En torno a la amortiguación

Amortiguación, en la práctica, significa recibir, absorber y mitigar una fuerza, dispersándola o transformando energía de forma que la carga inicial se haya minorizado. Entre mejor sea la amortiguación inicial, menor será la fuerza recibida sobre el punto final. Para estos efectos, la goma, por sus características, es uno de los materiales más usados.


La goma en arquitectura
Elementos de goma, en la cotidianeidad, están más cerca de lo que se piensa. En juntas de vidrios, tacos de muebles, absorbiendo los pesos, de modo de no rayar los pisos. Teniendo consistencia, es capaz de contraerse y volver, absorbiendo la carga.

Juntas para vidrio, cortafuego de goma incombustible.
http://www.nedys.com/uploads/434789309124a00.pdf
http://www.nedys.com/esp/productos2.php?id=23


La llegada: neumático, zapatos. La goma, el desgaste.
Al pensar en términos arquitectónicos, aparecen las llegadas. Cuando la persona corre necesita absorber el impacto, para no fracturarse los tobillos. Las zapatillas llegan al suelo con goma, como también lo hacen los mecanismos de suspensión de los vehículos. Las ruedas absorben irregularidades a través de la goma y el caucho. Está presente también en elementos antideslizantes, como pedales, tacos de escalera, o revestimiento de peldaños.
Así los edificios, para efecto de moverse con la carga, se suspenden, contra la gravedad. Recurren a la amortiguación, que contrae, absorbe, y después recupera la estabilidad. A través de emplazar la estructura sobre gatos hidráulicos, o a través de péndulos oscilatorios, u otras opciones, existen varios modos de ocupar este recurso.

Además del material, y su contracción, se pueden presentar distintos tipos de mecanismos, que emulan esta resistencia, o situación de contracción controlada, manteniendo equilibrio, y suspensión.

Ejemplo de amortiguador de gas (fuente: wikipedia), como mecanismo que disipa energía. Los componentes, trabajando asociadamente, pueden verse en la imagen.
A - barra,
B - pistón con junta de estanqueidad,
C - cilindro,
D - depósito de aceite,
E - pistón flotante,
F - cámara de aire
Así este tipo de dispositivos, los amortiguadores, disminuyen oscilaciones no deseadas, y son otra forma de absorber la carga aplicada, a través de un pistón, o pieza en movimiento dentro del cilindro de una máquina.

El concepto de aislación sísmica mediante amortiguación
El aislamiento sísmico, dentro del tema de la amortiguación, y pensando ya en sistemas para edificios, y construcciones de mayor escala, es un concepto constructivo que permite altos niveles de seguridad durante sismos, en estructuras económicas, al separar, mediante una interfaz flexible, la estructura del suelo.

Fuente:
http://www.sirve.cl/informacion_tecnica/aislacion_sismica/contenido_IT_aislacion.htm

El diseño sismorresistente convencional se basa en aumentar capacidades de resistencia y deformación de los elementos estructurales. Para estas estructuras el sismo genera altas aceleraciones, esfuerzos y deformaciones, produciendo daño en ésta y sus contenidos.
El diseño con aislamiento, en cambio, modifica las características dinámicas de una estructura, reduciendo la demanda sísmica. En este caso, se reducen aceleraciones y deformaciones de la superestructura, eliminando el daño en ésta y sus contenidos.

El dispositivo: aislador elastomérico
Este tipo de dispositivo es el más usado en sistemas de aislación. Está formado por un conjunto de láminas planas de goma, intercaladas por placas planas de acero, adheridas a la goma, y cubierto en sus extremos superior e inferior por dos placas de acero en las cuales se conecta con la superestructura en su parte superior y la fundación en su parte inferior. Entre las placas planas de acero, la lámina de goma puede deformarse en un plano horizontal y de esta manera permitir el desplazamiento horizontal de la estructura relativo al suelo.

