AMORTIGUADORES DE MASA SINTONIZADOS ENESTRUCTURAS SISMORRESISTENTES

TEORA Y ANTECEDENTESLos amortiguadores de masa sintonizados (AMS), conocidos asimismo por el acrnimo TMD (del ingls Tuned Mass Damper), son dispositivos para amortiguar vibraciones utilizados para estabilizar el movimiento de una estructura sometida a una fuerza externa, impidiendo de ese modo que la estructura resulte daada o incluso ceda. Esencialmente, dichos dispositivos son sistemas mecnicos del tipo amortiguador masa-resorte dotados de uno o ms grados de libertad y diseados para estar en resonancia con la estructura en la que estn instalados. Cuando la estructura vibra por estar sometida a alguna fuerza tal como, por ejemplo, viento o un terremoto, los amortiguadores oponen la inercia de la masa al movimiento de vibracin, generando de ese modo, como efecto de la resonancia, fuerzas de igual magnitud y signo opuesto capaces de anular los movimientos de la estructura. En el campo tcnico de la edificacin y la construccin, y en particular en la construccin de estructuras muy altas tales como rascacielos, torres y puentes que son muy sensibles a eventos ssmicos y elicos, los amortiguadores de masa sintonizados se fabrican a modo de estructuras pendulares en las que la masa es un bloque de cemento o acero soportado por cables o brazos ligados a la estructura. La masa se mueve segn la ley de movimiento de un pndulo, almacenando y liberando energa potencial de forma similar a una masa ligada mediante un resorte de un sistema de amortiguador masa-resorte, consiguindose la accin de amortiguacin mediante uno o varios medios de amortiguacin, por ejemplo de tipo hidrulico, dispuestos en una o varias direcciones de movimiento predeterminadas. Los amortiguadores de masa sintonizados de tipo pndulo tienen problemas de instalacin destacables, debido al tamao de las masas suspendidas y de los medios de soporte relacionados. Por ejemplo, en el caso de un rascacielos la estructura de un amortiguador de masa sintonizado puede ocupar incluso varias plantas del edificio en altura. Adems, despus de la instalacin, el amortiguador de masa sintonizado requiere siempre una etapa de "sintonizacin" con respecto al comportamiento dinmico real de la estructura. De hecho, un amortiguador est diseado en base a un modelo terico de la estructura a la que ser aplicado, por lo que se requieren siempre ajustes del periodo fundamental una vez que la estructura se ha completado. Generalmente, la etapa de sintonizacin es muy complicada y costosa puesto que el ajuste de la longitud de los cables o brazos que soportan la masa requiere la utilizacin de equipamiento tal como cabrestantes o tirantes, que pueden ser instalados de manera desmontable o incluso permanente. Por lo tanto, es un objetivo de la presente invencin dar a conocer un amortiguador de masa sintonizado capaz de superar dichas desventajas. Dicho objetivo se consigue mediante el amortiguador de masa sintonizado cuyas caractersticas principales se dan a conocer en la primera reivindicacin, mientras que se dan a conocer otras caractersticas en las reivindicaciones restantes. El amortiguador de masa sintonizado, segn la presente invencin, comprende por lo menos una masa ligada a un medio de soporte adecuado para permitir un movimiento pendular de la misma cuando la estructura se somete a una fuerza externa. El medio de soporte comprende, por lo menos, un cojinete dotado de una superficie cilndrica cncava de deslizamiento. La ventaja principal del amortiguador de masa sintonizado segn la presente invencin, es que tiene un tamao considerablemente ms pequeo con respecto a los amortiguadores conocidos, permitiendo de ese modo una instalacin ms sencilla en la estructura para la que est previsto. De hecho, elegir el medio de soporte de masa en forma de, por lo menos, un cojinete cilndrico cncavo permite reducir el tamao del sistema, que incide sustancialmente con el tamao de la masa solamente. Por consiguiente, es posible reducir los costes de fabricacin e instalacin del amortiguador. Adems, mediante el recubrimiento o fabricacin de las superficies de deslizamiento de los cojinetes con materiales de friccin controlada, es posible conseguir medios de amortiguacin sin recurrir a dispositivos externos tradicionales, por ejemplo de tipo hidrulico o similares, instalados sobre la estructura y ligados a la masa, lo que reduce ms an los costes de fabricacin. Otra ventaja presentada por la invencin es que se simplifica en gran medida la etapa de sintonizacin del amortiguador. De hecho, las superficies de deslizamiento de los cojinetes estn dotadas de radios de curvatura variables, que permiten por lo tanto ajustar el periodo fundamental variando simplemente el punto de contacto entre el medio de soporte y la masa transversalmente a su direccin de movimiento. Otra ventaja presentada por la invencin es que resulta posible fabricar un