Comparación del costo y la respuesta sísmica de una edificación diseñada con sistema estructural pórtico y diseñada mediante disipadores de energía sísmica tipo Pall Dinamics, ubicada en la ciudad de Bogotá D C

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(1)COMPARACIÓN DEL COSTO Y LA RESPUESTA SÍSMICA DE UNA EDIFICACIÓN DISEÑADA CON SISTEMA ESTRUCTURAL PÓRTICO Y DISEÑADA MEDIANTE DISIPADORES DE ENERGÍA SÍSMICA TIPO PALL DINAMICS, UBICADA EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ D.C. TATIANA GÓMEZ ALFONSO DIEGO RIVERA MONTERO. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C., COLOMBIA 2019.

(2) COMPARACIÓN DEL COSTO Y LA RESPUESTA SÍSMICA DE UNA EDIFICACIÓN DISEÑADA CON SISTEMA ESTRUCTURAL PÓRTICO Y DISEÑADA MEDIANTE DISIPADORES DE ENERGÍA SÍSMICA TIPO PALL DINAMICS, UBICADA EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ D.C. PRESENTADO POR TATIANA GÓMEZ ALFONSO cód.: 20141579057 DIEGO RIVERA MONTERO cód.: 20141579133. MONOGRAFÍA PARA OPTAR AL TÍTULO DE: INGENIERO CIVIL. TUTOR: M.IC. PAULO MARCELO LÓPEZ PALOMINO. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C., COLOMBIA 2019.

(3) Nota de aceptación: ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________. ____________________________________ Firma del presidente del jurado. ____________________________________ Firma del Jurado. ___________________________________ Firma del Jurado.

(4) AGRADECIMIENTO. Principalmente queremos agradecer a nuestros padres por el apoyo incondicional en todas las situaciones, a Andrés por alentarme y contribuir física y emocionalmente en esta etapa de mi vida. A todas las personas que influyeron en la asesoría y desarrollo del presente trabajo de grado, y por último a la universidad Distrital Francisco José de Caldas por enseñarnos lo fundamental para desenvolvernos como profesionales y contribuir en el desarrollo técnico del país..

(5) V. RESUMEN. El proyecto se fundamenta en el diseño y la comparación de dos modelos estructurales regulares y simétricos, uno de ellos con el uso de disipadores de energía sísmica tipo PALL DINAMICS, y otro con un modelo sistema estructural de pórticos espaciales resistentes a momentos de concreto reforzado, analizado por el método lineal estático. El edificio tiene una estructura regular y simétrica en concreto reforzado para 5 pisos ubicada en la ciudad de Bogotá, sobre el barrio chapinero alto. Se implementará el programa ETABS como herramienta de diseño para los dos modelos, estudiando el comportamiento estructural del edificio sin dispositivos de amortiguamiento y luego se realizará el mismo procedimiento de diseño analizando la estructura con los dispositivos de amortiguamiento, de esta manera obtendremos el análisis de resultados comparando los dos modelos estructurales, determinando las ventajas y desventajas de la respuesta estructural y del mejor costo beneficio de la edificación. En los resultados se observa que existen dos sistemas: uno que aísla la energía del sismo y el otro que amortigua y disipa dicha energía sísmica. El principal objetivo de los disipadores de energía es tomar la energía del sismo y disiparla por medio de la fricción, por consiguiente esta produce a su vez energía calorífica que también es un mecanismo de disipación de energía. Existen principalmente tres tipos de dispositivos de disipación: Disipadores de energía sísmica visco elásticos, Disipadores de energía sísmica viscosos y los que son objeto de estudio en el presente documento los disipadores de energía por fricción (histéreticos, metálicos). En la elaboración de los modelos estructurales en concreto reforzado sin y con disipadores de energía por fricción, se obtuvo resultados como la disminución de esfuerzos en la base (corte y momento), por ende las fuerzas de piso y las solicitaciones en los elementos estructurales son menores, reduciendo las secciones de las columnas y vigas demostrando ser un método efectivo de control y reforzamiento sísmico para la estructura estudiada, sin embargo, se.

(6) VI. demostró que no son benéficamente económicos el uso de dispositivos de control tipo fricción para este tipo de estructura en estudio..

(7) VII. CONTENIDO. RESUMEN ......................................................................................................... V Lista de figuras ................................................................................................... X Lista de tablas ................................................................................................ XVI Lista de anexos ............................................................................................. XVII 1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................... 1 1.1 Descripción del problema .......................................................................... 2 1.1.1 Interrogante ............................................................................................ 3 1.2 Justificación del problema ......................................................................... 3 1.3 Antecedentes ............................................................................................ 3 1.4 Objetivos ................................................................................................... 6 1.4.1 Objetivo General: ................................................................................ 6 1.4.2 Objetivos Específicos:........................................................................ 6 2. MARCO TEÓRICO ......................................................................................... 7 2.1 Definiciones .............................................................................................. 7 2.2 Efectos de los sismos en las estructuras ................................................ 11 2.3. Disipadores de energía .......................................................................... 11 2.3.1.. Generalidades de los disipadores de energía .............................. 12. 2.3.2.. Aisladores de energía sísmica ...................................................... 12. 2.3.3.. Disipadores de energía sísmica.................................................... 13. 2.3.3.1.. Disipadores de energía sísmica viscoelásticos. ........................ 14. 2.3.3.2.. Disipadores de energía sísmica viscoso. .................................. 14. 2.3.3.2.1. Disipadores de energía sísmica víscoso Reston SA, Reston stu y Reston PSD. ........................................................................................... 16 2.3.3.3.. Disipadores de energía por fricción (histeréticos o metálicos). . 16. 2.3.3.3.1.. Disipadores de energía histeréticos ADAS. ........................... 17. 2.3.3.3.2.. Disipadores de energía histeréticos TADAS y TIPO PANEl... 18. 2.3.3.3.3 Disipadores de energía por fricción TIPO PALL DYNAMICS. Objetos de estudios en el presente documento. ........................................ 18 2.3.3.3.3.1 Reconocimientos ................................................................... 20 2.3.3.3.3.2 Estructuras diseñadas y construidas o reforzadas con los disipadores de fricción tipo PALL. .............................................................. 20.

(8) VIII. 2.3.3.3.3.3 Estudios y ensayos realizados al sistema. ............................... 21 2.3.3.3.3.4. Principios de básicos de funcionamiento de los disipadores de fricción. ...................................................................................................... 24 2.3.3.3.3.5 Parámetros de diseño............................................................ 25 2.3.3.3.3.6 Comportamiento sísmico y componentes de los amortiguadores de fricción. 27 2.3.3.3.3.7 Ventajas de los amortiguadores tipo Pall Dinamics. .............. 28 2.3.3.3.3.8 Instalación de los dispositivos de fricción. ............................. 29 2.3.4 Estado del arte de los disipadores en Colombia ............................... 31 Polideportivo de la universidad nacional de Colombia ............................... 32 3. MARCO METODOLÓGICO ....................................................................... 38 3.1. Generalidades. ....................................................................................... 38 3.2 Descripción de la estructura a diseñar: ................................................... 39 3.3 Diseño sísmico de una edificación con sistema estructural de pórticos espaciales resistentes a momento de concreto reforzado ............................ 44 3.3.3. Evaluación de cargas ................................................................... 45. 3.3.2. Cálculo de las solicitaciones sísmicas ............................................. 45 3.3.3. Efecto de modos ortogonales .......................................................... 48 3.3.4. Coeficiente de disipación de energía R ........................................... 49 3.3.4.1. Factor de reducción por redundancia en un sistema estructural. . 50 3.3.5. Combinaciones de carga ................................................................. 51 3.3.6. Diseño.............................................................................................. 53 3.3.6. Resultados del diseño de la edificación ........................................... 57 3.4 Diseño sísmico de una edificación con sistema estructural amortiguado 64 3.4.1. Modelamiento matemático de los disipadores ................................. 72 3.4.2. Pasos para el diseño de edificaciones con disipadores utilizando la metodología lineal establecida en el FEMA 356 ........................................ 75 3.4.3. Valores de derivas y cortantes basales ........................................... 84 3.4.4. Modos de vibración .......................................................................... 90 3.4.5. Combinaciones de carga para modelo con disipadores .................. 92 3.4.6. Área de acero de refuerzo requerida ............................................... 94 3.4.7. Modelo con disipadores de energía ................................................ 96 3.5 Análisis de resultados de los dos modelos ............................................. 98.

