REQUISITOS PARA EL DISEÑO SÍSMICO DE ESTRUCTURAS CON SISTEMAS PASIVOS

DE DISIPACIÓN DE ENERGÍA (Norma Borrador, elaborada por ACHISINA)

AICE,  Castro  7-­‐11-­‐2013    

Mauricio  Sarrazin  

Tipos de Disipadores Pasivos de Energía Viscosos: dependen de la velocidad (F=kf(va)) •  Deformación de materiales viscoelásticos •  Fluidos viscosos Metálicos: dependen de los desplazamientos (F=kf(u)) • Deformación plástica o extrusión de metales • Disipadores por fricción

• De fricción: Otros • Materiales superelásticos o con memoria de forma • Amortiguadores de masa sintonizada

Tipos de disipadores y sus modelos

Viscosos, Viscoelásticos

•  Fluido viscoso

•  Viscoelástico

•  Muros con amortiguamiento viscoso

Amolanas, Chile La Rambla, España

Metálicos

•  Acero

•  Plomo

Nueva Zelanda

Puente South Rangitikei, 1981

315 mts, cepa 78 mt

Viscoso, Viscoelástico

•  Fluido viscoso

•  Viscoelástico

•  Muros con amortiguamiento viscoso

Amolanas, Chile La Rambla, España

Metálicos

•  Acero

•  Plomo

Nueva Zelanda

Puente South Rangitikei, 1981

315 mts, cepa 78 mt

Barras de pandeo restringido

Santa Clara Medical Centre Hospital

ADAS

Fricción •  Pall

•  EDR Patentado por Fluor

•  “Slotted Bolted Connections” Grigorian and Popov, 1992

Paper 1011 13wcee

Sumitomo Superficie de Cu con grafito

Otros sistemas de disipación no contemplados en la norma

• Amortiguadores de masa sintonizada (AMS)

• Amortiguadores semi-activos (Ej. MRD)

• Amortiguadores activos

Incorporación de disipadores: Principios Básicos

• Distribución espacial de los disipadores: en cada piso y a cada lado del edificio • Para el sismo máximo considerado, los disipadores y sus conexiones deben diseñarse para evitar fallas (no ser el punto débil) • Los elementos que transmiten las fuerzas de los Disipadores a la fundación deben permanecer elásticos

Filosofía de diseño

1.  La metodología es aplicable a todo tipo de sistemas disipadores. 2. La metodología proporciona criterios de diseño mínimos, con objetivos comparable con sistemas sismorresistentes convencionales (pero permite también criterios de diseño que eleven los niveles de desempeño). 3. La metodología requiere que las estructuras con disipadores tengan un sistema sismo- resistente que cumpla con los requerimientos de la NCh433 para edificios sin disipadores.

4. Se requiere el diseño de los disipadores y el ensayo de prototipos para desplazamientos, velocidad y fuerzas correspondientes al terre- moto máximo posible. 5. La norma provee método de análisis modal espectral aplicable en muchas estructuras, siempre que cumplan con cierta configuración y ciertos criterios de diseño mínimos (por ejemplo, ser regulares en planta y altura, al menos 2 disipadores por piso para resistir torsión). Pero se requiere análisis no lineal en el tiempo para confirmar la respuesta máxima de estructuras que no cumplan con esos criterios.

