583106 Estanques Acero PUC

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  • 7/22/2019 583106 Estanques Acero PUC

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    PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILE

    ESCUELA DE INGENIERIA

    ANLISIS DE LOS EFECTOS DELTERREMOTO DEL 27 DE FEBRERO DE 2010EN ESTANQUES DE ACERO INOXIDABLEDE PARED DELGADA (EAIPD) CON PATAS

    Y DESARROLLO DE UN SISTEMA DEPROTECCIN SSMICA PARA ESTAS

    ESTRUCTURAS

    VCTOR MANUEL SANDOVAL SANZANA

    Tesis para optar al grado de

    Magister en Ciencias de la Ingeniera

    Profesor Supervisor:

    JOS LUIS ALMAZN C.

    Santiago de Chile, Marzo, 2011

    !2011, Victor Manuel Sandoval Sanzana

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    PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILE

    ESCUELA DE INGENIERIA

    ANLISIS DE LOS EFECTOS DELTERREMOTO DEL 27 DE FEBRERO DE 2010EN ESTANQUES DE ACERO INOXIDABLEDE PARED DELGADA (EAIPD) CON PATAS

    Y DESARROLLO DE UN SISTEMA DEPROTECCIN SSMICA PARA ESTAS

    ESTRUCTURAS

    VCTOR MANUEL SANDOVAL SANZANA

    Tesis presentada a la Comisin integrada por los profesores:

    JOS LUIS ALMAZN C.

    HERNN SANTA MARA O.

    JUAN FELIPE BELTRN M.

    FRANCO PEDRESCHI P.

    Para completar las exigencias del grado de

    Magister en Ciencias de la Ingeniera

    Santiago de Chile, Marzo, 2011

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    A mis amados padres, Lorena y

    Agustn.

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    AGRADECIMIENTOS

    A travs de estas lneas quisiera agradecer el apoyo recibido por todas laspersonas que han estado junto conmigo en esta ardua etapa.

    De forma especial agradezco el apoyo prestado por mi profesor gua Jos Luis

    Almazan quien con mucha paciencia y dedicacin logr guiar el desarrollo de este

    trabajo como un gran maestro y amigo.

    Tambin agradezco a las instituciones que hicieron posible el desarrollo de esta

    investigacin, entre ellas la Asociacin de Vinos de Chile, la empresa TPI y sobre todo a

    mi actual empresa ESSS.

    Por ltimo, dedico este trabajo a mi gran familia, mis padres, hermanos, a Lorena

    y mi hijo Agustn. Slo con su apoyo fue posible cumplir con esta difcil tarea.

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    NDICE GENERAL

    Pg.

    DEDICATORIA .............................................................................................................. iii

    AGRADECIMIENTOS ................................................................................................... ivNDICE DE TABLAS ................................................................................................... viiiNDICE DE FIGURAS .................................................................................................... ixRESUMEN ..................................................................................................................... xviABSTRACT .................................................................................................................. xvii1. INTRODUCCIN ................................................................................................... 1

    1.1. Antecedentes Generales ................................................................................... 2

    1.2. Aislacin y disipacin en estanques ................................................................ 4

    1.3. Industria Vitivincola........................................................................................7

    1.4. Objetivos del Estudio ..................................................................................... 102. EL SISMO DEL MAULE 2010 Y SUS IMPLICANCIAS EN

    LA INDUSTRIA VITIVINICOLA ....................................................................... 11

    2.1. Antecedentes generales .................................................................................. 11

    2.2. Anlisis de daos por zonas geogrficas ....................................................... 13

    2.3. Daos observados en estanques apoyados en el suelo ................................... 23

    2.4. Anlisis de daos en estanques de acero inoxidable de pared delgada con

    patas. ...................................................................................................................... 46

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    3. SISTEMA DE AISLAMIENTO SSMICO DE ESTANQUES ............................ 793.1. Estudios previos e implementaciones anteriores de aislamiento en estanques ..