(9) IX. 3.5.1 Análisis de costos ............................................................................. 98 3.5.1.1 Análisis de los resultados de los costos ....................................... 101 3.5.2 Solicitaciones críticas según envolvente ......................................... 101 3.5.3. Resumen ....................................................................................... 105 4. RECOMENDACIONES .............................................................................. 106 5. CONCLUSIONES ....................................................................................... 107 BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................. 109 ANEXOS ........................................................................................................ 111.

(10) X. Lista de figuras. Figura 1. Representación esquemática de Bogotá dentro del mapa de zonificación sísmica ........................................................................................... 4 Figura 2. Definición de deriva ............................................................................. 7 Figura 3. Definición de la capacidad de disipación de energía en el rango inelástico ............................................................................................................ 9 Figura 4. Restricciones al uso de sistemas y materiales estructurales .............. 9 Figura 5. Aisladores de energía sísmica .......................................................... 13 Figura 6. Configuraciones de diagonales utilizadas para la colocación de dispositivos disipadores de energía sísmica. ................................................... 13 Figura 7. Esquema Disipador viscoelástico ...................................................... 14 Figura 8. Características, Disipador de energía viscoso, marca Taylor ........... 15 Figura 9. Instalación, Disipador de energía viscoso ......................................... 15 Figura 10. Disipador RESTON SA, STU, PSD ................................................. 16 Figura 11. Amortiguador ADAS ........................................................................ 17 Figura 12. Amortiguador TADAS Y TIPO PANE .............................................. 18 Figura 13. Amortiguador TIPO PALL DYNAMICS ............................................ 19 Figura 14 Ensayo escala1:2 sobre la una mesa vibratoria ............................... 21 Figura 15. Ensayos realizados a escala real en la Universidad de Concordia en Canadá. ............................................................................................................ 23 Figura 16 Ensayos realizados a escala real en la Universidad de Concordia en Canadá, disipador de energía escala real ........................................................ 23 Figura 17 principio de funcionamiento #1 Amortiguadores,” amortiguamiento viscoso” ............................................................................................................ 24 Figura 18 principio de funcionamiento #2 Amortiguadores ............................. 25 Figura 19 Ciclo histerético del concreto ........................................................... 26 Figura 20 Ciclo histérico de los amortiguadores............................................... 26 Figura 21 Amortiguador tipo PALL DYNAMICS ............................................... 27 Figura 22 Amortiguador tipo PALL DYNAMICS diferentes capacidades .......... 28 Figura 23 Diferentes tipos de formas de la instalación de los Amortiguadores 29 Figura 24. Detalle de conexión disipador de energía en forma diagonal .......... 30 Figura 25 Conexión de disipadores inferior y superior por medio de cartelas de sujeción anclada a la estructura por medio de pernos. .................................... 30.

(11) XI. Figura 26 Detalle tipo de conexión del disipador a la estructura de concreto .. 31 Figura 27. Fotos de los detalles típicos de conexión de los disipadores. ......... 31 Figura 28. Modelo de la estructura ................................................................... 33 Figura 29. Localización Esquemática Hospital Armenia ................................... 35 Figura 30. Registro fotográfico ......................................................................... 36 Figura 31. Georreferenciación .......................................................................... 38 Figura 32. Localización ejes ............................................................................. 39 Figura 33. Localización de columnas de 1 a 4 piso .......................................... 40 Figura 34. Localización de columnas de piso 5 ................................................ 41 Figura 35. Localización de vigas de pisos 1 al 4 .............................................. 42 Figura 36. Localización de vigas piso 5 ............................................................ 43 Figura 37. Corte A-A y Corte B-B ..................................................................... 44 Figura 38. Gráfico fuerza por piso .................................................................... 46 Figura 39. Espectro elástico de aceleraciones de diseño con amortiguamiento crítico del 5% .................................................................................................... 48 Figura 40. Deformación para combinación de carga 1.2D + 1.6L .................... 52 Figura 41. Solicitaciones para combinación de carga 1.2D + 1.6L ................... 52 Figura 42. Deformación para combinación de carga 0.9D - Ey ........................ 53 Figura 43. Despiece columnas ......................................................................... 55 Figura 44. Despiece de vigas ........................................................................... 56 Figura 45. Modelo ETABS diseño con pórticos ................................................ 57 Figura 466. Ecuación de deriva máxima .......................................................... 57 Figura 47. Deriva en X ..................................................................................... 58 Figura 48. Deriva en Y ..................................................................................... 59 Figura 49. Comparación de derivas por piso .................................................... 60 Figura 50. Primer modo fundamental de vibración en dirección Y ................... 60 Figura 51. Segundo modo fundamental de vibración en dirección X ............... 61 Figura 52. Tercer modo fundamental de vibración Roto-Traslacional en dirección en dirección X................................................................................................... 61 Figura 53. Área de acero de refuerzo requerida ............................................... 64 Figura 54. Coeficientes de amortiguamiento, B en función del amortiguamiento βeff ................................................................................................................... 69.

(12) XII. Figura 55. Espectro elástico de aceleraciones de diseño con amortiguamiento crítico del 5% .................................................................................................... 70 Figura 56. Espectro elástico de aceleraciones de diseño con amortiguamiento crítico del 10% .................................................................................................. 71 Figura 57. Espectro elástico de aceleraciones de diseño con amortiguamiento crítico del 15% .................................................................................................. 71 Figura 58. Espectro elástico de aceleraciones de diseño con amortiguamiento crítico del 20% .................................................................................................. 71 Figura 59. Espectro elástico de aceleraciones de diseño con amortiguamiento crítico del 25% .................................................................................................. 72 Figura 60 Configuración link ............................................................................. 73 Figura 61. Propiedades elementos tipo Link .................................................... 73 Figura 62. Disposición final de los dispositivos de control en el modelo, vista en eje Y ................................................................................................................. 74 Figura 63. Disposición final de los dispositivos de control en el modelo, vista en eje X ................................................................................................................. 75 Figura 64. Fuerza de piso por nivel FHE 5% .................................................... 77 Figura 65. Fuerza de piso por nivel FHE 10% .................................................. 78 Figura 66. Fuerza de piso por nivel FHE 15% .................................................. 79 Figura 67. Fuerza de piso por nivel FHE 20% .................................................. 80 Figura 68. Fuerza de piso por nivel FHE 25% .................................................. 81 Figura 69. Variación de derivas por piso con amortiguamiento crítico del 5% . 84 Figura 70. Variación de derivas por piso con amortiguamiento crítico del 10% 84 Figura 71. Variación de derivas por piso con amortiguamiento crítico del 15% 85 Figura 72. Variación de derivas por piso con amortiguamiento crítico del 20% 85 Figura 73. Variación de derivas por piso con amortiguamiento crítico del 25% 86 Figura 74. Variación cortante basal según % de amortiguamiento .................. 87 Figura 756. Ecuación de deriva máxima .......................................................... 87 Figura 76. Deriva en X ..................................................................................... 88 Figura 77. Deriva en Y ..................................................................................... 89 Figura 78. Comparación de derivas por piso según el amortiguamiento efectivo total del sistema ............................................................................................... 90 Figura 79. Primer modo fundamental de vibración en dirección Y ................... 90 Figura 80. Segundo modo fundamental de vibración en dirección X ............... 91.

