ES2997874B2 - Un dispositivo de disipación de energía multiestable - Google Patents
Un dispositivo de disipación de energía multiestableInfo
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Description
DESCRIPCIÓN
Un dispositivo de disipación de energía multiestable
Objeto
El presente documento se refiere, en general, a un dispositivo de disipación de energía multiestable de control pasivo de las vibraciones en estructuras civiles del tipo edificios, puentes y en equipos industriales provocadas por fenómenos naturales del tipo terremotos, viento y, en general, cualquier tipo de vibraciones que se transmiten entre partes de un edificio, un puente, equipos industriales, entre edificios, equipos industriales y el suelo.
Estado de la técnica
Los disipadores de energía se emplean para el control pasivo de vibraciones provocadas por terremotos o viento. Se pueden clasificar en dos tipos: los dependientes del desplazamiento y los dependientes de la velocidad.
Los dispositivos dependientes del desplazamiento convencionales más utilizados son los denominados disipadores metálicos que se caracterizan por emplear un mecanismo para absorber energía basado en la plastificación de elementos metálicos. La geometría de los elementos de acero puede ser muy variada del tipo barras de sección circular, chapas con perforaciones longitudinales, y el tipo de esfuerzo que provoca la plastificación también, por ejemplo, momentos flectores, momentos torsores, cortantes.
El documento de patente JP2000017849 describe disipadores que absorben cantidades muy elevadas de energía, que para ser activados requieren que las deformaciones de la estructura sean suficientemente elevadas para que se rebase la deformación de fluencia del elemento metálico del disipador.
Las deformaciones en las estructuras provocadas por terremotos severos son en general mucho mayores que la deformación de fluencia de los elementos metálicos, por lo que los disipadores metálicos convencionales son eficaces frente a terremotos intensos. Sin embargo, no ocurre lo mismo en caso de terremotos moderados o viento, para los cuales las deformaciones de la estructura son relativamente pequeñas y los disipadores metálicos no llegan a activarse y, por lo tanto, no llegan a disipar energía y a controlar de esa forma las vibraciones de la estructura.
El documento de patente CN113216418 describe disipadores de energía dependientes de la velocidad que disipan energía mediante mecanismos de tipo viscoso o viscoelástico. La clave de la eficiencia de los disipadores de energía dependientes de la velocidad convencionales está en conseguir velocidades relativas elevadas entre los extremos del disipador y emplear materiales del tipo fluidos, sólidos viscoelásticos, con elevado coeficiente de amortiguamiento.
Estos disipadores se activan con desplazamientos muy pequeños y son eficaces tanto frente a terremotos severos como frente a terremotos moderados o viento. Una vez han sido instalados requieren mantenimiento para prevenir posibles fugas del fluido debidas al deterioro de las juntas o por envejecimiento del material sólido viscoelástico, reduciéndose la fiabilidad y vida útil de estos disipadores. Para que sean efectivos se precisa alcanzar velocidades elevadas entre los extremos del disipador, lo cual en ocasiones resulta difícil en determinados tipos de estructuras, lo cual obliga a aumentar el coeficiente de amortiguamiento del material, pero este aumento tiene límites, o a instalar el disipador dentro de sistemas de diada ("toggle braces").
La energía disipada por los disipadores de energía dependientes de la velocidad es en general menor que la energía disipada por los disipadores metálicos, pudiendo ser insuficiente en caso de terremotos muy severos.
Los documentos de patentes JP2005133444 y KR100952404B1 describen disipadores híbridos que combinan en paralelo o en serie un mecanismo de disipación dependiente de la velocidad y otro mecanismo dependiente del desplazamiento. En estos disipadores las dos fuentes de disipación de energía, es decir, la del mecanismo viscoso o viscoelástico y la del mecanismo de plastificación de metales, se consiguen mediante dos dispositivos distintos que se activan simultánea o secuencialmente.
El primer dispositivo presenta láminas de material viscoelástico que se hacen deformar a esfuerzo cortante. El segundo dispositivo presenta chapas de acero con perforaciones que dejan entre sí franjas de acero que se deforman a flexión. Tienen la ventaja de que son capaces de controlar vibraciones de pequeña y de gran amplitud. Presentan sin embargo los mismos inconvenientes que los disipadores dependientes de la velocidad.
Sumario
Un objeto de una realización del dispositivo de disipación de energía multiestable es mejorar las prestaciones proporcionadas por los disipadores de energía convencionales. El dispositivo de disipación de energía multiestable refuerza y estabiliza una estructura frente a vibraciones producidas por fenómenos naturales como son un sismo, viento.
El dispositivo de disipación de energía multiestable absorbe y saca de la estructura en la que se instala la energía que introducen fenómenos naturales como los terremotos o el viento.
El dispositivo de disipación de energía multiestable reduce el desplazamiento lateral de la estructura y reduce también la amplificación del movimiento de la estructura que se podría traducir en una destrucción irremediable de ésta.
El dispositivo de disipación de energía multiestable proporciona dos tipos de fuentes de disipación de energía, una dependiente del desplazamiento y otra dependiente de la velocidad.
El dispositivo de disipación de energía multiestable comprende una pluralidad de estructuras biestables que presentan, en general, dos posiciones de equilibrio estable, de modo que, ejerciendo una fuerza sobre el eje del dispositivo de disipación de energía multiestable, las estructuras biestables pasan súbitamente de una posición de equilibrio estable a la otra posición de equilibrio estable. La transición de las estructuras biestables desde una posición de equilibrio estable a la otra posición de equilibrio estable se realiza a gran velocidad. Esta velocidad es mayor que la velocidad entre los extremos del dispositivo de disipación de energía multiestable que transmite la construcción donde se instala. Esta elevada velocidad se alcanza no sólo en las estructuras biestables sino también en otras piezas del dispositivo de disipación. Todo esto hace que la capacidad de disipación de energía del dispositivo de disipación de energía multiestable sea mayor que la de los disipadores dependientes de la velocidad convencionales, en los cuales la velocidad en las diferentes piezas del disipador está limitada a la velocidad entre los extremos del disipador.