    ......................................................................................................................... 79

    3.2. Descripcin del Sistema de Aislamiento Rotacional Vertical ....................... 84

    3.3. Modelo de Elementos Finitos ........................................................................ 97

    3.4. Anlisis Experimental .................................................................................. 1083.5. Comparacin de Resultados ........................................................................ 115

    4. ANLISIS DE PROCEDIMIENTOS DE DISEOCONSIDERANDO MODELOS NUMRICOS ................................................. 122

    4.1. Modelacin de elementos finitos mediante software ANSYS .................... 122

    4.2. Anlisis Modal ............................................................................................. 1404.3. Anlisis de Superposicin Modal Espectral ................................................ 149

    5. CONCLUSIONES ............................................................................................... 1665.1. Conclusiones Generales ............................................................................... 166

    5.2. Comportamiento estructural de sistemas de almacenamiento en el Sismo del

    27 de Febrero de 2010 ......................................................................................... 167

    5.3. Sistema de Aislamiento Vertical Rotacional ............................................... 169

    5.4. Anlisis con simulacin numrica. .............................................................. 170

    5.5. Comentarios para futuros trabajos ............................................................... 172

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    BIBLIOGRAFA ........................................................................................................... 173ANEXOS....................................................................................................................... 175

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    NDICE DE TABLAS

    Pg.

    Tabla 2-1: Resumen del estado de bodegas visitadas..................................................... 17

    Tabla 2-2: Valores Mximos de Aceleracin (RENADIC)............................................ 20

    Tabla 4-1: Propiedades de modelo de verificacin......................................................... 124

    Tabla 4-2: Resultados obtenidos de verificacin esttica............................................... 131

    Tabla 4-3: Resultados del Anlisis Modal...................................................................... 131

    Tabla 4-4: Descripcin de modelos para anlisis modal................................................ 140

    Tabla 4-5: Propiedades Dinmicas de Modelos FEM.................................................... 144

    Tabla 4-6: Parmetros de diseo para Norma Chilena 2369.......................................... 150

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    NDICE DE FIGURAS

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    Figura 1-1: Estanques tpicos de acero. a) Estanques elevados con apoyos, b)

    Estanques apoyados directamente al suelo..................................................................... 3

    Figura 1-2: Esquema de analoga masas-resortes propuestas por Housner.................... 5

    Figura 1-3: Dispositivos de aislacin y disipacin ssmica (Malhotra, 1997 y 1998..... 6

    Figura 1-4: Esquema de aislacin mediante pndulos friccionales (Shrimali, 2001)..... 7

    Figura 1-5: Valles vitivincolas de Chile........................................................................ 9

    Figura 2-1: Daos en estanques para el terremoto de Pisco (2007)................................ 13

    Figura 2-2: Mapa de valles vitivincolas y zonas afectadas por el sismo....................... 14

    Figura 2-3: Mapa de Bodegas visitadas y evaluacin de su estado general................... 18

    Figura 2-4: Mapa de la Red nacional de acelergrafos................................................... 21

    Figura 2-5: Estanques apoyados en el suelo. a) Estanque anclado al suelo, b)

    Estanque montado sobre bancada................................................................................... 24

    Figura 2-6: Daos en estructuras de techo. a) Dao incipiente por succin, b) Dao

    grave por succin y punzonamiento............................................................................... 26

    Figura 2-7: Daos en Manto. a) Dao en manto por falla del sistema de anclaje, b)

    Pandeo pata de elefante, c) Detalle de pata de elefante, d) Dao en virolas

    intermedias producto de impacto.................................................................................... 28

    Figura 2-8: Curvatura de Rebordeo................................................................................ 30

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    Figura 2-9: Daos en el Fondo. a) Falla del fondo por desplazamiento del manto, b)

    Desprendimiento del fondo por falla de soldadura y corrosin...................................... 31

    Figura 2-10: Sistema de Tope......................................................................................... 33

    Figura 2-11: Fallas en Sistema de Tope. a) Perdida de contenido por falla en la

    soldadura, b) Pandeo del manto, c) Pliegues en el manto, d) Falla del tope................... 34

    Figura 2-12: Silla de Anclaje.......................................................................................... 35

    Figura 2-13: Fallas en Sillas de Anclaje. a) Longitud de anclaje deficiente, b) Falla

    en punta de diamante, c) Desprendimiento del hormign, d) Falla del hormign por

    cercana al borde............................................................................................................. 37

