WO2020237403A1 - Disipador friccional de energía sísmica para bases de columnas metálicas - Google Patents

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seismic
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friction plates
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Cristián Antonio URZÚA ARCE
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Jri Ingenieria S.A.
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Definitions

  • the seismic protection systems of structures currently used are classified as: active systems, semi-active systems and passive systems.
  • Active systems are those that, from the real-time monitoring of the structural response, apply forces on the structure to modify its response.
  • semi-active systems monitor the structural response to modify the mechanical properties of dissipation devices.
  • passive systems which correspond to those most commonly used, consist of devices designed to concentrate the dissipation of seismic energy by heat, or other means, reducing the energy that affects the rest of the structure.
  • seismic dissipators are used that are installed at each level of the structures.
  • isolators are used that allow decoupling the response of the ground from the response of the superstructure. Isolated structures will experience considerable rigid body lateral seismic deformations, which must be taken into account in the design of any piping system, air conditioning, electrical conduit, or others that connect the structure with surrounding structures or facilities.
  • Frictional seismic dissipator is proposed to control the structural response during a severe earthquake, specifically designed for installation at the base of columns of metallic structures; which acts by reducing the seismic energy that enters the structure through mechanical work generated by friction between components of the heatsink.
  • Friction dissipation has the quality of exhibiting a stable and rectangular hysterical cycle, maximizing energy dissipation in each load cycle.
  • the heatsinks are composed of a base, a bearing seat, a slide block and a plurality of springs, where a sliding concavity with sunken recess and round curved, is formed respectively on the upper surface of the base, and on the lower surface of the bearing seat and where an upper slide block part and a lower slide block part are located between the two slide concavities, a contact surface between the two slide block parts and the slide concavities is of curved contour and the others, surfaces are serrated seat recesses, where a single spheroid mating bearing is located between the two seat recesses and the upper and lower slide block pieces are held together by springs, where once assembled, the device base shock eliminator is affirmed under the columns of a building structure, so that the building achieves the
  • Another approach is the seismic isolation of an architectural element of a structure that comprises a deformable component supported between its ends in a sliding manner on the surfaces of the fixed support components that are located on a lower surface (base) of the laterally spaced opposite components. that form a framework, as described in patent CL 46315 (US 08/057126), where it is required to assemble a previous structure to be able to support the structure to be isolated.
  • the modular damper contains two external rigid members, a layer of vibration damping material between them and optionally one or more internal rigid members positioned inside the external members, separated from the others by a layer of vibration damping material and , if necessary, a layer of adhesive between any of the rigid members and the layers of vibration damping material, as mentioned in patent US 08505700 (CL 1252-1996).
  • shock absorbers are seen in patents CL 53189 (JP 2009230593 and DK 201000567) and CL 56386 (DK PA 2011 00546) where shock absorbers for constructions are described, comprising: a shock absorber, a first connecting member and a second member of connection, where in addition it comprises at least two sets of elongated first members, and at least one set of elongated second members, and a set of discs of cushioning material.
  • seismic impact eliminators that comprise: a base, a round concave and curved slide niche, a carrier seat, a slide block that is arranged in the slide niche, and springs, which serve to dissipate seismic impacts, as seen in patent CL 44178 (US 09/987786).
  • a node-type connection device for friction power consumption for a self-centering pile column structure is described, which is a device used to connect a bridge spring or a frame column with a foundation, where the device requires a steel plate to reinforce the column, a steel plate pre-embedded in the foundation.
  • This device differs from the proposed invention in that dissipation occurs by friction due to rotation of the reinforced concrete column, while in the proposed device dissipation occurs due to friction due to axial displacement of metallic columns.
  • friction dissipation devices have a wide range of forms and applications, which, although they provide robust solutions in the context of urban building, present deficiencies in the field of industrial building, particularly when it comes to projects. of rehabilitation, reinforcement or structural modification.
  • the first type of frictional seismic dissipator to be mentioned corresponds to the dissipator arranged in line with the bracing of metallic structures (Figure 1/12), presented on the page www.quaketek.com.
  • This device consists of rough parallel plates, compressed in a normal way to their plane by prestressed bolts, where the elongated perforations of the bolts allow the relative axial sliding of one plate with respect to the other in the bracing direction.
  • these dissipators are usually arranged at various levels of the structure and are strongly oriented to be part of the original earthquake-resistant system, since their subsequent installation in the context of a rehabilitation or reinforcement project entails the replacement of a considerable number of structural elements. Its efficiency is also low in the case of industrial structures, given the concentration of the deformation demand that this type of structure exhibits at certain levels; usually the lower ones.
  • the use of a frictional seismic dissipator at the base of the metal columns is not invasive when used in rehabilitation or structural reinforcement projects, since it does not require modifying the seismic resistant system. original.
  • it is particularly efficient in the case of industrial structures since its operation is much less sensitive to uneven distribution of mass and stiffness in height than that shown by friction dissipators in traditional bracing.
  • the second type of frictional dissipator of the state of the art to be mentioned corresponds to the frictional spring type dissipator ( Figure 2/12), presented on the page www.ringfeder.com.
  • This heatsink is also designed to be installed at the base of structure columns. It consists of a series of parallel concentric rings, which, given their wedge cross section, generate mechanical bonding between the contact planes between rings when they are compressed in a normal way to their plane. As in the case of the present development, this This solution generates friction dissipation when the metal column of a structure is lifted from its foundation.
  • the present invention solves the following technical problems existing in the state of the art:
  • the proposed development allows the use of a frictional seismic dissipator in industrial structures, where due to the irregularities of mass and stiffness usual in this type of structures, the use of traditional frictional dissipators in bracing is not efficient.
  • the use of traditional seismic dissipators in bracing strongly restricts the possibilities of structural modification in the installation. These modifications are common in the useful life of industrial structures as a result of improvements in production processes.
  • the proposed development offers greater flexibility to structural modifications, since being located at the base of the columns of the earthquake resistant system, the changes that the structure may experience in the upper levels have less impact on the dissipation system.
  • the proposed development can be used as part of the original earthquake-resistant system of a structure, it presents significant advantages over systems traditional frictional dissipation in bracing when used in the context of a structural reinforcement or rehabilitation project.
  • the proposed dissipator does not impose significant structural modifications to the original earthquake-resistant system; intervening exclusively and in a limited way the bases of seismic columns of the structure.
  • the earthquake resistant system is not intervened during the installation of the proposed development, the structure can continue to operate on a regular basis, as long as there are no restrictions on the work of the installers typical of the production process.
  • the proposed development presents the advantage over traditional friction dissipation systems in bracing, of allowing easy inspection; since the entire dissipation system is at ground level, and also allows a rapid change of friction plates after a severe earthquake; in order to maintain a known and controlled degree of safety for any major seismic event.
  • an industrial metal structure is understood to be one that supports equipment and / or machinery belonging to the production process of an industry. Said structures are characterized by presenting irregularity in the distribution of mass and stiffness, according to the reasons stated above.
  • the definition of the concept is also relevant: column base.
  • the base of a metal column corresponds to the connection of a metal column with its foundation.
  • the referred column bases correspond to those belonging to the earthquake-resistant system of the structure, which may or may not have an anchor chair, shear keys, flexural strength, among other variations.