PROYECTO DE NORMA CHILENA

1.   ASPECTOS GENERALES

1.1 ALCANCE: 1.2 DEFINICIONES:

2. REQUERIMIENTOS GENERALES DE DISEÑO 2.1 REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA.

2.2 MOVIMIENTO DEL SUELO

2.3 SELECCIÓN DEL PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS

3. PROCEDIMEINTO DE ANÁLISIS DINÁMICO NO-LINEAL

3.1 MODELAMIENTO DE LA ESTRUCTURA

3.2 MODELAMIENTO DEL SISTEMA DISIPADOR

3.3 PARÁMETROS DE RESPUESTA

4. PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS MODAL ESPECTRAL

4.1 MODELAMIENTO

4.2 PARÁMETROS DE RESPUESTA

4.3 MODIFICACIÓN DE LA RESPUESTA POR AMORTIGUAMIENTO

5. ESTADOS DE CARGA SÍSMICA Y CRITERIOS DE ACEPTACIÓN

5.1 PROCEDIMIENTO DINÁMICO NO-LINEAL

5.2 PROCEDIMIENTO MODAL ESPECTRAL

6. REVISIONES DEL DISEÑO

7. ENSAYOS

7.1 ENSAYOS DE PROTOTIPO

7.2 ENSAYOS DE PRODUCCIÓN

1.   ASPECTOS GENERALES Está basada en ASCE-7-2010. Es, en algunos aspectos, más conservadora que ésta

1.1 ALCANCE: v  Tipos de disipadores v  No es aplicable a amortiguadores AMS v  Si se usan en un sistema de aislación, debe usarse NCh2745

1.2 DEFINICIONES: v  Estructura sismorresistente v  Sistema disipador v  Sistema sismorresistente (la suma de las anteriores) v  Sismo de diseño: 10% en 50 años v  Sismo máximo: 10% en 100 años

(1.2 DEFINICIONES)

ESTRUCTURA SISMORRESISTENTE: Todos los elementos que forman la estructura, excluyendo los disipadores. SISTEMA DISIPADOR: Conjunto de los elementos disipadores. SISTEMA SISMORRESISTENTE: Estructura sismorresistente + Sistema Disipador. SISMO DE DISEÑO: 10% probabilidad de excedencia en 50 años SISMO MÁXIMO POSIBLE: 10% prob. de excedencia en 100 años

(1.  ASPECTOS  GENERALES)  

2. REQUERIMIENTOS GENERALES DE DISEÑO 2.1 REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA. Se permite satisfacer los requisitos de deformación entre pisos considerando también el sistema disipador 2.1.1 ESTRUCTURA SISMORRESISTENTE. •  Debe cumplir con disposiciones de la norma NCh433 (en lo que no se contraponga con esta norma). •  Además:

1) Corte basal mínimo: Vmin = Mayor de (V/B1 , ISAoP/6g)

Se permite usar el primer valor si se cumple la deformación máx entre pisos de NCh433

2) Elementos de la estructura sismorresistente que además formen parte del sistema disipador: requerimientos adicionales (cláusulas 5.1.2 o 5.2.2)

2.1.2 SISTEMA DISIPADOR

1) Elementos de soporte: diseño elástico.

2) Diseño del sistema disipador para el sismo máximo posible.

3) Puntos de conexión de disipadores deben poder acomodar desplazamientos en tres direcciones.

4) Debe haber medios de acceso y un programa de inspección.

5) Profesional responsable del diseño debe establecer un plan de control para la fabricación de los disipadores.

(2. REQUERIMIENTOS GENERALES DE DISEÑO)

2.2 MOVIMIENTO DEL SUELO

2.2.1 ESPECTRO ELÁSTICO DE DISEÑO -  Para Estructura Sismorresistente: NCh433 -  Para Disipadores: 1.2 (espectro elástico de diseño de techo NCh433) -  Espectros específicos para suelos D, E, F o si el edificio se encuentra a menos de 10 km de una falla activa.  

2.2.2 REGISTROS SÍSMICOS Cuando se tiene una de las situaciones siguientes:

1) Si Sistema Disipador se modela explícitamente y se usa análisis dinámico no-lineal

2) Si se ha desarrollado un espectro específico del lugar

Entonces se deben usar registros de aceleración del sismo de diseño y del sismo máximo posible de acuerdo a NCh2745.  

2.3 SELECCIÓN DEL PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS Pueden usarse procedimientos lineal, no-lineal o una combinación.

- Si el suelo es tipo D según NCh433 o si se cumple el punto 1) de 2.2.2, deberá utilizarse análisis dinámico no-lineal según la cláusula 3.

- Si la estructura está en suelo E o F, o se encuentra

a menos de 10 km de una falla activa, además de lo anterior hay que considerar la cláusula 5.1 para la respuesta dinámica máxima.