    Figura 2-14: Sistemas de sujecin a travs de ganchos. a) Gancho tipo L invertido,

    b) Gancho tipo U ........................................................................................................ 39

    Figura 2-15: Fallas en sistemas de sujecin a travs de ganchos. a) Perdidas de

    contenido por fractura de soldadura del anclaje, b) Pata de elefante y deformacin del

    gancho, c) Grandes deformaciones del fondo, d) Desprendimiento de pernos en losa

    de hormign, e) Falla del gancho sin dao en el manto, f) Deformacin del anclaje

    sin dao en el manto....................................................................................................... 42

    Figura 2-16: Estanques montados sobre bancadas.......................................................... 44

    Figura 2-17: Fallas en bancadas de apoyo continuo. a) Deformaciones en el fondo en

    estanque apoyado en la bancada, b) Levantamiento de estanque por traslape

    insuficiente, c) Falla en punta de diamante..................................................................... 45

    Figura 2-18: Sistema Estructural de Estanques con Apoyo............................................ 47

    Figura 2-19: Dao en techo por impacto........................................................................ 49

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    xi

    Figura 2-20: Daos en techo por presiones de vaco. a) Deformacin en techo por

    succin, b) Fractura de cordn de soldadura. ................................................................ 50

    Figura 2-21: Virolas de manto con chaquetas de enfriamiento (Valle de Curic)......... 52

    Figura 2-22: Daos en el Manto. a) Conexin pata fuerte manto dbil, b) Colapso

    estructural por vaciado rpido, c) Dao por impacto...................................................... 54

    Figura 2-23: Daos en el Fondo. a) Deformacin en el fondo por unin pata fuerte

    fondo dbil, b) Punzonamiento del sistema de soporte................................................... 56

    Figura 2-24: Apoyos Cilndricos. a) Patas cilndricas unidas directamente al manto,

    b) Patas cilndricas con estructura de soporte................................................................. 58

    Figura 2-25: Falla en sistema de apoyos cilndrico........................................................ 59

    Figura 2-26: Patas Cnicas............................................................................................. 60

    Figura 2-27: Fallas en apoyos de seccin constante, a) Falla por sistema de

    regulacin, b) Colapso por falla en unin manto pata. .................................................. 62

    Figura 2-28: Sistema de pata en seccin variable........................................................... 64

    Figura 2-29: Dao en zona inferior del apoyo................................................................ 65

    Figura 2-30: Colapso lateral. a) Colapso lateral de sistema anclado, b) Colapso lateral

    de sistema con regulacin de altura................................................................................ 66

    Figura 2-31: Sistema de apoyo de buen comportamiento............................................... 68

    Figura 2-32: Falla en pata central................................................................................... 69

    Figura 2-33: Falla en epxico de anclaje........................................................................ 72

    Figura 2-34: Fallas en sistema de anclaje fijo. a) Arrancamiento de perno de anclaje,

    b) Anclajes en buenas condiciones................................................................................. 74

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    Figura 2-35: Fallas en sistema de apoyo regulable. a) Deformacin del sistema de

    regulacin y la pata. b) Colapso producto de la falla del sistema de regulacin............ 76

    Figura 2-36: Desplazamiento de estanques sobrepuestos. a) Desplazamiento de

    sistema sobrepuesto, b) Cadas de estanques en canaleta............................................... 78

    Figura 3-1: Vista General del aislador (Gonzlez, 2009) .............................................. 80

    Figura 3-2: Dispositivo de aislamiento vertical rotacional (Fotografa: Andrs

    Gonzlez) ....................................................................................................................... 81

    Figura 3-3: Esquema de las constitutivas Tericas del Dispositivo; a) Resorte

    principal; b) Disipador por Roce; c) Constitutiva Dispositivo Aislador Vertical

    (Gonzlez, 2009)............................................................................................................. 82

    Figura 3-4: Constitutiva Experimental Dispositivo (Gonzlez, 2009) .......................... 83

    Figura 3-5: Esquema General Aislador........................................................................... 85

    Figura 3-6: Conexin Estanque Aislador. a) Vista Frontal, b) Vista Isomtrica............ 87

    Figura 3-7: Esquema de funcionamiento del sistema estructural................................... 88