  • the components that make up the dissipative device can be grouped into fixed components anchored to the foundation (4) and mobile components attached to the column (1).
  • Fixed components are shown in Figure 4/12, left, comprising: two external friction plates (6) with elongated holes (10) for tightening bolts, anchor bolt connectors (8), anchor bolts anchor (3), anchor bolt buckling restriction sleeves (9) and column foundation (4).
  • the moving components are shown in Figure 4/12, on the right, comprising: two internal friction plates (5) with column holes for standard tightening bolts (11) for tightening bolts, tightening bolts for the friction control (7), metallic column (1) and perforations in column for tightening bolts (11).
  • the number of anchor bolt connectors and buckling restraint sleeves will depend on the number of anchor bolts present in the column base.
  • the holes for tightening bolts elongated in the direction of the column in the external friction plates (10) and standard in the internal friction plates and column (11), have the function of allowing a joint movement of the column (1 ) and the internal friction plates (5), while the external friction plates (6) remain fixed by means of their connection with the anchor bolts (3) embedded in the foundation (4).
  • the anchor bolts (3) are compressed due to friction between friction plates (5, 6) during the decline.
  • the exposed length of the anchor bolts (stem) may be sufficient to induce failure of the bolts by buckling.
  • the device has a safety mechanism that triggers the work of the anchor bolts (3) as traditional elements resistant to traction.
  • the lower end of the anchor bolt connectors (8) makes contact with the anchor chair (2) or the base plate of the column (12) ( Figure 6/12), depending on the configuration of the column base, the anchor bolts are tractioned in a traditional way; eliminating the action of the dissipating device. This ensures that the device is active up to a maximum vertical displacement t of the column (1), less than the travel allowed by the elongated perforations (10) in the external friction plates (6).
  • This mechanism prevents the tightening bolts (7) from being responsible for the transfer of traction from the column (1) to the anchor bolts (3) by crushing against the external friction plate (6), ensuring that the tightening bolts ( 7) always work in simple pretension traction. This represents an additional safety factor, given that the interaction of tensile and shear forces on the tightening bolts (7) can result in unpredictable seismic behavior, considering the high dispersion presented by the seismic forces present at the base of a column.
  • ASTM A36 quality common carbon steel except for the tightening bolts (7) for friction control that are specified as ASTM A325 or ASTM A490 type, depending on whether less or greater friction is required between plates (5, 6), respectively.
  • Other qualities for the components could be indicated depending on the particular needs of the design in question.
  • Said proportion may vary depending on the deviation that the dimensioning of the anchor bolts (3) presents with respect to standard designs.
  • the finish given to the steel of the contact surfaces of the external (6) and internal (5) friction plates will typically be unpainted steel, with or without sandblasting, depending on the degree of roughness defined. during device design. However, it will be the specific design of the device that determines the particular geometric and mechanical requirements for each situation.
  • anchor bolt connectors (8) ( Figure 7/12), these will be internally spun in the same diameter as the anchor bolt in order to generate a bolting connection (13).
  • the connector (8) Once the connector (8) has been installed at a distance t from the saddle (2) or the base plate of the column (12) ( Figure 5/12, left), as the case may be, proceed to ground welding and all around the connector against the external friction plates (6).
  • the dimensioning of the weld shall be such that its available strength is greater than the expected strength of the connected anchor bolt (3).
  • Post-earthquake maintenance and replacement of friction plates (5, 6) will be carried out by mechanical removal of the weld between connectors (8) and external friction plates (6), which allows the subsequent disassembly of the rest of the heatsink components.
  • the installation of the dissipation device in an existing column base consists of the following stages: a) Cleaning and repair of any damage present in the existing column base. b) Drilling of the existing column for the installation of the clamping bolts.
  • Frictional spring seismic dissipator for installation at the base of structures from the Ringfeder company known in the state of the art (Source: www.ringfeder.com).
  • FIG. 1 Assembled configuration of the frictional dissipative device on a metal column base.
  • the figure indicates both the components of the connection (metal column (1), anchor chair (2), anchor bolts (3), base plate (12) and column foundation (4)), as well as those belonging to to dissipating device (internal (5) and external (6) friction plates, clamping bolts (7), anchor bolt connectors (8) and anchor bolt buckling restriction sleeves (9))
  • the structuring is based on braced frames in inverted V in one direction and in X in the perpendicular direction.
  • Figure 9/12 Structural diagram of the demand / capacity relationship at the last level of the structure under a non-linear time-history analysis of the record of constitution of the earthquake of February 27, 2010 in Chile. Values greater than unity represent an exceeded structural capacity. It is observed that the main columns of the earthquake resistant system have a structural capacity exceeded by seismic forces. The non-linearity of bracing, anchor bolts and plastic hinges in the middle of the span in inverted-V bracing beams is explicitly considered. The rest of the structural elements are considered, for the simplicity of the model, as linear and elastic.
  • Figure 10/12 Structural diagram on the demand / capacity relationship of the structure at the last level, considering basal frictional dissipation, under a non-linear time-history analysis of the record of constitution of the earthquake of February 27, 2010 in Chile. Values greater than unity represent an exceeded structural capacity. It is observed that most of the main elements of the earthquake-resistant system meet a demand for adequate resistance, ostensibly reducing their stress compared to the situation without dissipation.
  • the following example shows the effect of applying the proposed frictional device in a Chilean industrial structure.
  • the structure shown in Figure 8/12 corresponds to a useful 3-level steel transfer tower with a total height of 13m.
  • This structure presents operating platforms at all levels, together with supporting mechanical belts oriented in different directions.
  • the structure supports two transfer hoppers that represent the majority of the seismic mass of the system.
  • the earthquake-resistant system of the structure corresponds to frames braced in inverted V in one direction and frames braced in X in the perpendicular direction.
  • the material of which the structure is made corresponds to carbon steel quality ASTM A36.
  • the column bases are labeled (there is no restriction to the rotation of the column), they have an anchor seat and a cut-off key.
  • the anchor to the foundation corresponds to 4 anchor bolts of 2,223 cm (7/8 inch) in diameter, quality ASTM A36.
  • nonlinear time-history analyzes are carried out that consider the nonlinear behavior of bracing, beams and anchor bolts.
  • the seismic event selected corresponds to the record in 3 directions (longitudinal, transversal and vertical) of the earthquake of February 27, 2010 at the seismological station of Constitu Terms, Chile.
  • Nonlinear analyzes of the FNA type are performed in SAP2000 version 20 software, considering an approach based on Ritz vectors and Link type plastic elements.
  • the time-history analyzes consider that the seismic weight corresponds to 100% of the system's operational self-weight.
  • Figure 9/12 shows the demand / capacity relationship at the last level of the structural elements once the structure has been subjected to the seismic forces of the record of February 27, 2010.
  • the gray scale indicates the degree of utilization of the strength of structural components. Utilizations greater than unity indicate the theoretical failure of the structural component. It is observed that the structure collapses, because the columns of the seismic resistant system that support the hoppers show a utilization of the order of 20% higher than their expected capacity (The concept of expected capacity is used instead of available capacity, since it represents a more realistic value for the evaluation of global collapse).
  • the frictional device of the proposed development is incorporated in the columns belonging to the simor-resistant system of the structure.
