CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un dispositivo disipador de energía múltiple basado en fricción, que puede ser empleado especialmente para controlar la respuesta dinámica en términos de desplazamientos y aceleraciones, tanto en estructuras nuevas como rehabilitadas.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En los últimos veinte años se han llevado a cabo grandes esfuerzos para reducir la vulnerabilidad de estructuras bajo excitaciones dinámicas tales como sismos o viento a través del concepto de disipación de energía. En lugar de incrementar la resistencia como era tradicional, la presente invención provee un sistema novedoso llamado disipador múltiple de fricción mediante el cual se reduce la demanda estructural al disipar la energía cinética que posee la estructura.

Como sistema de protección estructural es ampliamente reconocido el uso de dispositivos externos para disipar la energía proveniente de una excitación dinámica. Los disipadores de fricción son muy utilizados en el control pasivo de vibraciones, ya que se caracterizan por ofrecer alta capacidad de disipación de energía con costos de implementación y mantenimiento relativamente bajos.

La mayoría de los disipadores de fricción actuales en el mercado se instalan mediante riostras diagonales, lo que puede conducir a problemas funcionales ya que se pueden obstruir aberturas de circulación, iluminación y/o ventilación. El dispositivo de la presente invención mantiene las ventajas de un disipador de fricción convencional salvando las desventajas mencionadas.

Distintos tipos de disipadores de fricción han sido desarrollados y utilizados para mejorar el desempeño estructural tanto de edificaciones nuevas como existentes en todo el mundo durante los últimos 30 años.

El diseño comúnmente empleado en estructuras tipo pórtico se basa en uniones abulonadas de deslizamiento limitado arriostrados en forma de X. Otro tipo de dispositivo, que utiliza la fricción para disipar energía, utiliza un resorte interno precomprimido que ejerce una fuerza que se convierte a través de una cuña interna y otra externa en una fuerza normal sobre los patines que friccionan entre sí.

También existe un disipador de energía denominado de disipación de energía limitada (energy dissipating restraint o EDR), el cual cuenta con un mecanismo de fricción en donde la fuerza de contacto entre las superficies fricciónales del dispositivo crece linealmente con la deformación. Otros desarrollos propusieron conexiones de fricción ranuradas abulonadas que se aplican principalmente a pórticos arriostrados concéntricamente .

Otro tipo de disipador de fricción propuesto es el CFD (cylindrical friction damper), que consta de un pistón y un cilindro, el cual posee un diámetro interno ligeramente inferior al del pistón, de manera de lograr la presión de contacto.

BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCIÓN Es entonces un objeto de la presente invención proveer un dispositivo de disipación de energía, basado en fricción seca, que no muestra las desventajas de implementación de los disipadores de fricción tradicionales y se puede utilizar tanto en estructuras nuevas como en rehabilitadas.

Es por lo tanto un objeto de la presente invención proveer un dispositivo disipador de energía múltiple de fricción, que puede ser empleado especialmente para controlar la respuesta dinámica en términos de desplazamientos y aceleraciones, tanto en estructuras nuevas como rehabilitadas, en donde el dispositivo comprende al menos una columna la cual se encuentra rodeada de múltiples patines de fricción en contacto con la misma, los cuales se encuentran sujetos entre sí mediante pernos de sujeción, comprendiendo además al menos un regulador de carga axial montado sobre una pluralidad de resortes de compresión, estando dicho regulador sujeto mediante tornillos de alta resistencia.

En una forma de realización preferida de la invención, los patines de fricción son patines de fricción seca.

En otra forma de realización preferida de la invención, dichos múltiples patines de fricción forman un conjunto de patines apilados entre sí.

En aún otra forma de realización preferida de la invención, para su montaje el dispositivo comprende un sistema de sujeción mediante tornillos entre la columna y los patines de fricción.

En una forma de realización preferida de la invención, el mismo comprende al menos dos columnas, preferiblemente tres o más columnas, rodeadas de dichos conjuntos de múltiples patines de fricción.

En otra forma de realización preferida de la invención, el regulador de carga axial aplica una carga axial o normal regulable de precompresión. En aún otra forma de realización preferida de la invención, dichos patines de fricción pueden desplazarse horizontalmente generando fuerzas de fricción que disipan energía y resisten el movimiento horizontal.