La característica de la biestabilidad que se da en la pluralidad de estructuras biestables del dispositivo de disipación de energía multiestable se activa aplicando fuerzas en la dirección del eje del dispositivo de disipación de energía multiestable que producen deformaciones a gran velocidad en la pluralidad de las estructuras biestables y en piezas del dispositivo de disipación de energía multiestable a las que se conectan las estructuras biestables, y de esta forma se disipa energía de tipo viscoso.
El dispositivo de disipación de energía multiestable es efectivo para controlar las vibraciones de estructuras y equipos industriales tanto frente a terremotos severos que provocan desplazamientos en la estructura de gran amplitud, como frente a terremotos moderados o cargas de viento que producen desplazamientos pequeños.
El dispositivo de disipación de energía multiestable comprende un perfil empalmador con una sección en forma de dobleToH, un extremo libre de un primer perfil se inserta por un extremo del perfil empalmador enHy un extremo libre de un segundo perfil se inserta por el extremo opuesto del perfil empalmadorH, sin que lleguen a hacer contacto físico los bordes de los dos extremos libres del primer perfil y del segundo perfil, donde un “patín” o “ala” del primer perfil está en contacto físico con una superficie de un alma del perfil empalmadorHy un patín o ala del segundo perfil está en contacto físico con la superficie opuesta del alma del perfil empalmadorH, por tanto, el perfil empalmadorHcubre simultáneamente una porción del primer perfil y una porción del segundo perfil, dejando sin cubrir la porción de un extremo conector del primer perfil y una porción del extremo conector del segundo perfil. Los extremos conectores del primer y segundo perfil se fijan a la estructura.
El primer perfil y el segundo perfil están separados y alineados junto con el perfil empalmadorHen un mismo eje longitudinal de alineación. El primer perfil y el segundo perfil presentan una sección tipo tubular,L,U,T.
Una primera estructura biestable proporciona dos estados estables, con una dimensión predominante que constituye el eje de la primera estructura biestable donde un primer extremo de la estructura biestable se fija mecánicamente al alma del primer perfil y un segundo extremo opuesto al primer extremo de la estructura biestable se fija mecánicamente al patín o ala del perfil empalmador, presentando el eje de la dimensión predominante una inclinación con un ángulo distinto de 90° con el eje de alineación longitudinal.
Asimismo, una segunda estructura biestable proporciona dos estados estables, con una dimensión predominante que constituye el eje de la segunda estructura biestable, donde un primer extremo de la estructura biestable se fija mecánicamente alma del segundo perfil y un segundo extremo opuesto al primer extremo de la estructura biestable se fija mecánicamente al patín o ala del perfil empalmador, presentando el eje de la dimensión predominante una inclinación con un ángulo distinto de 90° con el eje de alineación longitudinal.
La primera y la segunda estructura biestables presentan un cuerpo principal del tipo prisma, cilindro, con una sección constante o variable a lo largo del eje de la dimensión predominante. En el caso de que la sección de la estructura biestable sea variable, el cuerpo principal presenta una sección ovalada de acuerdo con el eje de la dimensión predominante.
El dispositivo de disipación de energía multiestable comprende una pluralidad de primeras estructuras biestables distribuidas regularmente desde el borde exterior del extremo libre del primer perfil hacia el extremo de la porción cubridora del perfil empalmador y, análogamente, una pluralidad de segundas estructuras biestables están distribuidas regularmente desde el borde exterior del extremo libre del segundo perfil hacia el extremo opuesto de la porción cubridora del perfil empalmador. Por lo tanto, los ejes de la dimensión predominante de las filas de las estructuras biestables son paralelos entre sí.
Por lo tanto, un extremo de una primera fila de estructuras biestables se fija mecánicamente a una superficie del alma del perfil en T y un extremo de una segunda fila de estructuras biestables se fija mecánicamente a una superficie opuesta del alma del perfil en T.
Otra realización, el dispositivo de disipación de energía multiestable comprende, además, un primer resorte, dispuesto en paralelo al eje de alineación longitudinal, y localizado sobre la superficie de la porción cubridora del extremo libre del primer perfil y un segundo resorte, dispuesto en paralelo al eje de alineación longitudinal, y localizado sobre la superficie de la porción cubridora del extremo libre del segundo perfil. El primer resorte y el segundo resorte son del tipo un muelle, un amortiguador, una barra y presenta una sección del tipo circular, oval, poligonal.
Los resortes alineados con el eje de alineación longitudinal del dispositivo de disipación de energía multiestable presentan una fuerza opuesta en la dirección del eje de alineación longitudinal si los extremos conectores del primer perfil y del segundo perfil del dispositivo de disipación de energía multiestable experimentan desplazamientos relativos en la dirección del eje de alineación longitudinal.
Un primer extremo del primer resorte se fija mecánicamente a un punto de unión del primer perfil que está dispuesto en un borde exterior del patín del primer perfil localizado entre el extremo conector del primer perfil y el borde de un extremo del perfil empalmador, y un segundo extremo del primer resorte, opuesto al primer extremo del primer resorte, se fija mecánicamente a un punto de unión del patín del perfil empalmador.
Análogamente, un primer extremo del segundo resorte se fija mecánicamente a un punto de unión del segundo perfil que está dispuesto en un borde exterior del patín del segundo perfil localizado entre el extremo conector del segundo perfil y el borde de un extremo opuesto del perfil empalmador, y un segundo extremo del segundo resorte, opuesto al primer extremo del segundo resorte, se fija mecánicamente a un punto de unión del patín del perfil empalmador.
En otra realización, el dispositivo de disipación de energía multiestable comprende dos filas de estructuras biestables superpuestas según un plano vertical estando separadas por el alma del perfil en T, y un resorte está dispuesto también a ambos lados del alma del perfil en T.
