ES2558585T3 - Estructura con amortiguación mejorada por medio de amortiguadores con configuración de horquilla - Google Patents

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ES2558585T3 ES06761059.2T ES06761059T ES2558585T3 ES 2558585 T3 ES2558585 T3 ES 2558585T3 ES 06761059 T ES06761059 T ES 06761059T ES 2558585 T3 ES2558585 T3 ES 2558585T3
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Agha Hasan
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Abstract

Una estructura con una mayor amortiguación, que comprende: un primer elemento estructural (330) de resistencia a las cargas laterales; un segundo elemento estructural de resistencia a las cargas laterales ubicado adyacente al primer elemento estructural (330) de resistencia a las cargas laterales; al menos un sistema (10) de amortiguación ubicado entre el primer elemento estructural de resistencia a las cargas laterales y el segundo elemento estructural de resistencia a las cargas laterales, y que sustituye a una viga de acoplamiento utilizada, de lo contrario, para conectar el primer elemento estructural de resistencia a las cargas laterales y el segundo elemento estructural de resistencia a las cargas laterales, incluyendo dicho sistema de amortiguación: un primer conjunto de placas (310) que tiene un primer extremo encastrado en dicho primer elemento estructural de resistencia a las cargas laterales dentro de dicha estructura; en el que dicho primer elemento estructural de resistencia a las cargas laterales comprende un muro de carga de hormigón; un segundo conjunto de placas (312) que tiene un segundo extremo encastrado en dicho segundo elemento estructural de resistencia a las cargas laterales dentro de dicha estructura, y medios de acoplamiento eficaces para acoplar dicho primer conjunto de placas a dicho segundo conjunto de placas, comprendiendo los medios de acoplamiento un material disipador (320) de energía.

Description

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Estructura con amortiguacion mejorada por medio de amortiguadores con configuracion de horquilla Campo de la invencion
La presente invencion versa acerca del campo de sistemas de amortiguacion para edificios, puentes y otras estructuras. En particular, versa acerca de un amortiguador de nueva configuracion, para interconectar dos elementos de una estructura que experimentan movimientos y deformaciones relativos, que aumenta el nivel de amortiguacion cuando se somete a toda la estructura a una condicion de carga. El amortiguador de nueva configuracion ayuda a controlar desplazamientos, velocidades y aceleraciones bajo una carga dinamica en sistemas estructurales.
Antecedentes de la invencion
Los edificios modernos, que utilizan componentes tfpicos de construccion tales como muros de carga de hormigon armado, estructuras atirantadas de acero estructural, estructuras resistentes al momento de acero estructural u hormigon armado o combinaciones de los mismos, tienen propiedades inherentes de baja amortiguacion. Debido a esta baja amortiguacion inherente, los rascacielos, en particular, tienden a ser susceptibles a vibraciones excesivas causadas por las cargas dinamicas. Las aceleraciones y las velocidades torsionales excesivas pueden provocar un malestar para los ocupantes, mientras que los desplazamientos excesivos pueden causar danos a elementos estructurales y no estructurales. Por esta razon, es ventajoso proporcionar fuentes adicionales de amortiguacion para controlar estas vibraciones excesivas y reducir la respuesta general del edificio a cargas dinamicas.
Los sistemas disponibles en la actualidad para controlar los desplazamientos, las velocidades y las aceleraciones en tales estructuras consisten en sistemas pasivos tales como amortiguadores suplementarios y amortiguadores de vibraciones al igual que sistemas activos.
En la actualidad se utilizan amortiguadores suplementarios pasivos tales como amortiguadores por histeresis, de lfquido viscoso y viscoelastico en configuraciones atirantadas tfpicas y son activados bajo deformaciones axiales. Aunque esto puede ser eficaz para anadir amortiguacion a algunas configuraciones estructurales, cuando se encuentran bajo esta configuracion atirantada tfpica, los elementos de tirantes experimentan deformaciones axiales significativas, son menos eficaces para otros sistemas estructurales, tales como rascacielos en los que el modo principal de deformacion lateral no provoca una deformacion axial suficiente en elementos atirantados tfpicos para accionar tales amortiguadores. Para aumentar las deformaciones hasta un grado suficiente para activar los amortiguadores, se utilizan configuraciones especiales que utilizan tirantes acodados o de tipo tijera para amplificar los desplazamientos.