En otra forma de realización preferida de la invención, el contacto entre la columna y cada patín se realiza mediante un medio de fijación que comprende un anillo toroidal fijo a la columna el cual apoya sobre la superficie cilindrica interna de cada patín.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS

Para mayor claridad y comprensión del objeto de la presente invención, se lo ha ilustrado en varias figuras, en las que se ha representado el mismo en una de las formas preferidas de realización, todo a título de ejemplo, en donde:

Las figuras la, Ib y le muestran un esquema del disipador múltiple de fricción, el despiece del mismo y un detalle de regulador de carga axial, respectivamente;

La figura 2 muestra la implementación del disipador de la figura 1 en una estructura de tipo pórtico de un vano.

Las figuras 3a, 3b, 3c y 3d son gráficos que muestran el espectro de Fourier del registro de desplazamientos en vibraciones libres para diferentes valores de fuerzas normales del disipador (5, 10, 15 y 20% del peso de la estructura).

La figura 4 es una imagen que ilustra la disposición de los instrumentos para los ensayos de carga y descarga cíclica pseudoestática.

La figura 5 muestra un gráfico que indica el ciclo de histéresis para cada fuerza normal estudiada.

La figura 6 muestra varios registros de desplazamientos y aceleraciones para la estructura con y sin control (Terremoto Imperial Valley) bajo diferentes valores de fuerza normales. La figura 7 muestra varios registros de desplazamientos y aceleraciones para la estructura con y sin control (Terremoto Kobe) bajo diferentes valores de fuerza normales.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

La invención será ahora descripta en detalle haciendo referencia a los dibujos que la ilustran, en una forma de realización preferida y sólo a modo de ejemplo no limitativo del alcance de la invención.

A los efectos de la presente invención, la expresión que indica que la columna está "rodeada de múltiples patines de fricción" debe entenderse como que la columna está rodeada de una pluralidad de dichos patines en dirección longitudinal.

Las Figuras la y Ib muestran una forma de realización del dispositivo de la invención 1 instalado en una columna 2. Si bien el disipador múltiple de fricción 1 es factible de ser instalado en columnas 2 de cualquier tipo de sección, en dichas Fig. la y Ib se muestra como puede ser instalado por partes a través de pernos de sujeción 3 en una columna de sección circular 2. Como se observa, el mismo consiste en múltiples patines de fricción apilados 4, sujetos a una carga axial de precompresión. El contacto entre la columna y cada patín 4 se realiza a través de un anillo toroidal fijo a la columna 2 que apoya sobre la superficie cilindrica interna de cada patín 4. De esta manera al deformarse la columna, sólo el movimiento horizontal de la columna en cualquier dirección se trasmite a cada patín permitiendo el giro relativo entre ambos (Fig. Ib). La carga normal de precompresión, que genera la fuerza normal necesaria, se aplica desde el extremo superior del paquete de patines 4 por medio de cuatro resortes precomprimidos 5 (Fig. le). Dicha fuerza puede ser ajustada por medio de tornillos de alta resistencia 6.

La Fig. 2 explica el funcionamiento del Disipador Múltiple de Fricción. Como se puede observar, cuando la estructura se deforma bajo excitación, los patines 4 se desplazan horizontalmente generando entre las interfaces de contacto de los patines 4, fuerzas de fricción que disipan energía y resisten el movimiento horizontal.

A partir de ensayos dinámicos experimentales sobre un modelo a escala, se evaluó la eficacia para controlar la respuesta estructural en términos de desplazamientos y aceleraciones bajo diferentes condiciones de operación y características de excitación.

Para caracterizar y verificar su desempeño, se instaló en un modelo estructural tipo pórtico de un piso y un vano y fue ensayado, en diferentes condiciones de operación, bajo diferentes registros sísmicos (Fig. 4).

Los resultados experimentales demuestran la eficacia para controlar la respuesta dinámica de la estructura controlada.

I. Ensayos de vibraciones libres

Las Fig. 3a-3d muestran los espectros de Fourier de los registros de desplazamientos medidos en el dintel de la estructura, para los ensayos en vibraciones libres, para cada uno de los casos de fuerza normal aplicada. Si bien en sistemas no lineales, el concepto de frecuencias y modos de vibración no es aplicable, se puede estimar, a través de los espectros de Fourier, la frecuencia y el amortiguamiento efectivo del sistema.

Se observa que el incremento de fuerza normal del sistema de disipación produce sólo un pequeño incremento en la frecuencia fundamental equivalente de vibración y consecuentemente en la rigidez efectiva del sistema. El incremento en la relación de amortiguamiento crítico efectiva en cada caso se puede estimar midiendo el ancho de la campana del espectro, a través del método de la potencia media. De esta manera se muestra que el control de la respuesta del sistema se realiza por disipación de energía y no por incremento de rigidez efectiva.