(13) XIII. Figura 81. Tercer modo fundamental de vibración Roto-Traslacional en dirección en dirección X................................................................................................... 91 Figura 82. Despiece de Columnas ................................................................... 94 Figura 83. Despiece de Vigas .......................................................................... 95 Figura 84. Localización de columnas y dispositivos de control en planta 1 y 2 96 Figura 85. Perfiles ............................................................................................ 97 Figura 86. Vigas ............................................................................................... 97 Figura 87. Modelo ETABS con disipadores ...................................................... 98 Figura 88. Referencia viga para análisis modelo sin disipadores ................... 102 Figura 89. Momentos máximos para modelo sin disipadores ........................ 103 Figura 90. Referencia viga para análisis modelo con disipadores.................. 103 Figura 91. Momentos máximos para modelo con disipadores ....................... 104 Figura 92. Iniciación modelo........................................................................... 111 Figura 93. Plantilla nuevo modelo .................................................................. 112 Figura 94. Esquema de modelo ..................................................................... 112 Figura 95. Propiedades del material ............................................................... 113 Figura 96. Propiedades del material ............................................................... 114 Figura 97. Cuadro de propiedades ................................................................. 115 Figura 98. Tipo de forma y propiedades ......................................................... 115 Figura 99. Propiedades de datos de sección ................................................. 116 Figura 100.Propiedades de datos de sección ................................................ 117 Figura 101. Propiedades de datos de sección ............................................... 118 Figura 102. Propiedades de datos de sección ............................................... 119 Figura 103. Propiedades de la losa ................................................................ 120 Figura 104. Propiedades de objetos............................................................... 121 Figura 105. Dibujo elementos estructurales ................................................... 122 Figura 106. Selección de vigas ...................................................................... 123 Figura 107. Replicar ....................................................................................... 123 Figura 108. Propiedades de objeto ................................................................ 124 Figura 109. Dibujo columnas .......................................................................... 125 Figura 110. Selección de Columnas ............................................................... 125 Figura 111. Replicar ....................................................................................... 126.

(14) XIV. Figura 112. Selección de vista en planta ........................................................ 127 Figura 113. Selección dibujo de losa .............................................................. 128 Figura 114. Propiedades de objeto ................................................................ 128 Figura 115. Dibujo de losa.............................................................................. 129 Figura 116. Selección losas ........................................................................... 130 Figura 117. Selección de pisos para replicar.................................................. 131 Figura 118. definición de cargas .................................................................... 131 Figura 119. Conjunto de cargas ..................................................................... 132 Figura 120.Selección de cargas ..................................................................... 134 Figura 121. Fuente ETABS ............................................................................ 134 Figura 122. Selección de nodos de base 1 .................................................... 135 Figura 123. Selección de nodos de base 2 .................................................... 135 Figura 124. Tipo de empotramiento ............................................................... 136 Figura 125. Crear diafragmas......................................................................... 137 Figura 126. Selección de diafragmas ............................................................. 137 Figura 127. Asignar diafragmas 1 .................................................................. 138 Figura 128. Asignar diafragmas 2 .................................................................. 138 Figura 129. Definición de masa ...................................................................... 139 Figura 130. Definición de espectro 1 .............................................................. 140 Figura 131. Definición de espectro 2 .............................................................. 141 Figura 132. Load Cases 1 .............................................................................. 142 Figura 133. Verificar derivas 1........................................................................ 144 Figura 134. Verificar derivas 2........................................................................ 145 Figura 135. Combinaciones de carga ............................................................. 146 Figura 136. Cortante basal ............................................................................. 147 Figura 137. Selección combinaciones de carga para diseño ......................... 148 Figura 138. Solicitaciones .............................................................................. 149 Figura 139. Fuente: DC-CAD ......................................................................... 151 Figura 140. Fuente: DC-CAD ......................................................................... 151 Figura 141. Fuente: DC-CAD ......................................................................... 152 Figura 142. Fuente: DC-CAD ......................................................................... 152 Figura 143. Fuente: DC-CAD ......................................................................... 153.

(15) XV. Figura 144. Fuente: DC-CAD ......................................................................... 153 Figura 145. Fuente: DC-CAD ......................................................................... 154 Figura 146. Fuente: DC-CAD ......................................................................... 154 Figura 147. Fuente: DC-CAD ......................................................................... 155 Figura 148. Fuente: DC-CAD ......................................................................... 155 Figura 149. Fuente: DC-CAD ......................................................................... 156 Figura 150. Fuente: DC-CAD ......................................................................... 156 Figura 151. Fuente: DC-CAD ......................................................................... 157 Figura 152. Fuente: DC-CAD ......................................................................... 157 Figura 153. Fuente: DC-CAD ......................................................................... 158 Figura 154. Fuente: DC-CAD ......................................................................... 158 Figura 155. Fuente: DC-CAD ......................................................................... 159 Figura 156. Fuente: DC-CAD ......................................................................... 159 Figura 157. Fuente: DC-CAD ......................................................................... 160 Figura 158. Fuente: DC-CAD ......................................................................... 161 Figura 159. Fuente: DC-CAD ......................................................................... 162 Figura 160. Fuente: DC-CAD ......................................................................... 163 Figura 161. Fuente: DC-CAD ......................................................................... 163 Figura 162. Fuente: DC-CAD ......................................................................... 164 Figura 163. Fuente: DC-CAD ......................................................................... 164 Figura 164. paso 1 amortiguamiento del espectro ......................................... 165 Figura 165. verificación del espectro amortiguado ......................................... 166 Figura 166. Verificación del espectro amortiguado ........................................ 169 Figura 167. creación de la rigidez en Etabs ................................................... 170 Figura 168. Dibujo de los links ....................................................................... 171.

(16) XVI. Lista de tablas. Tabla 1. Resumen del proyecto Hospital Armenia ........................................... 34 Tabla 2. Evaluación de cargas bajo especificaciones de la NSR-10 ................ 45 Tabla 3. Grupo de cargas ................................................................................. 45 Tabla 4. Fuerza Horizontal Equivalente ........................................................... 46 Tabla 5. Curva de diseño para un coeficiente de amortiguamiento (ξ) de 5% del crítico ................................................................................................................ 47 Tabla 6. Datos de diseño ................................................................................. 47 Tabla 7. Capacidad de disipación de Energía .................................................. 50 Tabla 8. Combinaciones de carga .................................................................... 51 Tabla 9. Dimensiones de elementos estructurales. .......................................... 54 Tabla 10. Modos de vibración .......................................................................... 62 Tabla 11. Combinaciones de carga ETABS ..................................................... 62 Tabla 12. Factores de reducción ...................................................................... 70 Tabla 13. Análisis sísmico Fuerza Horizontal Equivalente 5% ......................... 76 Tabla 14. Datos obtenidos con amortiguamiento del 5% ................................. 76 Tabla 15. Análisis sísmico Fuerza Horizontal Equivalente 10% ....................... 77 Tabla 16. Datos obtenidos con amortiguamiento del 10% ............................... 77 Tabla 17. Análisis sísmico Fuerza Horizontal Equivalente 15% ....................... 78 Tabla 18. Datos obtenidos con amortiguamiento del 15% ............................... 78 Tabla 19. Análisis sísmico Fuerza Horizontal Equivalente 20% ....................... 79 Tabla 20. Datos obtenidos con amortiguamiento del 20% ............................... 79 Tabla 21. Análisis sísmico Fuerza Horizontal Equivalente 25% ....................... 80 Tabla 22. Datos obtenidos con amortiguamiento del 25% ............................... 80 Tabla 23. Resultados dispositivos disipación de energía 1. ............................. 82 Tabla 24. Resultados dispositivos disipación de energía 2. ............................. 82 Tabla 25. Resultados dispositivos disipación de energía 3. ............................. 83 Tabla 26. Resultados dispositivos disipación de energía 4. ............................. 83 Tabla 27. Resumen amortiguamiento Vs. cortante basal ................................. 86 Tabla 28. Modos de vibración .......................................................................... 92 Tabla 29. Combinaciones de carga ETABS ..................................................... 92.