Tambien se utilizan amortiguadores de vibraciones, tales como amortiguadores de masa sintonizada (AMS) y amortiguadores de lfquido sintonizado (ALS) para reducir las desviaciones, las velocidades y las aceleraciones de tales estructuras. Normalmente consisten en un sistema mecanico vibratorio instalado en la planta superior de los edificios para maximizar su eficacia. Esto tiene la desventaja de que utiliza parte del bien inmueble mas valioso del edificio, ademas de ser caro de disenar y de construir. Tambien actuan en un intervalo de frecuencia limitado dado que deben estar sintonizados en un unico modo de vibracion.
Los sistemas activos requieren una fuente externa de alimentacion, una fuerza de accionamiento y grandes sistemas de soporte ffsico y de soporte logico de control. Como resultado, son caros de disenar y de implementar, y son susceptibles a cortes de electricidad o a fallos del sistema de control.
El documento JP 2003-239220 considera como proporcionar una estructura elevada de control de vibraciones con capacidad para utilizar de forma eficaz un espacio entre columnas, constituyendo la estructura elevada de forma que tenga una estructura de control de las vibraciones por medio de un amortiguador de control de las vibraciones y eliminar tal condicion de que el espacio bajo una estructura elevada este ocupado con un amortiguador de control de las vibraciones. La estructura elevada de control de las vibraciones esta dotada de amortiguadores de control de las vibraciones entre columnas situados en la direccion que no se cruza con la estructura elevada en la estructura elevada que soporta una estructura por medio de una pluralidad de columnas, y el amortiguador de control de las vibraciones esta constituido rellenando un cuerpo viscoelastico entre al menos dos laminas de planchas de acero y puesto en una viga intermedia o instalado en la posicion proxima a un capitel.
El documento JP H11-153194 considera como proporcionar un miembro de amortiguacion que tiene un efecto de reduccion de las vibraciones contra terremotos grandes, medianos y pequenos y viento intenso al igual que un coste reducido. Se rellena con un material de amortiguacion una circunferencia de un miembro tensor axial central fabricado de acero, se cubre el exterior del material de amortiguacion con un primer miembro de prevencion de deformaciones fabricado de acero; ademas, se rellena con el material de amortiguacion el exterior del primer miembro de prevencion de deformaciones fabricado de acero, se cubre el exterior del material de amortiguacion con un segundo miembro de prevencion de deformaciones fabricado de acero, se fijan un extremo del primer miembro de prevencion de deformaciones fabricado de acero y un extremo del miembro tensor axial central fabricado de
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acero, se fijan un extremo del segundo miembro de prevencion de deformaciones fabricado de acero y el otro extremo del miembro tensor central fabricado de acero, y se los obliga a hacer un contacto viscoelastico entre si el primer miembro de prevencion de deformaciones fabricado de acero y el segundo miembro de prevencion de deformaciones fabricado de acero mediante el material de amortiguacion.
Sumario de la invencion
Un objeto de la presente invencion es proporcionar un nuevo sistema de amortiguacion para estructuras que supere al menos una de las desventajas de los sistemas existentes. En particular, un objeto de la invencion es que el sistema de amortiguacion proporcione una amortiguacion adicional a una estructura.
La presente invencion proporciona, desde un aspecto, una estructura con una mayor amortiguacion segun la reivindicacion 1. Se interpone material disipador de energfa entre los miembros de los conjuntos respectivos de placas. Se conocen en la tecnica materiales adecuados de disipacion de energfa e incluyen materiales con suficiente resistencia para soportar una deformacion lateral que se produzca en la estructura, sin desgarros ni que se deformen permanentemente de otro modo, mientras que tienen la capacidad de disipar la energfa absorbida de la deformacion lateral. Cuando los dos muros se mueven uno con respecto al otro, por ejemplo, cuando hay mucho viento, se amortigua una deformacion relativa en el plano, en ambas direcciones ortogonales, de los muros mediante la activacion del material disipador de energfa entre los conjuntos de placas como consecuencia del desplazamiento relativo mutuo de las placas.
