Desarrollo de Amortiguadores de Masa Sintonizada Para Edificios de Periodos Bajos_Andres_Jacobsen

IV CONGRESO ASOCIACIÓN DE INGENIEROS CIVILES ESTRUCTURALES: “REPLICAS”1

Desarrollo de Amortiguadores de Masa

Sintonizada para Edificios de Períodos Bajos

Andres JacobsenPh.D.

18-19 NOVIEMBRE 2011, SANTA CRUZ

IV CONGRESO ASOCIACIÓN DE INGENIEROS CIVILES ESTRUCTURALES: “REPLICAS”

1

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Outline

• Qué es un AMS?

• Dónde se aplican?

• Necesidad para soluciones en otras estructuras

• Concepto - sobre aisladores (A), A+D

• Ejemplo sobre aisladores (A)

• Ejemplo sobre A+D

• Modelación

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EDIFICIO SIN DISIPACION EDIFICIO CON DISIPACION

EDIFICIO SIN AMS EDIFICIO CON AMS

La estructura vibra y la deformación produce daño

Las masa contrarresta el movimiento

1. Que es un AMS?

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1. Que es un AMS?

EDIFICIO SIN AMS

1 GDL

EDIFICIO CON AMS

2 GDL

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1. Que es un AMS?

• La eficiencia del AMS depende de la excitación.

• El edificio filtra el sismo Se sintoniza a una frecuencia fundamental del edificio medida en terreno

• No siempre se sintoniza al primer modo (i.e. sintonizar a modos acoplados)

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1. Que es un AMS?

Bolas de acero para regular la sintonía con el período principal del

edificio

Control de sintonía

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1. Que es un AMS?

Tipo de AMS

AMS pendular

VentajasBajo impacto arquitectónico

Aplicable a Rehabilitación Estructural

No requiere mantención

Alta durabilidad

Bajo costo (0.3UF/m2)

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2. Aplicabilidad

EDIFICIOS ALTURA MEDIA

EDIFICIOS GRAN ALTURA

TIPO DE SOLUCIONES PARA EDIFICIOS CON

SISTEMA AMS

Despl.RequeridoDespl.Vertical

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2. Aplicabilidad

En Chile la gran mayoría de las estructuras tienen periodos bajo 2 segundos

Fu

erza

de

dis

eño

(W

/g)

3.00

0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

0.2

0.4

0.6

1.0

1.2NCh 2745-03

0.8

Periodo (s)

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3. Necesidad

EDIFICIO SIN DISIPACIONEDIFICIO SIN AMS

AMS

Bolas y resortes “Friction Pendulum System”

Aisladores

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4. AMS - A: Concepto

Tipo de AMS

AMS sobre aisladores

CaracterísticasPeríodos 0 - 0.9 segundos

Desplazamientos de masa de hasta 50 cmCapacidad restitutiva provista por aisladores

Agrega amortiguamiento a la masa

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4. AMS - A: Concepto• Efectos del amortiguamiento sobre la sintonía

AMS no amortiguado AMS amortiguado

INPUTAMSOUTPUT

+Amortiguamiento

+ Ancho de banda- Reducción- Desplazamiento de masa

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4. AplicabilidadF

uer

za d

e d

iseñ

o (

W/g

)

3.00

0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

0.2

0.4

0.6

1.0

1.2NCh 2745-03

0.8

Periodo (s)

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4. AMS - A

Períodos bajos

Períodos medios

Altura Edificio + Desplazamiento

Estabilidad vs. Costo

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Ejemplo 1

Copyright SIRVE S.A.

EstructuraciónMuros de Hormigón Armado

Protección Sísmica AMS

N° Pisos 22

N° Subterráneos 2

Cantidad de Dispositivos 2 AMS de 100 ton c/u

Superficie en planta Aprox. 15.000 m2 totales

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Ejemplo 1

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Ejemplo 1

SISMOS Y REDUCCIONES EN

DIRECCIÓN XREDUCCIÓN PROMEDIO

DRIFTS ENTREPISO 22.5 %

DESPLAZAMIENTOS TECHO RMS 21.6 %

ACELERACIÓNES TECHO RMS 18.2 %

CORTE SUPERESTRUCTURA RMS 25.0 %

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5. Concepto AMS - A+D

Tipo de AMS

AMS sobre aisladores y deslizadores

CaracterísticasPeríodos 1 - 2.5 segundos

Desplazamientos de masa de hasta 1 mAisladores proveen rigidez y amortiguamiento

Deslizadores soportan peso de AMS y proveen amortiguamiento

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5. AplicabilidadF

uer

za d

e d

iseñ

o (

W/g

)

