Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
BIDIRECTIONAL TUNED MASS DAMPER BASED ON MULTIPLE COMPOSITE LEVERS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/113718
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a bidirectional tuned mass damper (BTMD) based on multiple composite levers, in which a mass (1) controls the vibration of a structure (9). According to the invention, the mass (1) of the damper is connected to the structure (9) by means of primary levers (2) and secondary levers (3), the primary lever (2) is connected to the structure (9) by means of a first pivot point (4), the primary lever (2) is connected to the secondary lever (3) by means of a second pivot (5), the secondary lever (3) is connected to the mass (1) by means of a third pivot (6), and springs (7) and shock absorbers (8) are connected between the mass (1) of the damper and the primary lever (3).

Inventors:
ROZAS TORRES, Luis Alejandro (Diagonal Paraguay 265, piso 14, 15 Santiago, 83300, CL)
BOROSCHEK KRAUSKOPF, Rubén Luis (Diagonal Paraguay 265, piso 14, 15 Santiago, 83300, CL)
AILLAPAN QUINTEROS, Rodrigo Alfredo (Diagonal Paraguay 265, piso 14, 15 Santiago, 83300, CL)
Application Number:
CL2018/000039
Publication Date:
June 20, 2019
Filing Date:
December 06, 2018
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
UNIVERSIDAD DE CHILE (Diagonal Paraguay 265, piso 14, 15 Santiago, 83300, CL)
International Classes:
E04B1/98; E04B1/36; E04H9/02; F16F7/10; F16F7/104; F16F15/02; F16F15/04
Foreign References:
JPH1136664A1999-02-09
JPH10169707A1998-06-26
JPH07133844A1995-05-23
CN103541460A2014-01-29
JP2003056200A2003-02-26
CN203174801U2013-09-04
CN106988592A2017-07-28
Attorney, Agent or Firm:
COOPER SPA. (Alcántara 200, oficina 402Las Condes 0, Santiago, 75505, CL)
Download PDF:
Claims:
REIVINDICACIONES

1.- Un disipador de masa sintonizada bidireccional en base a múltiples palancas compuestas (DMSB) en donde una masa (1 ) controla la vibración de una estructura (9), CARACTERIZADO porque:

la masa (1 ) de dicho disipador está conectada con la estructura (9) mediante palancas principales (2) y palancas secundarias (3);

la palanca principal (2) se conecta a la estructura (9) mediante un primer punto pivote (4);

la palanca principal (2) se conecta a la palanca secundaria (3) mediante un segundo pivote (5);

la palanca secundaria (3) se conecta a la masa (1 ) mediante un tercer pivote (6); y

entre la masa (1 ) del disipador y la palanca principal (3) se conectan resortes (7) y amortiguadores (8).

2.- El disipador según la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque la masa (1 ) tiene medios que soportan su peso.

3.- El disipador según la reivindicación 2, CARACTERIZADO porque los medios son deslizadores fricciónales; ruedas esféricas bidireccionales; rieles perpendiculares de baja fricción, o dispositivos similares.

4.- El disipador según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, CARACTERIZADO porque la masa (1 ) puede ser materializada mediante un cajón de hormigón armado dentro del cual es posible utilizar un relleno de alta densidad, tales como bolas de acero, baritina, planchas o por medio de cualquier elemento que permita alcanzar la masa objetivo de diseño del DMSB.

Description:
DISIPADOR DE MASA SINTONIZADA BIDIRECCIONAL EN BASE A MULTIPLES

PALANCAS COMPUESTAS

CAMPO TECNICO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un disipador de masa sintonizada bidireccional en base a múltiples palancas compuestas, que corresponde a un tipo de disipador de masa sintonizada capaz de controlar simultáneamente dos modos de vibrar perpendiculares cuyas frecuencias no son necesariamente iguales.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION

Los amortiguadores de masa sintonizados son dispositivos utilizados en el control estructural, estos mecanismos consisten básicamente en un sistema masa, resorte y amortiguador, generalmente fijado a un sistema vibrante para reducir la demanda en elementos estructurales mediante la disipación de energía.