2.3.1 PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS NO-LINEAL (Cláusula 3.) Puede usarse para cualquier estructura con disipadores pasivos. 2.3.2 PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS MODAL ESPECRAL (Cláusula 4)

Puede usarse si se cumple:

-  La estructura es regular en elevación y planta

-  En la dirección de análisis hay al menos dos disipadores por piso - Si R1 es menor o igual que 3

3. PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS DINÁMICO NO-LINEAL

Se definen los modelos matemáticos a utilizar, los movimientos sísmicos a considerar y los ensayos de los disipadores

3.1 MODELAMIENTO DE LA ESTRUCTURA

Se deberá considerar, entre otros:

- Distribución espacial de las masa - Comportamiento histerético de los elementos, basado en ensayos - Degradación de resistencia y rigidez - En sistemas regulares con sistemas sismorresistentes ortogonales se permiten modelos 2D - Amortiguamiento inherente según 4.3.4

3.2 MODELAMIENTO DEL SISTEMA DISIPADOR Se deberá considerar, entre otros:

- Para disipadores dependiente de la deformación, el modelo debe representar el comportamiento histerético experimental

- Para disipadores dependientes de la velocidad se deberá incluir un coeficiente de velocidad consistente con los datos experimentales

- Si las propiedades de los disipadores cambian durante el análisis, se permite usar la envolvente considerando propiedades máxima y mínima de los disipadores

3.3 PARÁMETROS DE RESPUESTA Se deberá considerar los siguientes parámetros de respuesta:

- Esfuerzo máximo de los elementos

- Desplazamiento máximo entre pisos

- Desplazamiento y velocidad máxima en disipadores, según sea el caso

Se podrá usar el promedio de las respuestas en caso de utilizarse 7 o más registros, de otra forma debe usarse la respuesta máxima, con un mínimo de 3 registros.

4. PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS MODAL ESPECTRAL

El procedimiento es iterativo, a no ser que el sistema disipador sea lineal viscoso. El procedimiento es aproximado porque la matriz de amortiguamiento no es clásica. Es posible obtener una solución exacta empleando espacio de estado y variables complejas. Este procedimiento se puede usar sólo si:

- R1<3 (equivale a estructura prácticamente elástica) - La Estructura Sismorresistente es regular - El lugar se encuentra lejos de una falla activa - El suelo no es de los tipos D, E o F para el Sistema Disi- pador o E o F para la Estructura Sismorresistente.

4.1 MODELAMIENTO -  El modelo de la Estructura Sismorresistente deberá

satisfacer los requerimientos de NCh433 para análisis modal.

-  Los elementos del Sistema Disipador, que no sean los disipadores mismos, deberán ser modelados explícitamente. -  La rigidez de los disipadores deberá modelarse de

acuerdo al tipo y propiedades del disipador que corresponda.

4.2 PARÁMETROS DE RESPUESTA Se deberá usar la combinación CQC de la norma NCh433, con un coeficiente de acoplamiento modal dado por:

r = Ti /Tj

Suma masas equivalentes > 95%

4.2.1 SISTEMA DISIPADOR  

Fuerzas de diseño en los disipadores: Dependerán del tipo de disipador.

Ø  Desplazamiento entre pisos

Ø  Velocidad relativa entre pisos: a partir de la pseudovelocidad

4.2.2 ESTRUCTURA SISMORRESISTENTE  

Fuerzas laterales para el piso i

4.3 MODIFICACIÓN DE LA RESPUESTA POR AMORTIGUAMIENTO

4.3.1 COEF. DE AMORTIGUAMIENTO  

4.3.2 AMORT. VISCOSO EQUIVALENTE  

0,05 0,10 0,15 0,20 0,30 0,40 0,50 0,1 0,77 0,71 0,66 0,64 0,59 0,56 0,54 0,2 0,91 0,88 0,86 0,84 0,81 0,78 0,76 0,3 0,98 0,96 0,95 0,94 0,93 0,91 0,90 0,4 1,03 1,04 1,03 1,03 1,01 1,01 1,01 0,5 1,01 1,02 1,05 1,06 1,09 1,11 1,12 1,0 1,21 1,26 1,28 1,33 1,40 1,47 1,53 1,5 1,33 1,41 1,51 1,57 1,68 1,79 1,87 2,0 1,50 1,59 1,68 1,78 1,90 2,01 2,12 2,5 1,67 1,80 1,93 2,01 2,18 2,35 2,47 3,0 1,83 2,01 2,11 2,24 2,45 2,60 2,71

