema de aislamiento basado en el movimientopendular del edificio sobre las superficies cóncavas de los aisladores de base. Elperíodo del péndulo es convertido en modo de vibración fundamental de laestructura y depende solamente del radio de curvatura de la superficie deslizantedel aislador. El aislador proporciona una rigidez relativa al desplazamiento lateraldirectamente proporcional al peso de la estructura e inversamente proporcionalal radio de curvatura. Uno de los elementos de interés de este dispositivo es sucapacidad de proporcionar períodos y desplazamientos largos manteniendo sucapacidad portante de utilidad ante la presencia de sismos cercanos a la falla,caracterizados por pulsos largos.
• Los sistemas activoscontrarrestandirectamente losefectos de sismomediante fuerzasaplicadas poractuadores integradosa un grupo desensores,controladores yprocesadores deinformación entiempo real.
SISTEMA DE CONTROL ACTIVO
Edificio Kyobashi Seiwa, Tokio (Japón)
SISTEMA DE CONTROL ACTIVO
AMORTIGUADORES DE MASA
• Dentro de este tipo de disipadores existen principalmente de dos tipos: Amortiguadores de masa sintonizada Tunes Mass Damper y los Amortiguadores de líquido sintonizado.
SISTEMA DE CONTROL ACTIVO
AMORTIGUADORES DE MASA SINTONIZADA
• Una masa auxiliar, móviles instalada en uno delos últimos pisos deledificio, con unactuador conectado aella. Si el algoritmo esadecuado, la fuerzainercial que presenta lamasa oscilante debecontrarrestar los efectosde la acción sísmica yreducir así la respuestaestructural.
SISTEMA DE CONTROL ACTIVO
AMORTIGUADORES DE MASA LIQUIDO SINTONIZADA
• Los ALS absorben la energía de la vibración por el movimiento oscilante del líquido contenido en el recipiente y la disipan a través de la fricción intrínseca del líquido y la fricción con la superficie de las paredes.
SISTEMA DE CONTROL ACTIVO
SISTEMA DE CONTROL SEMI-ACTIVO
• Variable Hydraulic Damper.En la figura se muestra un dispositivo deamortiguamiento variable (Variable HydraulicDamper), a través de una válvula de flujo variable, lacual permite modificar la pérdida de carga entreambas cámaras de un cilindro hidráulico.
Magnetoreological Fluids” o Fluidos MR.
La característica esencial de estos líquidos es su reversibilidad defluido con viscosidad lineal a estado semisólido en milisegundoscuando están expuestos a un campo eléctrico o un campomagnético.
El estado que presenta el fluido permite un desplazamientorestringido o relativamente libre, en función de que el campomagnético esté o no activado. Una posible integración deldispositivo en el seno estructural.
SISTEMAS HÍBRIDOS.Los sistemas híbridos emplean una combinación de dispositivos pasivos y activos conel fin de incrementar la confiabilidad y eficiencia del control estructural. Debido a queel control se consigue a partir de la actuación de un dispositivo pasivo, los sistemashíbridos suponen importantes mejoras en relación a los sistemas activos.
Después de un sismo o terremoto
COMPORTAMIENTO DE PUENTES CON DISIPADORES
En el siguiente estudio de los dispositivos antisísmicos, nos vamos a centrar en los dispositivos utilizados en puentes. Estos dispositivos usan dos conceptos básicos, la flexibilidad y la disipación de energía:
Flexibilidad: Conlleva grandes desplazamientos, por lo que lo ideal sería usar el amortiguamiento para reducir y controlar los desplazamientos.
Disipación de energía: actúan disipando grandes cantidades de energía, asegurando que otros elementos estructurales no sufran demandas excesivas que signifiquen daños
Apoyo elastómerico de alto amortiguamiento
Apoyo deslizante de superficie plana.