II. Ensayo pseudoestático de carga y descarga

Complementariamente a los ensayos de vibraciones libres, se realizaron ensayos de carga y descarga cíclica, de manera pseudoestática (baja velocidad de carga). En la Fig. 4 se observa la disposición de los instrumentos y el sistema de carga mediante el cual se le aplica a la estructura una fuerza cíclica controlada a través de un tensor.

En la Fig. 5 se muestran las curvas fuerza-desplazamiento obtenidas experimentalmente, para cada uno de los casos estudiados de fuerza normal. Como era de esperar, los ciclos encierran un área mayor a medida que se aumenta el valor de la fuerza normal aplicada, lo cual indica una mayor cantidad de energía disipada por ciclo.

III. Ensayos de vibraciones forzadas en mesa vibratoria

Para evaluar la efectividad en el control de la respuesta estructural del Disipador

Múltiple de Fricción de la invención, se llevaron a cabo una serie de ensayos experimentales en vibración forzada. Para ello se emplearon 10 registros de aceleraciones reales con duración y contenido de frecuencias diferentes y con aceleraciones espectrales entre 0.23 g y 0.31 g, de manera de tener desplazamientos máximos próximos a 2.5 cm, correspondiente al límite elástico de la estructura. Los detalles de los registros empleados se muestran en la Tabla 1. Tabla 1: Características de los registros sísmicos utilizados (Fuente:

http://peer.berkeley.edu/ smcat/ search.html) .

La Tabla 2 muestra la respuesta estructural en términos de valores máximos y valores cuadráticos medios (rms) de desplazamientos y aceleraciones de la viga superior de la estructura para cada registro de excitación sísmica y fuerza normal aplicada.

Tabla 2: Respuesta estructural

Despl Reducción Reducción Acel Reducción Reducción

Fuerza rms despl rms acel

Terremoto max despl max rms despl max acel max rms acel

Normal (m) (m/s ² )

(m) (%) (%) (m/s ² ) (%) (%)

Sin control 0,0172 - 0,0049 - 2,1232 - 0,3512 -

N=0,05 W 0,0092 -46,51 0,0016 -67,35 1,3345 -37,15 0,1371 -60,96

Coalinga N=0,10 W 0,0056 -67,44 0,0011 -77,55 0,9361 -55,91 0,1127 -67,91

N=0,15 W 0,0047 -72,67 7,69E-04 -84,31 0,9209 -56,63 0,1068 -69,59

N=0,20 W 0,0036 -79,07 6,35E-04 -87,04 0,7535 -64,51 0,1076 -69,36

Sin control 0,016 - 0,0038 - 1,9883 - 0,3112 -

N=0,05 W 0,009 -43,75 0,0013 -65,79 1,2921 -35,01 0,1339 -56,97

Duzce N=0,10 W 0,0057 -64,38 0,001 -73,68 1,0174 -48,83 0,1237 -60,25

N=0,15 W 0,0051 -68,13 8,75E-04 -76,97 0,873 -56,09 0,1252 -59,77

N=0,20 W 0,004 -75,00 7,64E-04 -79,90 0,8264 -58,44 0,1371 -55,94 Sin control 0,0172 - 0,0054 - 2,058 - 0,4332 -