Partes de un aislador elastomérico. Más información:
http://cybertesis.uach.cl/tesis/uach/2006/bmfcia775a/doc/bmfcia775a.pdf

Para evitar excesivas deformaciones verticales, las placas intermedias de acero del aislador cumplen la función de restringir la expansión lateral (bajo carga vertical). Este hecho tiene implicancias importantes en el funcionamiento de un sistema de aislación de goma.
Los aisladores elastoméricos pueden alcanzar valores significativos de amortiguamiento a través de una modificación en la composición química de la goma, alcanzando razones de amortiguamiento viscoso equivalente que varían entre 12% y 18%, para un amplio rango de frecuencias y deformaciones típicas de diseño. Alternativamente, para lograr niveles de amortiguamiento significativos (20% a 40%), se utiliza el aislador de goma con centro de plomo. Este dispositivo es idéntico al aislador elastomérico convencional salvo que al centro se incorpora un núcleo de plomo, confinado por las láminas de goma y acero. Este núcleo cumple dos funciones primordiales. La primera, y más obvia, es la de aumentar el amortiguamiento del aislador a través de fluir bajo deformación lateral. Y la segunda, es la de rigidizar la estructura lateralmente para cargas de servicio y eventuales como el viento.

Aislador elastomérico instalado en obra. Clínica U.C. San Carlos de Apoquindo.

Aislador deformado durante ensayo.

Otros aisladores
Pédulo Friccional
El dispositivo conocido como péndulo friccional (FPS) consiste en un "deslizador", móvil sobre una superficie esférica cóncava. Cualquier movimiento de la base producirá un desplazamiento del "deslizador" a lo largo de esta superficie disipando energía por fricción. Como este desplazamiento ocurre sobre una superficie curva la fuerza vertical transmitida por el "deslizador" provee una componente tangencial que tiende a centrar al sistema. La idea del FPS es muy simple, funcionando extraordinariamente bien.

Sin duda existen detalles del dispositivo que son importantes y no tan obvios, como por ejemplo que el "deslizador" es de forma lenticular esférico de modo que un área de este está en contacto con la superficie cóncava y no un solo punto, como sería el caso de un deslizador friccional enteramente esférico. Esto evita que la superficie esférica de acero se raye e impida el desplazamiento libre del aislador. El "deslizador" está recubierto con fluoropolímero de alta resistencia, lo que permite trabajar con presiones de diseño cercanas a los 500 Kg/cm2. Por último el FPS puede ser colocado tanto en su posición basal como invertida, mejorando así la posibilidad de mantener limpia la superficie esférica a pesar de que existe un sello de goma alrededor del aislador que evita el ingreso de polvo y agua.

Fotografía de aislador tipo FPS

Deslizadores
Dispositivo en que la disipación de energía se logra mediante la fricción seca entre superficies de materiales distintos, como por ejemplo fluoropolímero y acero.


Deslizador friccional, en la imagen (izquierda) Al lado, deslizador en el Edificio San Agustín de la Universidad Católica de Chile.

Dispositivo VPJ
Aislador metálico, formado por 16 elementos en forma de C, el cual disipa energía a través de la plastificación de éstos, y posee una resistencia uniforme en todas las direcciones.

Fotografía de dispositivo VPJ

Aislador friccional con anillo de goma
Dispositivo en que la disipación de energía se produce a través de la fricción, y posee una componente restitutiva dada por la goma.

Aislador friccional con anillo de goma

Sistema de aislación de piso
Sistema de piso flotante consistente en secciones de apoyo (apoyos de bola) y unidades de amortiguamiento (amortiguadores viscosos y resorte helicoidal) .

Gráfico de aislación de piso

Sistema de rieles cosenoidales
Sistema de rieles con movimiento pendular (dado por la forma cosenoidal de los rieles) que se coloca bajo muebles.

Gráfico de rieles cosenoidales.

Campus San Joaquín, edificio San Agustín de la Universidad Católica, Santiago (2002). 42 aisladores elastoméricos (17 con núcleo de plomo) + 11 deslizadores.