DISPOSITIVOS ANTISÍSMICOS PARA PUENTES
Apoyo elastómerico con núcleo de plomo
Apoyo deslizante en superficie curva (dispositivo pendular)
Amortiguador viscoso
Dispositivo histerético de acero
Dispositivo elástico
Dispositivo Shock transmitters units (STU)
Dispositivo Guía y retención
Dispositivo de fusible mecánico
Disipadores de energía ubicado en puentes de concreto armado.
Esquema estructural planta de un tramo de puente que incluye uno de los estribos
Vista Longitudinal
Estudio de los disipadores mas utilizados
En el apartado anterior realizamos una breve descripción de los distintos dispositivos que podemos encontrar en puentes, pero nos centramos en tres dispositivos que representan mucho y bien tres tipos de comportamiento:
Dispositivo elastoplástico: apoyo elastomérico con un núcleo de plomo.
Dispositivo pendular: apoyo deslizante superficie curva. Dispositivo viscoso: amortiguador viscoso.
Apoyo elastomérico con un núcleo de plomo. Se compone de capas alternas de acero y de elastómero conectadas
mediante vulcanización, con un núcleo central de plomo de forma cilíndrica.
Actúa como un apoyo convencional, es decir, transfieres las cargas verticales en la ubicación prevista de la superestructura hacia la infraestructura.
Aumentar la flexibilidad mediante la inclusión del apoyo entre la infraestructura y la superestructura.
La disipación de energía es proporcionada por el núcleo de plomo, mediante su plastificación.
colocación
Apoyo deslizante en superficie curva(disipador pendular)
Los dispositivos están esencialmente constituidos de 3 elementos acero supuestos: una base cóncava superior, de forma apropiada con el fin de obtener el periodo
de oscilación deseado. una rotula central, convexas superior e inferior. un tercer elemento que se acopla a continuación de la rótula, consintiendo la
rotación. Permiten el desplazamiento relativo de la estructura de la estructura respecto a
la base de acuerdo a una o dos superficies esféricas La fricción de la superficie de deslizamiento determina el amortiguamiento
viscoso equivalente. A mayor fricción, mayor área del ciclo de histéresis y portanto mayor amortiguamiento.
Colocación
Amortiguador viscoso Los amortiguadores de tipo viscoso están básicamente compuestos de un
cilindro lleno de fluido de silicona (aceite o pasta) y un pistón que se divide endos cámaras y es libre de moverse en ambas direcciones.
Si se presenta un movimiento repentino, se disipa la máxima cantidad deenergía, es decir, la energía de movimiento se transforma en calor dentro delamortiguador (debido a los cambios de temperatura, dilatación, contracción,etc.)
Colocación
colocación
Amortiguador viscoso puente san francisco
Disipadores de energía para proteger las bases de los puentes
Cuando el agua impacta con las bases de los puentes, llevando la energíaprovocada por crecidas máximas, que generan cargas externas al puente y susbases; haciendo que los materiales se deterioren y la estructura empieza apresentar grietas, provocando que los elementos fallen por fatiga eimpacto, produciendo que la edificación deje de prestar el servicio para elcual fue diseñado.
Diseño del disipador de energía El disipador de energía es un elemento secundario que funciona
como obra de protección, se deberá tomar en cuenta en la etapa de diseño de un puente y previo al diseño de la estructura.
Dependiendo de la crecida que pueda ocurrir en cierto río o cauce se puede diseñar el disipador, conociendo la altura y dimensiones del mismo.
Forma geométrica cuadrada o cubo
Forma geométrica de disipadores
Forma geométrica circular o cilindro
Forma geométrica rectángulo redondeado
Forma por composición
Disipador de energía muro por gravedad
Disipador de energía muro en voladizo
DEFINICIONLos disipadores de energía son elementos cuyo objetivo estransformar la energía cinética o parte de ella en calor. Estoselementos son empleados para generar fricción entre el aguay la superficie del canal, saltos hidráulicos e impactos ogolpes del agua contra el fondo del canal.Según Chow (1994) los canales pueden clasificarse como:• Canales a cielo abierto• Canales cerradosSegún el tipo de flujo se los puede clasificar en:
Para distinguir si el flujo es uniforme o variado se tiene como criterio el
espacio.
