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Laboratorio de Investigación y Tecnologías Para sistemas Antisísmicos, estructuras y Materiales

PRUEBAS DINÁMICAS SOBRE EL SISTEMA CONSTRUCTIVO M2 EMEDOS

Translation de la copia original :

RITAM ISRIM - UNIVERSIDAD DE PERUGIA - CSM

Laboratorio de Investigación y Tecnologías

Para sistemas Antisísmicos, estructuras y Materiales

PRUEBAS DINÁMICAS SOBRE EL SISTEMA CONSTRUCTIVO

M2 EMEDOS

Perugia 24.11.99

Los experimentadores

Dr. Alberto Annunziata

Prof. Ing. Antonio Borri

Dr. Ing. Emanuela Speranzini

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ÍNDICE

Premisa

1. Características del prototipo

Geometría del prototipo

Paneles para paredes y entrepisos

Escalera

2. Modalidad de las pruebas

Instrumentación utilizada

Disposición de la instrumentación

3. Resultados de las pruebas

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Premisa

La investigación estructural que se examina, controla el sistema constructivo M2 EMEDOS producido por la empresa M2 EMMEDUE s.r.l. con sede en Fano (PS), en via Treves N. 7, loc. Bellocchi.

M2 EMMEDUE es un sistema de construcción de paredes portantes en cemento armado (fig.1), previsto para responder a las exigencias de realización intensiva y modular de habitación. Se compone de un elemento base constituido por un panel, producido en la fábrica, obtenido ensamblando un trálix espacial electrosoldado de alambres de acero galvanizado de alta resistencia con un panel ondulado de Poliestireno expandido con una densidad de 25 kg/m2 (fig.2). El panel base, solo o ensamblado a otros paneles base , se completa con la aplicación en obra de revoque para realizar los varios elementos del sistema: elementos portantes verticales y horizontales, elementos de taponamiento externo o elementos de división interna.

El objetivo principal del estudio del sistema constructivo se centra en la identificación de las características mecánicas y dinámicas de la estructura misma; por lo tanto el programa completo de las investigaciones estructurales efectuadas por el Laboratorio RITAM (ISRIM - Universidad de Perugia - CSM) de Terni, prevé las siguientes pruebas:

• una prueba dinámica sobre el prototipo construido en el laboratorio de Terni para proveer los elementos necesarios para la determinación de las propiedades dinámicas de la estructura;

• 3 pruebas de compresión axial centrada sobre los paneles verticales; • 3 pruebas de compresión excéntrica sobre paneles verticales; • 3 pruebas de compresión diagonal sobre paneles verticales.

En el presente informe se reporta el resultado de la prueba dinámica efectuada en el laboratorio de Terni en fecha 14.10.99.

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Fig. 1 Foto de construcciones con la técnica Emedos

Fig. 2 Foto del panel Emedos

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1. Características del prototipo Geometría del prototipo

Para la ejecución de las pruebas dinámicas ha sido realizado un prototipo con características arquitectónicas y geométricas bastante generales, siendo el sistema constructivo M2 EMEDOS, además listo para responder a las exigencias de realización intensiva y modular de los alojamientos.

El prototipo (fig. 3) se divide en dos pisos cada uno de los cuales está

constituido por un solo ambiente. La planta tiene forma rectangular, con lados respectivamente de 4.20 mts y

3.44 mts. Es posible el acceso al edificio por una puerta en el primer piso de la aparcería del lado ancho. Los dos pisos están comunicados por una escalera interna realizada con la tecnología M2 EMEDOS, paralela al lado angosto y adyacente al mismo.

En el segundo piso se encuentra una ventada alineada con la puerta del piso inferior.

El techo es de dos aguas con la línea de la lomera paralela al lado angosto. Sobre el entrepiso del segundo piso se realizó una estructura particular para

la eventual colocación interna de la vibradora. (fig. 3). El espesor de los paneles varía en función de lo que se considere el

elemento portante vertical o las perspectivas; estas tienen respectivamente el espesor de 15.5 cm y 17 cm.

Para una descripción más detallada de los paneles, veáse el párrafo

siguiente.