(17) XVII. Tabla 30. Presupuesto #1 edificio sin amortiguadores: .................................... 99 Tabla 31. Presupuesto #2 edificio con amortiguadores de fricción: ............... 100 Tabla 32. Evaluación previa de cargas .......................................................... 133 Tabla 33. Trabajo de los disipadores ............................................................. 167. Lista de anexos. Anexo A. Paso a paso en ETABS para el modelo sin disipadores de energía sísmica ........................................................................................................... 111 Anexo B. Cálculo de los despieces por medio del programa DC-CAD ......... 150 Anexo C. Paso a paso del modelo con disipadores ...................................... 165 Anexo D. Efecto de zonas rígidas en los nodos ........................................... 171 Anexo E. Despiece acero estructura sin disipadores de energía .................. 173 Anexo F. Despiece acero estructura con disipadores de energía ................. 173 Anexo G. APUs y cantidades de obra de las edificaciones ........................... 174 Anexo H. CD con videos explicación funcionamiento disipadores ................ 191.

(18) 1. 1. INTRODUCCIÓN. A través de los siglos la ingeniería ha avanzado de una forma muy importante, mejorando las técnicas de construcción para soportar cargas, y hace pocas décadas empezaron a buscar nuevos sistemas que ahorraran tiempos de construcción y optimizarán costos, en el presente documento se pretende analizar la respuesta sísmica y comparar costos del uso de nuevas tecnologías en la ingeniería como es el uso de dispositivos de control pasivo de tipo fricción, ya que se ha logrado evidenciar el uso de esta tecnología en países como Japón, EEUU. Europa, Canadá y a nivel de Latinoamérica Chile, Perú y Colombia. Actualmente existe dos formas para controlar la respuesta sísmica de una estructura la primera de ellas consiste en la instalación de dispositivos que disipan energía sísmica a través de varios mecanismos, la segunda forma consiste en instalar en la base de la estructura dispositivos que desacoplan la señal sísmica que incide sobre la fundación de la estructura; y es precisamente la primera forma el enfoque del presente trabajo de grado Para la presente investigación se construirán dos modelos matemáticos analizando por el método lineal estático, de una estructura regular y simétrica objeto de estudio, en el cual uno de estos modelos contará con dispositivos de control pasivo tipo fricción y los resultados serán comparados con el modelo que no incluye este tipo de dispositivos, posteriormente se modelaran en el programa ETABS encontrando la respuesta de la estructura a la amenaza sísmica representada por el espectro avalado en la NSR 10, a continuación se realizará el análisis de costos y respuesta sísmica en cada estructura, de esta manera se podrá determinar las principales ventajas y desventajas de la utilización de disipadores de energía por fricción para este tipo de estructura. El ejemplo de los dispositivos de energía está avalado por el Reglamento colombiano de construcción sismo resistente (NSR-10) en el capítulo A.3.9. De acuerdo a lo anterior en el presente trabajo de grado encontraremos un marco teórico con una breve descripción de los tipos de disipadores de energía más representativos que existen en el mercado, donde explicamos más al detalle en que consiste y el funcionamiento del disipador tipo Pall Dinamics objeto de.

(19) 2. estudio del presente trabajo, seguidamente entramos a diseñar nuestro modelo sin disipadores donde realizamos el paso a paso de cómo se realizó este, luego diseñamos nuestro modelo de las mismas características que el anterior pero con disipadores de energía, y al final encontramos las principales diferencias de los dos modelos estructurales.. 1.1 Descripción del problema. En Colombia los estudios acerca del uso de disipadores de energía en estructuras son mínimos, sin embargo es favorable para la profesión tener conocimiento sobre temas novedosos y de nuevas tecnologías producto de la investigación, que aporten de alguna manera a la conservación de vidas u optimizaciones de índole económico. Colombia actualmente se rige por el Reglamento de sismo resistencia (NSR.10) el cual es una adaptación de la norma norteamericana, este permite el diseño de estructuras con disipadores de energía, sin embargo en el país prima el diseño usual diseñando estructuras con métodos tradicionales (pórticos y estructuras convencionales en mampostería) comprendidas por columnas, vigas y losas, creadas en materiales como el acero o concreto reforzado, y por lo general se evade nuevas formas de diseñar al no tener presente las nuevas tecnologías. Hoy en día los reglamentos vigentes nacionales e internacionales de sismoresistencia permiten diseñar estructuras con disipadores de energía sísmica, pues son tecnologías que hace aproximadamente 30 años surgieron y están siendo aplicadas a nivel mundial. El costo es un factor importante que está presente a la hora de tomar la decisión del uso de disipadores de energía en una estructura, por lo cual se proyecta realizar un análisis con los resultados obtenidos y definir si es eficiente y favorable el uso de estos para el tipo de estructura en estudio..

(20) 3. 1.1.1 Interrogante. ¿Cuál es el impacto en el costo y en el comportamiento estructural del uso de los disipadores de control tipo fricción en una estructura con sistema pórticos espaciales resistentes a momento en concreto reforzado, con regularidad en planta y altura, emplazado en una zona de amenaza sísmica intermedia de 5 niveles?. 1.2 Justificación del problema. Debido a la amenaza sísmica que comprende el país existe mayor vulnerabilidad para que sucedan eventos naturales como sismos. Conociendo los registros y antecedentes que han dejado los sismos en varios países, se puede concluir que la mayor parte de víctimas y evidentes pérdidas económicas es causada por el colapso de la estructura en un evento sísmico, por ello es importante analizar el tipo de estructura y la funcionalidad de esta para tener un buen diseño estructural de la edificación. Al pertenecer a la profesión de ingeniería civil estamos obligados a presentar y analizar propuestas y usos de nuevas tecnologías que aseguren mayor protección y preservación de las vidas frente a este tipo de eventos. Es así cuando se requiere una mejor preparación para enfrentar este tipo de eventos naturales. El proyecto busca hacer uso de criterios de diseño estructural nacionales e internacionales, por medio de la comparación de dos modelos diseñados a través de programa ETABS, de esta manera se podrá dar a conocer los análisis entre estos dos modelos.. 1.3 Antecedentes. Colombia está ubicada en una de las zonas con mayor registro de actividad sísmica, ya que convergen las placas tectónicas de nazca y del caribe contra la.