Esta reducción de energía se obtiene cuando la frecuencia del amortiguador de masa se sintoniza a una frecuencia particular de la estructura. Cuando esa frecuencia es alcanzada, el amortiguador vibrará fuera de fase con el movimiento estructural y parte de la energía vibratoria es transferida al amortiguador de masa sintonizada.

La presente invención se refiere a “disipador de masa sintonizada bidireccional en base a múltiples palancas compuestas” (en adelante DMSB) que corresponde a un tipo de disipador de masa sintonizada capaz de controlar simultáneamente dos modos de vibrar perpendiculares cuyas frecuencias no son necesariamente iguales. Los mecanismos que componen el DMSB permiten que la masa del mismo cubra grandes desplazamientos en cualquier dirección en el plano. Estos desplazamientos típicamente se producen cuando el DMSB es utilizado para controlar vibraciones producidas por los efectos de los sismos, viento, excitaciones causadas por maquinarias rotatorias, entre otros. Sin perjuicio de lo anterior, el DMSB puede ser también utilizado para controlar vibraciones en mecanismos o estructuras de menor envergadura, como aquellas que resultan de la acción de paso de vehículos o excitaciones debidas a paso de peatones. Su uso también puede ser extendido para controlar vibraciones producidas por la operación de equipos producto de su operación, cargas de impacto, entre otros.

En el estado del arte existen varios disipadores de masa sintonizada, como el de la presente invención. Así por ejemplo, el documento CN 102995786 divulga un amortiguador de masa sintonizado regulable horizontal de dos direcciones que comprende una base rectangular que está provista de un carro longitudinal, en el que un carro transversal está dispuesto en la parte superior del carro longitudinal; el extremo delantero y el extremo posterior del carro longitudinal están provistos respectivamente de un primer amortiguador; un extremo de cada primer amortiguador está conectado con un cuerpo de carro longitudinal mediante un acoplamiento universal, y el otro extremo del primer amortiguador está conectado con la base por otro acoplamiento universal; el extremo delantero y el extremo posterior del carro transversal están provistos respectivamente de un segundo amortiguador; un extremo de cada amortiguador está conectado con un cuerpo transversal del carro mediante un acoplamiento universal, y el otro extremo del segundo amortiguador está conectado con un segundo bloque deslizante mediante otro acoplamiento universal; dos carriles deslizantes longitudinales están dispuestos respectivamente en los dos lados de la base; los segundos bloques deslizantes se corresponden respectivamente con los carriles deslizantes longitudinales; y un peso de equilibrio está dispuesto en el carro transversal. El amortiguador de masa sintonizado ajustable en dos sentidos divulgado en este documento, es capaz de absorber los impactos bidireccionales y solo necesita un juego de contrapesos, de modo que el peso del amortiguador de masa sintonizado sea más ligero que el del amortiguador de masa sintonizado tradicional; y el amortiguador de masa sintonizado ajustable en dos sentidos es especialmente adecuado para edificios como una torre de transmisión de energía de alto voltaje y una torre de radio.

El documento CN 105756219 divulga un sistema amortiguador de masa sintonizado viscoelástico bidireccional horizontal y a un método de trabajo del mismo. El sistema de amortiguador de masa sintonizado viscoelástico bidireccional horizontal comprende un cilindro exterior circular hueco, una placa de cubierta superior dispuesta encima del cilindro externo circular hueco y una placa de cubierta inferior dispuesta debajo del cilindro externo circular hueco; una junta universal está dispuesta en el medio de la superficie del extremo inferior de la placa de cubierta superior; un dispositivo limitador de viscoelástico circular está dispuesto en el medio de la superficie extrema superior de la placa de cubierta inferior. El sistema de amortiguador de masa ajustado por colisión viscoelástica horizontal bidireccional comprende además un primer bloque de masa cilindrico y un segundo bloque de masa cilindrico; la parte central del círculo en el extremo superior del primer bloque de masa cilindrico está articulada con la junta universal a través de una primera varilla rígida, y la parte central del círculo en el extremo inferior del primer bloque cilindrico se conecta con la parte central del círculo al extremo superior del segundo bloque de masa cilindrico a través de una segunda varilla rígida; la parte inferior del segundo bloque de masa cilindrico está situada en el dispositivo limitador viscoelástico circular; el primer bloque de masa cilindrico también está conectado con la pared interna del cilindro externo circular hueco a través de una pluralidad de resortes. El sistema de amortiguador de masa sintonizado viscoelástico bidireccional horizontal divulgado en este documento es de estructura simple y fácil de realizar y supera el defecto de que el efecto de amortiguación de un dispositivo tradicional.