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Fig. 3 - Pantas, prospecto y sección del prototipo. Paneles para paredes y entrepisos Elementos portantes verticales La pared portante vertical, con un espesor de 15.5 cms se obtiene al complementar con una doble cada de revoque el panel "base" constituido de poliestireno ondulado revestido por la malla electrosoldada galvanizada. Se obtiene de tal modo una pared con dos capas externas de hormigón, cada una de un espesor de 3 cms, unidas entre ellas por alambre de amarre horizontal los cuales conforman el

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trálix espacial de acero galvanizado con revestimiento de poliestireno intermedio, con un espesor total de 8 cms. (fig. 4). El trálix espacial está constituido por alambres horizontales Ø 2.5/13" y alambres verticales Ø 3.5/7.5".

Fig. 4 - Pared vertical

Los elementos que constituyen el panel tienen las siguientes características técnicas: - Poliestireno virgen, atóxico, autoextinguible y químicamente inerte, densidad

25 kg/m³, perfilado en planchas de un espesor total de 11.5 cm. - Malla de acero galvanizado, trefilado, con bajo contenido de carbono, soldado

por electrofusión, con una resistencia de carga de ruptura igual a aproximadamente 6000 kg/cm². Alambre vertical: diámetro 3.5 mm. Alambre horizontal: diámetro 2.5 mm. Alambre de amarre: diámetro 3 mm.

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- Revoque (cemento con inherte lapídeo de tamaño 0 ÷ 7 mm), aplicado con

método Spritz - Béton de doble capa con características de resistencia 200 kg/cm² min.

El panel que se realiza de esta forma tiene las siguientes características

- Espesor de la pared terminada> 15.5 cm - Coeficiente de aislamiento térmico K=0.425 Kcal/h °C m². - Índice de aislamiento acústico> I=38 dB a 500 Hz - Resistencia al fuego REI= 120

- Elementos portantes horizontales

El entrepiso y el techo se realizan utilizando un panel"base" con poliestireno de un espesor total de 11.5 cms y trálix espacial de las mismas características del panel vertical; las capas de revoque lanzado tienen el espesor de 1.5 cm en el intradós y de 4 cm en el extradós. En total el espesor del elemento horizontal es de 17 cm (fig. 5).

Las uniones entre las estructuras verticales y horizontales se constituyen siempre por barras de acero ahogadas en la colada de hormigón que permiten la realización de nudos de tipo monolítico.

Fig. 5 - Panel de entrepiso Los elementos que constituyen el panel tienen las siguientes características técnicas:

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- Poliestireno virgen, atóxico, autoextinguible y químicamente inerte, densidad 25 kg/m³, perfilado en planchas de un espesor total de 11.5 cm.

- Malla de acero galvanizado, trefilado, con bajo contenido de carbono, soldado por electrofusión, con una resistencia de carga de ruptura igual a aproximadamente 6000 kg/cm².

Alambre vertical: diámetro 3.5 mm. Alambre horizontal: diámetro 2.5 mm. Alambre de amarre: diámetro 3 mm.

- Revoque (hormigón con inherte lapídeo de tamaño 0 ÷ 7 mm), aplicado con método Spritz - Béton de doble capa con características de resistencia - 200 kg/cm² min.

- El panel que se realiza de tal forma tiene las siguientes características - Espesor de la pared terminada: 17 cm - Coeficiente de aislamiento térmico K=0.435 Kcal/h °C m² - Índice de aislamiento acústico: I=38 dB a 500 Hz. - Resistencia al fuego REI = 120.

Escalera

La escalera se realiza utilizando un panel producido por M2 EMEDOS con la técnica ya vista para las paredes y para los entrepisos, es decir lanzando sobre un bloque de poliestireno, armado de manera oportuna, una capa de revoque muy fluido con espesor promedio de 2.5 cm.

El panel "base" está constituido por un bloque de poliestireno expandido, armado con doble malla de acero ensamblada por amarre con alambres de acero soldados en electrofusión. Además de la red que reviste el bloque de poliestireno están presentes en el interior del panel mismo dos nervaduras de sección rectangular, armadas con un trálix de barras con adherencia mejorada que se rellenan con hormigón, el cual tiene dimensiones máximas de inerte < 12 mm y resistencia mecánica mínima Rck>250 dN/cm2 (fig. 6).