Preferentemente, los dos conjuntos de placas comprenden una pluralidad de placas separadas sustancialmente paralelas, estando entrelazadas las placas del primer conjunto con las placas del segundo conjunto. Tambien preferentemente, los conjuntos de placas estan fijados en los dos extremos opuestos de dos elementos distintos de resistencia de cargas laterales (muros de carga, tirantes o columnas de acero que forman parte de estructuras resistentes al momento) ubicados en el mismo plano en ciertos niveles de la estructura. Se pueden utilizar elementos de extension en cualquier extremo, o en ambos, del amortiguador para extender su longitud para acomodar la distancia entre los elementos de resistencia a las cargas laterales.
Seran evidentes otras ventajas y caracterfsticas adicionales de la invencion para los expertos en la tecnica a partir de la siguiente descripcion detallada de la misma, tomada junto con los dibujos adjuntos.
Breve descripcion de los dibujos
Se describira ahora la invencion con mas detalle, unicamente a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que los numeros similares hacen referencia a elementos similares, en los que:
La Figura 1A es una vista lateral de un muro de carga acoplado en un edificio tfpico;
la Figura 1B es una vista lateral de una estructura atirantada de acero estructural en un edificio tfpico;
la Figura 1C es una vista lateral de una estructura resistente al momento de acero estructural u hormigon armado en un edificio tfpico;
la Figura 1D es una vista lateral de una combinacion de sistemas resistentes a cargas laterales, de una estructura atirantada de acero estructural y de un muro de carga de hormigon armado en un edificio tfpico;
la Figura 2A es una vista lateral de dos muros de carga en un rascacielos con la presente invencion divulgada acoplada entre muros;
la Figura 2B es una vista lateral de una estructura atirantada de acero estructural en un rascacielos con la presente invencion divulgada acoplada entre estructuras atirantadas;
la Figura 2C es una vista lateral de una estructura resistente al momento de acero estructural u hormigon armado en un rascacielos con una realizacion de la presente invencion divulgada acoplada entre estructuras resistentes al momento;
la Figura 2D es una vista lateral de una combinacion de sistemas de resistencia a cargas laterales, de una estructura atirantada de acero estructural acoplada a un muro de carga de hormigon armado en un rascacielos con una realizacion de la presente invencion divulgada acoplada entre la estructura atirantada de acero y el muro de carga de hormigon;
la Figura 3 es una serie de vistas (ortogonal, fragmentaria, en planta y lateral en alzado) de una configuracion de la invencion que comprende cuatro placas de acero acopladas a cinco placas de acero y cuatro capas de material de amortiguacion elevada intercaladas entre las mismas;
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la Figura 4 es un par de vistas (ortogonal y en planta) de una configuracion alternativa del material disipador de energfa con un sistema propuesto de anclaje y un ejemplo de la configuracion de la zona de acoplamiento, con el amortiguador acoplado entre dos muros de carga;
la Figura 5 es un par de vistas (ortogonal y en planta) de una realizacion de la invencion en la que se utilizan miembros opcionales de extension para configurar el sistema de amortiguacion que ha de ser acoplado entre dos muros de carga; y
la Figura 6 es una vista ortogonal de dos muros de carga sometidos a una deformacion con la presente invencion divulgada acoplada entre los muros.
Descripcion detallada de las realizaciones preferentes
Con referencia ahora a las Figuras 1A - 1D, se muestran ejemplos del presente estado de la tecnica para la construccion de rascacielos y edificios de altura media, en concreto que utilizan muros 110 de carga de hormigon armado (Fig. 1A), estructuras atirantadas 120 de acero estructural (Fig. 1B), estructuras 130 resistentes al momento de acero estructural u hormigon armado (Fig. 1C) y combinaciones 140 de los mismos (Fig. 1D). Cuando un edificio es sometido a cargas sfsmicas o debidas al viento, se deforman las vigas (116, 128, 134, 144) de acoplamiento o los tirantes laterales (126, 148), sin proporcionar ninguna amortiguacion significativa.
Con referencia a la Figura 1A, una estructura 110 que utiliza muros 114 de carga de hormigon armado tiene vigas 116 de acoplamiento de hormigon ubicadas en las aberturas 112 entre los muros 114 de carga. De forma similar, una estructura 120 que utiliza columnas 124 y tirantes 126 de acero, segun se muestra en la Figura 1B, tiene vigas 128 de acoplamiento de acero ubicadas en las aberturas 122 entre las columnas 124. En la Figura 1C, se muestra una estructura alternativa 130 de acero, que solo consiste en columnas 132 y vigas 134 de acoplamiento en las aberturas 136. La ultima estructura mostrada en la Figura 1D es una estructura 140 de combinacion, con muros 142 de carga de hormigon y columnas 150 y tirantes 148 de acero separados por una abertura 146 y unidos por medio de vigas 144 de acoplamiento.