(21) 4. placa suramericana. Esta interacción entre las placas nazca y suramericana producen la formación de montañas y cordilleras entre otros procesos o eventos naturales como consecuencia del choque de las placas. El país se clasifica en tres zonas de amenaza sísmica: alta, intermedia y baja, por ejemplo; la zona de mayor amenaza sísmica se ubica por las costas del océano pacifico tal como lo observamos en la Figura 1 y Figura 2, y aunque particularmente la ciudad de Bogotá está situada en una zona de amenaza sísmica intermedia, es una zona en donde se concentra mayor índice de población, por lo tanto es obligación por parte de los profesionales que aportan para el desarrollo del país tener un alto entendimiento sobre estos eventos sísmicos para poder diseñar las estructuras con la mayor protección sísmica, de tal manera que se logre mitigar el nivel del daño estructural y por lo consiguiente se garantice la seguridad de los habitantes. (Servicio Geológico Colombiano, 2019). Figura 1. Representación esquemática de Bogotá dentro del mapa de zonificación sísmica Fuente: (NSR–10 Capitulo A.2, 2010). El Reglamento vigente en Colombia encargado de regular las condiciones del diseño de estructuras para que la respuesta estructural sea idónea en el caso de un sismo, es el Reglamento Sismo resistente 2010 (NSR-10). Este Reglamento se ha utilizado en el diseño de estructuras convencionales a lo largo de la.

(22) 5. historia, en donde se diseña a partir de las solicitaciones producidas por un evento sísmico. “Es indudable que Colombia es uno de los países donde se utilizaba de una manera más intensa el sistema estructural de pórtico de concreto reforzado. El pórtico tiene una serie de ventajas desde el punto de vista arquitectónico y de facilidad constructiva. Por el otro lado, el pórtico tiene inconvenientes importantes debido a su excesiva flexibilidad ante solicitaciones horizontales, lo cual conduce a una desprotección de los acabados muy frágiles que se utilizan a nivel nacional, como ha sido probado una y otra vez con los sismos ocurridos en el país. (NSR-10)”1 Recientemente la ingeniería se ha cuestionado nuevas técnicas para optimizar factores ya sea: tiempo, costos o efectividad en el desempeño de la estructura frente a un evento natural. Una alternativa propuesta como sistema moderno es el uso de disipadores de energía sísmica que trabajan disipando gran parte de la energía sísmica, y que, como experiencia a nivel mundial, el uso de estos en estructuras ha demostrado un resultado favorable y eficiente. Los disipadores de energía por fricción de tipo PALL DINAMICS, fueron inventados por el Dr. Pall en 1982 y patentados en Canadá y Estado Unidos en 1984. En la década de los 80 obtuvo varios reconocimientos y premios de la comunidad científica en Ingeniería. Esta tecnología ha sido y está siendo utilizada a nivel mundial elogiada en Canadá y Estados Unidos, así como en Europa y Asia en los últimos 30 años ante toda la comunidad de ingenieros especializada en estructuras e Ingeniería Sísmica. Los 4 principales códigos sismo resistentes usados a nivel mundial (ATC-40/50, FEMA 356 y 276, INTENATIONAL BUILDING CODE, UNIFORM BUILDING CODE) lo aceptan como mecanismo de disipación de energía sísmica que finalmente protege la estructura y muros interiores de colapso o daños importantes durante un evento sísmico. Es conveniente anotar que el Reglamento NSR-10 (Ley 400 de 1997 Modificada Ley 1229 de 2008 y Decreto. 1. Reglamento sismo resistente (NSR-10), 2010 (Prefacio, XVI).

(23) 6. 926 del 19 de marzo de 2010) se obtuvo prácticamente de la traducción de estos documentos. A nivel mundial este sistema atenido bastante acogida en Canadá y Estados Unidos para reforzamientos estructurales como para la construcción de edificaciones nuevas, En Colombia lo ha empleado en el reforzamiento de estructuras como hospitales, universidades y en el reforzamiento de la Embajada de Canadá en 1998, pero vale aclarar que únicamente se ha utilizado en reforzamiento y no en edificaciones nuevas. 1.4 Objetivos 1.4.1 Objetivo General: Realizar la comparación de la respuesta estructural de una edificación incorporando disipadores de energía sísmica por fricción tipo Pall dinamics versus la misma edificación diseñada con un sistema estructural de pórticos sin disipadores en la ciudad de Bogotá D.C.. 1.4.2 Objetivos Específicos: •. Realizar el diseño estructural de una edificación con sistema estructural de pórticos espaciales resistentes a momentos en concreto reforzado y un diseño estructural incorporando dispositivos de control pasivo como los disipadores de energía tipo Pall Dinamics, para la ciudad de Bogotá.. •. Aprender a utilizar la herramienta Etabs para el modelamiento de los dos tipos de estructuras a comparar.. •. Realizar un análisis de costos directos entre los dos diseños obtenidos para el caso de estudio, estableciendo cual es el más económico para este tipo de estructuras.. •. Determinar las principales ventajas y desventajas estructurales entre los dos modelos..

(24) 7. 2. MARCO TEÓRICO. 2.1 Definiciones. A continuación, se presentan las definiciones de cada concepto utilizado en el documento incluyendo los parámetros técnicos y teóricos para el desarrollo del modelo: Análisis: Los efectos de las cargas en los diferentes elementos, deben determinarse utilizando métodos aceptados de análisis estructural, teniendo en cuenta los principios de equilibrio, estabilidad, compatibilidad de deformaciones y las propiedades de los materiales tanto a corto como a largo plazo. (Asociación colombiana de ingeniería, 2010, pág. Capítulo A.13). Deriva: Deflexión horizontal relativa entre pisos consecutivos Δ. (Asociación colombiana de ingeniería, 2010, pág. Capítulo A.13). Figura 2. Definición de deriva Fuente: (NSR–10 Capitulo A.2, 2010). Rigidez: la rigidez es una medida cualitativa de la resistencia a las deformaciones elásticas producidas por un material, que contempla la capacidad de un elemento estructural para soportar esfuerzos sin adquirir grandes deformaciones. (Asociación colombiana de ingeniería, 2010, pág. Capítulo A.13).

(25) 8. Requisitos de las estructuras: Resistencia: Deben construirse y diseñarse para que los materiales utilizados en la construcción soporten con seguridad todas las cargas sin exceder las resistencias de diseño cuando se mayoran las cargas. (Asociación colombiana de ingeniería, 2010, pág. Capítulo A.13). Capacidad de disipación de energía: Es la capacidad que tiene un sistema estructural, un elemento estructural o una sección de un elemento estructural, de trabajar dentro del rango inelástico de respuesta sin perder su resistencia. (Asociación colombiana de ingeniería, 2010, pág. Capítulo A.13). Carga muerta: Es la carga vertical debida al peso de todos los elementos permanentes, ya sean estructurales o no estructurales. (Asociación colombiana de ingeniería, 2010, pág. Capítulo A.13). Carga viva: Es la carga debida al uso de la estructura, sin incluir la carga muerta, fuerza de viento o sismo. (Asociación colombiana de ingeniería, 2010, pág. Capítulo A.13). DMO: Capacidad moderada de disipación de energía (Asociación colombiana de ingeniería, 2010, pág. Capítulo A.13).

(26) 9. Figura 3. Definición de la capacidad de disipación de energía en el rango inelástico Fuente: (NSR–10 Sección A.1.3, 2010). Figura 4. Restricciones al uso de sistemas y materiales estructurales Fuente: (NSR–10 Sección A.1.3, 2010). Sismo, temblor o terremoto: Vibraciones de la corteza terrestre inducidas por el paso de las ondas sísmicas provenientes de un lugar o zona donde han ocurrido movimientos súbitos de la corteza terrestre. (Asociación colombiana de ingeniería, 2010, pág. Capítulo A.13) Sismo de diseño: Es la caracterización de los movimientos sísmicos mínimos que deben utilizarse en la realización del diseño sismo resistente. (Asociación colombiana de ingeniería, 2010, pág. Capítulo A.13).