El documento CN 101021089 divulga un dispositivo amortiguador de masa multisintonizado bidireccional horizontal dispuesto en una zona de una estructura. Se caracteriza porque dicho dispositivo puede disponerse por zonas, en cada zona la masa sintonizada en la dirección de la guía está compuesta por dos bloques de masa, dichos dos bloques de masa, una varilla guía y una varilla rígida forman parte de un sistema; dicho dispositivo utiliza una guía y un dispositivo el rodillo inferior y hace deslizar el rodillo a lo largo de la dirección de la guía para implementar el control de la vibración en la dirección de la guía; la masa sintonizada en la dirección de la varilla guía está proporcionada por un bloque de masa mencionado anteriormente, dicho dispositivo utiliza el rodillo de la parte inferior del dispositivo y hace deslizar dicho rodillo a lo largo de la barra guía para implementar el control de la vibración en la dirección de la varilla guía. Dicha invención es aplicable a una torre de gran altura, una central nuclear, una estructura de espacio subterráneo y estructuras relacionadas.

Ninguno de los documentos anteriormente mencionados permite que la masa del mismo cubra grandes desplazamientos en cualquier dirección en el plano, mediante barras pivotantes, permitiendo a su vez que la masa del disipador vibre con frecuencias distintas en sus dos direcciones principales RESEÑA DE LA INVENCION

Como todo disipador de masa sintonizada, el DMSB está compuesto por una masa la cual descansa sobre sistemas que soportan su peso y al mismo tiempo permiten su desplazamiento en el plano. Estos sistemas pueden ser de distintos tipos dependiendo de la magnitud de la masa, siendo los más comunes: deslizadores fricciónales; ruedas esféricas bidireccionales; rieles perpendiculares de baja fricción, o dispositivos similares. La masa del DMSB puede ser materializada, en caso de utilizarse como dispositivo de control de vibraciones en estructuras, por medio de un cajón de hormigón armado dentro del cual es posible utilizar un relleno de alta densidad, tales como bolas de acero, baritina u otro para alcanzar la masa objetivo. Otras posibilidades para la masa del DMSB incluyen el uso de planchas de acero. En caso que el dispositivo se utilice para el control de vibraciones en equipos, mecanismos vibratorios o estructuras de menor envergadura, la masa podrá ser materializada mediante cualquier elemento que permita alcanzar la masa objetivo de diseño del DMSB.

Tal y como se muestra esquemáticamente en la figura 1 , la masa se conecta con la estructura, equipo o mecanismo vibratorio a controlar, por medio de múltiples palancas compuestas, cada una de las cuales cuenta con tres puntos articulados. Son estas palancas las que permiten acomodar los desplazamientos de la masa del DMSB en el plano. Las palancas compuestas están formadas a su vez por dos brazos biarticulados. El primero de ellos, brazo principal, tiene en uno de sus extremos un punto de pivote o articulación anclado a la estructura a controlar. Este brazo, dependiendo de la aplicación del DMSB, puede ser materializado por medio de una estructura enrejada. En el extremo contrario, un segundo punto de pivote capaz de desplazarse en el plano lo une con el segundo brazo, o brazo secundario. El brazo secundario posee a su vez una conexión que lo une con la masa del DMSB, mediante un punto de pivote capaz nuevamente de desplazarse en el plano. La combinación de las capacidades de giro de los brazos que componen las palancas, junto con los tres puntos articulados descritos, posibilitan que la masa se desplace en el plano según cualquier dirección. En la figura 2, se muestra esquemáticamente el DMSB en una posición deformada arbitraria.

