Desempeñ O Estructural Pendulo Antisismico PDF

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FACULTAD DE INGENIERÍA, ARQUITECTURA Y URBANISMO ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

DESEMPEÑO ESTRUCTURAL DE UNA EDIFICACIÓN DE 14 NIVELES A ESCALA CON AMORTIGUADORES DE MASA SINTONIZADA (PÉNDULO ANTISÍSMICO) Autor (es): Chaname Bustamante Josef Alexander Malpartida Iturregui Juan de Dios Melchor Porras Alex Darwin Mori Iliquin Yeltsin Regalado Tantalean Fernando Jose Serrano Erazo Luis Eduardo Asesor: Mgtr. Cubas Armas Marlon Robert Línea de Investigación: Ingeniería de procesos Pimentel – Perú 2019

Resumen:

El siguiente informe de investigación es estudiar el desempeño estructural de un edificio hecho a escala de 14 niveles incorporando un sistema de masa sintonizada en el penúltimo nivel con el objeto de reducir la respuesta sísmica de la estructura dada por una mesa sísmica.

Es muy importante la etapa de estructuración, es ahí en donde se define el comportamiento de la estructura si el edificio es rígido, flexible o hibrido, en el presente proyecto se utilizó platina para las columnas, madera MDF para los diafragmas de entre piso, pernos y tuercas para asegurar el comportamiento de la estructura y para el péndulo se utilizó acero soldado con elásticos atados a los extremos.

Para el proyecto se tuvo como objetivo determinar el desempeño estructural de una edificación de 14 niveles a escala con amortiguadores de masa sintonizada (péndulo antisísmico).

Primero se estructura el edificio en la cual se busca que la estructura sea la más simple posible para su idealización al realizar el análisis sísmico, se acerque más al comportamiento real de la estructura.

Se realizó la prueba en el laboratorio de ingeniería civil de la Universidad Señor de Sipan dando como resultado que al incorporar los amortiguadores de masa sintonizada en una estructura de mediana o gran altura, se modifica su respuesta dinámica, se logran menores derivas de entrepiso, menores esfuerzos en la estructura, se logran estructuras más seguras, las limitaciones son que no es recomendable usarlas en estructuras de baja altura.

Abstract:

The next research report is to study the structural performance of a building made on a 14-level scale by incorporating a mass system tuned to the penultimate level in order to reduce the seismic response of the structure given by a seismic table.

The structuring stage is very important, this is where the structure's behavior is defined if the building is rigid, flexible or hybrid, in the present project a plate was used for the columns, MDF wood for the diaphragms between the floor, bolts and nuts to ensure the behavior of the structure and for the pendulum welded steel was used with elastics attached to the ends.

The objective of the project was to determine the structural performance of a 14-level building on a scale with tuned mass dampers (anti-seismic pendulum).

First, the building is structured in which the structure is intended to be as simple as possible for its idealization when performing the seismic analysis, closer to the real behavior of the structure.

The test was carried out in the civil engineering laboratory of the Lord of Sipan University, resulting in the incorporation of tuned mass dampers in a medium or high-rise structure, its dynamic response is modified, lower mezzanine drifts are achieved, lower efforts in the structure, safer structures are achieved, the limitations are that it is not advisable to use them in low-rise structures.

INDICE

INTRODUCCION ....................................................................................................................5 I.

PLAN DE INVESTIGACION ...........................................................................................6 1.1.

Planteamiento del problema .......................................................................................6

1.2. Objetivos......................................................................................................................8 II. MARCO TEORICO .......................................................................................................9 2.1.

Sistema Aporticados....................................................................................................9

2.5.

Antecedentes de la investigación...............................................................................13

2.6.

Definición de términos básicos..................................................................................16

III.

MARCO METODOLOGICO ......................................................................................19

3.1.

Tipo y diseño de la investigación ..............................................................................19

3.2.

Población y muestra ..................................................................................................19

3.3.

Hipótesis ....................................................................................................................23

3.4.

Variable .....................................................................................................................23

IV.

RESULTADOS .............................................................................................................24

V.

CONCLUSIONES ........................................................................................................28

VI.

RECOMENDACIONES ..............................................................................................28

VII.

REFERENCIAS ...........................................................................................................29

VIII.