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Fig. 7 Panel de escalera - detalle de armaduras

Fig. 6 Panel de escalera

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Fig. 8 - Foto de la escalera en el interior del prototipo

Los elementos que constituyen el panel tienen las siguientes características técnicas: - Poliestireno expandido, con densidad de 25 kg/m³, perfilado en planchas de las

dimensiones solicitadas tanto en relación al largo y ancho de la rampa co mo a las medidas relativas a la huella y contrahuella.

- Malla de acero galvanizado trefilado con bajo contenido de carbono, soldada en electrofusión, con las siguientes características mecánicas: Fyk = 606 N/mm2 (tensión de debilitación). Ftk = 681 N/mm2 (tensión de ruptura). Alambres longitudinales de acero: Ø 3.5 mm.

Alambres transversales de acero: Ø 2.5 mm.

Alambres conectadores de acero: Ø 3.0 mm. - Armaduras de las nervaduras constituidas por 2+2 Ø 6 para cada una de ellas y

con abrazadera de Ø 6/30".

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2. Modalidad de la prueba Con el fin de poder identificar las características dinámicas del prototipo

realizado en paneles "M2 Emedos simple", del cual se habla en el párrafo anterior, ha sido realizada una campaña experimental acelerando la estructura por medio de la aplicación de fuerzas horizontales variables en el tiempo y midiendo la respuesta en los puntos más signficativos, de tal forma que se provean los valores de los parámetros característicos del comportamiento dinámico de la estructura misma. Instrumentación utilizada.

En este párrafo se trata de proveer una breve lista de los principales equipos utilizados para la prueba dinámica.

La lista está provista de una descripción sintética de las características de cada aparato, y, en el párrafo siguiente, por indicaciones relativas a las aplicaciones específicas.

La descripción toma en examen (siguiendo un esquema lógico que se

reporta en las diferentes fases de la conducción de la investigación dinámica), el equipo para la oscilación de la estructura a prueba, constituida por la vibradora mecánica de masas contrarrotantes, la instrumentación para la medida de las grandezas físicas levantadas (aceleradores sísmicos, vibrómetro láser), los sistemas para la adquisición y registro de los datos de prueba así como para su elaboración (WorkBench, VibSoft, Excel, MatLab.).

VIBRADORES MECANICOS (VIBRADORA) El sistema dinámico de vibración está constituido por una unidad de

oscilación (vibradora), por una central de alimentación de control manual y por una PC, con el software adecuado, con la cual se pueden realizar los test dinámicos de manera automática (escanciones automáticas en frecuencia, secuencias particulares de vibración).

La oscilación está constituida por dos parejas de masas excéntricas contrarrotantes y por un motor para transmitir el movimiento a las masas mismas que puede generar una fuerza sinusoidal unidireccional máxima de aproximadamente 13 kN. La central de alimentación y de control de la oscilación está montada en un contenedor en cuyo interior se encuentran la electrónica de control esclava y la alimentación de potencia del motor de arrastre de las masas excéntricas. El sistema de adquisición de datos, constituido por una PC y su correspondiente software, permite controlar la vibradora automáticamente, y

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efectuar el manejo de test estructurales particulares (por ejemplo, mantenimiento de la frecuencia, swept dinámicos, pruebas de fatiga, etc.).

El oscilador mecánico unidireccional en dotación está esencialmente compuesto por dos ejes contrarrotantes, provistos de masas excéntricas. La rotación de los dos ejes está sincronizada por medio de una pareja de ruedas dentadas de tal forma que originan oscilaciones unidireccionales cuya fuerza es perpendicular al eje ideal de unión de los dos ejes. Cada una de las masas tiene tres perforaciones, donde se pueden insertar barras auxiliares de plomo, para aumentar la carga máxima aplicada a la vibradora. Las características principales de la vibradora son (fig. 9):

- Frecuencia mínima: 0 Hz - Frecuencia normal: 16.6 Hz a 1000 vueltas/min. - Frecuencia máxima: 16.6 Hz a 1000 vueltas/min. - Peso: aproximadamente 130 kg con motor, carter, manijas para el

transporte - Dimensiones: aproximadamente 600 x 500 mm, altura 500 mm - La electrónica de control de la vibradora permite colocar las vueltas del

motor por medio de una señal externa, o mediante potenciómetro de precisión (milesimal).

- El número de vueltas del motor está controlado por un encoder con una resolución de 1000 impulsos/vuelta (elevadísima precisión en frecuencia y en la contra reacción del motor para mantener estable la frecuencia de vibración).