0,05 0,10 0,15 0,20 0,30 0,40 0,50

0,05 1,00 1,08 1,13 1,16 1,21 1,24 1,27

0,10 1,00 1,25 1,41 1,54 1,72 1,88 2,01

0,20 1,00 1,31 1,56 1,77 2,15 2,46 2,75

0,30 1,00 1,34 1,61 1,85 2,26 2,62 2,96

0,50 1,00 1,32 1,59 1,83 2,29 2,73 3,14

2,00 1,00 1,26 1,48 1,66 1,98 2,27 2,54

3,00 1,00 1,23 1,43 1,60 1,90 2,16 2,40

4.3.3 AMORT. VISCOSO EQUIVALENTE ADICIONADO  

<  3%  para  diseñar  el  sistema  disipador    <  5%  cuando  se  diseñe  la  estructura  sismorresistente  

5. ESTADOS DE CARGA SÍSMICA Y CRITERIOS DE ACEPTACIÓN

En este artículo se establece los requisitos que deben cumplir los parámetros de los diferentes sistemas estructurales y los estados de carga a considerar. Estos son específicos para cada procedimiento de análisis:

q  Respuesta en el tiempo q  Modal espectral

5.1 PROCEDIMIENTO DINÁMICO NO-LINEAL

5.1.1 ESTRUCTURA SISMORRESISTENTE  

•  Requisitos de resistencia de NCh433, método de análisis modal. •  Deformación entre pisos: la de la norma NCh433 x R1.

5.1.2 SISTEMA DISIPADOR  

•  Debe verificarse considerando el sismo máximo posible  

5.1.3 COMBINACIÓN DE CARGAS  

•  La combinación con cargas de gravedad debe hacerse según NCh3171

5.1.4 CRITERIOS DE ACEPTACIÓN PARA LOS PARÁMETROS DE RESPUESTA  

•  Estructura sismorresistente y sistema disipador: evaluarse según criterios por resistencia, considerando un factor de reducción de resistencia = 1. •  Considerar factores de mayoración según NCh3171. •  No es necesario verificar los elementos de la estructura sismo- resistente para los esfuerzos del análisis no-lineal.

5.2 PROCEDIMIENTO MODAL ESPECTRAL

5.2.1 ESTRUCTURA SISMORRESISTENTE  

Fuerzas máximas de diseño: 1. Del análisis modal espectral del sistema sismorresistente. Los esfuerzos deberán escalarse según el corte mínimo y deberán considerarse las fuerzas de los disipadores sobre la estructura. 2. Análisis estático del sistema sismorresistente con las fuerzas de diseño de los disipadores dependientes de la velocidad.

5.2.2 SISTEMA DISIPADOR  

Los disipadores y sus componentes deben diseñarse para resistir las fuerzas, desplazamientos y velocidades provenientes del análisis modal considerando el sismo máximo posible.

5.2.3 COMBINACIONES DE CARGA  

Al igual que para el caso de respuesta en el tiempo, las cargas deben combinarse según la norma NCh3171.

6. REVISIONES DEL DISEÑO El proyecto de norma contempla la revisión del proyecto por parte de un “equipo revisor autorizado independiente”.

7. ENSAYOS

Las propiedades fuerza-velocidad y fuerza-desplazamiento usadas en el diseño deberán basarse en ensayos de prototipos.

7.1 ENSAYOS DE PROTOTIPO

7.2 ENSAYOS DE PRODUCCIÓN

Antes de instalarse los disipadores en el edificio los disipadores deberán ensayarse según un programa definido por el Ingeniero Responsable del Diseño

EDIFICIO CONSALUD