ANEXOS ...................................................................................................................30

INTRODUCCION Los niveles de peligrosidad y danos provocados por un sismo tienden a variar en base a la magnitud y origen del mismo, por lo que la reacción provocada por este fenómeno puede ser desde despreciable hasta generar danos económicos y sociales grande, sobre todo en sectores cuyas edificaciones carecen de buenos estándares de construcción. Es por esta razón que se ha visto la necesidad de diseñar y construir estructuras resistentes a las implicancias que este fenómeno presenta, con la finalidad de evitar el colapso parcial o total de los mismo, como también inhibir los daños en los elementos no estructurales. Se han presentado innumerables metodologías con la finalidad de dar solución a problemas de seguridad estructural provocados por vibraciones y/o fuerzas externas en edificaciones, una de las alternativas más interesantes es la disipación de energía a través de sistemas de control de vibraciones acoplados a la estructura, en concreto, al uso de Amortiguadores de Masa Sintonizada (AMS) o también llamado Péndulo Antisísmico. (Oviedo & Duque, 2006).

Un AMS o Péndulo Antisísmico es un sistema compuesto por una masa, rigidez y amortiguamiento propio, la cual, al acoplarse a la parte superior de la estructura principal, controla y reduce la respuesta dinámica de la estructura, a una frecuencia determinada. La frecuencia del AMS se sintoniza con la frecuencia natural a=de la estructura portante, de tal forma que, al ser excitada, el AMS vibre en resonancia, disipando la energía absorbido y reduciendo en gran medida las vibraciones provocadas por dicha alteración. (Ambrosini & Rebecco, 2004).

La aplicación de AMS en estructuras a nivel mundial ha sido vasta, principalmente en edificios de gran altura, con el propósito de reducir las vibraciones provocadas por fuerzas externas. Algunas edificaciones que cuentan con AMS son: Taipéi 101 con una altura de 509 metros en Taiwán, Citigroup Center con una altura de 279 metros y Torre Bloomberg de 286 metros en New York, Shanghai World Financial Center de 492 metros de altura en Chin, entre otros.

I.

PLAN DE INVESTIGACION 1.1. Planteamiento del problema 1.1.1. Realidad problemática

Es sabido que Perú es una de las regiones sísmicas más activas del mundo, por esto el daño parcial o colapso de las construcciones durante y después de un sismo es la mayor causa de víctimas, disturbios sociales y pérdidas económicas. De aquí que es indispensable diseñar y construir las edificaciones para que resistan eventos sísmicos grandes sin colapsar y eventos sísmicos recurrentes sin daños en la estructura y daños mínimos o nulos en los elementos no estructurales.

Debido a lo anterior nuestro país debería tener una permanente investigación y transferencia tecnológica para reducir los daños de los terremotos generando nuevas metodologías y sistemas antisísmicos. Cuando un sistema es excitado con una acción externa variable que actúa con una frecuencia característica cercana a una de sus frecuencias naturales, la respuesta del sistema, la amplitud de las vibraciones resultantes, crecerá de forma exponencial pudiendo llegar al colapso. Este fenómeno será tanto más plausible cuanto menor sea el amortiguamiento que posea el sistema.

Por otra parte, todo sistema físico presenta, en función de su masa, rigidez y amortiguamiento, un comportamiento dinámico característico que puede definirse por sus

parámetros

modales:

modos,

frecuencias

naturales

de

vibración

y

amortiguamientos modales.

Los edificios modernos y las torres, tienden a ser muy livianos y delgados, por lo tanto, poseen un amortiguamiento natural muy pequeño, lo que las hace más propensos a las oscilaciones del viento y los sismos. Dichas oscilaciones pueden causar daño a la estructura, afectar su funcionalidad y/o causar incomodidad (Bassotti, 2004).

Una de las soluciones alternativas para los problemas de seguridad estructural y vibraciones, en particular los amortiguadores de masa sintonizados (AMS). En edificios asimétricos en los cuales el centro de masa no coincide con el centro de torsión, se produce un acoplamiento entre las vibraciones flexionales y torsionales que puede llevar a un incremento de solicitaciones en secciones críticas conduciendo al colapso estructural. En este caso, la instalación de Amortiguadores de Masa Sintonizados en posiciones apropiadas tiene un doble beneficio: Por un lado, disipa la energía ingresada por el sismo o viento a la estructura y por otro disminuye los esfuerzos torsionales al aplicar un momento torsor fuera de fase con la excitación (Bassotti, 2004).