Kansai: estructura sobre mecanismos hidráulicos
El Aeropuerto de Kansai, volviendo al ejemplo expuesto en el artículo anterior, se sitúa en una isla artificial en la bahía de Osaka, Japón, siendo inaugurado el 4 de septiembre de 1994.
La isla tiene 4 kms. de largo por 1 de ancho, y fue diseñada considerando frecuentes terremotos y tifones en esa zona.

Criterios de construcción
Para evitar a la población el ruido de aviones, la isla artificial, la mayor del mundo, se construyó a cinco kilómetros de la costa, en un lugar en el que la profundidad del agua alcanza 18 metros. Este esfuerzo se acrecienta por las dificultades halladas: dos estratos de arcillas porosas, en el fondo marino, hicieron que la isla se hundiera cinco metros en seis meses, generando preocupación en la opinión pública. Actualmente, la isla se hunde entre tres y cinco centímetros al mes, pero expertos aseguran que no representa problema. Con su plataforma situada a seis metros sobre el nivel del mar, la previsión es que ceda sólo dos metros durante los próximos 50 años, y, mientras tanto, numerosos dispositivos hidráulicos rectifican el perfil de la terminal.

¿Cómo abordar un asentamiento discontinuo?
Debido al asentamiento, los residuos se van compactando, volviendo irregular la línea horizontal. Se contempla regular inclinaciones, y hundimiento, con mecanismos hidráulicos - jacks -, en la parte baja de las edificaciones, que levantan o bajan módulos del complejo, evitando desniveles en las distintas juntas de dilatación.
El proceso consiste en levantar y colocar láminas sólidas de relleno hasta llegar al nivel adecuado y, en ocasiones, se levanta para sacar láminas y dejar que baje de acuerdo al movimiento del subsuelo.
Cuando existen escaleras mecánicas en donde se presentan juntas, dichas escaleras tienen una especie de extensiones tipo rampa con bisagras que disimulan las pequeñas diferencias de desnivel que se van dando, mientras abajo se van corrigiendo dichas diferencias con los dispositivos. Es un trabajo bastante prolijo día a día.

Demostraciones gráficas
De esta forma las columnas de soporte se equipan con estos mecanismos hidráulicos, que permiten subir o bajar, como solución técnica, procurando corregir la inclinación de las alas del edificio.

Representación gráfica del sistema, basado en mantener la horizontal recta, aunque el suelo pueda deformarse. (Basic Concept of the Jack-up System)

Detalle de llegada de las columnas de soporte. El mecanismo hidráulico mantiene el nivel, mientras varía la sujeción a los pasadores o pernos de anclaje. En la fotografía inferior, se colocan láminas de relleno, para mantener el equilibrio.

(How the pillar under the passenger terminal is jacked up)


Measures against Unequal Settlement under the Passenger Terminal(as of December 2007): ante el asentamiento desigual, es el dispositivo regulador el que varía.

El video que se muestra, abajo, es un entretenido documental, que consta de cinco partes, en Youtube, y que grafica esta solución constructiva, mediante renders. Es parte de una serie sobre megaestructuras, y ésta trata del aeropuerto de Kansai.
http://www.youtube.com/watch?v=3CSc2bBfYaM&feature=channel_page


Construcciones recientes en zonas de mayor actividad sísmica

La tectónica de placas es una teoría que explica los fenómenos sísmicos como producto de choques y desplazamientos en la superficie terrestre. Según ésta, existen zonas con mayor probabilidad de actividad sísmica, que se destacan fuertemente en el continente asiático, razón por la que China y Japón están permanentemente innovando soluciones de resistencia y amortiguación.