(27) 10. Solicitaciones: Son las fuerzas u otras acciones que afectan la estructura debido al peso propio de la misma, de los elementos no estructurales, de sus ocupantes y sus posesiones, de efectos ambientales tales como el viento o el sismo, de los asentamientos diferenciales y de los cambios dimensionales causados por variaciones en la temperatura o efectos reológicos de los materiales. En general, corresponden a todo lo que pueda afectar la estructura. (Asociación colombiana de ingeniería, 2010, pág. Capítulo A.13) Efectos ortogonales: Son los que se producen en los elementos estructurales que pertenecen, simultáneamente, a sistemas resistentes situados en dos ejes ortogonales, cuando las fuerzas sísmicas actúan en una dirección distinta a la de estos dos ejes. (Asociación colombiana de ingeniería, 2010, pág. Capítulo A.13) Espectro: Es la colección de valores máximos, ya sea de aceleración, velocidad o desplazamiento, que tienen los sistemas de un grado de libertad durante un sismo. (Asociación colombiana de ingeniería, 2010, pág. Capítulo A.13) Espectro de diseño: Es el espectro correspondiente a los movimientos sísmicos de diseño. (Asociación colombiana de ingeniería, 2010, pág. Capítulo A.13) Método de la fuerza horizontal equivalente: Es el método de análisis sísmico en el cual los efectos de los movimientos sísmicos de diseño se expresan por medio de unas fuerzas horizontales estáticas equivalentes. (Asociación colombiana de ingeniería, 2010, pág. Capítulo A.13) Modos de vibración: Son las diferentes formas de vibración propias de la estructura. A cada modo de vibración corresponde una frecuencia de vibración propia. La respuesta dinámica de la estructura, en el rango elástico, se puede expresar como la superposición de los efectos de los diferentes modos. Una estructura tiene tantos modos de vibración, como grados de libertad tenga. (Asociación colombiana de ingeniería, 2010, pág. Capítulo A.13) Período de vibración, T: Es el tiempo que transcurre dentro de un movimiento armónico ondulatorio, o vibratorio, para que éste se repita. (Asociación colombiana de ingeniería, 2010, pág. Capítulo A.13).

(28) 11. Disipadores de energía sísmica: Estos son los encargados de hacer desaparecer las acumulaciones de energía asegurándose que los elementos de las estructuras no se vean comprometidos en los eventos sísmicos. Ayudan a proporcionar amortiguamiento para mitigar los efectos adversos de los movimientos que producen los temblores. (Escobar y Martínez, 2019). 2.2 Efectos de los sismos en las estructuras. Una estructura se debe diseñar para satisfacer las necesidades funcionales y estéticas garantizando la seguridad estructural del edificio a la hora de sufrir un movimiento telúrico o un sismo, el cual posee características dinámicas como duración, amplitud y frecuencia. Las características de la estructura son: Rigidez, Amortiguamiento, Ductilidad y resonancia, todas estas se tienen en cuenta a la hora de realizar la configuración estructural propia de la estructura para disminuir daños causados por los movimientos de vibración presentados durante cualquier evento natural como un sismo.. 2.3. Disipadores de energía.

(29) 12. 2.3.1. Generalidades de los disipadores de energía. Hoy en día existen dos tipos de disipación de energía sísmica, los cuales permiten mejorar la respuesta sísmica de la estructura frente a un sismo, uno de estos sistemas se llama aisladores de energía y el otro son los disipadores de energía por fricción, estos últimos los cuales van hacer el objeto de estudio y diseño con el fin de descubrir sus virtudes y falencias versus al sistema de diseño de estructura pórtico y costos.. 2.3.2. Aisladores de energía sísmica. Los aisladores de energía sísmica se mencionarán a manera de información en el presente documento debido a que hace parte de los nuevos sistemas de disipación de energía sísmica, pero no hacen parte del objeto de estudio. Los aisladores de energía son elementos flexibles que funcionan aislando la edificación de toda la energía que proviene del suelo a causa de cualquier movimiento telúrico, es decir que estos aisladores lo que realizan es desacoplar toda la estructura del suelo impidiendo que la energía o aceleración del sismo ingrese a la estructura en un porcentaje muy considerable, estos aisladores se colocan en la cimentación de la estructura, generalmente las estructuras diseñadas y construidas con este sistema deben tener doble cimentación o una cimentación profunda y otra a nivel cero. Hoy en día existentes diferentes empresas a nivel mundial que fabrican y diseñan estructuras verticales con estos sistemas..

(30) 13. Figura 5. Aisladores de energía sísmica Fuente (Zapata, 2014). 2.3.3. Disipadores de energía sísmica.. Un disipador de energía tiene la función de disipar o absorber la energía sísmica que ingresa al edificio a causa de un movimiento telúrico, evitando así que ésta sea disipada mediante deformaciones inelásticas (daño) en los elementos estructurales. Existentes varias clases de disipadores de energía, estos pueden ser clasificados de acuerdo a su comportamiento como histeréticos, viscoelásticos y viscosos, estos tipos de disipadores de energía suelen colocarse en arreglos de diagonales a lo alto de los entrepisos de los edificios: (Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto, A.C, 2009). Figura 6. Configuraciones de diagonales utilizadas para la colocación de dispositivos disipadores de energía sísmica. Fuente (Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto, A.C, 2009).

(31) 14. A continuación, se mostrarán los tipos de disipadores de energía existentes en el mercado incluyendo el disipador de objeto de estudio (disipador de energía tipo pall Dynamics): 2.3.3.1. Disipadores de energía sísmica viscoelásticos.. Este tipo de disipador funciona movilizando un elemento a través de un material viscoelástico, el cual genera fuerzas las cuales se oponen al movimiento del elemento disipando la energía sísmica. Es una tecnología desarrollada por la nasa donde se utilizaba en la industria aeroespacial.. Figura 7. Esquema Disipador viscoelástico Fuente (Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto, A.C, 2009). El material viscoelástico: son coplímeros, material vidrioso generalmente son materiales industriales modernos, muy estables ante ciclos repetidos de carga y descarga, pero cuyas propiedades sufren variaciones con la temperatura, la disipación de energía se obtiene debido a la deformación por cortante de un material con propiedades viscoelásticas. (Namuche, 2009, pág. 11) 2.3.3.2. Disipadores de energía sísmica viscoso. Los amortiguadores o disipadores viscosos disipan la energía, empujando un fluido viscoso (aceite de silicona) en su interior ocasionando una fuerza resistente al movimiento libre del edificio la cual no aumenta las cargas sísmicas. Esta tecnología es desarrollada por la industria pesada y por lo militares, generalmente este tipo de disipadores se empotran a los pórticos de la estructura de la edificación. La empresa más representativa en la fabricación y venta de este tipo de disipadores se llama CDV REPRESENTACIONES, y distribuyen un disipador.

(32) 15 llamado TAYLOR donde la función de “amortiguamiento es proporcionada por el flujo del fluido o a través de la cabeza del pistón. La cabeza del pistón es introducida con una holgura entre el interior del cilindro y el exterior de la cabeza del pistón, el cual forma un orificio” (Namuche, 2009). Figura 8. Características, Disipador de energía viscoso, marca Taylor Fuente: (antisísmica, 2018). Figura 9. Instalación, Disipador de energía viscoso Fuente (antisísmica, 2018).