De acuerdo a lo anterior un AMS es un sistema constituido conceptualmente por una masa, una rigidez y una amortiguación que se incorporan en la parte superior de la estructura principal con el objetivo de reducir la respuesta dinámica de la estructura a una determinada frecuencia o en el estrecho entorno de la misma. De esta forma, el AMS se “sintoniza” a una frecuencia natural de la estructura principal, de tal manera que cuando esa frecuencia es excitada, es básicamente él quien resuena, introduciendo amortiguamiento al sistema y disipando la energía de manera que la vibración de la estructura principal a dicha frecuencia de sintonización se minimiza de forma muy importante (Azanza, s.f.) 1.1.2. Formulación del problema

¿Cómo se desempeña estructuralmente una edificación de 14 niveles a escala con amortiguadores de masa sintonizada (péndulo antisísmico)? 1.1.3. Justificación e importancia

En nuestra ciudad de Chiclayo no se han realizado estudios concernientes al desempeño estructural en edificaciones con el sistema antisísmico de

amortiguadores de masa sintonizada, sobre todo en las edificaciones esenciales y esbeltas las cuales están empezando a construirse en la actualidad, dichas edificaciones, debido al pleno desarrollo de nuestra ciudad, denota cada vez mayor demanda, por lo que es de suma importancia realizar este proyecto, el cual servirá como un medio para evaluar el comportamiento de edificación, siendo esta modelada a escala con 14 niveles, ante ocurrencias de los diferentes sismo que se pueden presentar, más aun si se trata de una estructura importante socialmente hablando, siendo así se debe garantizar la seguridad y mantener la operacionalidad de la edificación durante todo el tiempo del movimiento sísmico.

1.2. Objetivos 1.2.1. Objetivo general

Determinar el desempeño estructural de una edificación de 14 niveles a escala con amortiguadores de masa sintonizada (péndulo antisísmico).

1.2.2. Objetivos específicos Construir un modelo a escala de un edificio de 14 pisos haciendo uso de un péndulo antisísmico.

Determinar una configuración optima de los Amortiguadores de Masa Sintonizados, para controlar los efectos torsionales en el sistema estudiado.

Observar el comportamiento de nuestro modelo al ser sometido a simulaciones de fuerzas sísmicas en una mesa vibratoria.

II.

MARCO TEORICO 2.1.

Sistema Aporticados 2.1.1. Definición

Los elementos porticados, son estructuras de concreto armado con lamisma dosificación columnas -vigas peraltadas, o chatas unidas enzonas de confinamiento donde forman Angulo de 90º en el fondoparte superior y lados laterales, es el sistema de los edificiosporticados.

2.1.2. Elementos de un sistema aporticado. Columna

Elemento arquitectónico de soporte, rígido, más alto que ancho y normalmente de sección cilíndrica o poligonal, que sirve para soportar la estructura horizontal de un edificio, un arco u otra construcción; también puede constituir por sí solo un elemento decorativo, una señal, etc. Viga

Elemento arquitectónico rígido, generalmente horizontal, proyectado para soportar y transmitir las cargas transversales a que está sometido hacia los elementos de apoyo.

Losa

Hablando de manera técnica, la losa es una estructura horizontal plana de hormigón armado que separa un nivel de otro en una construcción. Ahora traduciendo, es la parte de arriba (el techo de una planta) o de abajo (el piso de la planta de arriba) de una casa.

CLASIFICACIÓN TIPO

CARACTERÍSTICA

Reforzada en Actúa el refuerzo en una sola dirección Distribución

del una dirección

refuerzo

Doblemente

Su refuerzo se distribuye en 2 direcciones

reforzada

perpendiculares

Plana Forma estructural

Reticular

Nervada Composición

No posee vigas ni viguetas que transfieran las cargas a los elementos de apoyo. Emplea casetones, que son vacíos en la parte inferior que forman una retícula. Armada con una serie de nervio apoyados en vigas paralelas. Losa de concreto armado generalmente de

Maciza

espesor pequeño. Al ser apoyadas en muros trabajan en ambas

Sobre muros Apoyo

direcciones y su refuerzo es también en ambas direcciones.

