Ingeniería

Sistemas de disipación pasiva de energía sísmica

Presentamos información producto de la investigación del doctor Marco A. Torres, ingeniero civil egresado de la UNAM.

Una de las maneras de reforzar estructuras para que tengan un mejor comportamiento sísmico es con el uso de disipadores de energía. Éstos mejoran el desempeño de la estructura mediante la adición de amortiguamiento y en algunos casos por la rigidez al sistema, que provoca una reducción en las demandas de desplazamiento y en las fuerzas internas de respuesta del edificio. Estos dispositivos son una opción competitiva cuando se trata de mejorar el desempeño de la estructura en niveles de protección de vida e incluso de ocupación inmediata, pero su aplicación puede ser limitada para el caso de la prevención del colapso.

Cuando un sismo de considerable magnitud excita una estructura, el grado de daño que adquiere dependerá de la manera que ésta absorba los niveles de energía cinética a los cuales estuvo sometida. Como los códigos de diseño actuales lo reconocen, sería demasiado costoso absorber esta energía dentro de la capacidad elástica de los materiales. La mayoría de los reglamentos recomiendan aprovechar la ductilidad que son capaces de desarrollar las estructuras. Los edificios diseñados de esta manera dependen para su supervivencia durante un sismo severo, de la ductilidad que puedan desarrollar los elementos estructurales que lo conforman. La razón fundamental que lo motiva es que al entrar la estructura al intervalo de comportamiento inelástico, la respuesta se
reduce ya que existe disipación de energía. Cabe decir que el equilibrio energético que se presenta en un sistema estructural durante un sismo puede expresarse de la siguiente manera:
EK+ES+EH+ED=EI
Donde EI es la energía total inducida por el sismo; EK y ES son las energías cinética y de deformación elástica; y ED y EH son las energías disipadas por el amortiguamiento viscoso de la estructura y por la deformación de la estructura en el rango inelástico, respectivamente. La suma de las energías cinéticas y de deformación elástica: EK+ES representa la energía que se presenta durante la vibración elástica, mientras que EH+ED representa la energía disipada por el sistema. De estas formas de energía, las dos primeras sólo representan un bajo porcentaje de la energía recibida por el sismo (la que liberan los sismos y absorben las estructuras). La energía disipada por amortiguamiento ocurre mediante el movimiento relativo de las partes que componen los edificios, pudiendo ser éstas estructurales o no; y también representa un bajo porcentaje de la energía recibida. La energía disipada en la estructura mediante el comportamiento en el rango inelástico de sus miembros es sin duda la más importante en magnitud, pues es la que ocurre cuando los elementos estructurales llegan al rango inelástico de su comportamiento desarrollando articulaciones plásticas.
Cuando en un elemento se forman articulaciones plásticas existen deformaciones permanentes en su sección transversal, lo que puede traducirse en un daño. En el caso de elementos de concreto, estas articulaciones pueden ir desde pequeñas grietas hasta desprendimiento del recubrimiento y deformación del acero de refuerzo.
La secuencia en que se desarrollan las articulaciones plásticas no es del todo controlable. Ésta depende de factores tales como: distribución de la carga en el momento en que ocurre el sismo, regularidad de las dimensiones de los componentes estructurales y su forma de conexión, secuencia del proceso constructivo y en gran parte del detallado de los elementos estructurales.
Resulta difícil valorar en los casos reales de los edificios hasta qué punto se puede confiar en la ductilidad de la estructura sin poner en peligro las vidas humanas, sobre todo si se trata de estructuras ya existentes, las cuales han sido diseñadas con reglamentos antiguos y dañadas significativamente por sismos ocurridos.
Para disipar energía sísmica de forma ideal, es necesario no depender directamente de la ductilidad de los elementos estructurales, sino más bien del amortiguamiento interno y dejar el comportamiento inelástico de las estructuras como una reserva de resistencia. Sin embargo, el amortiguamiento de los sistemas estructurales generalmente está limitado a un intervalo comprendido entre el 2 y el 5% del amortiguamiento crítico. El amortiguamiento depende de las características de los materiales utilizados, la forma de la estructura, la naturaleza del subsuelo y las características de la vibración. Entre mayor sea el porcentaje de amortiguamiento interno de la estructura, menores serán las ordenadas espectrales de las aceleraciones. Como consecuencia las fuerzas de inercia originadas por los sismos serán menores. Los dispositivos disipadores de energía permiten incrementar el amortiguamiento interno de las estructuras para hacerlas menos vulnerables a los sismos, con lo cual se disminuyen los desplazamiento laterales, los esfuerzos internos en la estructura, las descargas a la cimentación y los momentos de volteo originados por las fuerzas sísmicas.
En términos generales los dispositivos disipadores de energía se clasifican según su funcionamiento como: de control activo y de control pasivo; pudiendo existir sistemas que combinan ambos casos (sistemas híbridos y semi activos).
Los dispositivos de control activo responden de acuerdo a mecanismos de control que se ajustan a la excitación provocada durante un sismo y que se retroalimentan con la respuesta que presenta la estructura. Estos mecanismos de control activo recurren a un equipo analógico o digital de control por lo que sus costos de instalación y mantenimiento resultan ser elevados; ya que debe garantizarse el funcionamiento correcto de los sistemas bajo la acción de un sismo severo. Entre los dispositivos de control activo destacan los de masa activa y los tendones activos.
Los dispositivos de control pasivo responden al movimiento de la estructura de forma prevista por el diseñador. Su funcionamiento depende exclusivamente de las propiedades mecánicas del elemento, ya sea por las propiedades del material utilizado o el funcionamiento conjunto de las partes que conforman el dispositivo. Los sistemas de control pasivo son los más conocidos e incluyen los sistemas de aislamiento sísmico, osciladores resonantes y los dispositivos mecánicos de disipación de energía.