El dispositivo de disipación de energía multiestable que comprende una pluralidad de perfil empalmador doble T o H, de perfiles de sección tipo tubular, L, U, T, estructuras biestables, que proporcionan dos estados estables, y de resortes están fabricados con un material del tipo metálico, de madera, de aluminio, de plástico con o sin refuerzo de fibras, de material compuesto.
En la posición no deformada del dispositivo de disipación de energía multiestable y sin fuerzas exteriores aplicadas en los extremos conectores del primer perfil y del segundo perfil, el eje de la estructura biestable forma un ángulo 0o distinto de cero grados con la dirección perpendicular al eje de alineación longitudinal del dispositivo de disipación de energía multiestable.
El valor del ángulo 0o se determina según las propiedades objetivo de interés para el dispositivo de disipación de energía multiestable. Las estructuras biestables se diseñan para proporcionar una rigidez axial según el eje del elemento biestable mucho más elevada que la rigidez a flexión. Las estructuras biestables son piezas aisladas que se fijan una a una a los perfiles tubulares, con una sección enL, U, T,dobleToH.
En otra realización, las estructuras biestables se disponen juntas formando una única pieza que se fija mediante tornillos a los perfiles del dispositivo de disipación.
La rigidez en la dirección axial de los resortes se determina según las propiedades objetivo de interés para el dispositivo de disipación.
En otra realización, los resortes del dispositivo de disipación de energía multiestable se disponen en dirección perpendicular al eje de alineación longitudinal del dispositivo de disipación de energía multiestable, de forma que un extremo del resorte está fijado mecánicamente al patín del perfil empalmador y el otro extremo opuesto del resorte está fijado mecánicamente al alma del primer perfil o del segundo perfil. El objetivo del resorte dispuesto en dirección perpendicular al eje de alineación longitudinal del dispositivo de disipación de energía multiestable es oponer fuerzas perpendiculares al eje de alineación longitudinal del dispositivo de disipación de energía multiestable que actúen en los extremos de las estructuras biestables.
La acción de un terremoto o del viento sobre la estructura donde se instala el dispositivo de disipación de energía multiestable provoca desplazamientos relativos entre los extremos del dispositivo de disipación de energía multiestable en la dirección del eje de alineación longitudinal. Estos desplazamientos producen desplazamientos relativos en la dirección del eje del dispositivo de disipación de energía multiestable entre el perfil empalmador y los perfiles tubulares, con sección enL, U, T,U, dobleToH, que a su vez provocan desplazamientos relativos entre los extremos de las estructuras biestables en la dirección del eje de alineación longitudinal del dispositivo de disipación de energía multiestable que los deforman.
Los desplazamientos relativos en la dirección del eje de alineación longitudinal del dispositivo de disipación de energía multiestable provocan también deformaciones axiles en los resortes dispuestos en la dirección del eje de alineación longitudinal del dispositivo de disipación de energía multiestable y perpendicularmente a la misma.
Bajo la acción de terremotos o cargas de viento sobre la estructura donde están instalados los dispositivos de disipación de energía multiestables, éstos se ven sometidos a desplazamientos cíclicos relativos de diferente amplitud entre sus extremos y en la dirección del eje de alineación longitudinal del dispositivo de disipación de energía multiestable.
Si el dispositivo de disipación de energía multiestable se somete a desplazamientos impuestosδen un determinado sentido, comprimiéndolo o estirándolo, en la dirección del eje de alineación longitudinal, se produce un desplazamiento relativo entre uno de los perfiles tubulares, con sección en L, U o T y otro de los perfiles tubulares, con sección en U o en doble T. Si este desplazamiento relativo alcanza un valor críticoδ<c>,las estructuras biestables fijadas por los extremos a los perfiles, experimentan una deformación súbita y el desplazamiento relativo pasa de valerδ<c>aδ<e>=δ+δ<e>.
La deformación súbita se produce a gran velocidad y durante la misma se disipa energía de tipo viscoso. El salto súbito deδ<c>aδ<e>se produce porque las estructuras biestables pasan de una posición de equilibrio estable a otra posición de equilibrio estable.
El valor del desplazamiento críticoδ<c>y el valor de la fuerza críticaf<e>,aplicada entre los extremos del dispositivo de disipación de energía multiestable y en la dirección del eje de alineación longitudinal se controla ajustando el valor inicial, cuando el dispositivo de disipación de energía multiestable no está sometido a ninguna fuerza exterior, del ángulo 0<o>que forman los ejes de los elementos biestables con la perpendicular al eje de alineación longitudinal y la rigidez axial de los resortes que se fijan a los perfiles. Mediante un ajuste adecuado del ángulo inicial 0<o>y de las rigideces axiales de los resortes se puede hacerδ<e>lo suficientemente pequeño para que el dispositivo de disipación de energía multiestable se active y disipe energía con desplazamientos muy reducidos, como los que provocan terremotos frecuentes o cargas de viento.
Si los desplazamientos impuestos en la dirección del eje de alineación longitudinal del dispositivo de disipación de energía multiestable y en el sentido en el que se ha producido el salto súbito deδ<e>aδ<e>siguen creciendo, las estructuras biestables empiezan a plastificar y de esa forma el dispositivo de disipación de energía multiestable disipa energía de tipo histerético.
En una realización, el dispositivo de disipación de energía multiestable fabricado con estructuras biestables de alturahmedida perpendicularmente al eje de alineación longitudinal formando un ángulo determinado 0<o>distinto de cero con el eje de alineación longitudinal, el dispositivo de disipación de energía multiestable no está sometido a ninguna deformación impuesta, se instala en una estructura de tal forma que cuando la estructura vibra por la acción de terremotos o cargas de viento, se producen desplazamientos relativos Centre el perfil con sección en T y los perfiles con sección en doble T o H en la dirección del eje del dispositivo de disipación.