En las Figuras 2A - 2D, el sistema de amortiguacion o el amortiguador de una realizacion de la invencion, designado 10 en general, descrito en la presente memoria sustituye uno o mas de los elementos laterales atirantados (126, 148) o de las vigas (116, 128, 134, 144) de acoplamiento de las estructuras mostradas en las Figuras 1A - 1D. No hay ninguna perdida de espacio interior al hacerlo, dado que el amortiguador 10 solo sustituye las vigas de acoplamiento o el atirantamiento lateral y cabe en el area ocupada de otra forma por las vigas de acoplamiento o el atirantamiento lateral. Al hacerlo, cuando el edificio es sometido a cargas dinamicas sfsmicas o debidas al viento, se deforma el amortiguador 10 y proporciona una amortiguacion suplementaria al sistema.
Con referencia diversa a las Figuras 3-5, el sistema 10 de amortiguacion esta constituido por un primer conjunto de placas 310 de acero interdigitado con un segundo conjunto de una o mas placas similares 312 de acero y acoplado al mismo por medio de capas interpuestas de material disipador 320 de energfa adheridas firmemente a los mismos por medio de capas de adhesivo. Los extremos de los dos conjuntos de placas opuestos a los extremos acoplados estan acoplados estructuralmente con un par de elementos adyacentes 330 de resistencia a las cargas laterales; es decir, muros de carga de hormigon, encastrando los extremos en los mismos o atornillando los extremos a los muros de manera firme. Las placas 310, 312 son suficientemente rfgidas para proporcionar la integridad estructural necesaria al edificio y para seguir el movimiento de los elementos 330 de resistencia a las cargas laterales, acentuando, de esta manera, el movimiento diferencial entre los dos extremos de los elementos 330 de resistencia a las cargas laterales, que a su vez corta el material disipador 320 de energfa entre los dos conjuntos de placas 310, 312. La Figura 3 da a conocer un ejemplo de una configuracion del sistema de amortiguacion que comprende cuatro placas 310 conectadas a cinco placas 312. Las cuatro placas 310 estan acopladas a las cinco placas 312 por medio de discos de material disipador 320 de energfa. Hay ocho capas de material disipador 320 de energfa que experimentan deformaciones por esfuerzo cortante cuando los elementos 330 de resistencia a las cargas laterales a los que estan fijadas experimentan deformaciones laterales.
El material disipador 320 de energfa utilizado es un caucho de alta amortiguacion o un material viscoelastico de alta amortiguacion o cualquier otro material con capacidad de disipar energfa (bien dependiente del desplazamiento o bien dependiente de la velocidad).
La Figura 4 da a conocer otro ejemplo de un sistema 10 de amortiguacion segun la invencion y comprende un primer conjunto de cuatro placas 410 conectado como en la Figura 3 a un segundo conjunto de cinco placas 412 por medio de secciones mayores de forma rectangular de material disipador 420 de energfa. Se pueden utilizar variaciones en el numero de placas utilizadas, y de la longitud, la anchura, el grosor y la forma del material disipador de energfa para adaptar el sistema de amortiguacion a la aplicacion particular para maximizar su efecto de amortiguacion. Ademas, la Figura 4 da a conocer un sistema 414 de anclaje en un extremo de las placas 412 para anclar el sistema 10 de amortiguacion a los elementos 430 de resistencia a las cargas laterales.
La Figura 5 da a conocer una configuracion del sistema 10 de amortiguacion en la que la porcion disipadora de energfa del amortiguador 510 esta construida por separado y luego conectada a elementos rfgidos 520 de extension,
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que, a su vez estan configurados para estar acoplados estructuralmente con los elementos 530 de resistencia a las cargas laterales en un momento posterior, por ejemplo en una obra. En la configuracion mostrada, las placas estan unidas entre si en conjuntos para acoplarse a los elementos rfgidos de extension.
La Figura 6 da a conocer una estructura 610 que experimenta una deformacion lateral. Las vigas 616 de acoplamiento que conectan los muros 614 de carga se deforman, al igual que el sistema 10 de amortiguacion.