amortiguador dotado de ms grados de libertad mediante la disposicin de los cojinetes sobre una estructura multicapa y la orientacin de las superficies de deslizamiento de los cojinetes de cada capa de tal modo que definan ms direcciones de movimiento. Adems, se puede variar el comportamiento del amortiguador en las diversas direcciones de movimiento mediante la eleccin de diferentes curvaturas de las superficies de deslizamiento y/o la utilizacin de diferentes materiales de friccin controlada. Otras ventajas y caractersticas del amortiguador de masa sintonizado, segn la presente invencin, resultarn evidentes para los expertos en la materia a partir de la siguiente descripcin detallada y no limitativa de algunas realizaciones de la misma haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los que: la figura 1 muestra una vista en perspectiva de una primera realizacin de un amortiguador de masa sintonizado, segn la presente invencin; figura 2 muestra un detalle -II-de la figura 1; la figura 3 muestra una vista en perspectiva de una segunda realizacin de un amortiguador de masa sintonizado, segn la presente invencin, dotado de medios para sintonizar el periodo fundamental; figura 4 muestra un detalle -IV- de la figura 3; la figura 5 muestra una seccin transversal -V-V- de la figura 3; las figuras 6 y 7 muestran un detalle y -VI- y un detalle -VII- de la figura 5, respectivamente; la figura 8 muestra una vista en perspectiva de una tercera realizacin de un amortiguador de masa sintonizado, segn la presente invencin, dotado de dos grados de libertad; figura 9 muestra un detalle -IX- de la figura 8; la figura 10 muestra una seccin transversal -X-X- de la figura 8; y la figura 11 muestra un detalle -XI- de la figura 10. Haciendo referencia a las figuras 1 y 2, el amortiguador de masa sintonizado, segn la presente invencin, comprende de forma conocida una masa -1- ligada a una estructura -2- a travs de medios de soporte -3adecuados para permitir un movimiento pendular de la masa -1- cuando la estructura -2- se somete a una fuerza externa tal como, por ejemplo, viento o un terremoto. Segn el concepto inventivo que es la base de la presente invencin, el medio -3- de soporte comprende, por lo menos, un cojinete dotado de una superficie cilndrica cncava de deslizamiento -3a-. La masa -1-, obligada a moverse por la accin de una fuerza que acta sobre la estructura, se mueve a lo largo de la superficie de deslizamiento -3a- del cojinete -3-, aumentando y reduciendo su energa potencial, segn la ley de movimiento de un pndulo. El periodo fundamental de la oscilacin de la masa -1-, definido mediante el radio de la superficie de deslizamiento -3a-, es sustancialmente igual al periodo fundamental de la estructura -2-, de manera que el amortiguador y la estructura -2- son resonantes. En el diseo del amortiguador, segn la presente invencin, la masa -1- est dimensionada para ser igual a 2 a 4% de la masa total de la estructura a la que sta es aplicada. Adems, el tamao de la masa -1- es considerablemente mayor respecto al orden de magnitud de los movimientos que realiza la masa -1- para reaccionar contra los movimientos de la estructura -2-. Por lo tanto, por razones de sencillez y estabilidad los medios de soporte comprende una serie de cojinetes, cuyas superficies cilndricas cncavas de deslizamiento -3a- tienen la misma curvatura y estn dispuestas en paralelo entre s, definiendo de ese modo una sola direccin de movimiento para la masa -1-. En correspondencia, la masa -1- est dotada de una serie de pies -4- dispuestos en posiciones correspondientes a las posiciones de los cojinetes -3-. En la realizacin mostrada en la figura 1, por ejemplo, el amortiguador comprende cuatro cojinetes -3- dotados, respectivamente, de superficies de deslizamiento -3a- y la masa -1- est dotada de cuatro pies -4- dispuestos en posiciones correspondientes a las posiciones de los cojinetes -3-. Tal y como se muestra en el detalle de la figura 2, cada pie -4- consiste en una parte superior -4a- ligada a la masa -1- y una parte inferior -4b- que tiene una superficie cilndrica convexa -4c- adecuada para contactar con la superficie de deslizamiento -3a- del cojinete -3- respectivo. La parte superior -4a- y la parte inferior -4b- de cada pie -4- son mviles entre s y estn acopladas por medio de una junta de rtula cilndrica o esfrica que permite una rotacin relativa de las mismas. De este modo, la masa -1- se mueve a lo largo de las superficies de deslizamiento -3a- de los cojinetes -3- sin girar con respecto al plano de la estructura -2-. Durante el movimiento de la masa -1-, cierta cantidad de energa cintica se disipa por friccin en el contacto entre las superficies cilndricas cncavas de deslizamiento -3a- de los cojinetes -3- y las superficies cilndricas convexas -4c- de los pies -4-, consiguindose de este modo un efecto de amortiguacin. Por lo tanto, sin