(33) 16. 2.3.3.2.1. Disipadores de energía sísmica víscoso Reston SA, Reston stu y Reston PSD.. Estos disipadores de energía son fabricados por la misma empresa “Mageba” y tienen la mismas virtudes que los anteriores disipadores, cambian en su funcionalidad; los disipadores Reston SA y son de amortiguamiento hidráulica para disipar energía y controlar desplazamientos, los disipadores Reston STU son dispositivos de conexión temporal que proveen una conexión rígida bajo movimientos de alta velocidad y los Reston PSD son dispositivos de fluido viscoso diseñados para poseer una función de resorte (Mageba, 2019). Figura 10. Disipador RESTON SA, STU, PSD Fuente (Mageba, 2019). 2.3.3.3. Disipadores de energía por fricción (histeréticos o metálicos).. Los disipadores histeréticos dependen esencialmente de los desplazamientos de la estructura. Los disipadores metálicos están basados en la fluencia de los metales debido a flexión, corte, torsión, o extrusión. Los disipadores de fricción trabajan o funcionan por la fricción generada entre dos piezas mientras uno desliza contra el otro aumentando la temperatura, disipando la energía sísmica.

(34) 17. por medio del calor. A continuación, mostraremos los diferentes tipos de disipadores de energía histeréticos.. 2.3.3.3.1. Disipadores de energía histeréticos ADAS.. Uno de los dispositivos histeréticos más reconocidos es el ADAS (Added Damping And Stiffness), compuesto por placas de acero con sección transversal en forma de X instaladas en paralelo sobre los arriostres. El diseño de los elementos ADAS requiere que sus placas queden comprimidas entre sí con fuerzas lo suficientemente elevadas como para lograr “empotrarlas” en sus extremos sin que ocurran desplazamientos relativos entre ellos.. Figura 11. Amortiguador ADAS Fuente (EIA, 2006).

(35) 18. 2.3.3.3.2. Disipadores de energía histeréticos TADAS y TIPO PANEl.. Estos amortiguadores TADAS y (Triangular Added Damping And Stiffness), y tipo Panel trabajan de igual manera, ya que la parte superior de cada placa se conecta a un perno que permite que ésta gire libremente, similares a la mitad de una placa ADAS disipan energía por fluencia del material y se deforman en curvatura simple.. TADAS. TIPO PANEL. Figura 12. Amortiguador TADAS Y TIPO PANE Fuente (EIA, 2006). 2.3.3.3.3 Disipadores de energía por fricción TIPO PALL DYNAMICS. Objetos de estudios en el presente documento.. Los disipadores TIPO PALL DYNAMICS, es un amortiguador histerético que funciona adsorbiendo la energía de un sismo y la transformando en energía cinética en calor media la fricción. El fabricante (Quakete) nos dice “Los disipadores permiten al edificio deformarse elásticamente y disipar la energía de.

(36) 19. terremoto. (Quaketek, 2019) Y de acuerdo a lo consultado estos disipadores empiezan a funcionar antes de que los miembros estructurales alcancen estados de deformación plásticas. Aunque estas nuevas tecnologías de disipación fueron inventadas ya hace varias décadas estos disipadores de fricción en teoría son relativamente nuevos, fueron inventados por Dr. Avtar Pall y patentados en Estados Unidos y Canadá en el año de 1984 y desarrollo en masa por el señor Joaquim Frazao, fundador de la empresa Quaketek, la cual tiene la patente a nivel mundial de estos amortiguadores. En Colombia se viene desarrollando esta tecnología hace más o menos 15 años por las empresas Geoestructuras SAS. y tecnocientific SAS.. Figura 13. Amortiguador TIPO PALL DYNAMICS Fuente (Salazar, Disipadores de energia, 2018).

(37) 20. 2.3.3.3.3.1. Reconocimientos. Una vez esta tecnología surgió, desde el mismo momento se presente a la comunidad científica en ingeniería logrando varios premios como:. •. 1983, American Society of Civil Engineers’ Raymond C. Reese Research Prize for outstanding contribution to structural engineering.. •. 1985, Canadá Innovación Award. 1987, Canada Awards for Business Engineering Excellence, invention category. (Salazar, Brochure tecno sistema de reforzamiento, 2018). Aparte de estos premios los disipadores han sido de objeto de estudio en varios países desarrollados y envía desarrollo, se han utilizado para la protección sísmica de más de 250 edificios importantes en los EE. UU., Canadá, China, India, Indonesia, Irán, Israel, Filipinas, Japón y México, en Colombia como lo menciona antes hace poco se utilizan, pero únicamente para el reforzamiento de edificios, especialmente hospitales.. 2.3.3.3.3.2. Estructuras diseñadas y construidas o reforzadas con los disipadores de fricción tipo PALL.. A Nivel mundial se han intervenido (reforzado) y construidos edificios de grandes compañías como por ejemplo: • Fábrica de Aviones Boeing en Everett, Washington, USA. (reforzada) •. Actualización Sísmica del Edificio South Lake 251 Av. – Pasadena – California – USA (reforzada). •. Construcción de la biblioteca de la Universidad Concordia de Montreal – Canadá (construcción). •. Rehabilitación sísmica del casino de Montreal, Canadá. •. Rehabilitación sísmica del casino de Montreal, Canadá. •. Reforzamiento del Edificio Seguros de vida – Desjardins en Lévis –.

(38) 21 •. Quebec, Canadá. •. Departamento nacional de defensa – Canadá (reforzada). •. Palacio de justicia – Canadá (reforzada). •. México: Torre Cuarzo. •. Edificios Unitech- nueva delhi – india. Y en Colombia se han reforzado los siguientes edificios: •. Embajada de Canadá – 6 pisos Bogotá D.C. •. S.E Hospital El Tunal -5 pisos en 4980 m2 Construido en 1988. Bogotá D.C.. •. Fundación Clínica Valle de Lili - Cali. •. E.S.E Hospital María Inmaculada Florencia - Caquetá. •. Hospital de la Misericordia. (HOMI). Bogotá. D.C.. Estos son algunos de los cientos de edificios reforzados con estos sistemas a nivel mundial.. 2.3.3.3.3.3 Estudios y ensayos realizados al sistema.. Algunas Investigaciones fueron desarrollas en el Laboratorio con modelos a escala real en una plata forma vibratoria con Modelo Estructura de escala 2:1. Figura 14 Ensayo escala1:2 sobre la una mesa vibratoria Fuente (Salazar, Brochure tecno sistema de reforzamiento, 2018).

(39) 22. Los amortiguadores de fricción Pall se han sometido con éxito a pruebas rigurosas en los EE. UU. Y Canadá. En 1985, el Consejo Nacional de Investigación de Canadá probó estructuras de cuadros de 3 pisos en una mesa de sacudidas en la Universidad de British Columbia, Vancouver. En 1986-1987, la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. Probó una estructura de marco de 9 pisos en una mesa temblorosa en la Universidad de Berkeley (California) por Dr. James M. Kelly Dr. Ian D. Aiken. Las estructuras fueron sometidas a más de 20 registros diferentes de terremotos importantes. Incluso para un terremoto 5 veces más fuerte que el terremoto de 1985-México, los marcos equipados con amortiguadores de fricción permanecieron libres de daños evaluando y comprobando del comportamiento y grado de amortiguamiento. Los amortiguadores de fricción Pall están bien reconocidos y aceptados por los códigos de construcción en Canadá. Estados Unidos y otros países.. •. Estudios y ensayos realizados por la Universidad de Concordia y la Politécnica de Montreal en Canadá.. En mayo del año 2014 se realizaron pruebas a escala real de los dispositivos de fricción tipo Pall Dinamics, en las instalaciones de la universidad de Concordia se reunión un grupo de científicos encabezados por el señor Pall e ingenieros del departamento de ingeniería civil de dicha facultad e ingenieros de la politécnica de Montreal, donde crearon un modelo a escala real para realizar diferentes pruebas a estos dispositivos de amortiguamiento Donde se realizaron pruebas exhaustivas para verificar la capacidad del sistema para sostener la demanda sísmica en un terremoto, a los disipadores se le aplicaron cargas sísmicas de los últimos 30 años simulando diferentes cantidades de edificios con números determinados de pisos, y con la sismicidad de la región o del país. Las pruebas fueron tan efectivas con firmando los resultados y ventajas anteriormente demostradas donde se pudo observar que los amortiguadores exhibieron resistencia al deslizamiento estable y uniforme. Los ensayos confirmaron la capacidad y respaldo para limitar las desviaciones pico y residual del piso a valores aceptables..