    Figura 3-8 Sistema de disipacin por roce. a) Vista Frontal, b) Vista Isomtrica.......... 92

    Figura 3-9: Esquema nuevo aislador. a) Vista Frontal, b) Vista Isomtrica................... 93

    Figura 3-10: Esquema de constitutivas tericas del nuevo dispositivo. a) Resorte

    Principal, b) Disipador por roce, c) Resorte horizontal, d) Constitutiva General del

    sistema VRI..................................................................................................................... 96

    Figura 3-11: Modelo Workbench.................................................................................... 97

    Figura 3-11: Modelo del sistema Flexible Vertical........................................................ 100

    Figura 3-12: Modelo del sistema de disipacin friccional............................................. 101

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    Figura 3-13: Constitutiva numrica sistema de disipacin friccional............................. 102

    Figura 3-14: Modelo de sistema flexible horizontal....................................................... 103

    Figura 3-15: Constitutiva numrica sistema flexible horizontal..................................... 103

    Figura 3-16: Modelo de sistema Mixto 1....................................................................... 104

    Figura 3-17: Constitutiva numrica sistema Mixto 1.................................................... 105

    Figura 3-18: Modelo de sistema Mixto 2....................................................................... 106

    Figura 3-19: Constitutiva numrica sistema Mixto 2.................................................... 107

    Figura 3-20: Montaje experimental................................................................................ 109

    Figura 3-21: Constitutiva Experimental Sistema Flexible Vertical................................ 110

    Figura 3-22: Constitutiva Experimental Sistema Mixto 1............................................. 112

    Figura 3-23: Constitutiva Experimental Sistema Mixto 2............................................. 114

    Figura 3-24: Comparacin del sistema flexible vertical................................................. 117

    Figura 3-25: Comparacin del sistema flexible horizontal............................................. 118

    Figura 3-26: Comparacin del sistema Mixto 1............................................................. 119

    Figura 3-27: Comparacin del sistema Mixto 2............................................................. 121

    Figura 4-1: Superficies de interaccin FSI (Fluido Estructura) ..................................... 126

    Figura 4-2: Malla de elementos finitos de modelo. a) Vista general, b) Detalle de

    mallado interno............................................................................................................... 127

    Figura 4-3: Modelo equivalente hidrosttico. a) Tensiones Von Misses. b)

    Deformaciones................................................................................................................ 129

    Figura 4-4: Modelo FSI. a) Tensiones Von Misses. b) Deformaciones......................... 130

    Figura 4-5: Esquema de funcionamiento de elemento contacto. ................................... 132

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    xiv

    Figura 4-6: Comparacin de formas modales................................................................. 133

    Figura 4-7: Estado post sismo de estanques................................................................... 135

    Figura 4-8: Modelo CAD 3D de estanque...................................................................... 136

    Figura 4-9: Modelo de estanque simplificado................................................................ 138

    Figura 4-10: Malla de elementos finitos. a) Malla Externa. b) Corte Transversal......... 139

    Figura 4-11: Comparacin de masa modal acumulada en porcentaje (Cummulative

    Modal Mass Ratio). a) Direccin X. b) Direccin Y. c) Direccin Z............................. 143

    Figura 4-12: Formas modales Modelo 1 (Modelo Vaco). a) Modo 1. b) Modo 2. c)

    Modo 33. ........................................................................................................................ 147

    Figura 4-13: Formas modales Modelo 2 (Modelo lleno con 5 patas fijas). a) Modo 2.

    b) Modo 3. c) Modo 5..................................................................................................... 148

    Figura 4-14: Formas modales Modelo 4 (Modelo lleno con 3 patas fijas). a) Modo 2.

    b) Modo 3. c) Modo 5..................................................................................................... 148

    Figura 4-15: Formas modales Modelo 6 (Modelo lleno Aislado). a) Modo 2. b) Modo

    3. c) Modo 4.................................................................................................................... 149

    Figura 4-16: Espectros de Aceleraciones de Diseo y Respuesta. ................................ 151

    Figura 4-17: Tensiones Von Misses (Mpa). Espectro de respuesta de Curic. Modelo

    vaco. a) Modelo completo. b) Manto. ........................................................................... 155