Con objeto de proveer las fuerzas de restitución y amortiguamiento necesarias para la operación del DMSB como mecanismo de control de vibraciones, se disponen de elementos restitutivos (resortes), así como de amortiguadores en cada una de las palancas compuestas. Los elementos restitutivos pueden ser resortes helicoidales de tracción o compresión; ensambles de resortes de disco tipo Belleville; resortes elastomericos; resortes de gas o cualquier otro elemento que sujeto a deformación restituya la posición inicial de reposo del DMSB tal y como se esquematiza en la figura 1. Por otra parte, los amortiguadores cumplen la función disipar energía y pueden ser amortiguadores viscosos lineales o no lineales; amortiguadores de fricción; amortiguadores viscoelásticos o cualquier elemento que cumpla la función de disipar energía. Tal y como se muestra en las figuras 1 y 2, ya sean estos los amortiguadores o los elementos restitutivos, estos componentes se ubican de tal forma que uno de sus extremos queda unido al brazo principal y el segundo extremo se conecta con la masa del DMSB. A su vez, y dependiendo de los requisitos de diseño, los ejes longitudinales de estos elementos pueden no necesariamente ser paralelos con las direcciones principales del DMSB, tal y como se muestra esquemáticamente en la figura 3. La razón entre la distancia medida desde la articulación fija a la estructura hasta el punto en donde se une cada uno de los componentes con el brazo principal, con respecto al largo total de dicho brazo, define la “razón de palanca” asociada al componente en cuestión. Por medio de este parámetro se puede controlar tanto la rigidez del DMSB como su amortiguamiento. Los valores de estos parámetros que definen el comportamiento global del DMSB, dependen tanto de la rigidez y amortiguamiento de cada uno de los resortes y amortiguadores a utilizar, así como de los respectivos factores de palanca elegidos para cada uno de estos elementos. Cabe también destacar que otra importante propiedad del factor de palanca es que permite utilizar resortes y amortiguadores con relativa poca capacidad de deformación. En efecto, el uso de los resortes y amortiguadores en conjunto con las palancas compuestas de la forma descrita anteriormente, permiten que la masa del DMSB alcance desplazamientos muy por sobre las capacidades de deformación de estos elementos. Este efecto de magnificación de deformaciones, que se ilustra gráficamente en la figura 4 (se muestra una sola palanca compuesta por claridad), puede ser controlado según sean los requisitos de diseño por medio de una adecuada elección de los factores de palanca. Tanto las razones de palanca como las rigideces de los resortes pueden ser ajustadas de forma tal de lograr que la masa del DMSB vibre con frecuencias diferentes según cada uno de sus ejes principales. Es esta característica la que convierte al DMSB en un sistema de control de vibraciones bidireccional, capaz de ajustarse para controlar dos modos vibratorios perpendiculares entre sí de frecuencias distintas.

Muchos problemas vibratorios involucran vibraciones que ocurren en dos direcciones mutuamente perpendiculares. Como ejemplo de estas se pueden mencionar las vibraciones que ocurren en edificios altos productos de las cargas sísmicas o de viento. Adicionalmente estas vibraciones no necesariamente poseen la misma frecuencia, ya que en general, el sistema a controlar puede poseer distintas propiedades dinámicas según cada una de dichas direcciones. Para controlar este tipo de vibraciones de manera simultánea, el DMSB es capaz de vibrar en oposición al sistema a controlar con frecuencias de vibrar distintas en sus dos direcciones principales. La presente invención ofrece la posibilidad de ajustar estas frecuencias de distintas maneras. Una de estas, la más directa, consiste simplemente en utilizar elementos restitutivos (resortes) de distintas rigideces en cada una de las dos direcciones principales del invento, ver figura 1. Otra alternativa es la de usar resortes de rigideces equivalentes pero cuya ubicación en las palancas según los ejes X y el eje Y es diferente entre sí. De esta forma, mediante un cambio en la configuración geométrica, la rigidez global del DMSB se hace distinta en sus direcciones principales, vibrando de esta manera con frecuencias diferentes en cada una de ellas. También es posible usar una combinación de las alternativas antes mencionadas, esto es resortes de distintas rigideces y ubicaciones.