(40) 23. Los resultados fueron revisados exhaustivamente debido a que muchos de estos parámetros sirvieron para la modificación del código de construcción de Canadá. (Chen, 2018). Figura 15. Ensayos realizados a escala real en la Universidad de Concordia en Canadá. Fuente (Geoestructuras, 2019). Figura 16 Ensayos realizados a escala real en la Universidad de Concordia en Canadá, disipador de energía escala real Fuente (Chen, 2018).

(41) 24. 2.3.3.3.3.4. Principios de básicos de funcionamiento de los disipadores de fricción.. El principio básico de los amortiguadores de fricción se basa el modelo de fricción De Coulomb, donde simplemente la fricción actúa como un freno en la estructura: 𝑭 = 𝝁 𝑵 (Ecuación de Coulomb) Dónde: F= fuerza resistente por la acción de N, y mínima necesaria para moverlo. μ = coeficiente de fricción estático o dinámico entre superficies. N = fuerza normal actuante. En la anterior ecuación el amortiguamiento corresponde al fenómeno físico de fricción entre superficies secas, se supone que el amortiguamiento de Coulomb es independiente de la velocidad, una vez este se inicia, siempre se opone al movimiento. La figura a continuación nos muestra el principio básico de la ecuación, donde le resorte asemeja a la rigidez de le estructura, el amortiguador refleja la capacidad de disipación de la estructura, P(t) la fuerza que obliga a la estructura a moverse. Figura 17 principio de funcionamiento #1 Amortiguadores,” amortiguamiento viscoso” Fuente (Geoestructuras, 2019).

(42) 25. Enseguida podemos observar que cambiamos el amortiguador de la estructura por una fuerza contraria a la carga excitada evocando el principio de Coulomb (fricción), donde se muestra que se tiene un mecanismo estabilizador, amortiguado que disipará la energía impuesta por P(t), o en el caso de una estructura por el cortante sísmico.. Figura 18 principio de funcionamiento #2 Amortiguadores Fuente: (Geoestructuras, 2019). 2.3.3.3.3.5. Parámetros de diseño.. Este sistema se debe modelar por medio de una curva de histéresis rectangular o como un resorte y de acuerdo a los parámetros de diseños de la patente, se debe tener en cuenta a Fuerza de Accionamiento y el desplazamiento axial. Estos disipadores pueden deformarse aproximadamente desde los 2.5 hasta los 30 (cm). Los ciclos de carga y descarga e inversión de los mismos siguen un comportamiento de material elasto-plástico perfecto, el comportamiento de este aislador es estable y muy regular, a continuación, se mostrará el ciclo de histérico del concreto en un ejemplo de voladizo, donde podemos observar que su ciclo histerético es muy irregular:.

(43) 26. Figura 19 Ciclo histerético del concreto Fuente: (Salazar, Disipadores de energia, 2018). En seguida lo compararemos con el ciclo histerético del disipador de energía, donde se puede observar que este mecanismo de falla proporciona una mejor respuesta de la rigidez y estabilidad estructural ante los ciclos de carga.. Figura 20 Ciclo histérico de los amortiguadores Fuente: (Unal, 2019).

(44) 27. Los diseños de estos disipadores pueden ser modelados en ETABS o SAP2000 al igual que la mayoría de softwares en el mercado usando los parámetros indicados por el proveedor los cuales se pueden encontrar en el paso a paso del diseño estructural en Etabs y anexos al presente documento.. 2.3.3.3.3.6. Comportamiento. sísmico. y. componentes. de. los. amortiguadores de fricción.. Estos amortiguadores y como su nombre lo dice trabajan por fricción y están compuestos por platinas de acero con superficies de alta resistencia que friccionan entre sí, que están especialmente tratadas para desarrollar una fricción muy confiable esto de acuerdo con su fabricante la empresa QUAKETE de origen y operación en Canadá. En Colombia los distribuye la empresa Tecnocientific SAS. Estas placas se sujetan juntas y se dejan deslizar a una carga predeterminada. Desde los años 80 están en investigación y pruebas han llevado a perfeccionar el arte de la fricción. Su rendimiento es confiable, repetible y poseen grandes bucles de histéresis rectangulares con desvanecimiento insignificante al producirse un desplazamiento generado por una carga, en este caso el sismo, previamente superada la carga de diseño o tensionamiento, este dispositivo empieza a friccionar según los requerimientos de la estructura, a continuación, se mostrará el dispositivo tipo Pall Dinamics:. Figura 21 Amortiguador tipo PALL DYNAMICS Fuente: (PallDinamics, 2018).

(45) 28. Los disipadores de energía tienes diferentes capacidades amortiguamiento la empresa puede entregar disipadores desde 200 hasta 1500 kN por disipador con desplazamientos comúnmente desde 1 hasta 30 cm o más.. Figura 22 Amortiguador tipo PALL DYNAMICS diferentes capacidades Fuente: (Quaketek, 2019). 2.3.3.3.3.7. •. Ventajas de los amortiguadores tipo Pall Dinamics.. Deslizan previamente al estado de fluencia de los elementos estructurales y empieza a disipar la energía sísmica.. •. Después de un sismo, el edificio retorna a su posición original de alineamiento bajo la acción de resorte de la estructura elástica. •. Proveen varios ciclos dúctiles de disipación de energía protegiendo la estructura y muros contra daños importantes y así como de la resistencia residual por los efectos de fatiga Histerética.. •. Es una solución de muy confiable de bajo costo y no necesita inspección, ni mantenimiento después de un terremoto.. •. Gran capacidad de disipación de energía, implicando utilización de pocos amortiguadores..

(46) 29 •. Puede calibrarse y ajustarse de acuerdo a las necesidades de la estructura y son lo suficientemente angostos para mimetizarse en particiones internas o fachadas.. •. Proveen amortiguamiento adicional y rigidez para una mayor estabilidad, y poseen grandes ciclos Histéricos Rectangulares.. •. No produce traumatismos en el normal funcionamiento de la edificación durante su instalación y prácticamente sin daños en acabados.. •. Constituyen una buena protección en caso de sismos con grados de intensidad diferentes a los del diseño.. 2.3.3.3.3.8. Instalación de los dispositivos de fricción.. Estos dispositivos se conectan por medio de unas diagonales conectoras que van ancladas al sistema estructural en los nudos viga-columna, y en cada extremo conecta mediante articulación al amortiguador en si generando un plano fricciónate, existentes diferentes formas de colocar los dispositivos esto depende de las características de la estructura y las solicitaciones de esta, al igual que de la experticia del diseñador estructural en el manejo de estos dispositivos, a continuación observamos las diferentes formas de instalar los dispositivos:. Figura 23 Diferentes tipos de formas de la instalación de los Amortiguadores Fuente: (Quaketek, 2019). De acuerdo a nuestro diseño estructural vamos a utilizar la siguiente forma “tipo diagonal”:.