3.00

0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

0.2

0.4

0.6

1.0

1.2NCh 2745-03

0.8

Periodo (s)

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Ejemplo 2

EstructuraciónMuros de Hormigón Armado

Protección Sísmica AMS

N° Pisos 35

N° Subterráneos 4

Cantidad de Dispositivos 2 AMS de 200 ton c/u

Período de la estructura 1.6 s (Y), 1.4 s (X), 1.2 s (Z)

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Ejemplo 2SISMOS Y REDUCCIONES EN DIRECCIÓN X REDUCCIÓN PROMEDIO

DRIFTS ENTREPISO 27.4%

ROTACIÓN DE PISO 26.3%

DESPLAZAMIENTOS TECHO RMS 13.6%

ACELERACIÓNES TECHO RMS 13.9%

CORTE SUPERESTRUCTURA RMS 14.7%

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Ejemplo 2

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Ejemplo 2

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6. Modelación

• Cómo modelo un AMS?

• Es posible modelar linealmente un edificio con AMS usando ETABS?

• Cuáles son las alternativas?

DESARROLLO DE SOFTWARE

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6. Modelación - software

Sobre aisladores simplesSobre aisladores simples Sobre aisladores dobles y deslizadores

Sobre aisladores dobles y deslizadores

Colgados (sistema de péndulo)Colgados (sistema de péndulo) Sistemas híbridosSistemas híbridos

Tip

os

de A

MS

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6. Modelación - software• CARACTERÍSTICAS DEL SOFTWARE

Análisis Dispositivos AMS Estructura base

No-lineal Aisladores simples Export desde ETABS

Grandes deformaciones

Aisladores dobles Sat-Build

Tiempo Historia Deslizadores simples

Integración Directa Deslizadores dobles

Análisis Paralelo Péndulos simples

Parametrización Péndulos dobles

Definidos por usuario

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6. Modelación - software

• VALIDACIÓN

• Edificio estructurado en base a muros

• 10 pisos

• T = 0.46 s

• Peso total: 15000 tonf

• La validación lineal se hizo con SAP2000 e ETABS

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6. Modelación - software

10 20 30 40 50 60 70

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

tiempo [s]

Des

plaz

amie

nto

de t

echo

SAP

ETABS

SIRVE

27 27.5 28 28.5 29 29.5 30 30.5 31

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

tiempo [s]

Des

plaz

amie

nto

de t

echo

SAP

ETABSSIRVE

• COMPARACIÓN SIN AMS

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6. Modelación - software• VALIDACIÓN NO LINEAL CON AMS

• La validación no lineal se realizó con el programa SAP2000 con integración directa

• Consistió en someter a una excitación sísmica a un AMS apoyado sobre 4 deslizadores friccionales y dos aisladores sísmicos simples

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6. Modelación - software

• COMPARACIÓN AMS

10 15 20 25 30 35 40-6

-4

-2

0

2

4

De

spla

zam

ien

to d

el A

MS

SAP

MATLAB

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

SAP

MATLAB

Respuesta a un sismo de menor intensidad

Respuesta a un sismo de mayor intensidad

De

spla

zam

ien

to d

el A

MS

IV CONGRESO ASOCIACIÓN DE INGENIEROS CIVILES ESTRUCTURALES: “REPLICAS”31

6. Modelación - software

• COMPARACIÓN AMS

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

Desplazamiento aislador [cm]

Fue

rza

aisl

ador

[to

n]

SAP

MATLAB

Comparación de la constitutiva del aislador

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6. Modelación

• Los AMS se sintonizan a 0.5 s y se analizan amortiguamientos de 2% a 25%

2 AMS, 2% del peso de la estructuraCARACTERÍSTICAS

RIGIDEZ 7.3 tonf/cm

PESO 45 ton

AMORTIGUAMIENTO 2, 10, 15, 20, 25%

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6. Modelación

MODELO SAP2000

Integración directa

MODELO ETABS

Análisis modal

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6. Modelación

• En ambos programas se define exactamente el mismo elemento lineal para modelar el amortiguamiento y la rigidez.