N=0,05 W 0,0069 -59,88 0,0015 -72,22 0,9626 -53,23 0,145 -66,53

Friuli N=0,10 W 0,0062 -63,95 0,0011 -79,63 1,0231 -50,29 0,1308 -69,81

N=0,15 W 0,0063 -63,37 8,63E-04 -84,01 1,1056 -46,28 0,1263 -70,84

N=0,20 W 0,005 -70,93 6,98E-04 -87,08 0,9873 -52,03 0,1237 -71,45

Sin control 0,0203 - 0,0043 - 2,3845 - 0,3395 -

N=0,05 W 0,0066 -67,49 0,0011 -74,42 0,9874 -58,59 0,1084 -68,07

Hollister N=0,10 W 0,0048 -76,35 6,42E-04 -85,08 0,7878 -66,96 0,0822 -75,79

N=0,15 W 0,0043 -78,82 5,12E-04 -88,10 0,8287 -65,25 0,0848 -75,02

N=0,20 W 0,0038 -81,28 4,31E-04 -89,98 0,8016 -66,38 0,0797 -76,52

Sin control 0,0164 - 0,0039 - 1,9 - 0,314 -

N=0,05 W 0,012 -26,83 0,0013 -66,67 1,5529 -18,27 0,1206 -61,59

Imperial

N=0,10 W 0,0086 -47,56 9,02E-04 -76,86 1,2303 -35,25 0,1036 -67,01 Valley

N=0,15 W 0,0064 -60,98 7,20E-04 -81,54 1,1427 -39,86 0,105 -66,56

N=0,20 W 0,0046 -71,95 5,78E-04 -85,18 0,9368 -50,69 0,11 -64,97

Sin control 0,0184 - 0,0046 - 2,1883 - 0,5103 -

N=0,05 W 0,0115 -37,50 0,0015 -67,39 1,5609 -28,67 0,1934 -62,10

Kobe N=0,10 W 0,0088 -52,17 0,001 -78,26 1,3051 -40,36 0,1568 -69,27

N=0,15 W 0,0056 -69,57 6,23E-04 -86,46 1,0228 -53,26 0,1214 -76,21

N=0,20 W 0,0032 -82,61 3,56E-04 -92,26 0,7462 -65,90 0,1017 -80,07

Sin control 0,0204 - 0,0039 - 2,4046 - 0,3957 -

N=0,05 W 0,0121 -40,69 0,0013 -66,67 1,5852 -34,08 0,1576 -60,17

Kocaeli N=0,10 W 0,0095 -53,43 8,75E-04 -77,57 1,3803 -42,60 0,127 -67,90

N=0,15 W 0,0085 -58,33 6,34E-04 -83,75 1,3896 -42,21 0,1161 -70,66

N=0,20 W 0,0073 -64,22 5,04E-04 -87,07 1,2802 -46,76 0,1195 -69,80

Sin control 0,0204 - 0,0046 - 2,4506 - 0,4486 -

N=0,05 W 0,0141 -30,88 0,0018 -60,87 1,7755 -27,55 0,202 -54,97

Landers N=0,10 W 0,0104 -49,02 0,0014 -69,57 1,4591 -40,46 0,1904 -57,56

N=0,15 W 0,0085 -58,33 0,0011 -76,09 1,4288 -41,70 0,1808 -59,70

N=0,20 W 0,0064 -68,63 9,12E-04 -80,18 1,1644 -52,49 0,1807 -59,72

Sin control 0,0159 - 0,0075 - 1,9248 - 0,4493 -

N=0,05 W 0,0089 -44,03 0,0026 -65,33 1,1889 -38,23 0,153 -65,95

México N=0,10 W 0,0068 -57,23 0,0017 -77,33 1,0774 -44,03 0,1213 -73,00

N=0,15 W 0,0057 -64,15 0,0012 -84,00 1,0266 -46,66 0,1091 -75,72

N=0,20 W 0,0044 -72,33 9,27E-04 -87,64 0,8768 -54,45 0,1061 -76,39

San Sin control 0,0154 - 0,0049 - 1,9446 - 0,3327 - Fernando N=0,05 W 0,0136 -11,69 0,0029 -40,82 1,7492 -10,05 0,2161 -35,05

N=0,10 W 0,0116 -24,68 0,0021 -57,14 1,6957 -12,80 0,1841 -44,66

N=0,15 W 0,0113 -26,62 0,0018 -63,27 1,7102 -12,05 0,1735 -47,85

N=0,20 W 0,0102 -33,77 0,0015 -69,39 1,6432 -15,50 0,163 -51,01

Como se observa en Tabla 2, los desplazamientos de la estructura se reducen fuertemente para todos los casos de fuerza normal aplicada, llegando incluso a reducciones en el desplazamiento máximo del 82%, para el caso del Terremoto de Kobe, con una fuerza normal igual al 20% del peso de la estructura. En el valor máximo de aceleraciones se obtienen reducciones de hasta un 66%, siendo la mínima reducción del 10%. La reducción en valor rms es superior al 40% en todos los casos. Estos resultados demuestran la efectividad en la reducción de la respuesta dinámica del sistema de control de vibraciones de la presente invención.

Como ejemplos representativos, las Figs. 6 y 7 muestran los registros de desplazamientos y aceleraciones absolutas, medidos en el dintel de la estructura, obtenidas con y sin control de vibraciones para los registros sísmicos de Imperial Valley y Kobe, respectivamente. Se puede observar como la respuesta estructural de la estructura principal se reduce en forma significativa.