En un determinado instante desde que la estructura empieza a vibrar por la acción de un terremoto o por viento, el desplazamiento relativo Salcanza un valor igual al desplazamiento críticoSoy en ese instante la estructura biestable esta momentáneamente en una posición de equilibrio inestable.
Si a continuación, el terremoto o viento provoca una mínima variación de desplazamientos en la estructura que incremente el valor de S de la estructura biestable se deforma súbitamente hacia la otra posición de equilibrio estable. Esta deformación provoca un movimiento a gran velocidad del perfil tubular, con sección en U, doble T o H, y durante el mismo se disipa energía de tipo viscoso.
Si a partir de esta posición de equilibrio estable los desplazamientos relativos entre los extremos de la estructura biestable en la dirección del eje de alineación longitudinal del dispositivo de disipación de energía multiestable siguen aumentando sin cambiar de signo, la estructura biestable experimenta deformaciones plásticas y disipa energía de tipo histerético.
El control de la energía disipada por el mecanismo viscoso se ejerce modificando la geometría de las estructuras biestables, del ángulo inicial 0<o>que forma el eje de la dimensión predominante con la perpendicular al eje de alineación longitudinal, la rigidez de los resortes y las características de los materiales con los que se fabrican.
El control de la energía disipada por el mecanismo histerético mediante deformaciones plásticas de las estructuras biestables se ejerce modificando la geometría de estas estructuras biestables y las propiedades mecánicas de los materiales con los que se fabrican.
El dispositivo de disipación de energía multiestable está configurado para disipar energía cuando este dispositivo se ve sometido a deformaciones axiles impuestas en la dirección del eje de alineación longitudinal del dispositivo.
Si las deformaciones entre los extremos de las estructuras biestables medidas según el eje de alineación longitudinal del dispositivo oscilan entre-S<e>y Se la energía es disipada únicamente por el mecanismo viscoso.
Si las deformaciones entre los extremos de las estructuras biestables medidas según el eje de alineación longitudinal del dispositivo salen del rango entreS<e>y+S<e>el dispositivo de disipación de energía multiestable disipa también energía mediante el mecanismo histéretico.
El dispositivo de disipación de energía multiestable se instala en una construcción como una simple barra diagonal convencional, ya sea conectando puntos de la estructura resistente primaria o equipo industrial, o insertada dentro de sistemas del tipo diada “toggle brace”, tijera “scissors jack system” que amplifiquen las deformaciones.
El dispositivo de disipación de energía multiestable objeto de la realización está, por lo tanto, basado en el movimiento a gran velocidad de las estructuras biestables y de los perfiles tubulares, con sección enUo dobleToHque están unidos a ellos por los extremos, y en la deformación plástica de la propia estructura biestable.
El dispositivo de disipación de energía multiestable presenta un coste reducido, es sencillo de construir, fácil de inspeccionar, reemplazar y reparar y, por tanto, de reutilizar ya que si se produce un daño se concentra en las estructuras biestables, puede absorber energía tanto con desplazamientos de pequeña amplitud provocados por terremotos poco intensos o viento, como con desplazamientos de gran amplitud provocados por terremotos severos.
Breve descripción de las figuras
Una explicación más detallada del dispositivo de disipación de energía multiestable de acuerdo con algunas realizaciones se da en la siguiente descripción basada en las figuras adjuntas en las que:
Figura 1. Muestra en una vista en alzado una realización de un dispositivo de disipación de energía multiestable que comprende un perfil empalmador, dos perfiles enT, una pluralidad de estructuras biestables dispuestos en filas superpuestas y una pluralidad de resortes dispuestos en filas superpuestas según un eje de alineación longitudinal del dispositivo,
Figura 2. Muestra en una sección transversal el dispositivo de disipación de energía multiestable de acuerdo con la figura 1, donde la sección está realizada por un plano perpendicular al eje de alineación longitudinal del dispositivo de disipación de energía multiestable que corta a dos perfiles con sección enTpor uno de sus extremos, a un perfil empalmador con sección en dobleToHy a la pluralidad de estructuras biestables dispuestas en filas superpuestas fijadas a los patines o alas del perfil empalmador y al alma de los perfiles enT,las uniones mecánicas están realizadas mediante tornillos y tuercas roscadas,
Figura 3. Muestra en una vista en planta el dispositivo de disipación de energía multiestable a de acuerdo con la figura 1,
Figura 4. Muestra en una sección longitudinal el dispositivo de disipación de energía multiestable de acuerdo con la figura 1, donde la sección corta el alma de los perfiles enTdel dispositivo de disipación de energía multiestable, y el alma del perfil empalmador en dobleToH,
Figura 5. Muestra en un alzado uno de los perfiles enTcon un extremo conectador y puntos de unión donde se fija un extremo de los resortes,
Figura 6. Muestra en una planta el perfil empalmador y los puntos de unión donde se fijan los otros extremos de los resortes,
Figura 7. Muestra en un alzado una pluralidad de estructuras biestables distribuidas longitudinalmente, presentando el eje de la dimensión predominante una inclinación con un ángulo distinto de 90° con el eje de alineación longitudinal del dispositivo de disipación,
Figura 8. Muestra en una sección transversal la estructura biestable,
Figura 9. Muestra en un alzado el resorte del tipo muelle,
Figura 10. Muestra en una vista en planta un extremo conector del perfil del dispositivo de disipación de energía multiestable por donde se fija mecánicamente el perfil a la estructura,
Figura 11. Muestra en una vista en alzado el dispositivo de disipación de energía multiestable fijado a la estructura del tipo porticada según un eje definido por los centros de dos nudos viga-pilar diametralmente opuestos en el polígono que forman las vigas y pilares contiguos de la estructura, y
Figura 12. Muestra en una vista en alzado el dispositivo de disipación de energía multiestable fijado a la estructura del tipo porticada según un eje que une el centro de uno de los nudos viga-pilar con un punto intermedio de la viga.