  • the heatsink is configured based on two external friction plates and two internal friction plates 300mm high, 200mm wide and 20mm thick.
  • the finish of the contact surfaces between the internal and external friction plates corresponds to a standard unpainted shop finish. All heatsink components are specified in ASTM A36 carbon steel. The tightening bolts, meanwhile, are specified as five 7/8 inch bolts. In diameter, ASTM A325 quality. The assembled heatsink configuration is shown in Figure 3/12.
  • the design shows that the optimum dissipation is achieved with a tightening of 125 kN in the tightening bolts, achieving a friction force of 296 kN in the heatsink, equivalent to 85% of the tensile capacity available in anchor bolts.
  • the computational model of the heatsink corresponds to a Wen's hysteretic model, according to its implementation in SAP2000, considering an initial stiffness of 10 2 times the stiffness axis of the column, a sliding load equivalent to the friction between plates and a post-sliding stiffness of 10 4 times the initial stiffness.
  • Figure 10/12 shows the demand / capacity relationship at the ultimate level considering the effect of the dissipator on the structural response. It is worth mentioning the significant reduction in the demand for resistance on the structural elements, mainly those belonging to the earthquake resistant system.
  • the structure goes from a collapse condition, in a scenario without dissipation, to an acceptable structural condition considering the frictional seismic dissipation provided by the invention.
  • Figure 11/12 shows the accumulated energy distribution over time for the original structure.
  • the total accumulated seismic energy in the structure is of the order of 150 Tonf-m.
  • the energy that enters the system is a function of the squared speed of the structural system, so systems that present higher speed in their components will suffer greater damage, since they must be able to absorb greater seismic energy.
  • the energy dissipated by the plasticization of bracing, anchor bolts and plastic ball joints in inverted-V braced frames is of the order of 75% of the seismic energy entered into the system. The remaining 25% is dissipated by equivalent viscous damping.
  • Figure 12/12 shows the accumulated energy distribution over time for the structure considering the action of the friction dissipators of the proposed invention. It is observed that most of the seismic energy dissipation occurs in the friction dissipators arranged at the base of the columns, ostensibly reducing the damage in the rest of the structure, particularly in columns, which mostly pass from a condition from collapse to a condition of structural acceptance.
  • the frictional dissipator designed specifically for column bases according to the present development, has a dramatic effect in reducing the seismic energy in the structure, protecting the system during an extremely severe earthquake, minimizing the damage of the structural components and non-structural.

Abstract

El presente desarrollo hace referencia a un dispositivo pasivo de disipación de energía sísmica, en base a fricción mecánica entre componentes del mismo, configurado para localizarse en la base de columnas de estructuras metálicas pertenecientes al sistema sismorresistente de una edificación o instalación; ya sea de características urbanas o industriales. El dispositivo disipador friccional puede incluirse como parte del sistema sismorresistente original de una estructura, como también incorporarse en estructuras existentes en el contexto de una rehabilitación o refuerzo estructural.

Description

DISIPADOR FRICCIONAL DE ENERGÍA SÍSMICA PARA BASES DE COLUMNAS METÁLICAS
DESCRIPCIÓN DE LO CONOCIDO EN LA MATERIA
Los sistemas de protección sísmica de estructuras utilizados actualmente se clasifican como: sistemas activos, sistemas semi-activos y sistemas pasivos. Los sistemas activos son aquellos que a partir del monitoreo en tiempo real de la respuesta estructural, aplican fuerzas sobre la estructura para modificar su respuesta. Similares a estos, los sistemas semi-activos monitorean la respuesta estructural para modificar las propiedades mecánicas de los dispositivos de disipación. Por su parte, los sistemas pasivos, que corresponden a los mayormente utilizados, consisten en dispositivos diseñados para concentrar la disipación de energía sísmica por calor, u otros medios, reduciendo la energía que afecta al resto de la estructura.
En relación a los sistemas pasivos, existen diferentes aplicaciones dependiendo del tipo de construcción que se quiera proteger. Para las edificaciones en altura en general, se utilizan disipadores sísmicos que se instalan en cada nivel de las estructuras. Cuando la construcción es lo suficientemente baja como para no presentar levantamiento en su base debido a cargas sísmicas, se utilizan aisladores que permiten desacoplar la respuesta del suelo de la respuesta de la superestructura. Las estructuras aisladas experimentarán deformaciones sísmicas laterales de cuerpo rígido considerables, lo que debe ser tomado en cuenta en el diseño de cualquier sistema de tuberías, climatización, canalización eléctrica, u otros que conecten a la estructura con estructuras o instalaciones aledañas.
Por otro lado, en estructuras metálicas industriales la distribución de masa en altura y en planta es generalmente irregular, debido a la fuerte variabilidad del peso de los equipos soportados en cada nivel. Así mismo, el diseño arquitectónico debe priorizar la operación expedita de los equipos por sobre una disposición regular del sistema sismorresistente, por lo que muchas veces se tiene que la distribución de rigidez en altura y en planta del sistema sismorresistente también es irregular. Lo anterior se traduce en que la solicitación sísmica produzca la concentración de esfuerzos y deformación en determinados niveles, lo que hace ineficiente el uso de disipadores sísmicos tradicionales en este tipo de estructuras. Por su parte, el uso de aisladores sísmicos presenta complicaciones causadas por las considerables tracciones que se pueden desarrollar en columnas y a las importantes deformaciones laterales que se esperan en un sistema aislado. Finalmente, el uso de dispositivos de disipación o aislación como los mencionados, limita fuertemente la flexibilidad de la estructura para modificaciones futuras inducidas por cambios en el proceso productivo, práctica habitual en la vida útil de plantas industriales.
Sin embargo, investigaciones como las descritas en la tesis para grado de magister en ciencias de Urzúa (2015):“Comparación del Desempeño de dos Estructuras Industriales de Acero Diseñadas según la Práctica Nacional y Disposiciones AISC”, Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, Universidad de Chile, muestran que la base de columnas metálicas de estructuras industriales con distribución irregular de rigidez y masa, representa un punto eficiente de disipación de energía sísmica. La base de columnas presenta la ventaja de permitir una instalación simple en el caso de rehabilitación o refuerzo estructural, junto con no imponer mayores limitaciones a potenciales ampliaciones o modificaciones que pueda experimentar la edificación.
Considerando lo anterior, se propone un disipador sísmico friccional para el control de la respuesta estructural durante un sismo severo, diseñado específicamente para su instalación en la base de columnas de estructuras metálicas; el cual actúa reduciendo la energía sísmica que ingresa a la estructura por medio del trabajo mecánico generado por el roce entre componentes del disipador. La disipación por fricción presenta la cualidad de exhibir un ciclo histerético estable y rectangular, maximizando la disipación de energía en cada ciclo de carga. Dada la mínima intervención que se requiere en la instalación de este disipador en estructuras metálicas existentes, su uso en el contexto de rehabilitación o refuerzo estructural presenta ventajas considerables respecto a los sistemas disponibles en la actualidad.