Flujo uniforme: si la profundidad del flujo es la misma en cada sección del canal.
Flujo uniforme permanente: la profundidad del flujo no cambia durante el intervalo de tiempo en consideración.(1)
Figura 1. Profundidad constante.
Flujo uniforme no permanente: la superficie del agua fluctúa de un tiempo a otro, pero permaneciendo paralela al fondo del canal. Es prácticamente imposible.(1)
Figura 2. Cambio de la profundidad en el tiempo.
Flujo variado: la profundidad del flujo cambia a lo largo del canal. Se presenta en cunetas, a lo largo de carreteras, en vertederos de canal lateral, en canaletas de aguas de lavado de filtros, canales principales de riego, canales de efluentes alrededor de plantas de tratamiento de líquidos residuales, en drenaje de sistemas de irrigación, etc.
Figura 3. Flujo gradualmente variado ( Flujo no permanente).
Figura 4. Flujo rápidamente variado. Oleada ( Flujo no permanente).
CANALES ABIERTOS Y SUS PROPIEDADES
Tipos de canales abiertos:
Canal Natural
Incluye todos los cursos de agua que existen de manera natural en la tierra, varían desde pequeños arroyuelos en zonas montañosas hasta arroyos, tipos ríos, estuarios de mareas y aguas subterráneas
Canal Artificial
Son aquellos construidos o desarrollados mediante el esfuerzo humano.
El canal artificial por lo general es un canal largo con pendiente suave construido sobre el suelo, que puede ser revestido o no revestido con piedras, concreto, cemento.
La rápida es un canal que tiene altas pendientes. La caída es similar a una rápida, pero el cambio en elevación se efectúa en una distancia corta.
Según su revestimiento se los puede clasificar como (Chow,1994):
• Sin revestimiento
• Con revestimiento
Según su destino
Geometría del canal Según su forma:
Trapecial Rectangular
Triangular Circular
Parabólico Tolva
Rectangular de esquinas redondeadas Otras secciones
TIPOS DE CONSTRUCCIONES HIDRÁULICAS MÁS COMUNES
GavionesSe utilizan como bloques de construcción en las estructuras hidráulicas.Los gaviones se sujetan entre sí, la tela metálica resiste mucho la tensión, a diferencia del concreto.
Diques y VertederosEl vertedero es un elemento fundamental, ya que es la parte que está en contacto directo con la corriente de agua. Un vertedero bien diseñado debería permitir controlar ladescarga del exceso de agua de una represa y proteger el terraplén del hundimiento y laerosión.
Captaciones
Las captaciones son las obras que permiten derivar el agua desde la fuente que alimenta el sistema. Esta fuente puede ser una corriente natural, un embalse o un depósito de agua subterránea.
Compuertas
Son estructuras de control hidráulico. Su función es la de presentar un obstáculo al libre flujo del agua, con el consiguiente represamiento aguas arriba de la estructura y el aumento de la velocidad aguas abajo.
Transiciones
Las transiciones son estructuras que empalman tramos de canales que tienen secciones transversales diferentes en forma o en dimensión. Por ejemplo un tramo de sección rectangular con uno de sección trapezoidal, o un tramo de sección rectangular de ancho b1 con otro rectangular de ancho b2, etc.
Rampas y Escalones
Las rampas son canales cortos de pendiente fuerte, con velocidades altas y régimen supercrítico; los escalones se forman cuando se colocan caídas al final de tramos de baja pendiente, en régimen subcrítico. El objetivo es reducir la velocidad y pasar el flujo de régimen supercrítico a subcrítico.
El resalto hidráulico y su uso como disipador de energía
El resalto hidráulico es el ascenso brusco del nivel del agua que se presenta en un canal abierto a consecuencia del retardo que sufre una corriente de agua que fluye a elevada velocidad.