Las realizaciones preferentes de la invencion utilizan, de esta manera, las deformaciones relativas en el plano, en ambas direcciones ortogonales, entre dos o mas elementos estructurales de resistencia a las cargas laterales, con independencia de su composicion, para proporcionar una amortiguacion adicional.
Permiten que un sistema de amortiguacion sea relativamente economico, en comparacion con los sistemas actuales de amortiguacion.
Las realizaciones preferentes proporcionan, ademas, un sistema de amortiguacion con capacidad de ser instalado sin cambios significativos a la configuracion arquitectonica y estructural de la estructura del edificio en la que va a ser instalado, y un sistema que se construye facilmente y proporciona una sustitucion sencilla para los sistemas convencionales de amortiguacion.
Aunque la realizacion de la invencion descrita en la presente memoria se refiere a edificios sometidos a cargas laterales tales como cargas debidas al viento, cargas sfsmicas, y cargas por explosion, seran evidentes para los expertos en la tecnica otras aplicaciones utiles de la presente invencion, incluyendo, sin limitacion, otras estructuras.
Esto concluye la descripcion de una realizacion actualmente preferida de la invencion. Se ha presentado la anterior descripcion con un fin ilustrativo y no se pretende que sea exhaustiva ni que limite la invencion a la forma precisa divulgada. Son posibles muchas modificaciones y variaciones teniendo en cuenta la anterior ensenanza y seran evidentes para los expertos en la tecnica. Por ejemplo, aunque se ha descrito que las placas que constituyen los conjuntos primero y segundo estan fabricadas de acero, se podrfa utilizar cualquier material suficientemente rfgido para proporcionar la integridad estructural necesaria al edificio y para seguir el movimiento de los elementos de resistencia a las cargas laterales tales como muros o vigas, tales como otros metales y aleaciones, materiales compuestos reforzados con resina de alta resistencia y similares. Ademas, se puede escoger el material disipador de energfa de una amplia variedad de materiales, tales como caucho natural o sintetico (SBR, polibutadieno, poliisopreno, butilo, etc.), eleccion que se encuentra dentro de la competencia de la tecnica. El alcance de la invencion no esta limitado por la presente descripcion sino por las siguientes reivindicaciones.

Claims (4)

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    REIVINDICACIONES
    1. Una estructura con una mayor amortiguacion, que comprende:
    un primer elemento estructural (330) de resistencia a las cargas laterales;
    un segundo elemento estructural de resistencia a las cargas laterales ubicado adyacente al primer elemento estructural (330) de resistencia a las cargas laterales;
    al menos un sistema (10) de amortiguacion ubicado entre el primer elemento estructural de resistencia a las cargas laterales y el segundo elemento estructural de resistencia a las cargas laterales, y que sustituye a una viga de acoplamiento utilizada, de lo contrario, para conectar el primer elemento estructural de resistencia a las cargas laterales y el segundo elemento estructural de resistencia a las cargas laterales, incluyendo dicho sistema de amortiguacion:
    un primer conjunto de placas (310) que tiene un primer extremo encastrado en dicho primer elemento estructural de resistencia a las cargas laterales dentro de dicha estructura; en el que dicho primer elemento estructural de resistencia a las cargas laterales comprende un muro de carga de hormigon;
    un segundo conjunto de placas (312) que tiene un segundo extremo encastrado en dicho segundo elemento estructural de resistencia a las cargas laterales dentro de dicha estructura,
    y medios de acoplamiento eficaces para acoplar dicho primer conjunto de placas a dicho segundo conjunto de placas, comprendiendo los medios de acoplamiento un material disipador (320) de energfa.
  2. 2. La estructura de la reivindicacion 1, en la que dicha estructura incluye al menos un referido sistema de amortiguacion por planta de dicha estructura.
  3. 3. La estructura de la reivindicacion 1, en la que el segundo elemento estructural de resistencia a las cargas laterales es una columna (150) de acero y el primer elemento estructural de resistencia a las cargas laterales es un muro (142) de carga de hormigon.
  4. 4. La estructura de la reivindicacion 1, en la que el primer elemento de resistencia a las cargas laterales es un primer muro (614) de carga y el segundo elemento de resistencia a las cargas laterales es un segundo muro (614) de carga.
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