- El sistema vibrante está montado sobre una plancha de acero de las siguientes dimensiones 480 x 350 mm, con dima de perforación para la fijacióm en el suelo o pared de 430x 290 mm.

- Tensión externa + - 7.8 Volt c.c. para el control remoto del motor - Salida de señal compatible TTL proporcional al número de las vueltas del

motor.

Por las características puestas en evidencia resulta claro que la vibradora no requiere estructuras externas de reacción, la aplicación de la fuerza erogada se obtiene simplemente sujetando rígidamente el bastidor de la vibradora a la estructura que se prueba.

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Fig. 9 - Foto de la vibradora

ACELERÓMETROS SÍSMICOS Los acelerómetros sísmicos están constituidos por sensores de cuarzo,

extremadamente estables, que además tienen una óptima estabilidad térmica de bajas frecuencias. Alimentados por un simple condicionador de señal de corriente constante, estos sensores están incorporados en sistemas de elevada precisión y baja impedancia, teniendo sensibilidad en tensión fija, salida en tensión de alta resolución, auto-diagnóstico intrínseco. La conversión entre señal en corriente de alta impedancia y señal en tensión de baja impedancia, actuada por medio de la electrónica del equipo, permite una transmisión de la señal incluso a distancias notables sin una disminución apreciable de la sensibilidad de la calidad de la señal.

El sistema acelerométrico de adquisición utilizado está constituido por 7

acelerómetros piezoeléctricos PCB (fig. 10), cables de baja perturbación, cables coaxiales de unión de 20 m, módulo de adquisición DS-EXP con cajas de conexión de sensores piezoeléctricos, paquete software para ambiente Windows para la adquisición, control y memorización en tiempo real los datos experimentales.

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Características del acelerómetro piezoeléctrico PCB en dotación: - monoaxial - de cuarzo - intervalo de medida ± 2.5 g - snsibilidad nominal 1000 m V/g - campo de frecuencia 0.01 a 1200 Hz - sellado herméticamente el conectador lateral 10-32 - dimensiones 59.7 x 57.2 mm, peso 1 kg.

Características del módulo de adquisición DS-EXP/CE: - 16 ingresos analógicos diferenciales - intervalos desde +/- 10 V - resolución 12 bit más el signo - velocidad máxima de conversión 100 kHz - DSP con algorítmos de reducción de ruido - Transferencia de datos por medio de interfaz paralela

Fig. 10 - Foto de dos acelerómetros utilizados

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VIBRÓMETRO LÁSER

La vibrometría láser utiliza técnicas ópticas para la medida de desplazamientos y velocidad. Las técnicas ópticas presentas muchas ventajas respecto a las técnicas de medida tradicionales en cuanto no son intrusivas y tienen una respuesta óptima en frecuencia. Los vibrómetros láser aprovechan el efector doppler de las ondas luminosas que consiste en las variaciones de frecuencia de una radiación luminosa debida a una velocidad diferente desde cero de la fuente y/o del receptor. Midiendo las variaciones de frecuencia que el rayo láser sufre cuando golpea el objeto en movimiento (en el caso que se examina, el prototipo), se puede remontar a la velocidad del objeto.

Las principales bondades de este instrumento son: 1. Mide sin contacto 2. Medidas firmemente localizables (por lo tanto medidas puntuales) 3. Contraste intrínseco 4. Amplio rango dinámico de medida 5. Simple de transportar y fácil de utilizar en el campo.

El vibrador en dotación, que es un OFV-303 Single Point Interferometer,

mide el desplazamiento en la dirección del rayo láser de superficies desde posiciones lejanas usando la técnica int erferométrica. La fuente utilizada es el láser He-Ne con polarización orientada a 45° sobre el plano horizontal. Tal instrumentación presenta una separación entre componentes electrónicos y ópticos:

- el procesador de control que contiene la parte electrónica - el interferómetro propiamente - tarjeta PC-contadora de ribetes - PC con el correspondiente Software para la adquisición y memorización

de los datos.

La parte electrónica tiene 3 funciones principales: a. provee potencia y el RF Drive Signal al interferómetro b. desarrolla las informaciones de medida provistas por el interferómetro c. ofrece la posibilidad de un control de los parámetros de medida por

medio de la computadora.