Descripción detallada
En relación ahora con las figuras 11 y 12, donde un dispositivo de disipación de energía multiestable (11) se fija a una estructura (111) primaria del tipo estructura civil de construcción, equipo industrial en diferentes ubicaciones de la estructura (111).
El dispositivo de disipación de energía multiestable (11) se instala en forma de barra de arriostramiento en una disposición diagonal, en una configuración del tipo "chevron", de "toggle braces" en la estructura (111), que disipa energía de tipo viscoso y de tipo histerético, cuando se somete a deformaciones axiles en la dirección de un eje de alineación longitudinal del dispositivo de disipación de energía multiestable (11) producidas por fenómenos naturales del tipo terremotos, viento.
En relación ahora con las figuras 1 a 4, que muestran una realización del dispositivo de disipación de energía multiestable (11) que comprende un perfil empalmador (12) con una sección en forma de dobleToH, un extremo libre (132) de un primer perfil (13) que se inserta por un extremo (121) del perfil empalmador (12) enHy un extremo libre (142) de un segundo perfil (14) que, a su vez, se inserta por el extremo opuesto (122) del perfil empalmador (12) enHsin que lleguen a hacer contacto físico los bordes de los dos extremos libres (132, 142) del primer perfil (13) y del segundo perfil (14).
Un “patín” o “ala” (133) del primer perfil (13) está en contacto físico con una superficie del alma (124) del perfil empalmador (12) enHy un patín o ala (143) del segundo perfil (14) está en contacto físico con la superficie opuesta del alma (124) del perfil empalmador (12) enH.
El perfil empalmador (12) enHcubre simultáneamente una porción del primer perfil (13) y una porción del segundo perfil (14), dejando sin cubrir la porción del extremo conector (131) del primer perfil (13) y una porción del extremo conector (141) del segundo perfil (14). Los extremos conectores (131, 141) del primer perfil (13) y del segundo perfil (14) se fijan a la estructura (111).
El primer perfil (13) y el segundo perfil (14) están separados y alineados junto con el perfil empalmador (12) enHen un mismo eje longitudinal de alineación del dispositivo de disipación de energía multiestable 11. El primer perfil (13) y el segundo perfil (14) presentan una sección tipo tubular,L,U,T.
Una primera estructura biestable (15) proporciona dos estados estables, con una dimensión predominante, que constituye el eje de la estructura biestable (15), donde un primer extremo (151) de la primera estructura biestable (15) se fija mecánicamente al alma (134) del primer perfil (13) y un segundo extremo (152) opuesto al primer extremo (151) de la primera estructura biestable (15) se fija mecánicamente al patín o ala (121) del perfil empalmador (12), presentando el eje de la dimensión predominante una inclinación con un ángulo distinto de 90° con el eje de alineación longitudinal del dispositivo de disipación de energía multiestable Una segunda estructura biestable (16) proporciona dos estados estables, con una dimensión predominante que constituye el eje de la segunda estructura biestable (16), donde un primer extremo (161) de la segunda estructura biestable (16) se fija mecánicamente alma (144) del segundo perfil (14) y un segundo extremo (162) opuesto al primer extremo (161) de la segunda estructura biestable (16) se fija mecánicamente al patín o ala (123) del perfil empalmador (12), presentando el eje de la dimensión predominante una inclinación con un ángulo distinto de 90° con el eje de alineación longitudinal del dispositivo de disipación de energía multiestable (11).
La primera y la segunda estructura biestables (15, 16) presentan un cuerpo principal del tipo prisma, cilindro, con una sección constante o variable a lo largo del eje de la dimensión predominante. Si la sección de la estructura biestable (15, 16) es variable, el cuerpo principal presenta una sección ovalada de acuerdo con el eje de la dimensión predominante de la estructura biestable (15, 16).
El dispositivo de disipación de energía multiestable (11) comprende la pluralidad de primeras estructuras biestables (15) distribuidas regularmente desde el borde exterior del extremo libre (132) del primer perfil (13) hacia el extremo (121) de la porción cubridora del perfil empalmador (12) y, análogamente, la pluralidad de segundas estructuras biestables (16) están distribuidas regularmente desde el borde exterior del extremo libre (142) del segundo perfil (14) hacia el extremo opuesto (122) de la porción cubridora del perfil empalmador (12). Por lo tanto, los ejes de la dimensión predominante de las filas de las estructuras biestables (15, 16) son paralelos entre sí.
Por lo tanto, un extremo (151) de una primera fila (153) de estructuras biestables (15) se fija mecánicamente a una superficie del alma (134) del perfil (13) en T y un extremo (161) de una segunda fila (163) de estructuras biestables (16) se fija mecánicamente a una superficie opuesta del alma (144) del perfil (14) en T.
En otra realización, el dispositivo de disipación de energía multiestable (11) comprende, además, un primer resorte (17), dispuesto en paralelo al eje de alineación longitudinal, y localizado sobre la superficie de la porción cubridora del extremo libre (132) del primer perfil (13) y un segundo resorte (18), dispuesto en paralelo al eje de alineación longitudinal, y localizado sobre la superficie de la porción cubridora del extremo libre (142) del segundo perfil (14) .
El primer resorte (17) y el segundo resorte (18) son del tipo un muelle, un amortiguador, una barra y presenta una sección del tipo circular, oval, poligonal.
Los resortes (17, 18) alineados con el eje de alineación longitudinal del dispositivo de disipación de energía multiestable (11) presentan una fuerza opuesta en la dirección del eje de alineación longitudinal si los extremos conectores (131, 141) del primer perfil (13) y del segundo perfil (14) experimentan desplazamientos relativos en la dirección del eje de alineación longitudinal del dispositivo de disipación de energía multiestable (11).