ESTADO DE LA TÉCNICA
Dentro de los disipadores sísmicos existentes que pueden ir en la base de una columna, se puede mencionar los descritos en la patente CL 46109 (US 10/091.540), donde se presenta una estructura con un dispositivo eliminador de impactos para ser utilizada en edificios y estructuras de puentes. Los disipadores están compuestos por una base, un asiento portador, un bloque de corredera y una pluralidad de resortes, donde una concavidad deslizante con rebaje hundido y curvado redondo, está formada respectivamente en la superficie superior de la base, y en la superficie inferior del asiento portador y donde una pieza de bloque de corredera superior y una pieza del bloque de corredera inferior están situadas entre las dos concavidades deslizantes, una superficie de contacto entre las dos piezas de bloque de corredera y las concavidades deslizantes es de un contorno curvo y las otras, superficies son rebajes dentados del asiento, donde un único cojinete de acoplamiento esferoide está situado entre los dos rebajes de asiento y las piezas de bloque de corredera superior e inferior se mantienen juntas por los resortes, donde una vez ensamblada, la base del dispositivo eliminador de impactos es afirmada bajo las columnas de una estructura de edificio, de manera que el edificio logre los objetivos de una capacidad excepcional de eliminación de impactos y una mayor seguridad en la estructura del edificio en caso de sismos. Este desarrollo tiene que ser instalado mientras se construye la edificación o mediante excavaciones para poder instalarlo posteriormente.
Otro enfoque es la aislación sísmica de un elemento arquitectónico de una estructura que comprende un componente deformable apoyado entre sus extremos en forma deslizante sobre las superficies de los componentes de apoyo fijo que se ubican en una superficie inferior (base) de los componentes opuestos lateralmente espaciados que forman un armazón, tal como se describe en la patente CL 46315 (US 08/057126), donde se requiere armar una estructura previa para poder sostener a la estructura que se quiere aislar.
También para disipar la energía generada sísmicamente en una construcción cuando se utilizan amortiguadores modulares con uno o más elementos amortiguadores individuales montados en la estructura del amortiguador, que son útiles en la amortiguación de estructuras como edificios y puentes. El amortiguador modular contiene dos miembros rígidos externos, una capa de material amortiguador de vibraciones entre ellos y, opcionalmente, uno o más miembros rígidos internos colocados en el interior de los miembros externos, separado de los otros por una capa de material amortiguador de vibraciones y, si es necesario, una capa de adhesivo entre cualquiera de los miembros rígidos y las capas de material amortiguador de vibraciones, tal como se menciona en la patente US 08505700 (CL 1252-1996).
Otros tipos de amortiguadores se aprecian en las patentes CL 53189 (JP 2009230593 y DK 201000567) y CL 56386 (DK PA 2011 00546) donde se describen amortiguadores para construcciones, que comprenden: un amortiguador, un primer miembro de conexión y un segundo miembro de conexión, donde además se comprende al menos dos juegos de primeros miembros alargados, y al menos un juego de segundos miembros alargados, y un juego de discos de material amortiguador. Existen otros tipos de eliminadores de impacto sísmico que comprenden: una base, un nicho redondo de corredera cóncavo y curvo, un asiento portador, un bloque de corredera que está dispuesto en el nicho de corredera, y resortes, los cuales cumplen la función de disipar impactos sísmicos, tal como se ve en la patente CL 44178 (US 09/987786). También se describe otro dispositivo CN 101936043 en donde se describe un dispositivo de conexión de tipo nodo para el consumo de energía por fricción para una estructura de columna de pila autocentrante, que es un dispositivo utilizado para conectar un muelle de puente o una columna de marco con una fundación, donde el dispositivo requiere de una placa de acero de refuerzo de la columna, una placa de acero pre-incrustada en la cimentación. Este dispositivo difiere de la invención propuesta en que la disipación se produce por fricción por rotación de la columna de hormigón armado, mientras que en el dispositivo propuesto la disipación ocurre por fricción por desplazamiento axial de columnas metálicas.
En general todos los dispositivos descritos como eliminadores de impacto, disipadores o amortiguadores deben ser integrados en la infraestructura al momento de ser construida o con trabajos de perforación y sustentamiento de la estructura para poder modificarla cuando se trabaja en su base.
Como se mencionó anteriormente, los sistemas pasivos de protección sísmica son los mayormente utilizados en la actualidad. Dentro de estos sistemas, los dispositivos de disipación por fricción presentan un amplio rango de formas y aplicaciones, que si bien otorgan soluciones robustas en el contexto de la edificación urbana, presentan deficiencias en el ámbito de la edificación industrial, particularmente cuando se trata de proyectos de rehabilitación, refuerzo o modificación estructural. El primer tipo de disipador sísmico friccional a mencionar corresponde al disipador dispuesto en línea con los arriostramientos de estructuras metálicas (Figura 1/12), presentado en la página www.quaketek.com. Este dispositivo se compone de placas paralelas rugosas, comprimidas de manera normal a su plano por pernos pretensados, donde las perforaciones alargadas de los pernos permiten el deslizamiento axial relativo de una placa respecto a la otra en el sentido del arriostramiento.
En la práctica, estos disipadores se disponen usualmente en varios niveles de la estructura y están fuertemente orientados a ser parte del sistema sismorresistente original, puesto que su instalación posterior en el contexto de un proyecto de rehabilitación o refuerzo conlleva el reemplazo de un número considerable de elementos estructurales. También su eficiencia es baja en el caso de estructuras industriales, dada la concentración de la demanda de deformación que este tipo de estructuras exhibe en ciertos niveles; usualmente los inferiores. Por el contrario, el uso de un disipador sísmico friccional en la base de las columnas metálicas, como el detallado en el presente desarrollo, no es invasivo en caso de usarse en proyectos de rehabilitación o refuerzo estructural, dado que no requiere modificar el sistema sismorresistente original. Además, es particularmente eficiente en el caso de estructuras industriales, dado que su funcionamiento es mucho menos sensible a una distribución irregular de masa y rigidez en altura que la mostrada por los disipadores fricciónales en arriostramientos tradicionales.
El segundo tipo de disipador friccional del estado del arte a mencionar corresponde al disipador tipo resorte friccional (Figura 2/12), presentado en la página www.ringfeder.com. Este disipador también está diseñado para ser instalado en la base de columnas de estructuras. Consiste en una serie de anillos concéntricos paralelos, los cuales, dada su sección transversal en cuña, generan trabazón mecánica entre los planos de contacto entre anillos cuando estos son comprimidos de manera normal a su plano. Al igual que en el caso del presente desarrollo, esta solución genera disipación por fricción cuando la columna metálica de una estructura se levanta de su fundación. Sin embargo en estructuras existentes, presenta la desventaja de que configurar el disipador para trabajar en el rango en que la columna desciende de su posición levantada hasta su apoyo en la fundación, es complejo, y requiere intervenciones mayores de la base de la columna. Por su parte, el presente desarrollo mejora esta condición, generando disipación por fricción tanto cuando la columna se levanta de la fundación, como cuando desciende desde la posición levantada hasta la posición original, sin requerir intervenciones considerables de la base de la columna.
