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REQUISITOS PARA EL DISEÑO SÍSMICO
DE ESTRUCTURAS CON SISTEMAS PASIVOS
DE DISIPACIÓN DE ENERGÍA
(Norma Borrador, elaborada por ACHISINA)
AICE, Hotel Atton Vitacura, 27-06-2013
Mauricio Sarrazin
Tipos de Disipadores Pasivos de Energía
Viscosos: dependen de la velocidad (F=kf(va))
• Deformación de materiales viscoelásticos
• Fluidos viscosos
Histeréticos: dependen de los desplazamientos (F=kf(u))
•Deformación plástica o extrusión de metales
•Disipadores por fricción
Otros
•Materiales superelásticos o con memoria de forma
•Amortiguadores de masa sintonizada
Tipos de disipadores y sus modelos
Viscosos, Viscoelásticos
• Fluido viscoso
• Viscoelástico
• Muros con
amortiguamiento
viscoso
Amolanas, Chile La Rambla, España
Metálicos
• Acero
• Plomo
Nueva Zelanda
Puente South Rangitikei, 1981
315 mts, cepa 78 mt
Barras de pandeo restringido
Santa Clara Medical Centre Hospital
ADAS
Fricción • Pall
• EDR Patentado por Fluor
• “Slotted Bolted Connections” Grigorian and Popov, 1992
Paper 1011
13wcee
Sumitomo
Superficie de Cu
con grafito
Otros sistemas de disipación
no contemplados en la norma
•Amortiguadores de masa sintonizada (AMS)
•Amortiguadores semi-activos (Ej. MRD)
•Amortiguadores activos
Incorporación de disipadores:
Principios Básicos
•Distribución espacial de los disipadores: en
cada piso y a cada lado del edificio
•Redundancia de disipadores: Al menos 2
disipadores en la misma línea de acción
•Para el sismo máximo considerado, los
disipadores y sus conexiones deben diseñarse
para evitar fallas (no ser el punto débil)
•Los elementos que transmiten las fuerzas de los
disipadores a la estructura deben permanecer
elásticos
Filosofía de diseño
1.La metodología es aplicable a todo tipo de
sistemas disipadores.
2. La metodología proporciona criterios de diseño
mínimos, con objetivos comparable a los de
sistemas sismorresistentes convencionales
(pero permite también criterios de diseño que e
leven los niveles de desempeño).
3. La metodología requiere que los edificios
con disipadores tengan una estructura sismo-
resistente que cumpla con los requerimientos de
la NCh433 para edificios sin disipadores.
4. Se requiere el diseño de los disipadores y el
ensayo de prototipos para desplazamientos,
velocidad y fuerzas correspondientes al terre-
moto máximo posible.
5. La norma provee método de análisis
modal espectral aplicable en muchas
estructuras, siempre que cumplan con
cierta configuración y ciertos criterios de
diseño mínimos (por ejemplo, ser regulares en
planta y altura, al menos 2 disipadores por piso
para resistir torsión).
Pero se requiere análisis no lineal en el tiempo
para confirmar la respuesta máxima de
estructuras que no cumplan con esos criterios.
PROYECTO DE NORMA CHILENA
Trabajo de comisión de ACHISINA comenzó en 2006
Borrador final se entregó en enero de este año (versión N°26)
1. ASPECTOS GENERALES Está basada en ASCE-7-2010.
Es, en algunos aspectos, más conservadora que ésta
1.1 ALCANCE:
Tipos de disipadores
No es aplicable a amortiguadores AMS
Si se usan en un sistema de aislación, debe
usarse NCh2745
1.2 DEFINICIONES:
Estructura sismorresistente
Sistema disipador
Sistema sismorresistente (la suma de las
anteriores)
Sismo de diseño: 10% en 50 años
Sismo máximo: 10% en 100 años
(1.2 DEFINICIONES)
ESTRUCTURA SISMORRESISTENTE: Todos los elementos que
forman la estructura, excluyendo los disipadores.
SISTEMA DISIPADOR: Conjunto de los elementos disipadores.
SISTEMA SISMORRESISTENTE: Estructura sismorresistente +
Sistema Disipador.