Péndulos oscilatorios en proyectos recientes
Como sistema de amortiguación, puede presentarse el concepto de suspender un péndulo oscilatorio. El edificio Taipei 101 (308 m), cuenta con un gigantesco amortiguador suspendido, en forma de esfera, el cual toma la altura de cuatro pisos, trabajando en forma constante para prevenir que el edificio colapse por sismo o viento. Esta masa, de 730 toneladas, es un evento cuando se encuentra estática, pero impresiona aún más al actuar durante sismos.

El diseño procura fuerza y flexibilidad a través de una estructura de acero de alto desempeño. 36 columnas soportan el edificio, incluyendo ocho "mega-columnas", revestidas de concreto. Cada ocho pisos, trabes estructurales de acero conectan las columnas entre el centro y la estructura exterior.
Estas características, combinadas con la solidez de los cimientos, hacen del edificio una de las estructuras más estables construidas a la fecha. Los cimientos están reforzados por 308 pilotes, anclados a una profundidad de 80 metros, en el subsuelo. Cada pilote, de 1.5 metros en diámetro, puede soportar una carga de 1000 toneladas métricas.

El peso de este edificio, de 700.000 toneladas, con 101 pisos, para 12.000 personas, sin embargo, al parecer también genera comentarios acerca de que podría estar haciendo temblar la tierra. Dos sismos, entre el 2004–2005, tuvieron su epicentro justo bajo el edificio. El geólogo Cheng Horng Lin, de la Universidad Normal Nacional de Taiwán, sostiene la hipótesis de que las 700.000 toneladas que pesa el edificio, aumentan la presión que ejerce la corteza superior sobre una falla cercana, lo que gatillaría estos nuevos sismos. Actualmente, se monitorea el edificio para saber a ciencia cierta que está pasando bajo la estructura.

Fotografía de cilindros hidráulicos.

Gruesos cables suspenden la esfera.

Burj-al-Arab, Dubai / U.A.E: absorbedores dinámicos

Absorbedores dinámicos sintonizados como sistema
Estructuras de grandes luces, como puentes, escenarios, cubiertas de recintos deportivos, y también construcciones esbeltas de gran altura, como chimeneas, torres, edificios, tienden a ser en mayor o menor medida excitadas a altos niveles de amplitud en uno de sus modos básicos debido al viento, o a la circulación de peatones. Característico en estas construcciones son las frecuencias propias bajas, y el bajo amortiguamiento. Mediante el montaje de absorbedores dinámicos sintonizados, sin embargo, estas vibraciones pueden ser reducidas eficazmente.
Los absorbedores están compuestos por: muelle o bien péndulo, masa oscilante, amortiguador VISCO®.

Fig.: Absorbedor dinámico sintonizado

Los absorbedores dinámicos sintonizados se ajustan a la masa y a la frecuencia natural de la estructura. Se han desarrollado y suministrado absorbedores con masas oscilantes desde 40 kg. hasta 10.000 kg. y frecuencias naturales desde 30 Hz a 0,3 Hz. Para reducir frecuencias propias verticales se colocan, en la mayoría de los casos, absorbedores dinámicos verticales con muelles helicoidales de compresión; mientras que las vibraciones horizontales y torsionales se reducen con absorbedores dinámicos horizontales y muelles de ballestas o péndulos.

Burj Dubai
El edificio Taipei 101, visto anteriormente, era el edificio más alto del mundo, hasta la llegada del Burj Dubai, actualmente en construcción. Se puede apreciar la esbeltez, con secciones que ascienden haciendo que la estructura vaya siendo cada vez más pequeña. La posición de las alas forma una escalera en espiral que, rodeando el edificio, sirve para contrarrestar vientos, y tormentas de arena de la zona. A partir del último nivel, localizado a más de 500 metros de altura, terminan las alas, y sólo queda el centro, que empequeñece hasta terminar en una antena.

Amortiguar, más que una solución anexa, puede ser una forma de pensar desde el inicio. Al pensar así, se puede incorporar un componente de movilidad, en un diseño que contemple estos criterios desde la generación, previendo ubicaciones y tamaños de soluciones, en concordancia con partidos de construcción.