Aisladores sísmicos
El aislamiento sísmico está basado en la premisa de que es posible separar una estructura de los movimientos del suelo mediante la introducción de elementos flexibles entre la estructura y su cimentación. Los aisladores reducen notablemente la rigidez del sistema estructural, haciendo que el periodo fundamental de la estructura aislada sea mucho mayor que el de la misma estructura con base fija. Existen básicamente dos tipos de sistemas de aislamiento: los apoyos elastoméricos y los apoyos deslizantes.
El aislamiento sísmico es un sistema muy usado para la protección sísmica de diversos tipos de estructuras. Numerosos estudios teóricos, análisis numéricos y ensayos de laboratorio demuestran el excelente comportamiento que puede lograr este sistema en la protección de estructuras sometidas a eventos sísmicos moderados y severos. Adicionalmente, la efectividad de este sistema fue evidenciada por los registros de la respuesta dinámica de los edificios con aislamiento de base, sacudidos por los sismos de Northridge, en 1994, Kobe, en 1995 y de Chile, en 2010.
A diferencia de las técnicas convencionales de reforzamiento de edificios existentes, con el aislamiento sísmico se busca reducir la demanda sísmica a niveles en los que la capacidad existente en la estructura sea suficiente para resistir las cargas. Esta técnica es apropiada para la protección de edificios con valor histórico en donde no se puede afectar la superestructura de la construcción.

Osciladores resonantes
Un oscilador resonante es un sistema de un grado de libertad constituido por una masa, un elemento restitutivo y un mecanismo de disipación de energía, usualmente montado en la parte superior de la estructura. Para que el oscilador pueda reducir la respuesta dinámica de una estructura debe existir una coincidencia entre las frecuencias naturales de vibración de la estructura y del oscilador resonante.
Los osciladores resonantes son bastante efectivos en la reducción de las vibraciones producidas por el viento en edificios altos. También pueden ser empleados para la reducción de la respuesta sísmica.