SISMO DE DISEÑO: 10% probabilidad de excedencia en 50 años
SISMO MÁXIMO POSIBLE: 10% prob. de excedencia en 100 años
(1. ASPECTOS GENERALES)
(2. REQUERIMIENTOS GENERALES DE DISEÑO)
2.1 REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA.
Se permite satisfacer los requisitos de deformación entre pisos
considerando también el sistema disipador
2.1.1 ESTRUCTURA SISMORRESISTENTE.
• Debe cumplir con disposiciones de la norma NCh433 (en lo que no
se contraponga con esta norma).
• Además:
1) Corte basal mínimo:
Vmin = Mayor de (V/B1 , ISAoP/6g) Se permite usar el primer valor si se cumple la deformación máx entre pisos de NCh433
2) Elementos de la estructura sismorresistente que además
formen parte del sistema disipador: requerimientos adicionales
(cláusulas 5.1.2 o 5.2.2)
2.1.2 SISTEMA DISIPADOR
1) Elementos de soporte: diseño elástico.
2) Diseño del sistema disipador para el sismo máximo posible.
3) Puntos de conexión de disipadores deben poder acomodar
desplazamientos en tres direcciones.
4) Debe haber medios de acceso y un programa de inspección.
5) Profesional responsable del diseño debe establecer un
plan de control para la fabricación de los disipadores.
(2. REQUERIMIENTOS GENERALES DE DISEÑO)
2.2 MOVIMIENTO DEL SUELO
2.2.1 ESPECTRO ELÁSTICO DE DISEÑO
- Para Estructura Sismorresistente: NCh433
- Para Disipadores: 1.2 (espectro elástico de diseño de techo NCh433)
- Espectros específicos para suelos D, E, F o si el edificio se encuentra a menos de 10 km de una falla activa.
2.2.2 REGISTROS SÍSMICOS
Cuando se tiene una de las situaciones siguientes:
1) Si Sistema Disipador se modela explícitamente y se
usa análisis dinámico no-lineal
2) Si se ha desarrollado un espectro específico
del lugar
Entonces se deben usar registros de aceleración del sismo de diseño y del sismo máximo posible de acuerdo a NCh2745.
2.3 SELECCIÓN DEL PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS
Pueden usarse procedimientos lineal, no-lineal o una combinación.
- Si el suelo es tipo D según NCh433 o si se cumple el punto 1) de 2.2.2,
deberá utilizarse análisis dinámico no-lineal según la cláusula 3.
- Si la estructura está en suelo E o F, o se encuentra
a menos de 10 km de una falla activa, además de lo anterior hay que
considerar la cláusula 5.1 para la respuesta dinámica máxima.
2.3.1 PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS NO-LINEAL (Cláusula 3.)
Puede usarse para cualquier estructura con disipadores pasivos.
2.3.2 PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS MODAL ESPECRAL (Cláusula 4)
Puede usarse si se cumple:
- La estructura es regular en elevación y planta
- En la dirección de análisis hay al menos dos
disipadores por piso
- Si R1 es menor o igual que 3
3. PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS
DINÁMICO NO-LINEAL
Se definen los modelos matemáticos a utilizar, los movimientos
sísmicos a considerar y los ensayos de los disipadores
3.1 MODELAMIENTO DE LA ESTRUCTURA
Se deberá considerar, entre otros:
- Distribución espacial de las masa
- Comportamiento histerético de los elementos,
basado en ensayos
- Degradación de resistencia y rigidez
- En sistemas regulares con sistemas sismorresistentes
ortogonales se permiten modelos 2D
- Amortiguamiento inherente según 4.3.4
3.2 MODELAMIENTO DEL SISTEMA DISIPADOR
Se deberá considerar, entre otros:
- Para disipadores dependiente de la
deformación, el modelo debe representar el
comportamiento histerético experimental
- Para disipadores dependientes de la
velocidad se deberá incluir un coeficiente
de velocidad consistente con los datos
experimentales
- Si las propiedades de los disipadores
cambian durante el análisis, se permite usar
la envolvente considerando propiedades
máxima y mínima de los disipadores
3.3 PARÁMETROS DE RESPUESTA
Se deberá considerar los siguientes parámetros de
respuesta:
- Esfuerzo máximo de los elementos
- Desplazamiento máximo entre pisos
- Desplazamiento y velocidad máxima en
disipadores, según sea el caso
Se podrá usar el promedio de las respuestas en caso de
utilizarse 7 o más registros, de otra forma debe usarse el la
respuesta máxima, con un mínimo de 3 registros.
4. PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS
MODAL ESPECTRAL
El procedimiento es iterativo, a no ser que el sistema disipador
sea lineal viscoso.
El procedimiento es aproximado porque la matriz de
amortiguamiento no es clásica. Es posible obtener una solución
exacta empleando espacio de estado y variables complejas.
Este procedimiento se puede usar sólo si:
- R1<3 (equivale a estructura prácticamente elástica)
- La Estructura Sismorresistente es regular
- El lugar se encuentra lejos de una falla activa
- El suelo no es de los tipos D, E o F para el Sistema Disi-
pador o E o F para la Estructura Sismorresistente.
4.1 MODELAMIENTO
- El modelo de la Estructura Sismorresistente deberá
satisfacer los requerimientos de NCh433 para análisis
modal.
- Los elementos del Sistema Disipador, que no sean los
disipadores mismos, deberán ser modelados
explícitamente.
- La rigidez de los disipadores deberá modelarse de
acuerdo al tipo y propiedades del disipador que
corresponda.
4.2 PARÁMETROS DE RESPUESTA
Se deberá usar la combinación CQC de la norma NCh433, con
un coeficiente de acoplamiento modal dado por:
r = Ti /Tj
Suma masas equivalentes > 95%
𝜌𝑖𝑗 =8 𝛽𝑖𝛽𝑗 𝛽𝑖 + 𝑟𝛽𝑗 𝑟
3/2
1 − 𝑟2 2 +
4𝛽𝑖𝛽𝑗𝑟 1 + 𝑟2 + 4 𝛽𝑖
2 + 𝛽𝑗2 𝑟2
4.2.1 SISTEMA DISIPADOR
Fuerzas de diseño en los disipadores:
Dependerán del tipo de disipador.
Desplazamiento entre pisos
𝑆𝑑𝑒(T) = Espectro desplaz. para sismo max
∆𝑖𝑚 = 𝛿𝑖𝑚 − 𝛿 𝑖−1 𝑚
Velocidad relativa entre pisos: a partir de la pseudovelocidad
𝛻𝑖𝑚 = 𝛼𝑚2𝜋
𝑇𝑚∆𝑖𝑚
𝛼𝑚 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛
𝛿𝑖𝑚 = Г𝑚𝜙𝑖𝑚𝑆𝑑𝑒 𝑇𝑚𝐵𝑚
4.2.2 ESTRUCTURA SISMORRESISTENTE
Fuerzas laterales para el piso i
𝐹𝑖𝑚 = 𝑚𝑖Г𝑚𝜙𝑖𝑚𝑆𝑎𝑒 𝑇𝑚𝑅1𝐵𝑚
𝐵𝑚 𝑇𝑚, 𝛽𝑚 = 𝑑𝑒 𝑇𝑎𝑏𝑙𝑎 2
4.3 MODIFICACIÓN DE LA RESPUESTA POR AMORTIGUAMIENTO
4.3.1 COEF. DE AMORTIGUAMIENTO
4.3.2 AMORT. VISCOSO EQUIVALENTE
𝛽𝑚 = 𝛽𝑖 + 𝛽𝑎𝑚
𝛽𝑖 = amortiguamiento inherente
𝛽𝑎𝑚 = amort. viscoso equivalente
Tabla 1. Factor de corrección de la seudo velocidad
(𝐚𝑚).