En general, la presente invención soluciona los siguientes problemas técnicos existentes en el estado del arte:
Primero, el desarrollo propuesto permite utilizar un disipador sísmico friccional en estructuras industriales, donde debido a las irregularidades de masa y rigidez usuales en este tipo de estructuras, el uso de disipadores fricciónales tradicionales en arriostramientos no resulta eficiente. Segundo, el uso de disipadores sísmicos tradicionales en arriostramientos restringe fuertemente las posibilidades de modificación estructural en la instalación. Dichas modificaciones son usuales en la vida útil de las estructuras industriales producto de las mejoras en los procesos productivos. El desarrollo propuesto ofrece mayor flexibilidad a las modificaciones estructurales, dado que al ubicarse en la base de las columnas del sistema sismorresistente, los cambios que la estructura pueda experimentar en los niveles superiores tienen menor impacto en el sistema de disipación.
Tercero, aunque el desarrollo propuesto puede ser utilizado como parte del sistema sismorresistente original de una estructura, presenta ventajas significativas frente a los sistemas tradicionales de disipación friccional en arriostramientos cuando es utilizado en el contexto de un proyecto de rehabilitación o refuerzo estructural. El disipador propuesto no impone modificaciones estructurales significativas al sistema sismorresistente original; interviniendo exclusiva y acotadamente las bases de columnas sísmicas de la estructura. Además, debido a que no se interviene el sistema sismorresistente durante la instalación del desarrollo propuesto, la estructura puede seguir operando de manera regular, mientras no haya restricciones al trabajo de los instaladores propias del proceso productivo.
Cuarto, aunque actualmente existen sistemas de disipación friccional en la base de columnas de estructuras metálicas, materializar una configuración sobre una columna existente que genere disipación tanto cuando la columna se levanta como cuando regresa a su posición original desde la posición levantada, requiere intervenciones mayores sobre la base de la columna. El desarrollo propuesto genera disipación en ambas direcciones de movimiento de la columna, requiriendo una intervención menor sobre la base de esta.
Quinto, el desarrollo propuesto presenta la ventaja frente a los sistemas tradicionales de disipación por fricción en arriostramientos, de permitir una fácil inspección; dado que todo el sistema de disipación se encuentra a nivel de piso, y además, permitir un rápido cambio de placas de fricción luego de un sismo severo; de modo de mantener un grado de seguridad conocido y controlado para cualquier evento sísmico mayor.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Debe entenderse que la presente invención no está limitada a la metodología particular, compuestos, materiales, técnicas de manufactura, usos y aplicaciones aquí descritas, pues éstas pueden variar. También debe entenderse que la terminología empleada aquí es usada con el solo propósito de describir una representación particular, y no intenta limitar la perspectiva y el potencial del presente invento.
Debe notarse que en el sistema, pieza, elemento, uso y método, aquí en el pliego de reivindicaciones y en todo el texto, el singular no excluye al plural, salvo que en el contexto claramente lo implique. Entonces, por ejemplo, la referencia a un“uso o método”, es una referencia a uno o más usos o métodos, e incluye equivalentes conocidos por quienes conocen de la materia (el arte). Similarmente, como otro ejemplo, la referencia a“un paso”,“una etapa” o a“un modo”, es una referencia a uno o más pasos, etapas o modos y que puede incluir sub pasos, etapas o modos, implícitos y/o sobrevinientes. Todas las conjunciones usadas han de entenderse en su sentido menos restrictivo y más inclusivo posible. Así, por ejemplo, la conjunción“o” debe entenderse en su sentido lógico ortodoxo, y no como un“o excluyente”, salvo que el contexto o el texto expresamente lo necesite o indique. Las estructuras, materiales y/o elementos descritos han de entenderse que también se refieren a aquellos equivalentes funcionalmente y así evitar enumeraciones taxativas interminables.
Las expresiones usadas para indicar aproximaciones o conceptualizaciones deben entenderse así, salvo que el contexto mande una interpretación distinta.
Todos los nombres y términos técnicos y/o científicos aquí empleados tienen el significado común que le otorga una persona común, calificada en estas materias, salvo indicación expresa, distinta.
Los métodos, técnicas, elementos, sistemas y piezas similares y/o equivalentes a los descritos pueden ser usados o preferidos en la práctica y/o pruebas de la presente invención. Se incorporan todas las patentes y otras publicaciones como referencias, con el propósito de describir y/o informar, por ejemplo, las metodologías descritas en dichas publicaciones, que puedan resultar útiles en relación con el presente invento.
Se incluyen estas publicaciones sólo por su información previa a la fecha de registro de la presente solicitud de patente.
A este respecto, nada debe considerarse como una admisión o aceptación, rechazo o exclusión, de que los autores y/o inventores no estén legitimados de serlo, o de estar ante fechadas dichas publicaciones en virtud de otras anteriores, o por cualquier otra razón.
Algunos conceptos aplicados en la presente invención se basan en la definición del concepto: estructura metálica industrial. En el contexto del desarrollo propuesto, se entiende como estructura metálica industrial aquella que soporta equipos y/o maquinarias pertenecientes al proceso productivo de una industria. Dichas estructuras se caracterizan por presentar irregularidad en la distribución de masa y rigidez, de acuerdo a las razones expuestas anteriormente. También resulta relevante la definición del concepto: base de columna. La base de una columna metálica corresponde a la conexión de una columna metálica con su fundación. En el contexto de la invención, las bases de columnas referidas corresponden a aquellas pertenecientes al sistema sismorresistente de la estructura, las que pueden presentar o no silla de anclaje, llaves de corte, resistencia a la flexión, entre otras variaciones. El desarrollo propuesto en base a la configuración ensamblada, mostrada en la Figura
3/12, aplica a bases de columna con o sin silla de anclaje (2), con llave de corte y restricción a fuerzas axiales y de cizalle. Otras variantes, como bases de columna sin llave de corte o con restricción al giro, entre otras, se abordan considerando la misma filosofía de funcionamiento basada en la fricción entre placas (5, 6) en la base de columnas; modificando la geometría del dispositivo, según se requiera, para ajustar las condiciones particulares de la base de columna en cuestión.
El desarrollo propuesto no requiere que la base, ni sus componentes como: columna (1), silla de anclaje (2), pernos de anclaje (3), llave de corte, etc., cumplan a priori requerimientos particulares normativos de algún tipo, geométricos, mecánicos u otros; por lo que su aplicación en estructuras existentes puede adaptarse a la amplia gama de variaciones que una base de columna puede presentar.
Los componentes que constituyen el dispositivo disipador se pueden agrupar en componentes fijos anclados a la fundación (4) y componentes móviles adosados a la columna (1). En la Figura 4/12, a la izquierda, se muestra los componentes fijos, que comprenden: dos placas de fricción externas (6) con perforaciones alargadas (10) para pernos de apriete, conectores de pernos de anclaje (8), pernos de anclaje (3), camisas para restricción de pandeo de pernos de anclaje (9) y fundación de columna (4). En la Figura 4/12, a la derecha, se muestra los componentes móviles, que comprenden: dos placas de fricción internas (5) con perforaciones en columna para pernos de apriete estándar (11) para pernos de apriete, pernos de apriete para el control de la fricción (7), columna metálica (1) y perforaciones en columna para pernos de apriete (11). El número de conectores de pernos de anclaje y camisas para restricción de pandeo dependerá del número de pernos de anclaje presente en la base de columna.