El resalto, según Chow (1994), se utiliza para:
• Disipar la energía del agua que fluye sobre presas, vertederos y otras estructuras y prevenir la erosión aguas abajo.
• Aumentar el nivel de agua aguas abajo de una canaleta de medición y mantener un nivel alto del agua en el canal de irrigación o de cualquier estructura para distribución de agua.
ESTRUCTURAS DE VERTIMIENTO DE AGUAS
1. Canal de rápidas lisas
2. Canal de rápidas escalonadas
3. Canal de Combinación de rápidas lisas y escalonadas
3.1. Canal con pantallas deflectoras
3.2. Canal rápidas con tapa y columpio
1. Canal de Rápidas lisas
Son canales de fondo liso conpendientes adecuadas a las condicionestopográficas del terreno y al caudal quese desea evacuar. En ellos, el aguaescurre a velocidad apreciable, llegandoal pie de la ladera o talud con grancantidad de energía cinética querequiere ser disipada para no erosionarel lecho del cauce receptor del agua, niponer en peligro la estructura porsocavación de su pie; para esto seemplean tanques amortiguadores condentellones o bloques.
2. Canal de Rápidas escalonadas
Son canales con gradas o escalonesdonde, a la vez que se conduce elagua, se va disipando la energíacinética del flujo por impacto conlos escalones, llegando el agua alpie de la rápida con energíadisipada, por lo que no se hacenecesaria alguna estructuraadicional, o, dado el caso, unaestructura pequeña.
Si se desea disipar mayor energía se pueden adicionarelementos para este propósito como bloques de cemento osalientes en la grada (que bloquean el flujo), rápidasescalonadas con tapas (que interceptan los chorros de agua) orápidas escalonadas con vertedero y pantalla (forman resaltohidráulico y atenúan el golpe del agua).
3. Canal de Combinación de rápidaslisas y escalonadas.
Son estructuras conformadas porcanales de rapidas lisas que incluyenen su desarrollo longitudinal unescalón u otro elemento disipador dela energía cinética del flujo,prescindiendo en la mayoría de loscasos del empleo de estructurasdisipadoras en el pie de la estructura.
3.1. Canal de Pantallas Deflectoras(CPD).
3.1. Canal de Rápidas con Tapa yColumpio (CRTC).
3.1. Canal de Pantallas Deflectoras (CPD).
Es un canal de sección rectangular y fondo lisoque incluye pantallas deflectoras alternascolocadas a 45º con el eje del canal, las cualescumplen el papel de elementos disipadores deenergía, y pestañas longitudinales sobre losbordes de ambas paredes del canal que impidenque la estructura rebose.
El CPD es “aplicable al caso de conducciones a lolargo de pendientes pronunciadas (entre el 10%y el 50%), que evita velocidades exageradas yentrega el flujo con energía disipada, sea cualfuere la longitud del canal y la diferencia de nivelentre sus extremos.
3.2. Canal de Rápidas con Tapa y Columpio (CRTC)
Es un canal aplicable al caso de conducciones a lo largo de pendientes altas o muy altas (entre el 50% y el 173%) conformado por una serie de rápidas lisas de sección rectangular, que se interrumpen en las terrazas de un talud tratado o cada cierto tramo, de tal forma que en la transición de una rápida a otra se tiene un columpio que deflecta el chorro y lo proyecta contra una tapa existente en el inicio de la siguiente rápida aguas abajo. El sistema columpio – tapa es complementado con un deflector que obliga al flujo a volver al canal.
De acuerdo con lo planteado hasta aquí en cuanto a las características de diseño del CPD y del CRTC, el primero puede entregar las aguas conducidas al segundo, o recibirlas de él cuando la pendiente se suavice, cubriéndose así todos los rangos de pendiente; es decir, el CRTC y el CPD se complementan.