• El AMS esta sintonizado a 0.5 s.

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6. Modelación

SAP LINEARLINK

ETABS LINEARLINK

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6. Modelación

• En ambos programas se realiza una análisis en el tiempo historia para el sismo de Llolleo compatibilizado con la norma 2745.

• En SAP2000 se realiza una integración directa que es el método mas exacto.

• En ETABS se realiza el análisis modal lineal

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6. Modelación

Comparación de estructuras con AMS para 2% y 10% de amortiguamiento

22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

-6

-4

-2

0

2

4

6

22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

-6

-4

-2

0

2

4

6

SAPETABSSIRVE

2%

10%

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6. Modelación

22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

-6

-4

-2

0

2

4

6

Desplazamiento de techo ams (2% PESO SUB) amortiguamiento xsi=20%

22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32-8

-6

-4

-2

0

2

4

Desplazamiento de techo ams (2% PESO SUB) amortiguamiento xsi=15%

15%

20%

SAPETABSSIRVE

IV CONGRESO ASOCIACIÓN DE INGENIEROS CIVILES ESTRUCTURALES: “REPLICAS”39

6. ModelaciónSAPETABSSIRVE

22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

-6

-4

-2

0

2

4

6

25%

IV CONGRESO ASOCIACIÓN DE INGENIEROS CIVILES ESTRUCTURALES: “REPLICAS”40

6. Modelación

OBSERVACIONES:

A medida que se aumenta el amortiguamiento, la respuesta de techo entregada por ETABS es mucho menor que la entregada por SAP2000 y nuestro software.

Lo contrario ocurre con SAP2000 mientras mas amortiguamiento, la respuesta de techo crece levemente.

Aunque no se presenta, se observo que para amortiguamientos del orden de 80% desplazamiento de techo es casi a cero.

0 5 10 15 20 2520

25

30

35

40

45

50

55

xsi

Red

ucci

ón %

SAP INTEGRACION DIRECTA

ETABS ANALISIS MODAL

SOFTWARE SIRVE INTEGRACIÓN MIXTA

IV CONGRESO ASOCIACIÓN DE INGENIEROS CIVILES ESTRUCTURALES: “REPLICAS”

7. Demo software SIRVE

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7. Demo software SIRVE

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8. Conclusiones• Es incorrecto modelar AMS usando elementos lineales con un C y un K

• ETABS sobreestima las reducciones. Reducciones sobre un 40 % pueden buenas sin embargo son un claro indicio de que se está modelando mal el problema.

• Si las reducciones aumentan secuencialmente a medida que aumenta el amortiguamiento el problema está incorrectamente modelado y los resultados son falsos.

• Los errores de ETABS no solo prometen falsas reducciones sino que subestiman las deformaciones de los AMS lo cual es crítico para su diseño y la seguridad del edificio.

• El comportamiento de SAP2000 con integración directa coincide plenamente con el de la teoría en cuanto a que mientras más es el amortiguamiento incorporado la efectividad del sistema disminuye.

• Las reducciones entregado por SAP2000 <=30% son reducciones razonables que coinciden con la experiencia que SIRVE ha tenido en otros proyectos.

• Se puede decir entonces que los resultados de SAP2000 son los correctos.

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8. Conclusiones

•Problemas de ETABS - modelamiento

• El “Análisis Modal no-lineal ” de ETABS no asegura el equilibrio exacto entre elementos NL y elementos L

• No se puede desacoplar el amortiguamiento de la estructura con el de los AMS (modos acoplados). O se agrega amortiguamiento a los AMS o se quita a la estructura lo que en ambos casos es incorrecto.

• ETABS, a diferencia de SAP, no posee Integración directa

• La rigidez y amortiguamiento de un AMS son no-lineales con la deformación y velocidad, para obtener un optimo desempeño de un AMS es necesario iterar, hacer esto en ETABS es costoso

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8. Conclusiones

•Problemas de ETABS - elementos

• ETABS no posee un elemento para modelar deslizadores dobles correctamente , al hacerlo con un elemento simple hay serios errores en la estimación de la velocidad de deslizamiento.

• No existe un elemento para modelar aisladores dobles, con distinta constitutiva y con distinta rigidez en tracción que en compresión.

• No existen elementos para modelar no linealmente AMS colgados (péndulos)