El funcionamiento del dispositivo disipador de la presente invención puede verse en la Figura 5/12. A la izquierda, se muestra la base de columna en su posición original de apoyo sobre la fundación (4). En esta posición, el disipador presenta una resistencia al levantamiento de la columna (1) equivalente al roce entre placas de fricción (5, 6) inducido por la pretensión de los pernos de apriete (7). Desde esta posición, y una vez vencido el roce entre placas de fricción (5, 6), el movimiento sísmico del suelo levantará la columna metálica (1) una distancia d (Figura 5/12 derecha), movilizando con ella las placas de fricción internas (5) bajo fricción constante contra las placas de fricción externas (6).
Las perforaciones para pernos de apriete, alargadas en el sentido de la columna en las placas de fricción externas (10) y estándares en las placas de fricción internas y columna (11), tienen la función de permitir un movimiento conjunto de la columna (1) y las placas de fricción internas (5), mientras las placas de fricción externas (6) se mantienen fijas por medio de su conexión con los pernos de anclaje (3) embebidos en la fundación (4).
Cuando la columna metálica regresa desde su posición levantada a la posición original de apoyo en la fundación (Figura 4/12, derecha), los pernos de anclaje (3) son comprimidos debido al roce entre placas de fricción (5, 6) durante el descenso. En el caso que la base de columna (1) presente silla de anclaje (2), el largo expuesto de los pernos de anclaje (vástago) puede ser suficiente como para inducir la falla de los pernos por pandeo. Para evitar este tipo de falla se dispone de camisas para restricción de pandeo en los pernos de anclaje (9), de modo de que la resistencia en compresión de los pernos de anclaje (3) sea superior al roce entre placas de fricción (5, 6) del dispositivo disipador. Cabe destacar que las camisas (9) no están rígidamente unidas a los pernos de anclaje (3), permitiendo el estiramiento libre de estos en caso de ser tracci onados a niveles de fluencia.
El dispositivo cuenta con un mecanismo de seguridad que gatilla el trabajo de los pernos de anclaje (3) como elementos tradicionales resistentes a tracción. Cuando durante el levantamiento de la columna (1) el extremo inferior de los conectores de pernos de anclaje (8) hace contacto con la silla de anclaje (2) o la placa base de la columna (12) (Figura 6/12), según sea la configuración de la base de columna, los pernos de anclaje son traccionados de manera tradicional; eliminándose la acción del dispositivo disipador. Esto asegura que el dispositivo esté activo hasta un desplazamiento vertical máximo t de la columna (1), menor al recorrido permitido por las perforaciones alargadas (10) en las placas de fricción externas (6). Este mecanismo evita que los pernos de apriete (7) sean responsables del traspaso de tracción desde la columna (1) a los pernos de anclaje (3) por aplastamiento contra la placa de fricción externa (6), garantizando que los pernos de apriete (7) trabajen siempre en tracción simple por pretensión. Lo anterior representa un factor de seguridad adicional, dado que la interacción de esfuerzos de tracción y cizalle en los pernos de apriete (7) puede resultar en un comportamiento sísmico impredecible, considerando la alta dispersión que presentan las fuerzas sísmicas presentes en la base de una columna.
Respecto a la materialidad de los componentes del dispositivo disipador, estos se fabrican utilizando acero carbono común calidad ASTM A36, salvo los pernos de apriete (7) para el control de la fricción que se especifican como tipo ASTM A325 o ASTM A490, dependiendo de si se requiere menor o mayor fricción entre placas (5, 6), respectivamente. Otras calidades para los componentes podrían indicarse dependiendo de las necesidades particulares del diseño en cuestión.
Respecto a las placas de fricción externas (6) e internas (5) se puede mencionar que su geometría está determinada por la cantidad de pernos de apriete (7) que se deba acomodar y acotada por el espacio disponible en la columna (1). Por ejemplo, para columnas de sección H desde 250mm a 350mm de altura, placas de fricción (5, 6) de 300mm de alto, 200mm de ancho y 20mm de espesor, considerando 5 pernos de apriete (7) calidad ASTM A325, serán especificadas de manera estándar. El grado de fricción entre placas (5, 6) se controla por medio de pernos de apriete (7), que atraviesan el conjunto de dos placas externas (6), dos placas internas (5) y la columna metálica (1); y por el grado de rugosidad que otorga la terminación de las superficies en contacto de las placas de fricción externas (6) e internas (5). En general, se considera que una pretensión de los pernos de apriete (7) del orden del 75% de la resistencia disponible de los pernos de anclaje (3), ya sea que dicha resistencia este controlada por modos de falla del acero de los pernos de anclaje (3) o del hormigón de la fundación (4), genera una disipación adecuada; en términos de generar un roce óptimo sin imponer una demanda de resistencia excesiva sobre los pernos de anclaje (3). Dicha proporción puede variar dependiendo de la desviación que presente el dimensionamiento de los pernos de anclaje (3) respecto a diseños estándares. Por su parte, la terminación dada al acero de las superficies en contacto de las placas de fricción externas (6) e internas (5) será típicamente en acero sin pintar, con o sin tratamiento por chorro de arena, dependiendo del grado de rugosidad definido durante el diseño del dispositivo. No obstante, será el diseño específico del dispositivo el que determine los requerimientos geométricos y mecánicos particulares para cada situación.
Respecto a los conectores de pernos de anclaje (8) (Figura 7/12), estos serán hilados interiormente en el mismo diámetro que el perno de anclaje de modo de generar una conexión por apernado (13). Una vez que se ha instalado el conector (8) a una distancia t de la silla (2) o placa base de la columna (12) (Figura 5/12, izquierda), según sea el caso, se procede a soldar por terreno y por todo el contorno el conector contra las placas de fricción externas (6). El dimensionamiento de la soldadura será tal que su resistencia disponible sea superior a la resistencia esperada del perno de anclaje conectado (3). Mantenciones y reemplazos de placas de fricción (5, 6) post-sismo se realizarán por remoción mecánica de la soldadura entre conectores (8) y placas de fricción externa (6), lo que permite el posterior desmontaje del resto de los componentes del disipador.
En particular, dada las ventajas que presenta respecto a las soluciones comerciales disponibles, la instalación del dispositivo de disipación en una base de columna existente consta de las siguientes etapas: a) Limpieza y reparación de cualquier daño presente en la base de columna existente. b) Perforación de columna existente para la instalación de los pernos de apriete.
c) Instalación de placas de fricción internas por medio de soldaduras de pinchazo temporales a la columna existente.
d) Remoción de tuercas existentes en pernos anclaje.
e) Instalación de conectores de pernos de anclaje.
f) Instalación de placas de fricción externas y fijación de estas a conectores de pernos de anclaje por soldadura de filete en todo el contorno de contacto.
g) Instalación de pernos de apriete y pretensado a la carga determinada por diseño.
h) Sellado de las juntas entre placas de fricción externas e internas para evitar corrosión entre placas.
DESCRIPCIÓN DE FIGURAS Figura 1/12 Disipador sísmico friccional de la compañía Quatek aplicado en el edificio Torre
Cuarzo, México D.F, México conocido en el estado del arte (Fuente: www.quaketek.com). Figura 2/12
Disipador sísmico de resorte friccional de instalación en la base de estructuras de la compañía Ringfeder conocido en el estado del arte (Fuente: www.ringfeder.com).