Como todo disipador de masa sintonizada, la frecuencia de vibración del DMSB se ajusta para que coincida, o sea cercana, a la frecuencia de vibración del equipo u estructura en la cual se encuentra emplazado. De esta forma, cuando el sistema a controlar comienza a vibrar, el disipador entra en resonancia oscilando en oposición al sistema a controlar reduciendo por tanto las vibraciones que se producen en este último. Esto tiene como consecuencia que la masa del disipador se vea sujeta a grandes desplazamientos, los que pueden ocurrir según cualquier dirección en el plano. Acomodar estos desplazamientos mediante resortes y amortiguadores de manera directa no siempre es posible debido a las restricciones en las deformaciones máximas que estos elementos son capaces de soportar. Es por esto que la presente invención cuenta con un sistema de palancas compuestas dentro de las cuales se instalan los resortes y amortiguadores. Tal y como se describe esquemáticamente en la figura 2 y la figura 4, cuando la masa del disipador se desplaza en el plano, este movimiento es acomodado por las palancas. Las palancas funcionan además como reductores geométricos de deformación. Lo anterior significa que cuando la masa del DMSB se desplaza en el plano, los resortes y amortiguadores se someten a deformaciones muy menores al desplazamiento de la masa. Esto resulta ser particularmente importante ya que la gran mayoría de los resortes y amortiguadores que se encuentran en el mercado poseen capacidades de deformación limitadas. Las deformaciones máximas en los resortes y amortiguadores pueden ser controladas a su vez modificando su ubicación en las palancas. Esto junto con la posibilidad de modificar las frecuencias de vibración del invento mediante las alternativas descritas en el punto anterior, ofrecen múltiples posibilidades de ajuste que facilitan el uso del invento en un gran número de aplicaciones.

Una vez que el DMSB se ha instalado en el sistema a controlar sus propiedades dinámicas, frecuencia de vibrar y amortiguamiento, pueden ser modificadas en caso que se requiera. Esto puede llevarse a cabo de manera relativamente sencilla simplemente mediante un cambio en la ubicación de los resortes y amortiguadores en las palancas. Se modifican de esta manera, mediante un cambio en su configuración geométrica, las rigideces y amortiguamientos globales del DMSB en sus dos direcciones principales. Como se ha descrito las múltiples posibilidades de ajuste de la invención la convierten en una alternativa de control de vibraciones en muchas áreas de la ingeniería. Entre ellas se pueden mencionar:

• Control de vibraciones en estructuras esbeltas (edificios altos, puentes, torres de puentes colgantes o atirantados, chimeneas etc.) producto de efectos de cargas sísmicas.

• Control de vibraciones en estructuras esbeltas (edificios altos, puentes, torres de puentes colgantes o atirantados, chimeneas etc.) producto de efectos de la acción del viento.

• Control de vibraciones en estructuras industriales producidas por la acción de maquinarias rotatorias tales como harneros, centrifugas, ventiladores, etc.

• Reducción vibraciones producidas por efectos del paso de peatones en estructuras tales como escaleras, galerías, puentes peatonales etc.

• Sistema de protección para equipos sensitivos a vibraciones tales como: equipos ópticos, equipos utilizados para la fabricación de semiconductores y nanotecnología, entre otros.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS

Los dibujos que se acompañan se incluyen para proporcionar una mayor compresión de la invención y constituyen parte de esta descripción y muestran una de las ejecuciones preferidas.

