tipos de disipadores

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Tipos de Disipadores : Los sistemas de disipación de energía emplean dispositivos mecánicos para disipar parte de la energía inducida en las estructuras por excitaciones sísmicas y de viento. El propio movimiento de la estructura produce, en estos dispositivos, la fuerza controladora. Estos sistemas no requieren fuentes de energía externas o mediciones instantáneas de la respuesta estructural. Los dispositivos de disipación de energía o disipadores se pueden clasificar en dos grupos: Disipadores histeréticos Disipadores viscoelásticos Disipadores histeréticos Los disipadores histeréticos son aquellos que trabajan por medio del desplazamiento de entrepiso de la estructura. Este grupo se encuentra clasificado en: Disipadores de fluencia metálica Están basados en la fluencia de los metales a partir de esfuerzos de flexión, corte, torsión o a través del proceso de extrusión. El acero ha sido sin duda el metal más empleado en esta clase de disipadores, ya que éstos disipan energía plastificando el componente de acero que hay en su interior. Entre sus virtudes están las posibilidades constructivas que ofrece, debido a que es de fácil mecanizado y soldabilidad; además, tiene un bajo costo y elevada ductilidad. Sin embargo, la principal desventaja que presenta este dispositivo es que no puede ser ensayado antes de ser colocado, ya que al enfocar la disipación de energía en las deformaciones el dispositivo ingresa a un rango inelástico que va degenerándolo.

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Los disipadores a usar

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Page 1: Tipos de Disipadores

Tipos de Disipadores:

Los sistemas de disipación de energía emplean dispositivos mecánicos para disipar parte de la energía inducida en las estructuras por excitaciones sísmicas y de viento. El propio movimiento de la estructura produce, en estos dispositivos, la fuerza controladora.

Estos sistemas no requieren fuentes de energía externas o mediciones instantáneas de la respuesta estructural. Los dispositivos de disipación de energía o disipadores se pueden clasificar en dos grupos:

Disipadores histeréticos Disipadores viscoelásticos

Disipadores histeréticos

Los disipadores histeréticos son aquellos que trabajan por medio del desplazamiento de entrepiso de la estructura. Este grupo se encuentra clasificado en:

Disipadores de fluencia metálica

Están basados en la fluencia de los metales a partir de esfuerzos de flexión, corte, torsión o a través del proceso de extrusión. El acero ha sido sin duda el metal más empleado en esta clase de disipadores, ya que éstos disipan energía plastificando el componente de acero que hay en su interior.

Entre sus virtudes están las posibilidades constructivas que ofrece, debido a que es de fácil mecanizado y soldabilidad; además, tiene un bajo costo y elevada ductilidad. Sin embargo, la principal desventaja que presenta este dispositivo es que no puede ser ensayado antes de ser colocado, ya que al enfocar la disipación de energía en las deformaciones el dispositivo ingresa a un rango inelástico que va degenerándolo.

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Disipadores friccionantes

Los disipadores friccionantes disipan energía mediante el rozamiento que se presenta

por el desplazamiento entres dos superficies en contacto. Este tipo de disipadores depende de las variables del coeficiente de fricción, el cual depende de la velocidad, la presión entre las superficies y las condiciones de las mismas; resultando esto, una desventaja.

Disipadores viscoelásticos

Los disipadores viscoelásticos dependen básicamente de la velocidad relativa entre dos puntos de la estructura y se basan en el incremento del amortiguamiento estructural. Inicialmente su aplicación se limitaba a la industria militar y aeronáutica; sin embargo su uso se ha extendido a la industria de la construcción. Han sido empleados principalmente para reducir la respuesta de estructuras ante solicitaciones de viento.

En relación con los disipadores histeréticos, los disipadores viscoelásticos no cambian significativamente el periodo de vibración de la estructura, con lo cual la modelación es más sencilla. Por otro lado, si se desea lograr un amortiguamiento significativo a la estructura ante sismos severos, se requiere necesariamente de una gran cantidad de estos dispositivos. Dentro de este tipo se encuentran:

Disipadores viscoelásticos sólidos Disipadores viscoelásticos líquidos Disipadores fluido-viscoso

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Disipadores viscoelásticos sólidos

Los disipadores viscoelásticos sólidos están formados por chapas metálicas, unidas por una capa de material viscoelástico, acopladas a los arriostres que conectan los extremos del entrepiso.

Disipadores viscoelásticos líquidos

Los disipadores viscoelásticos líquidos disipan la energía por medio de movimientos inducidos por un pistón en una sustancia altamente viscosa.