Figura 3/12
Configuración ensamblada del dispositivo disipador friccional en una base de columna metálica. En la figura se indican tanto los componentes propios de la conexión (columna metálica (1), silla de anclaje (2), pernos de anclaje (3), placa base (12) y fundación de columna (4)), como los pertenecientes al dispositivo disipador (placas de fricción internas (5) y externas (6), pernos de apriete (7), conectores de pernos de anclaje (8) y camisas para restricción de pandeo de pernos de anclaje (9))
Los numerales indican en la figura:
Componentes propios de la conexión
(1) Columna metálica
(2) Silla de anclaje
(3) Pernos de anclaje
(4) Fundación columna
(12) Placa base columna
Componentes del dispositivo disipador (5) Placas de fricción internas
(6) Placas de fricción externas (7) Pernos de apriete
(8) Conectores de pernos de anclaje
(9) Camisas para restricción de pandeo de pernos de anclaje
(10) Perforaciones alargadas para pernos de apriete en placas exteriores
(11) Perforaciones estándar para pernos de apriete en placas interiores y columna
Figura 4/12 Izquierda: Componentes del disipador friccional que se encuentran conectados rígidamente con la fundación (4) de la columna (1). Derecha: Componentes del disipador friccional adosados a la columna (1), y que pueden desplazarse en el eje de la misma.
Los numerales indican en la figura:
(1) Columna metálica
(2 ) Silla de anclaje
(3) Pernos de anclaje
(4) Fundación columna
(5) Placas de fricción internas (una a cada lado de la columna)
(6) Placas de fricción externas (una a cada lado de la columna)
(7) Pernos de apriete pretensados para control de la fricción
(8) Conectores de pernos de anclaje con placas de fricción externas
(9) Camisas para restricción de pandeo de pernos de anclaje
(10) Perforaciones alargadas para pernos de apriete en placas exteriores (11) Perforaciones estándar para pernos de apriete en placas interiores y columna
(12) Placá base de columna
Figura 5/12 Izquierda: Base de columna apoyada en su fundación. Se observa que la columna (1) puede levantarse una altura t antes de que la silla (2) entre en contacto con los conectores de pernos de anclaje (8). Derecha: Base de columna levantada desde su fundación una altura d<t. Desde el reposo a esta posición se genera fricción constante entre placas de fricción (5,6). Lo mismo ocurre cuando la columna (1) desciende hacia su posición original. Los numerales indican en la figura:
(1) Columna metálica
(2) Silla de anclaje
(3) Pernos de anclaje
(4) Fundación columna
(5) Placas de fricción internas (una a cada lado de la columna)
(6) Placas de fricción externas (una a cada lado de la columna)
(7) Pernos de apriete pretensados para control de la fricción
(8) Conectores de pernos de anclaje con placas de fricción externas
(9) Camisas para restricción de pandeo de pernos de anclaje
(10) Perforaciones alargadas para pernos de apriete en placas exteriores
(11) Perforaciones estándar para pernos de apriete en placas interiores y columna
(12) Placá base de columna Figura 6/12
Base de columna levantada una altura t desde su fundación. En esta posición la silla (2) o placa base (12), según sea la configuración de la base de columna) entra en contacto con los conectores de pernos de anclaje (8), traccionando los pernos de anclaje (3) de manera tradicional.
Los numerales indican en la figura:
(1) Columna metálica
(2) Silla de anclaje
(3) Pernos de anclaje
(4) Fundación columna
(5) Placas de fricción internas (una a cada lado de la columna)
(6) Placas de fricción externas (una a cada lado de la columna)
(7) Pernos de apriete pretensados para control de la fricción
(8) Conectores de pernos de anclaje con placas de fricción externas
(9) Camisas para restricción de pandeo de pernos de anclaje
(10) Perforaciones alargadas para pernos de apriete en placas exteriores
(11) Perforaciones estándar para pernos de apriete en placas interiores y columna
(12) Placá base de columna
Figura 7/12
Detalle de un conector de perno de anclaje (8) y su conexión con el perno de anclaje (3) respectivo y la placa de fricción externa (6). Los numerales indican en la figura:
(3) Pernos de anclaje
(6) Placas de fricción externas (una a cada lado de la columna)
(8) Conectores de pernos de anclaje con placas de fricción externas
(9) Camisas para restricción de pandeo de pernos de anclaje (dilatada interormente de los pernos de anclaje)
(13) Diámetro interior e hilado en conector compatible con perno de anclaje
Figura 8/12 Esquema estructural sobre de una torre de transferencia de 3 niveles de operación y
13m de altura. La estructuración se basa en marcos arriostrados en V invertida en una dirección y en X en la dirección perpendicular.
Figura 9/12 Esquema estructural sobre la relación demanda/capacidad a nivel último de la estructura bajo un análisis no lineal tiempo-historia del registro de constitución del sismo del 27 de febrero de 2010 en Chile. Valores mayores a la unidad representan una capacidad estructural excedida. Se observa que las columnas principales del sistema sismorresistente presentan una capacidad estructural excedida por las fuerzas sísmicas. Se considera explícitamente la no linealidad de arriostramientos, pernos de anclaje y rotulas plásticas a mitad del vano en vigas de arriostramientos en V-invertida. El resto de los elementos estructurales se consideran, por simplicidad del modelo, como lineales y elásticos. Figura 10/12 Esquema estructural sobre la relación demanda/capacidad de la estructura a nivel último, considerando disipación friccional basal, bajo un análisis no lineal tiempo-historia del registro de constitución del sismo del 27 de febrero de 2010 en Chile. Valores mayores a la unidad representan una capacidad estructural excedida. Se observa que la mayoría de los elementos principales del sistema sismorresistente se encuentran con una demanda de resistencia adecuada, reduciendo ostensiblemente su solicitación respecto a la situación sin disipación.
Figura 11/12
Gráfico sobre la distribución de energía acumulada en el tiempo para la estructura original sometida al registro del terremoto del 27 de febrero de 2010, Chile.
Figura 12/12
Gráfico sobre la distribución de energía acumulada en el tiempo para la estructura con disipación friccional basal sometida al registro del terremoto del 27 de febrero de 2010, Chile. EJEMPLO DE APLICACIÓN
En el siguiente ejemplo se muestra el efecto de la aplicación del dispositivo friccional propuesto en una estructura industrial chilena. La estructura mostrada en la Figura 8/12 corresponde a una torre de transferencia de acero de 3 niveles útiles con una altura total de 13m. Esta estructura presenta plataformas de operación en todos sus niveles, junto con apoyar correas mecánicas orientadas en distintas direcciones. Cabe destacar que en el segundo nivel la estructura soporta dos tolvas de transferencia que representan la mayor parte de la masa sísmica del sistema. El sistema sismorresistente de la estructura corresponde a marcos arriostrados en V invertida en una dirección y marcos arriostrados en X en la dirección perpendicular. El material del que se compone la estructura corresponde a acero carbono calidad ASTM A36.
Las bases de columnas son rotuladas (no hay restricción al giro de la columna), presentan silla de anclaje y llave de corte. El anclaje a la fundación corresponde a 4 pernos de anclaje de 2,223 cm (7/8 de pulgadas) de diámetro, calidad ASTM A36.