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La parte óptica en cambio está formada por el interferómetro que en el vibrómetro que se examina tiene como principio de funcionamiento el del interferómetro Mach-Zender.

La PC-Contadora de ribetes provee el levantamiento de medidas muy cuidadosas de grandes desplazamientos y por lo tanto extiende el rango de medida. Los impulsos contados provenientes desde el vibrómetro se derivan directamente del paso luz-obscuridad. La PC - contadora de ribetes es un sistema de muestras de 32 bits similar a un convertidor analógico-digital que tiene en salida un contador discreto de lectura en lugar de valores analógicos variables en el tiempo. Las características principales de tal sistema son:

- Instrumentación de medida de velocidad, gama de frecuencia desde DC a 1 MHz, dinámica ± 10 m/s.

- Instrumentación de medida de desplazamiento con contador de ribetes de interferencia, dinámica ± 4x10-² m pico-pico

- Sensibilidad mínima en velocidad 0.3 µm/s, en movimiento 2 mm - Cabeza óptica, con óptica desde 50 mm, y enfocado motorizado y a

control remoto.

Fig. 11- Foto del vibrómetro láser

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La utilización del vibrómetro ha permitido la compensación de eventuales carencias de los acelerómetros debido a la incapacidad de los mismos de recoger señales más allá del nivel de resolución que poseen (0.0001 g {m/s²} ). Por debajo de tal valor, en cambio, el vibrómetro garantiza una respuesta óptimal, evidenciando la frecuencia fundamental a 12 Hz (fig. 12), que el acelerómetro evidenciaba solamente una vez alcanzado un nivel de oscilación superior a la estructura.

Fig. 12 - Diagrama vibrómetro láser

SOFTWARE PARA ADQUISICIÓN DE DATOS

Los tres aparatos utilizados están provistas cada una de su propio programa de administración de datos como por ejemplo VibSoft para el vibrómetro láser y WorkBench para los acelerómetros. Tales programas permiten, además del planteamiento de las informaciones relativas a cada uno de los instrumentos, la adquisición de los datos, el control visual por medio gráfico de los tamaños medidos y la memorización de los datos en el formato más oportuno para luego ser elaborados por medio de programas adecuados.

SOFTWARE PARA LA ELABORACIÓN DE LOS DATOS Los datos se memorizan y posteriormente se elaboran utilizando programas en ambiente Windows tipo Excel o MatLab. Se obtienen los gráficos que

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muestran las variaciones durante la prueba de los tamaños observados directamente y/o de tamaños derivados de modo que se pueda obtener un análisis en el tiempo y/o frecuencia.

Fig. 13 - Computadora para el control de la vibradora.

Fig. 14 - Computadora para la adquisición de los datos.

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Disposición de la instrumentación

La instrumentación de medida, explicada con anterioridad, ha sido colocada sobre la estructura que se examina, teniendo presente el objetivo propuesto; con tal proposito, como se puede determinar facilmente por medio de los equemas en la Fig. 15 y 16, hemos predispuesto la siguiente disposición de prueba:

- Vibradora: para la oscilación de la estructura en correspondencia del entrepiso

del segundo nivel. Para aplicar la fuerza de modo casi uniforme sobre el entrepiso la vibradora se ha adherido a una plancha (véase Fig. 15 y 16) colocada en el lado norte. La plancha está constituida por una viga HEA 240, de 1800 mm de largo, con alas reforzadas por medio de pequeñas planchas de 10 mm de espesor, distanciadas de manera oportuna. La plancha está conectada a la estructura por medio de pernos. En el lado opuesto a los pernos, en correspondencia a la aparcería está soldada una plancha en la cual se encuentra anclada la vibradora.

- Acelerómetros para observar las aceleraciones impresas a la estructura en los puntos de mayor interés de modo que se tenga un cuadro completo del desplazamiento de la estructura. Las posiciones relativas de los acelerómetros se muestran en las Figuras 17, 18 y 19.

- Vibrómetro láser: para advertir los desplazamientos sufr idos por la estructura luego de las aceleraciones impuestas.

Fig. 15 - Estructura para anclar la vibradora.

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Fig. 16 - Foto de la vibradora y plancha

Fig. 17 - Disposición de los aparatos en planta

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Fig. 18 - Disposición de los aparatos en las fachadas

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