recurrir a dispositivos de amortiguacin externos tal como en las aplicaciones conocidas, el amortiguador segn la presente invencin puede dotarse de medios de amortiguacin en forma de recubrimientos de materiales de friccin controlada de las superficies cilndricas cncavas de deslizamiento -3a- de los cojinetes -3- y las superficies cilndricas convexas -4cde los pies -4-. Alternativamente, los cojinetes -3- y las partes inferiores -4b- de los pies -4- pueden fabricarse ntegramente de materiales de friccin controlada. Preferentemente, los materiales de friccin controlada se combinan entre s para minimizar el desgaste. Materiales de friccin controlada adecuados son, por ejemplo, acero inoxidable y materiales polimricos seleccionados entre, por ejemplo, polietileno, resinas poliamdicas y PTFE adecuadamente modificados y/o dopados. Haciendo referencia a las figuras 3 a 7, se describir a continuacin una segunda realizacin del amortiguador segn la invencin, en el que para permitir sintonizar del amortiguador con respecto a una estructura -2-, las superficies de deslizamiento -3a- de los cojinetes -3- tienen radios de curvatura que varan transversalmente con respecto a la direccin de movimiento de la masa -1-, y el amortiguador comprende medios de accionamiento -6adecuados para modificar los puntos de contacto entre la masa -1- y las superficies de deslizamiento -3a-. Mediante la modificacin de los puntos de contacto entre la superficie de deslizamiento -3a- y la masa -1-, sta ltima se mover siguiendo una trayectoria con un radio diferente, permitiendo de ese modo variar el periodo fundamental y por lo tanto sintonizar el amortiguador en funcin del periodo fundamental real de la estructura -2-. Preferentemente, los medios de accionamiento -6- no actan directamente sobre la masa -1-, que es muy pesada y difcil de mover, sino sobre sus pies -4-modificando su distancia relativa. Los cojinetes -3- estn dispuestos por pares sobre la estructura -2-, con las superficies de deslizamiento -3arespectivas paralelas entre s y con un radio de curvatura que aumenta hacia fuera desde el plano de simetra del amortiguador, en el que se mueve la masa -1-. Los pies -4- estn montados correspondientemente por pares y de manera mvil sobre guas -5- unidas a la masa -1- y dispuestas transversalmente con respecto a su direccin movimiento, y estn conectados entre s a travs de los medios de accionamiento -6-. El medio de accionamiento -6- comprende un tornillo sin fin dotado en un extremo de un elemento de maniobra -7-, por ejemplo una palanca, adecuado para permitir que el mismo gire en torno a su eje. El tornillo sin fin -6comprende una primera parte roscada -6a-, insertada en un orificio roscado formado en la parte superior -4a- del primer pie -4- del par, y una segunda parte -6b- con roscado opuesto insertada en un orificio roscado formado en la parte superior -4a- del segundo pie -4- del par. Haciendo girar en sentido horario o antihorario la palanca -7-, la rotacin del tornillo sin fin provoca que los pies -4- se aproximen o se alejen mutuamente a lo largo de la gua -5-, variando por lo tanto su distancia relativa. De este modo, los pies se mueven hacia partes de la superficie de deslizamiento -3a- con un radio diferente, lo que tiene como resultado una variacin del periodo fundamental del amortiguador. La curvatura de las superficies cilndricas cncavas -3a-de los cojinetes -3- puede variar de manera continua o discreta, con ms o menos cambios marcados de curvatura entre una y otra partes de la superficie de deslizamiento -3a-, para obtener una gama mayor o menor de sintonizacin con el mismo tamao de superficie de deslizamiento -3a-. El amortiguador de masa sintonizado, segn la presente invencin, puede tener ms grados de libertad, por lo tanto siendo apto para ser utilizado asimismo cuando se contemplan ms direcciones de movimiento, por ejemplo dos direcciones perpendiculares entre s. Las figuras 8 a 11 muestran una tercera realizacin del amortiguador segn la presente invencin, en la que la masa -1- est soportada mediante una primera serie de pies -4- que estn en contacto con una primera serie de cojinetes -3-. La primera serie de cojinetes -3- est ligada a una base -8- y las superficies de deslizamiento de los cojinetes -3estn orientadas de modo que definen una primera direccin de movimiento marcada mediante una flecha -L-. En la cara de la base -8- opuesta a la primera serie de cojinetes -3-, se dispone una segunda serie de cojinetes -3'-, que estn en contacto con una segunda serie de pies -4'- ligados a la estructura -2- mediante guas -5'correspondientes, a lo largo de las cuales son ajustables mediante medios de accionamiento -6'- asociados. Las superficies de deslizamiento -3a'- de los cojinetes -3'- de la segunda serie estn orientadas de manera que definen una segunda direccin de movimiento, que es perpendicular a la primera y