Un primer extremo (171) del primer resorte (17) se fija mecánicamente a un punto de unión del primer perfil (13), que está dispuesto en un borde exterior del patín (133) del primer perfil (13) localizado entre el extremo conector (131) del primer perfil (13), y el borde de un extremo del perfil empalmador (12), y un segundo extremo (172) del primer resorte (17), opuesto al primer extremo (171) del primer resorte (17), se fija mecánicamente a un punto de unión del patín (123) del perfil empalmador (12).
Análogamente, un primer extremo (181) del segundo resorte (18) se fija mecánicamente a un punto de unión del segundo perfil (14), que está dispuesto en un borde exterior del patín (143) del segundo perfil (14) localizado entre el extremo conector (141) del segundo perfil (14) y el borde de un extremo opuesto del perfil empalmador (12), y un segundo extremo (182) del segundo resorte (18), opuesto al primer extremo (181) del segundo resorte (18), se fija mecánicamente a un punto de unión del patín (123) del perfil empalmador (12).
Los perfiles (13, 14) enTse fijan directamente por uno de sus extremos (131, 141) a la estructura (111) donde se instala el dispositivo de disipación de energía multiestable (11). El perfil empalmador (12) en dobleToH(2) no está fijado directamente a la estructura (111). Estos perfiles están dispuestos de forma telescópica.
En relación ahora con la figura 2 donde se muestra una sección transversal perpendicular al del eje de alineación longitudinal del dispositivo de disipación de energía multiestable (11), se aprecia la disposición telescópica de los perfiles (13, 14) enTy el perfil empalmador (12) en dobleT, y las estructuras biestables (15, 16), que están fijadas mediante tornillos a los perfiles (13, 14) enT, en dobleT, y los resortes (17, 18).
En otra realización, el dispositivo de disipación de energía multiestable (11) comprende dos filas de estructuras biestables (15,16) superpuestas según un plano vertical del dispositivo de disipación de energía multiestable (11), estando separadas por el alma (134, 144) del perfil (13, 14) enT, y un resorte (17, 18) está dispuesto también a ambos lados del alma (134, 144) del perfil (13, 14) enT.
El dispositivo de disipación de energía multiestable (11) comprende el perfil empalmador (12) dobleToH, perfiles (13, 14) de sección tipo tubular,L,U,T, estructuras biestables (15, 16), que proporcionan dos estados estables, y los resortes (17, 18) están fabricados con un material del tipo metálico, de acero, de madera, de aluminio, de plástico con o sin refuerzo de fibras, de material compuesto.
En relación ahora con la figura 3 donde se muestra en una vista en planta del dispositivo de disipación de energía multiestable (11) paralela al plano de las alas (134) del perfil empalmador (12), donde las estructuras biestables (15, 16) y los resortes (17, 18) están fijados mediante tornillos a los perfiles (13, 14) en T, en doble T.
La figura 4 muestra en una sección longitudinal del dispositivo de disipación de energía multiestable (11), donde se muestran seccionadas las almas (134, 144) de los perfiles (13, 14) en T que son perpendiculares al alma (124) del perfil empalmador (12) en H.
La figura 5 muestra en una vista en alzado de uno de los perfiles (13, 14) en T paralela al plano del alma (124) del perfil empalmador (12), donde se muestran los puntos de unión donde se fija uno de los extremos de uno de los resortes (17, 18).
La figura 6 muestra en una vista en alzado del perfil empalmador (12) en doble T paralela al plano del alma (124) del mismo, donde se muestran los puntos de unión donde se fija uno de los extremos de uno de los resortes (17, 18).
La figura 7 muestra una vista en alzado de una de las filas de estructuras biestables (15, 16) que es paralela al plano de los ejes de estos. Los extremos de las estructuras biestables (15,16) se fijan mediante tornillos a los perfiles (13, 14) en T y en doble T.
La figura 8 muestra en una sección transversal de una de las estructuras biestables (15, 16) con una sección ovalada según el eje de la dimensión predominante en contacto mecánico con los perfiles (12, 13, 14) para su fijación mediante tornillos.
La figura 9 muestra en una vista en alzado de uno de los resortes (17, 18) con forma tipo muelle helicoidal según el eje longitudinal de alineación del dispositivo de disipación de energía multiestable (11).
La figura 10 muestra en una vista en planta un extremo conector (131, 141) del perfil (13, 14) del dispositivo de disipación de energía multiestable (11) por donde se fija el perfil (13, 14) a la estructura (111).
El dispositivo de disipación de energía multiestable (11) se activa si la estructura (111) se ve sometido a desplazamientos longitudinales cíclicos de extensión y acortamiento en la dirección del eje longitudinal de alineación del dispositivo de disipación de energía multiestable (11).
Si el dispositivo de disipación de energía multiestable (11) se somete a estos desplazamientos impuestos y un perfil (13, 14) enTpresenta un desplazamiento relativo en relación con el perfil empalmador (12) en dobleToH, las estructuras biestables (15, 16) fijadas a estos perfiles (13, 14) se deforman en flexión y los resortes longitudinales (17, 18) se alargan y acortan en la dirección del eje longitudinal de alineación del dispositivo de disipación de energía multiestable (11).
Las estructuras biestables (15, 16) pasan súbitamente de una posición de equilibrio estable a otra posición de equilibrio estable, moviendo a gran velocidad el perfil empalmador (12) en dobleT, disipando energía de tipo viscoso.
En el resto de los intervalos de tiempo las estructuras biestables (15, 16) experimentan deformaciones plásticas, disipando energía de tipo histerético. El número de intervalos de tiempo de corta duración depende de las características físicas y mecánicas de la estructura (111) y de las características del fenómeno natural como un terremoto, o como las cargas producidas por el viento.
Resumiendo, el dispositivo de disipación de energía multiestable (11) disipa energía de tipo viscoso mediante el movimiento a gran velocidad de las estructuras biestables (15, 16) y del perfil empalmador (12), y disipa energía de tipo histerético mediante la plastificación de las estructuras biestables (15, 16).