Cobre

Se apoyan directamente sobre las columnas.

columnas Ubicación

Fundación

Es una losa de concreto armado apoyado sobre el terreno

Entrepiso

Separa un piso de otro

Losa que sirve de cubierta para la estructura y Techo

2.2.

niveles inferiores.

Control pasivo mediante sistemas inerciales acoplados (Amortiguadores de masa sintonizada).

Un Amortiguador de masa sintonizada (AMS) es un dispositivo que consiste de una masa, un resorte y un amortiguador que es incorporado a una estructura para reducir la respuesta dinámica de la estructura. La frecuencia del amortiguador es sintonizado a la frecuencia de la estructura en particular de modo que cuando esa frecuencia es excitada, el amortiguador resonará fuera de fase con el movimiento estructural. La energía es disipada por la fuerza de inercia amortiguadora que actúa sobre la estructura. El concepto de AMS (Amortiguador de masa sintonizada) fue aplicado por primera vez por Frahm en 1909 (Frahm, 1909) para reducir el movimiento de balanceo de los buques, así como la vibración del casco de la nave. Una teoría para el AMS fue presentada después en el paper por Ormondroyd y Den Hartog (1928), seguido por una discusión detallada de la sintonización óptima y los parámetros d amortiguación en el libro Den Hartog sobre Vibraciones Mecánicas (1940). La teoría inicial fue aplicable para un sistema de un grado de libertad si amortiguamiento sometida a una fuerza de excitación sinusoidal. (Jerome J. Connor, MIT) 2.3.

Amortiguador de masa sintonizada sin amortiguamiento

Consiste en un segundo sistema masa-resorte que se añade al componente principal para evitar que vibre. El efecto mayor de añadir un segundo sistema masa-resorte es cambiar el sistema de un grado de libertad a un sistema de dos grados de libertad. El nuevo sistema tiene dos frecuencias naturales. El sistema masa resorte añadido se llama absorbedor (conocido más con ese nombre en la Ingeniería Mecánica). Los parámetros del absorbedor (masa y rigidez) se eligen de manera que el movimiento del componente

original este en un mínimo. Esto se acompaña con un movimiento sustancial del sistema absorbedor. Los absorbedores son usualmente utilizados en máquinas que funcionan a una velocidad constante, tales como lijadoras, compresoras, cortadoras eléctricas, etc.

2.4.

Edificios acoplados con amortiguadores de masa sintonizada.

El destino arquitectónico cambiante en la vida útil de un edificio, los costos y la practicidad definen una tendencia a construcciones livianas de grandes luces. Razones estéticas definen estructuras delgadas y con escasos apoyos que puedan interferir con la habitabilidad o la belleza. Desde el punto de vista estructural, esto conduce naturalmente a altas flexibilidades, periodos naturales elevados y consecuentemente a grandes desplazamientos por cargas dinámicas tales como el viento o sismo. La inclusión de dispositivos mecánicos es las estructuras puede corregir adecuadamente sus propiedades, de manera que la respuesta dinámica sea compatible con las necesidades estructurales. La modificación de la rigidez, la masa

o el amortiguamiento es un camino para solucionar esos problemas. En el primer y segundo caso, se logra una diferencia de las frecuencias naturales que desintonizan la estructura del rango de frecuencias donde la energía espectral es preponderante. El incremento de amortiguamiento es en ingeniería sísmica un hecho asociado al propósito de aumentar artificialmente la ductilidad, con la finalidad de disipar energía de forma controlada y estable, reduciendo la respuesta estructural dinámica (Bozzo y Barbat, 2000).

Una alternativa muy interesante y eficaz, es la disipación de la energía que ingresa a la estructura a través de amortiguadores sísmicos que pueden ser incorporados sin mayores inconvenientes a la estructura. La verificación analítica y experimental de la transferencia de energía de un sistema principal excitado externamente a otro sistema secundario no excitado, acoplado al primero, dio origen a los AMS (Den Hartog 1985). Después de su invención por Frahm en 1909, el concepto de amortiguadores de masa sintonizada ha atraído la atención de investigadores de diferentes campos para su aplicación en el control de vibraciones causadas por diferentes tipos de fuerzas. Según Ambrosini (2004), ya está definitivamente probada en la literatura su eficiencia en la reducción de vibraciones provenientes de acciones de viento, encontrándose todavía en discusión la eficiencia de los AMS en relación con acciones sísmica.

2.5.

Antecedentes de la investigación

En Perú (Roja...