    Figura 4-18: Tensiones Von Misses (Mpa). Espectro de diseo con R=1. Modelo

    lleno 5 patas fijas. a) Modelo completo. b) Manto. c) Patas. ......................................... 157

    Figura 4-21: Tensiones Von Misses (Mpa). Espectro de respuesta de Curic. Modelo

    lleno 5 patas fijas. a) Modelo completo. b) Manto. c) Patas....................................... 159

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    Figura 4-20: Pandeo en el manto en estanque de 20.000 lt. .......................................... 160

    Figura 4-21: Fallas en Patas. Comparacin con tensiones obtenidas en modelo FEM.

    a) Tensiones ANSYS. b) Falla en encuentro pata manto. c) Falla por pandeo en la

    base................................................................................................................................. 161

    Figura 4-22: Tensiones Von Misses (Mpa). Espectro de respuesta de Curic. Modelo

    lleno 3 patas fijas. a) Manto. b) Patas. ........................................................................... 163

    Figura 4-23: Tensiones Von Misses (Mpa). Espectro de respuesta de Curic. Modelo

    lleno aislado. a) Modelo completo. b) Manto. ............................................................... 165

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    RESUMEN

    El sismo del Maule (Febrero 27, 2010, Chile) afect gran parte del territorio

    nacional provocando daos de consideracin en viviendas e industrias. La influencia de

    este sismo afect directamente a gran parte de la industria vitivincola nacional y los

    efectos fueron especialmente severos en sus estructuras de almacenamiento, en

    particular en los estanques de acero inoxidable de pared delgada utilizados en los

    procesos de fermentacin y guarda. La utilizacin de sistemas de aislamiento ssmico en

    edificios demostr su gran eficiencia, sin embargo la utilizacin de este tipo de

    soluciones no es general en todo tipo de estructuras. Por esta razn, en este estudio se

    busca desarrollar soluciones que permitan mitigar los efectos ssmicos en este tipo de

    estructuras a travs de la implementacin de un sistema de aislamiento ssmico basado

    en investigaciones desarrolladas desde el ao 2003 (Almazan et al.). Con la ayuda de la

    industria y el gobierno se desarrolla un plan de reconocimiento de daos en la industria.

    El resultado de esta inspeccin muestra numerosas falencias en el diseo, fabricacin y

    montaje de las estructuras lo que provoc una gran cantidad de prdidas de contenido.Se desarrolla un modelo de elementos finitos en el software ANSYS que permite

    predecir zonas de concentracin de tensiones que provocan la falla de las estructuras

    estudiadas. Este modelo permite tambin desarrollar guas de anlisis y diseo para

    disminuir la vulnerabilidad de estas estructuras frente a sismos futuros.

    Palabras Clave: Aislacin Ssmica, Terremoto del Maule (Chile, 2010), Dao

    estructural en estanques de vino, ANSYS.

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    xvii

    ABSTRACT

    The earthquake in Maule (February 27, 2010, Chile) affected a large area of the national

    territory with important damages in housings and industries. The influence of this

    earthquake included almost all the wine industry and the effects were especially severe

    in storage structures and specifically the thin wall of the stainless steel tanks used in the

    process of fermentation and storage. The seismic isolation system in the buildings

    demonstrated efficiency; however the utilization of this type of solution is not common

    in all kinds of structures. For this reason, this studys purpose is to develop solutions that

    allow to mitigate the seismic effects in these type of structures across the

    implementation of a seismic isolation system based on investigations from the year 2003

    (Almazan et al.). With the support of the wine industry and the government, a plan is

    being developed to address the damages to the industry. The result of this investigation

    shows numerous failures in design, manufacturing and assembly of the structures that

    resulted in large losses. Therefore, there is a model of a finite number of elements in the

    software ANSYS that predicts the stress zone concentrations that lead to the failure of

    the studied structures. This model develops analysis and design guidelines that will

    lower the vulnerability of these structures in future earthquakes.

    Keywords: Seismic Isolation, Maule Earthquake (Chile, 2010), Chilean Wine

    Industry, Wine Tanks Structural Damage, FEA, ANSYS.