La figura 1 muestra una vista esquemática en planta de los elementos constitutivos del disipador de masa sintonizada bidireccional en base a múltiples palancas compuestas de la presente invención. La figura 2 muestra una vista esquemática en planta con una deformación arbitraria del disipador de masa sintonizada bidireccional en base a múltiples palancas compuestas de la presente invención.

Figura 3 muestra una vista esquemática de las palancas compuestas en estado de reposo de las palancas compuestas del disipador de masa sintonizada bidireccional en base a múltiples palancas compuestas de la presente invención.

Figura 4 muestra una vista esquemática de las palancas compuestas en estado de deformación de las palancas compuestas del disipador de masa sintonizada bidireccional en base a múltiples palancas compuestas de la presente invención. DESCRIPCION DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a “disipador de masa sintonizada bidireccional en base a múltiples palancas compuestas” (en adelante DMSB) que corresponde a un tipo de disipador de masa sintonizada capaz de controlar simultáneamente dos modos de vibrar perpendiculares cuyas frecuencias no son necesariamente iguales. Los mecanismos que componen el DMSB permiten que la masa del mismo cubra grandes desplazamientos en cualquier dirección en el plano. Estos desplazamientos típicamente se producen cuando el DMSB es utilizado para controlar vibraciones producidas por los efectos de los sismos, viento, excitaciones causadas por maquinarias rotatorias, entre otros. Sin perjuicio de lo anterior, el DMSB puede ser también utilizado para controlar vibraciones en mecanismos o estructuras de menor envergadura, como aquellas que resultan de la acción de paso de vehículos o excitaciones debidas a paso de peatones. Su uso también puede ser extendido para controlar vibraciones producidas por la operación de equipos producto de su operación, cargas de impacto, entre otros. De acuerdo a lo mostrado en la figura 1 , la masa (1 ) del disipador se conecta con la estructura (9) mediante palancas principales (2) y palancas secundarias (3). La palanca principal (2) se conecta a la estructura (9) mediante un primer punto pivote (4). La palanca principal (2) se conecta a la palanca secundaria (3) mediante un segundo pivote (5). La palanca secundaria (3) se conecta a la masa

(1) mediante un tercer pivote (6). Entre la masa (1 ) del disipador y la palanca principal (3) se conectan los resortes (7) y los amortiguadores (8).

La figura 2 muestra el DMSB deformado en una posición arbitraria. Es posible observar que la masa (1 ) del disipador se desplaza. Para ello, las palancas principales (2) y las palancas secundarias (3) se mueven provocando que los resortes (7) y amortiguadores (8) ubicados a la izquierda, parte superior e inferior de la figura 2 se estiren producto del desplazamiento de la masa (1 ) y de las palancas principales

(2) y las palancas secundarias (3). A la derecha del dibujo, los resortes (7) y amortiguadores (8) se comprimen absorbiendo energía del desplazamiento de la masa (1 ).

Tal como se muestra en las figuras 3 y 4, la palanca principal (2) y la palanca secundaria (3) conforman palancas compuestas que están formadas a su vez por dos brazos Particulados. El primero de ellos, brazo principal (2), tiene en uno de sus extremos un punto de pivote (4) o articulación anclado a la estructura (9) a controlar. En el extremo contrario, un segundo punto de pivote (5) capaz de desplazarse en el plano lo une con el segundo brazo o brazo secundario (3). El brazo secundario (3) posee a su vez una conexión que lo une con la masa (1 ) del DMSB, mediante un punto de pivote (6) capaz nuevamente de desplazarse en el plano. La combinación de las capacidades de giro de los brazos que componen las palancas (2, 3), junto con los tres puntos articulados descritos (4, 5, 6), posibilitan que la masa (1 ) se desplace en el plano según cualquier dirección. En la figura 2, se muestra esquemáticamente el DMSB en una posición deformada arbitraria.