Para desplazamientos relativos entre los perfiles (13, 14) enTy el perfil empalmador (12) en dobleToHcomprendidos entre-δey+δelas estructuras biestables (15, 16) conectadas a estos perfiles (13, 14) disipan energía de tipo viscoso.
Para desplazamientos relativos entre los perfiles (13, 14) enTy el perfil empalmador (12) en dobleToHque estén fuera del rango—e y+Se,las estructuras biestables (15, 16) conectadas a estos perfiles (13, 14) disipan energía de tipo histerético.
En otras realizaciones el dispositivo de disipación de energía multiestable (11) comprende perfiles (13, 14) de sección del tipo tubular, en L, U, doble T. El número total de perfiles (13), (14) dispuestos telescópicamente es mayor de dos donde los resortes (17, 18) longitudinales son del tipo barras longitudinales o amortiguadores.
En otra realización, los resortes (17, 18) son del tipo muelles, barras perpendiculares al eje longitudinal de alineación del dispositivo de disipación de energía multiestable (11) que fijan los perfiles (13, 14) con otros perfiles empalmadores (12) con una sección del tipo tubular, enU, dobleToH.
En otra realización, la geometría de las estructuras biestables (15, 16) permite adjuntar al menos dos estructuras biestables (15, 16) formando una única pieza. Las estructuras biestables (15, 16) se fabrican en un material del tipo metálico, acero, aluminio, madera, plástico, aleaciones especiales y el material en que se fabrican los resortes (17, 18) es del tipo metálico acero, aluminio, plástico, aleaciones especiales, también.
Volviendo ahora a la figura 11 donde se muestra una instalación del dispositivo de disipación de energía multiestable (11), instalado dentro de la estructura (111) porticada, que se fabrica con un material del tipo metal, de hormigón armado, mixta acero-hormigón, de materiales compuestos, de madera, de aluminio.
La estructura (111) está formada por vigas (112), columnas (113) y nudos (114) viga-columna. El dispositivo de disipación de energía multiestable (11) se instala alineado con el eje que definen los centros de dos nudos (114) viga-columna diametralmente opuestos en el rectángulo que forman las vigas (112) y columnas (113) contiguas.
En otra realización, las conexiones mecánicas de los extremos conectores (131, 141) de los perfiles (13, 14) del dispositivo de disipación de energía multiestable (11) a los puntos de unión de la estructura (111) son realizadas por medio de articulaciones reales realizadas con pasadores, conexiones estructurales estándar realizadas con chapas soldadas, atornilladas.
Volviendo a la figura 12 se muestra otra realización de conexión del dispositivo de disipación de energía multiestable (11), donde el dispositivo de disipación de energía multiestable (11) está alineado con un eje que une el centro de uno de los nudos (114) viga-columna con un punto intermedio de la viga (112), permitiendo dejar un espacio abierto en el vano. Espacio abierto que permite la instalación de elementos como puertas, ventanas.
El dispositivo de disipación de energía multiestable (11) se instala también en la estructura (111) resistente formando parte de sistemas del tipo diada (“toggle brace”) o tipo tijera ("scissors jack system").
Lista de referencias
11 dispositivo de disipación de energía multiestable
111 estructura
112 viga
113 columna
114 nudo
12 perfil empalmador
121 extremo
122 extremo opuesto
123 patín o ala
124 alma
13 primer perfil
131 extremo conector
132 extremo libre
133 patín o ala
134 alma
14 segundo perfil
141 extremo conector
142 extremo libre
143 patín o ala
144 alma
15 primera estructura biestable
151 primer extremo
152 segundo extremo
153 primera fila
16 segunda estructura biestable
161 primer extremo
162 segundo extremo
163 segunda fila
17 primer resorte
171 primer extremo
172 segundo extremo
18 segundo resorte
181 primer extremo
182 segundo extremo
19 cuerpo principal
0o ángulo que forman los ejes de los elementos biestables con la perpendicular al eje de alineación longitudinal
h altura
Claims (16)
1. Un dispositivo de disipación de energía multiestable de refuerzo de una estructura (111) frente a vibraciones producidas por fenómenos naturales como un sismo, viento, caracterizado por que comprende:
• un perfil empalmador (12), que presenta una sección en forma de doble T o H, al menos uno de un primer perfil (13) y al menos uno de un segundo perfil (14) dispuestos separados en un mismo eje de alineación longitudinal, presentando una sección tipo tubular, L, U, T,
• el primer perfil (13) comprende un extremo conectador (131), que se fija mecánicamente a la estructura (111), y un extremo libre (132), opuesto al extremo conectador (131) del primer perfil (13), que está enfrentado a un extremo libre (142) del segundo perfil (14), opuesto a un extremo conectador (141) del segundo perfil (14), que se fija mecánicamente a la estructura (111),
• el extremo libre (132) del primer perfil (13) se inserta por un extremo (121) del perfil empalmador (12) y el extremo libre (142) del segundo perfil (14) se inserta por el extremo opuesto (122) del perfil empalmador (12), estando enfrentados los bordes del extremo libre (132) del primer perfil (13) y del extremo libre (142) del segundo perfil (14) sin tener contacto físico, donde el patín (133) del primer perfil (13) está en contacto físico con una superficie del alma (124) del perfil empalmador (12) y el patín (143) del segundo perfil (14) está en contacto físico con la superficie opuesta del alma (124) del perfil empalmador (12), el perfil empalmador (12) cubre simultáneamente una porción del primer perfil (13) y una porción del segundo perfil (14), sin cubrir la porción del extremo conector (131) del primer perfil (13) y la porción del extremo conector (141) del segundo perfil (14),
• al menos una de una primera estructura biestable (15), que proporciona dos estados estables, con una dimensión predominante que constituye el eje de la primera estructura biestable (15), donde un primer extremo (151) de la estructura biestable (15) se fija mecánicamente al alma (134) del primer perfil (13) y un segundo extremo (152) opuesto al primer extremo (151) de la estructura biestable (15) se fija mecánicamente al patín (123) del perfil empalmador (12), presentando el eje de la dimensión predominante una inclinación con un ángulo distinto de 90° con el eje de alineación longitudinal en la posición no deformada del dispositivo de disipación,
• al menos una de una segunda estructura biestable (16), que proporciona dos estados estables, con una dimensión predominante que constituye el eje de la segunda estructura biestable (16), donde un primer extremo (161) de la estructura biestable (16) se fija mecánicamente al alma (144) del segundo perfil (14) y un segundo extremo (162) opuesto al primer extremo (161) de la estructura biestable (16) se fija mecánicamente al patín (123) del perfil empalmador (12), presentando el eje de la dimensión predominante una inclinación con un ángulo distinto de 90° con el eje de alineación longitudinal en la posición no deformada del dispositivo de disipación,.