Para demostrar el efecto del disipador friccional se llevan a cabo análisis no lineales tiempo-historia que consideran el comportamiento no lineal de arriostramientos, vigas y pernos de anclaje. El evento sísmico seleccionado corresponde al registro en 3 direcciones (longitudinal, transversal y vertical) del sismo del 27 de febrero de 2010 en la estación sismológica de Constitución, Chile. Los análisis no lineales del tipo FNA (Fast Nonlinear Analysis) se realizan en el software SAP2000 versión 20, considerando un enfoque basado en vectores Ritz y elementos plásticos tipo Link. Los análisis tiempo-historia consideran que el peso sísmico corresponde al 100% del peso propio operacional del sistema. En la Figura 9/12 se muestra la relación demanda/capacidad a nivel último de los elementos estructurales una vez que la estructura ha sido sometida a las fuerzas sísmicas del registro del 27 de febrero de 2010. La escala de grises indica el grado de utilización de la resistencia de los componentes estructurales. Utilizaciones superiores a la unidad indican la falla teórica del componente estructural. Se observa que la estructura colapsa, debido a que las columnas del sistema sismorresistente que soportan las tolvas muestran una utilización del orden de un 20% superior a su capacidad esperada (Se utiliza el concepto de capacidad esperada en vez de capacidad disponible, dado que representa un valor más realista para la evaluación de colapso global). A continuación, se incorpora el dispositivo friccional del desarrollo propuesto en las columnas pertenecientes al sistema simorresistente de la estructura. El disipador se configura en base a dos placas de fricción externas y dos placas de fricción internas de 300mm de alto, 200mm de ancho y 20mm de espesor. La terminación de las superficies de contacto entre placas de fricción interna y externa corresponde a una terminación de taller estándar sin pintar. Todos los componentes del disipador se especifican en acero carbono ASTM A36. Los pernos de apriete, por su parte, se especifican como cinco pernos de 2,223 cm (7/8 de pulgadas). De diámetro, calidad ASTM A325. La configuración ensamblada del disipador se muestra en la Figura 3/12.
El diseño muestra que el óptimo de disipación se logra con un apriete de 125 kN en los pernos de apriete, logrando una fuerza de roce de 296 kN en el disipador, equivalente al 85% de la capacidad en tracción disponible en pernos de anclaje.
El modelo computacional del disipador corresponde a un modelo histerético de Wen, según su implementación en SAP2000, considerando una rigidez inicial de 102 veces la rigidez axial de la columna, una carga de deslizamiento equivalente a la fricción entre placas y una rigidez post deslizamiento de 10 4 veces la rigidez inicial.
En la Figura 10/12 se muestra la relación demanda/capacidad a nivel último considerando el efecto del disipador en la respuesta estructural. Cabe mencionar la importante reducción de la demanda de resistencia sobre los elementos estructurales, principalmente aquellos pertenecientes al sistema sismorresistente. La estructura pasa de una condición de colapso, en un escenario sin disipación, a una condición estructural aceptable considerando la disipación sísmica friccional proporcionada por la invención.
En la Figura 11/12 se muestra la distribución de energía acumulada en el tiempo para la estructura original. La energía sísmica acumulada total en la estructura es del orden de 150 Tonf-m. Cabe destacar que la energía que ingresa al sistema es función de la velocidad al cuadrado del sistema estructural, por lo que sistemas que presenten mayor velocidad en sus componentes sufrirán mayor daño, pues deben ser capaces de absorber mayor energía sísmica. Por otra parte, se tiene que la energía disipada por la plastificación de arriostramientos, pernos de anclajes y rotulas plásticas en marcos arriostrados en V-invertida es del orden del 75% de la energía sísmica ingresada al sistema. El 25% restante se disipa por amortiguamiento viscoso equivalente.
En la Figura 12/12 se muestra la distribución de energía acumulada en el tiempo para la estructura considerando la acción de los disipadores fricciónales de la invención propuesta. Se observa que la mayor parte de la disipación de la energía sísmica ocurre en los disipadores fricciónales dispuestos en la base de las columnas, reduciendo ostensiblemente el daño en el resto de la estructura, particularmente en columnas, las cuales pasan en su mayoría de una condición de colapso a una condición de aceptación estructural. En conclusión, el disipador friccional diseñado específicamente para bases de columna, según el presente desarrollo, tiene un efecto dramático en la reducción de la energía sísmica en la estructura, protegiendo al sistema durante un sismo extremadamente severo, minimizando el daño de los componentes estructurales y no estructurales.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Dispositivo disipador sísmico friccional, colocado en la base de columnas de estructuras metálicas con una distribución de masa en altura y en planta de forma irregular, CARACTERIZADO porque comprende componentes fijos y móviles que interactúan entre sí, donde los componentes fijos están anclados a la fundación (4) y comprenden: placas de fricción externas (6), fijadas a conectores de pernos de anclaje (8), los cuales se enroscan con los pernos de anclaje (3), donde estos pernos de anclaje (3) atraviesan en su largo a las camisas de restricción de pandeo (9), hasta llegar a la fundación de la columna (4); y componentes móviles adosados a la columna (1) y comprenden: placas de fricción internas (5) atravesadas por pernos de apriete para el control de la fricción
(7).
2. Un disipador sísmico friccional, de acuerdo con la reivindicación 1, CARACTERIZADO porque la interacción entre los componentes móviles y fijos se da a través de pernos de apriete para el control de la fricción (7) que atraviesan las placas de fricción externas (6), las placas de fricción internas (5) y la columna (1) formando un sándwich de capas apretadas, pero móviles entre la placa de fricción externa (6) y la placa de fricción interna (5).
3. Un disipador sísmico friccional, de acuerdo con la reivindicación 1,
CARACTERIZADO porque las placas de fricción externas (6) contienen perforaciones alargadas (10).
4. Un disipador sísmico friccional, de acuerdo con la reivindicación 1,
CARACTERIZADO porque las placas de fricción internas (5) contienen perforaciones circulares estándar (11), las cuales se alinean con perforaciones que se realizan en la columna (1).
5. Un disipador sísmico friccional, de acuerdo con la reivindicación 1,
CARACTERIZADO porque se instalan en cualquier base de columna con o sin silla de anclaje (2), con y sin llave de corte, con restricción al giro y con restricción a fuerzas axiales y de cizalle.
6. Procedimiento de instalación del dispositivo sísmico friccional, CARACTERIZADO porque comprende las siguientes etapas:
a) Limpieza y reparación de cualquier daño presente en la base de columna existente; b) Perforación de columna existente para la instalación de los pernos de apriete; c) Instalación de placas de fricción internas por medio de soldaduras de pinchazo temporales a la columna existente;
d) Remoción de tuercas existentes en pernos anclaje;
e) Instalación de conectores de pernos de anclaje;
f) Instalación de placas de fricción externas y fijación de estas a conectores de pernos de anclaje por soldadura de filete en todo el contorno de contacto;
g) Instalación de pernos de apriete y pretensado a la carga determinada por diseño; y h) Sellado de las juntas entre placas de fricción externas e internas para evitar corrosión entre placas.
7. Procedimiento de instalación del dispositivo sísmico friccional, según la reivindicación 6, CARACTERIZADO porque cuando la instalación es en una estructura nueva, la etapa a) no se lleva a cabo.
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