est marcada mediante una flecha -T-. Por lo tanto, en este caso el amortiguador est dotado de dos grados de libertad en las dos direcciones de movimiento definidas mediante las dos series de cojinetes -3-, -3'-. De manera similar, pueden preverse otras direcciones de movimiento disponiendo los cojinetes en una estructura multicapa, en la que cada capa comprende una base y uno o varios cojinetes, as como una serie de pies dispuestos en posiciones correspondientes a las posiciones de los cojinetes. Para cada capa, la direccin de movimiento est definida mediante la orientacin de la superficie de deslizamiento de uno o varios cojinetes dispuestos sobre la misma. En el caso de una estructura multicapa, la masa total del amortiguador comprende no solamente la masa -1- sino asimismo las masas de las diferentes bases -8-, que se activan de forma selectiva en funcin de las direcciones de movimiento aplicadas simultneamente por una fuerza externa. Tal como en la realizacin descrita anteriormente dotada de un grado de libertad, para permitir la sintonizacin del periodo fundamental del amortiguador las superficies de deslizamiento -3a-, -3a'- de los cojinetes -3-, -3'- tienen radios de curvatura que varan transversalmente con respecto a la direccin de movimiento definida por los mismos, y cada capa comprende medios de accionamiento -6-, -6'- adecuados para modificar los puntos de contacto entre los pies -4-, -4'- y las superficies de deslizamiento -3a-, -3a'-. Adems, es posible diferenciar las caractersticas de amortiguacin en las diversas direcciones de movimiento mediante la utilizacin de las diversas capas de diferentes materiales de friccin controlada, para los acoplamientos entre las superficies cilndricas cncavas de deslizamiento -3a-, -3a'- de los cojinetes -3-, -3'- y la superficies cilndricas convexas -4c-, -4c'- de los pies -4-, -4'-, obtenindose de este modo muchas posibilidades para optimizar la respuesta del amortiguador. Resulta evidente que las realizaciones del amortiguador de masa sintonizado mostradas y descritas anteriormente son solamente ejemplos susceptibles de numerosas variaciones. En particular, para recubrir las superficies de deslizamiento es posible utilizar otros materiales de friccin controlada, que conocen bien los expertos en la materia. Adems, para la superficies de deslizamiento fabricadas de un material metlico es posible utilizar materiales especiales, tales como acero al cromo-nquel, para proporcionar caractersticas de dureza elevada y minimizar el desgaste.

Amortiguadores de Masa Sintonizados (AMS).El destino arquitectnico cambiante en la vida til de un edificio, los costos y la practicidad definen una tendencia a construcciones livianas de grandes luces y con tabiques de construccin seca.Razones estticas definen estructuras delgadas tipo filigrana y con escasos apoyos que puedan interferir con la habitabilidad o la belleza. Desde el punto de vista estructural, esto conduce naturalmente a altas flexibilidades, perodos naturales elevados y consecuentemente a grandes desplazamientos por cargas dinmicas tales como viento o sismo. La inclusin de dispositivos mecnicos en las estructuras puede corregir adecuadamente sus propiedades, de manera que la respuesta dinmica sea compatible con las necesidades estructurales. La modificacin de la rigidez, la masa o el amortiguamiento es un camino para solucionar esos problemas. En el primer y segundo caso, se logra un corrimiento de las frecuencias propias que desintonizan la estructura del rango de frecuencias donde la energa espectral es preponderante. El incremento de amortiguamiento es en ingeniera ssmica un hecho asociado al propsito de aumentar artificialmente la ductilidad, con la finalidad de disipar energa en forma controlada y estable, reduciendo la respuesta estructural dinmica (Bozzo y Barbat, 2000).Una alternativa muy interesante y eficaz, es la disipacin de la energa que ingresa a la estructura a travs de amortiguadores ssmicos que pueden ser incorporados sin mayores inconvenientes a la estructura. La verificacin analtica y experimental de la transferencia de energa de un sistema principal excitado externamente a otro sistema secundario no excitado, acoplado al primero, dio origen a los AMS (Den Hartog 1985). Despus de su invencin por Frahm en 1909, el concepto de amortiguadores de masa sintonizada ha atrado la atencin de investigadores de diferentes campos para su aplicacin en el control de vibraciones causadas por diferentes tipos de fuerzas. Segn Ambrosini (2004), ya est definitivamente probada en la literatura su eficiencia en la reduccin de vibraciones provenientes de acciones de viento, encontrndose todava en discusin la eficiencia de los AMS en relacin con acciones ssmicas.El modelo dinmico que define a la estructura protegida ssmicamente se muestra en la figura 2.4.Figura 2.4: Modelo dinmico de la estructura plana amortiguada.