2. Dispositivo de disipación de energía multiestable de acuerdo con la reivindicación 1, donde la estructura biestable (15, 16) se fija a un perfil (12, 13, 14) que presenta una sección del tipo tubular, circular, oval, poligonal, secciones abiertas del tipo en L, U, T, en doble T.
3. Dispositivo de disipación de energía multiestable de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, donde la primera y la segunda estructura biestables (15, 16) presentan un cuerpo (19) principal con una forma del tipo prisma, cilindro con una sección constante o variable a lo largo del eje de la dimensión predominante.
4. Dispositivo de disipación de energía multiestable de acuerdo con la reivindicación 3, donde el cuerpo (19) principal presenta una sección ovalada de acuerdo con el eje de la dimensión predominante.
5. Dispositivo de disipación de energía multiestable de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 3 a 4, donde una pluralidad de primeras estructuras biestables (15) están distribuidas regularmente desde el borde exterior del extremo libre (132) del primer perfil (13) hacia el extremo de la porción cubridora del perfil empalmador (12).
6. Dispositivo de disipación de energía multiestable de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 3 a 4, donde una pluralidad de segundas estructuras biestables (16) están distribuidas regularmente desde el borde exterior del extremo libre (142) del segundo perfil (14) hacia el extremo opuesto de la porción cubridora del perfil empalmador (12).
7. Dispositivo de disipación de energía multiestable de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 5 a 6, donde los ejes de la dimensión predominante de dos estructuras biestables (15, 16) son paralelos entre sí.
8. Dispositivo de disipación de energía multiestable de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 3 a 7, donde un extremo (151, 161) de una primera fila (153, 163) de estructuras biestables se fija mecánicamente a una superficie del alma (134, 144) del perfil (13, 14) en T y un extremo de una segunda fila de estructuras biestables se fija mecánicamente a una superficie opuesta del alma del perfil en T.
9. Dispositivo de disipación de energía multiestable de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, donde la estructura biestable (15, 16) está fabricada con un material del tipo metálico y/o de acero y/o de aluminio y/o de plástico con o sin refuerzo de fibras y/o de material compuesto.
10. Dispositivo de disipación de energía multiestable de acuerdo con la reivindicación 1, donde comprende, además,
• Al menos uno de un primer resorte (17), dispuesto en paralelo al eje de alineación longitudinal, un primer extremo (171) del primer resorte (17) se fija mecánicamente a un punto de unión del primer perfil (13) dispuesto en un borde exterior del patín (133) del primer perfil (13) localizado entre el extremo conector del primer perfil (13) y el borde de un extremo del perfil empalmador (12), y un segundo extremo (172) del primer resorte (17) , opuesto al primer extremo (171) del primer resorte (17), se fija mecánicamente a un punto de unión del patín (123) del perfil empalmador (12), localizado sobre la superficie de la porción cubridora del extremo libre (132) del primer perfil (13), y
• al menos uno de un segundo resorte (18), dispuesto en paralelo al eje de alineación longitudinal, un primer extremo (181) del segundo resorte (18) se fija mecánicamente a un punto de unión del segundo perfil (14) dispuesto en un borde exterior del patín (143) del segundo perfil (14) localizado entre el extremo conector (141) del segundo perfil (14) y el borde de un extremo opuesto del perfil empalmador (12), y un segundo extremo (182) del segundo resorte (18), opuesto al primer extremo (181) del segundo resorte (18) , se fija mecánicamente a un punto de unión del patín (123) del perfil empalmador (12), localizado sobre la superficie de la porción cubridora del extremo libre (142) del segundo perfil (14).
11. Dispositivo de disipación de energía multiestable de acuerdo con la reivindicación 10, donde el primer resorte (17) y el segundo resorte (18) son del tipo un muelle y/o un amortiguador y/o una barra.
12. Dispositivo de disipación de energía multiestable de acuerdo con la reivindicación 11, donde el resorte (17, 18) comprende una sección del tipo circular y/o oval y/o poligonal.
13. Dispositivo de disipación de energía multiestable de acuerdo con la reivindicación 12, donde el resorte (17, 18) está fabricado con un material del tipo metálico y/o de acero y/o de aluminio y/o de plástico con o sin refuerzo de fibras y/o de material compuesto.
14. Dispositivo de disipación de energía multiestable de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10 a 13, donde el resorte (17, 18) está dispuesto a ambos lados del alma del perfil (13, 14) en T.
15. Dispositivo de disipación de energía multiestable de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, donde el dispositivo de disipación de energía multiestable (11) está dispuesto sobre un eje diagonal de la estructura (111), sobre un eje longitudinal de la estructura (111) o sobre un eje central de la estructura (111).
16. Dispositivo de disipación de energía multiestable de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, donde el perfil (12, 13, 14) presenta una sección del tipo tubular, L, U, T, doble T está fabricada con un material del tipo metálico y/o de acero y/o de madera y/o de aluminio y/o de plástico con o sin refuerzo de fibras y/o de material compuesto.
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