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    a) Elevacin Frontal b) Elevacin Lateral

    Rtula

    Tangencial

    Manto

    Direccin

    Restringida

    Rtulas

    [L

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    F/

    F

    (disp)

    max

    b) Disipador por Roce

    0.5

    0.25

    0

    -0.25

    -0.5

    0 0,25 0,5 0,75 1

    F/F

    (disp)

    max

    c) Constitutiva Dispositivo

    1

    0.8

    0.6

    0.4

    0.2

    0 0 0,25 0,5 0,75 1

    F/F

    (disp)

    max

    a) Resorte Principal

    1

    0.75

    0.5

    0.25

    0

    0 0,25 0,5 0,75 1

    max

    ma

    ma

    x

    x

    Roce Disipador

    Resorte vertical

    Dispositivo

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    15

    12

    9

    6

    3

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    2[kN/m]

    k2= 0.52x10

    2[kN/m]

    Ciclos 1cm

    Ciclos 2cm

    Promedio Rama

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    Base del Estanque

    Conexin a Aislador

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  • 7/22/2019 583106 Estanques Acero PUC

    107/198

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  • 7/22/2019 583106 Estanques Acero PUC

    108/198

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  • 7/22/2019 583106 Estanques Acero PUC

    109/198

    DK

    Barra de roceBalatas

    Resortes

    Pivotes

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  • 7/22/2019 583106 Estanques Acero PUC

    110/198

    DR

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    L0

    H0

    b

    u

    Placas

    Articuladas

    ResorteHorizontal

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  • 7/22/2019 583106 Estanques Acero PUC

    111/198

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  • 7/22/2019 583106 Estanques Acero PUC

    112/198

    DH

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  • 7/22/2019 583106 Estanques Acero PUC

    113/198

    DU

    F/F

    (disp)

    max

    b) Disipador por Roce

    0.5

    0.25

    0

    -0.25

    -0.5

    0 0,25 0,5 0,75 1

    F/F

    (disp)

    max

    1

    0.8

    0.6

    0.4

    0.2

    0 0 0,25 0,5 0,75

    F/F

    F/F

    (disp

    (disp

    )

    )

    ma

    ma

    x

    x

    a) Resorte Principal

    1

    1

    0.75

    0.75

    0.5

    0.5

    0.25

    0.25

    0

    0

    0

    0

    0,25

    0,25

    0,

    0,

    5

    5

    0,75

    0,75

    1

    1

    maxma

    ma

    ma

    x

    x

    x

    Roce Disipador

    Resorte vertical

    Dispositivo

    c) Resorte Secundario

    d) Constitutiva Dispositivo

    Resorte horizontal

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  • 7/22/2019 583106 Estanques Acero PUC

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  • 7/22/2019 583106 Estanques Acero PUC

    115/198

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  • 7/22/2019 583106 Estanques Acero PUC

    116/198

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  • 7/22/2019 583106 Estanques Acero PUC

    117/198

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  • 7/22/2019 583106 Estanques Acero PUC

    118/198

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  • 7/22/2019 583106 Estanques Acero PUC

    119/198

    !LK

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    Q0B).# RS!RP V4/'-0-)-01# /)2

  • 7/22/2019 583106 Estanques Acero PUC

    120/198

    !LR

    Desplazamiento Vertical (mm)

  • 7/22/2019 583106 Estanques Acero PUC

    121/198

    !LE

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  • 7/22/2019 583106 Estanques Acero PUC

    122/198

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  • 7/22/2019 583106 Estanques Acero PUC

    123/198

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  • 7/22/2019 583106 Estanques Acero PUC

    124/198

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  • 7/22/2019 583106 Estanques Acero PUC

    125/198

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  • 7/22/2019 583106 Estanques Acero PUC

    126/198

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    Q0B).# RSKLP J4/-#3* *@5*.02*/-#,

  • 7/22/2019 583106 Estanques Acero PUC

    127/198

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  • 7/22/2019 583106 Estanques Acero PUC

    128/198

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  • 7/22/2019 583106 Estanques Acero PUC

    129/198

    !!K

    Desplazamiento Vertical (mm)

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  • 7/22/2019 583106 Estanques Acero PUC

    130/198

    !!R

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  • 7/22/2019 583106 Estanques Acero PUC

    131/198

    !!E

    Desplazamiento Vertical (mm)

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    Desplazamiento Vertical (mm)

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