Fuente: Bassotti, 2004.El amortiguador de masa sintonizado es una herramienta ingenieril clsica consistente en una masa, un resorte y un amortiguador viscoso colocados en el sistema vibrante principal para atenuar la vibracin no deseada a una frecuencia determinada. La frecuencia natural del amortiguador se sintoniza con la frecuencia natural del sistema principal provocando que el amortiguador vibre en resonancia, disipando la energa absorbida a travs de los mecanismos de amortiguamiento del AMS (Ambrosini 2004). Si bien poseen una base conceptual sencilla, la incorporacin prctica a estructuras de los amortiguadores sintonizados es a menudo compleja, estando su aplicabilidad y rendimiento muy limitados por problemas tecnolgicos y por las variables de diseo particulares de cada caso.Los AMS han sido tambin propuestos como dispositivos sismorresistentes, demostrando ser tambin efectivos en algunos casos como limitantes de la respuesta ssmica (Nawrotzki, 2000).Den Hartog (1985) demostr que para sistemas de un grado de libertad no amortiguados, la amplitud de vibracin del sistema excitado es nula cuando la frecuencia de excitacin es igual a la frecuencia del AMS, indicando que toda la energa del sistema fue transferida al AMS.Los parmetros de diseo del AMS que se deben hallar para lograr la mxima eficiencia del mismo, son la relacin de frecuencia (frecuencia del amortiguador/frecuencia de la estructura), la relacin de amortiguamiento y la relacin de masa (masa AMS/masa de la estructura) (Ambrosini 2004).Una de las principales ventajas de los AMS es que pueden ser colocados en estructuras existentes con problemas de vibraciones excesivas que son perceptibles por las personas o para el mejoramiento de la seguridad ssmica en estructuras levemente daadas o sanas.Por otro lado la asimetra estructural y por ende los efectos torsionales son la causa principal de colapso en varias estructuras sometidas a acciones ssmicas. En este sentido la colocacin de amortiguadores pasivos en ubicaciones adecuadas permite reducir los efectos torsionales. Segn Goel (et al 2001), para el caso de amortiguadores del tipo viscoso ha sido demostrado que la ubicacin ptima es tal que la excentricidad de las fuerzas de amortiguamiento es igual, pero de signo contrario, a la excentricidad estructural. Sin embargo de acuerdo a Bassotti (2004), para el caso de AMS todava se encuentra en discusin la ubicacin ptima y la cantidad de AMS a utilizar, adems en su investigacin y posterior publicacin el ao 2004 obtuvo las siguientes conclusiones:Resulta de fundamental importancia sintonizar el AMS con la primera frecuencia predominantemente torsional para reducir los esfuerzos relacionados. Como esta frecuencia normalmente no coincide con el primer flexo torsional, resulta evidente que, cuando se quiere controlar ambas respuestas se requiere al menos de tres AMS, dos para controlar la respuesta flexional en dos direcciones ortogonales y uno para controlar en forma especfica la respuesta torsional._ El amortiguamiento ptimo para el control de la respuesta torsional es significativamente diferente del obtenido para controlar la respuesta flexional, por lo que no puede utilizarse el mismo valor y deben realizarse estudios independientes en cada caso._ La ubicacin en planta del AMS resulta de fundamental importancia para controlar la respuesta torsional. Deben realizarse estudios de optimizacin en cada caso ya que existen ubicaciones que resultan perjudiciales aumentando significativamente los esfuerzos relacionados.