Disipadores de energía
Los disipadores de energía son dispositivos diseñados para absorber la mayoría de la energía sísmica, evitando así que ésta sea disipada mediante deformaciones inelásticas (daño) en los elementos estructurales. Pueden ser clasificados de acuerdo a su comportamiento como histeréticos o viscoelásticos. Ambos tipos de disipadores de energía suelen colocarse en arreglos de diagonales a lo alto de los entrepisos de los edificios (Ver Fig. 1).
Los disipadores histeréticos dependen esencialmente de los desplazamientos de la estructura. Los disipadores metálicos están basados en la fluencia de los metales debido a flexión, corte, torsión, o extrusión. Uno de los dispositivos histeréticos más reconocidos es el ADAS (Added Damping And Stiffness), compuesto por placas de acero con sección transversal en forma de X instaladas en paralelo sobre los arriostres. El diseño de los elementos ADAS requiere que sus placas queden comprimidas entre sí con fuerzas lo suficientemente elevadas como para lograr “empotrarlas” en sus extremos sin que ocurran desplazamientos relativos entre ellos. Por su parte en los dispositivos TADAS (Triangular Added Damping And Stiffness), la parte superior de cada placa se conecta a un perno que permite que ésta gire libremente, similares a la mitad de una placa ADAS disipan energía por fluencia del material y se deforman en curvatura simple. En el Instituto de Ingeniería de la UNAM se ha estudiado el comportamiento de dispositivos disipadores de energía en forma de “U” cuyo comportamiento histerético resulta estable. Éstos operan bajo el concepto de “rolado por flexión”; disipan la energía al desplazarse de manera similar que las “orugas” de un tractor. (Ver Fig. 2).

Los disipadores friccionantes disipan la energía mediante las fuerzas de fricción que se presentan por el desplazamiento relativo entre dos placas en contacto. Son diseñados para deslizar a una carga predeterminada; permanecen inactivos mientras no existe una demanda sísmica importante sobre la estructura. Un ejemplo de este tipo de disipador fue el diseñado por Pall y Marsh (Ver Fig. 3) en los años ochentas.
Los disipadores viscoelásticos incluyen los sistemas de sólidos viscoelásticos, fluidos viscoelásticos y los disipadores fluido-viscosos. Los viscoelásticos dependen de la velocidad del movimiento en el sistema estructural. Los disipadores viscoelásticos sólidos están constituidos por una capa de material viscoelástico ubicada entre dos placas de acero, usualmente acopladas a los arriostres que conectan los extremos de los entrepisos. Los dispositivos viscoelásticos líquidos disipan la energía por medio de las deformaciones inducidas por un pistón en una sustancia altamente viscosa.
Los disipadores fluido-viscosos son dispositivos que disipan energía forzando el flujo de un fluido a través de un orificio. Estos dispositivos son similares a los amortiguadores de un automóvil; sin embargo, operan con un mayor nivel de fuerzas y son fabricados con materiales más durables para lograr un mayor tiempo de vida útil (Ver Fig. 4). Los disipadores de energía son una alternativa de refuerzo viable en el caso de estructuras donde resulta vital que continúen en operación y funcionamiento inmediatamente después de un evento sísmico como es el caso de hospitales, edificios de gobierno y escuelas. Los beneficios de estos sistemas para la reducción de la respuesta y de los daños por sismos en estructuras de concreto han sido estudiados y comprobados internacionalmente en importantes trabajos de investigación y se encuentran documentados en la literatura técnica especializada.
La efectividad de este tipo de sistemas estuvo a prueba en los sismos de febrero de 2010 ocurridos en Chile en donde existen varias estructuras con disipadores de energía y aislamiento de base. Estas estructuras presentaron buen comportamiento tanto en la protección de las estructuras como de los propios contenidos, permitiendo que prácticamente continuaran en funcionamiento minutos después de ocurrido el terremoto. En México su uso es aún limitado, debido sobre todo a la inexperiencia y escepticismo acerca de su efectividad.
Sin embargo, existen edificios de relevancia en el DF donde han sido empleados dispositivos disipadores de energía; tales son los casos de: la Torre Mayor, el Hospital de Cardiología Centro Médico Siglo XXI, las oficinas centrales del IMSS y el edificio en Izazaga #38-40.
Los últimos tres edificios son básicamente estructuras a base de marcos de concreto que fueron reforzados para cumplir con los requisitos reglamentarios implementados después de los sismos de 1985. El uso de los dispositivos disipadores en estos edificios incrementó considerablemente su resistencia sísmica. En estos casos el proceso constructivo de refuerzo se realizó mientras los edificios continuaban en operación, lo que da otra atractiva ventaja con respecto a otros sistemas de reforzamiento. De acuerdo a la experiencia vivida es necesario contar para su implementación con personal que cuenten con experiencia y criterios técnicamente adecuados, así como mano de obra calificada para su instalación. Sin duda, se espera que el uso de sistemas disipadores de energía sísmica se incremente en México conforme se conozca más de sus ventajas. c

 

 

 

 

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