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


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


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?


1. Que es un AMS?

EDIFICIO SIN AMS

1 GDL

EDIFICIO CON AMS

2 GDL


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)


1. Que es un AMS?

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

edificio

Control de sintonía


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)


2. Aplicabilidad

EDIFICIOS ALTURA MEDIA

EDIFICIOS GRAN ALTURA

TIPO DE SOLUCIONES PARA EDIFICIOS CON

SISTEMA AMS

Despl.RequeridoDespl.Vertical


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)


3. Necesidad

EDIFICIO SIN DISIPACIONEDIFICIO SIN AMS

AMS

Bolas y resortes “Friction Pendulum System”

Aisladores


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


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

AMS no amortiguado AMS amortiguado

INPUTAMSOUTPUT

+Amortiguamiento

+ Ancho de banda- Reducción- Desplazamiento de masa


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)


4. AMS - A

Períodos bajos

Períodos medios

Altura Edificio + Desplazamiento

Estabilidad vs. Costo


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


Ejemplo 1


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 %


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


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)


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)


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%


Ejemplo 2


Ejemplo 2


6. Modelación

• Cómo modelo un AMS?

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

• Cuáles son las alternativas?

DESARROLLO DE SOFTWARE


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


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



• 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



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


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



• 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



• 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


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%


6. Modelación

MODELO SAP2000

Integración directa

MODELO ETABS

Análisis modal


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.


6. Modelación

SAP LINEARLINK

ETABS LINEARLINK


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


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%


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


6. ModelaciónSAPETABSSIRVE

22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

-6

-4

-2

0

2

4

6

25%


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


7. Demo software SIRVE

41


7. Demo software SIRVE

42


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.


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


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)

Documents

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