𝑇𝑚 [s] 𝛽𝑚
0,05 0,10 0,15 0,20 0,30 0,40 0,50
0,1 0,77 0,71 0,66 0,64 0,59 0,56 0,54
0,2 0,91 0,88 0,86 0,84 0,81 0,78 0,76
0,3 0,98 0,96 0,95 0,94 0,93 0,91 0,90
0,4 1,03 1,04 1,03 1,03 1,01 1,01 1,01
0,5 1,01 1,02 1,05 1,06 1,09 1,11 1,12
1,0 1,21 1,26 1,28 1,33 1,40 1,47 1,53
1,5 1,33 1,41 1,51 1,57 1,68 1,79 1,87
2,0 1,50 1,59 1,68 1,78 1,90 2,01 2,12
2,5 1,67 1,80 1,93 2,01 2,18 2,35 2,47
3,0 1,83 2,01 2,11 2,24 2,45 2,60 2,71
Tabla 2. Coeficiente de amortiguamiento (𝐵𝑚)
𝑇𝑚 [s] 𝛽𝑚
0,05 0,10 0,15 0,20 0,30 0,40 0,50
0,05 1,00 1,08 1,13 1,16 1,21 1,24 1,27
0,10 1,00 1,25 1,41 1,54 1,72 1,88 2,01
0,20 1,00 1,31 1,56 1,77 2,15 2,46 2,75
0,30 1,00 1,34 1,61 1,85 2,26 2,62 2,96
0,50 1,00 1,32 1,59 1,83 2,29 2,73 3,14
2,00 1,00 1,26 1,48 1,66 1,98 2,27 2,54
3,00 1,00 1,23 1,43 1,60 1,90 2,16 2,40
4.3.3 AMORT. VISCOSO EQUIVALENTE ADICIONADO
𝛽𝑎𝑚 = 𝑊𝑗𝑚𝑗
4𝜋𝑊𝑚
𝑊𝑗𝑚 = Trabajo del j − ésimo disipador
𝑊𝑚= Energía de deformación máxima para desplazamiento de diseño del modo m
4.3.4 AMORTIGUAMIENTO INHERENTE, 𝜷𝒊
< 3% para diseñar el sistema disipador < 5% cuando se diseñe la estructura sismorresistente
5. ESTADOS DE CARGA SÍSMICA Y CRITERIOS DE
ACEPTACIÓN
En este artículo se establece los requisitos que deben cumplir los parámetros
de los diferentes sistemas estructurales y los estados de carga a considerar.
Estos son específicos para cada procedimiento de análisis:
Respuesta en el tiempo
Modal espectral
5.1 PROCEDIMIENTO DINÁMICO NO-LINEAL
5.1.1 ESTRUCTURA SISMORRESISTENTE
• Requisitos de resistencia de NCh433, método de análisis modal.
• Deformación entre pisos: la de la norma NCh433 x R1.
5.1.2 SISTEMA DISIPADOR
• Debe verificarse considerando el sismo máximo posible
5.1.3 COMBINACIÓN DE CARGAS
• La combinación con cargas de gravedad debe hacerse según NCh3171
5.1.4 CRITERIOS DE ACEPTACIÓN PARA LOS PARÁMETROS DE RESPUESTA
• Estructura sismorresistente y sistema disipador: evaluarse según
criterios por resistencia, considerando un factor de reducción de
resistencia = 1.
• Considerar factores de mayoración según NCh3171.
• No es necesario verificar los elementos de la estructura sismo-
resistente para los esfuerzos del análisis no-lineal.
5.2 PROCEDIMIENTO MODAL ESPECTRAL
5.2.1 ESTRUCTURA SISMORRESISTENTE
Fuerzas máximas de diseño:
1. Del análisis modal espectral del sistema sismorresistente.
Los esfuerzos deberán escalarse según el corte mínimo y
deberán considerarse las fuerzas de los disipadores sobre
la estructura.
2. Análisis estático del sistema sismorresistente con las fuerzas
de diseño de los disipadores dependientes de la velocidad.
5.2.2 SISTEMA DISIPADOR
Los disipadores y sus componentes deben diseñarse para resistir
las fuerzas, desplazamientos y velocidades provenientes del análisis
modal considerando el sismo máximo posible.
5.2.3 COMBINACIONES DE CARGA
Al igual que para el caso de respuesta en el tiempo, las cargas
deben combinarse según la norma NCh3171.
6. REVISIONES DEL DISEÑO
El proyecto de norma contempla la revisión del proyecto por parte
de un “equipo revisor autorizado independiente”.
7. ENSAYOS
Las propiedades fuerza-velocidad y fuerza-desplazamiento
usadas en el diseño deberán basarse en ensayos de prototipos.
7.1 ENSAYOS DE PROTOTIPO
7.2 ENSAYOS DE PRODUCCIÓN
Antes de instalarse los disipadores en el edificio los
disipadores deberán ensayarse según un programa
definido por el Ingeniero Responsable del Diseño