Amortiguamiento y reducción de la respuesta sísmica

Para fines de diseño de los dispositivos de amortiguamiento, el factor de reducción de la respuesta sísmica (B ¿depende directamente del amortiguamiento efectivo (Bef ¿ como se muestra en la siguiente expresión:

B=2.31−0.41 ln (5)2.31−0.41 ln (Bef )

El amortiguamiento efectivo de una estructura (Bef ¿ es el amortiguamiento inherente (Bo ¿ , asumido en no más de 5%, más el amortiguamiento asociado al efecto de los disipadores sobre la estructura (BVm¿.

Bef=Bo + BVm

Page 4: Tipos de Disipadores

También es posible obtener el factor de reducción de la respuesta sísmica (B ¿ dividiendo la deriva máxima obtenida a partir de los registros sísmicos (DMáx) entre la deriva de diseño (DObjetivo), mediante la siguiente fórmula:

B=DMáx

DObjetivo

Disipadores fluido-viscoso

También son conocidos como amortiguadores fluido-viscosos. Son mecanismos llenos de líquido viscoso que disipan energía forzando su flujo a través de un orificio. Los disipadores dependen de la velocidad, por lo que no incrementan esfuerzos en la estructura, ya que aquellos que ésta desarrolla están fuera de fase con las fuerzas actuantes en los disipadores durante el movimiento.

Componentes de un disipador fluido-viscoso (DFV)

Un DFV consiste en un cilindro metálico lleno de un líquido viscoso, como aceite o silicona, y una cabeza de pistón con orificios que separa al cilindro en dos cámaras. Una de las cámaras posee un acumulador que compensa el cambio de volumen del fluido debido al posicionamiento del pistón durante el movimiento.

El modelamiento del DFV con orificios está desarrollado en la publicación Contantinou y Symans (1993).

Para instalaciones típicas, el pistón es fijado al piso superior, mientras que el acumulador es fijado al piso inferior. Las dos disposiciones más comunes de

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colocación son diagonal y chevron. La siguiente figura muestra la configuración chevron, en la que se puede observar dos disipadores en disposición diagonal.

Modelo mecánico del disipador

La relación de esfuerzo y velocidad de deformación de un fluido newtoniano tiene la misma forma que la relación fuerza y velocidad de desplazamiento de un amortiguador, donde el amortiguador, en una posición suelta, mueve un cilindro que contiene un fluido newtoniano, tal como lo representa el siguiente diagrama de Maxwell:

(a) Esquema de un disipador viscoso. (b) Diagrama de Maxwell

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Durante la vibración de la estructura, la diferencia de presiones entre cada lado de la cabeza del pistón resulta en la fuerza de amortiguamiento, como se muestra en la siguiente ecuación:

F=C .∆α

La fuerza es una función de ∆ (velocidad relativa entre dos extremos del disipador), la constante de amortiguamiento C (que depende de la frecuencia, temperatura y la amplitud del movimiento) y un exponente de velocidadα .

Los amortiguadores con α igual a uno tienen un comportamiento lineal y representan la forma más simple de disipación de energía; sin embargo, los disipadores más usados son los no lineales con α menor a uno. La siguiente gráfica muestra el comportamiento de ambos tipos:

Para una pequeña velocidad relativa, el amortiguador con α menor a uno es el más efectivo, ya que minimiza los choques de alta velocidad; por lo que provee una fuerza de amortiguamiento mayor que los otros tipos de amortiguadores.

Comportamiento histerético

La siguiente figura muestra un ciclo de histéresis de un amortiguador con un comportamiento viscoso lineal y no lineal. El ciclo muestra una elipse perfecta para el primer caso (α =1).

Cuando la estructura alcanza su máximo desplazamiento, su velocidad es cero; por lo tanto, la fuerza en el disipador también será cero y cuando el desplazamiento de la estructura sea mínimo, la fuerza en el disipador será máxima.

Page 7: Tipos de Disipadores

Amortiguamiento efectivo equivalente

La ecuación de amortiguamiento efectivo para un amortiguador viscoso línea (α =1) es:

βef=βo+T .∑

J

C j .cos2θ j .∅ rj

2

4 π .∑i

( wig ) .∅ i2

βef : Amortiguamiento efectivo del sistema estructuraβo : Amortiguamiento inherente del sistema estructuralT : Periodo fundamental de la estructuraC j : Coeficiente de amortiguamiento del disipador jw i : Peso del nivel iθ j : Ángulo de inclinación del disipador j

∅ i : Desplazamiento del nivel i∅ rj : Desplazamiento relativo del disipador j