Análisis comparativo del comportamiento dinámico de una maqueta con sistema estructural aporticado sometido a vibraciones de 1 GDl, con y sin amortiguadores de masa sintonizada (AMS), simulado de forma numérica y experimental

Abstract

El presente trabajo de investigación, realiza un análisis comparativo de la eficiencia de un amortiguador de masa sintonizada lineal (AMS), colocada en el último nivel de una estructura de acero de cuatro niveles, con y sin la incorporación del Amortiguador de Masa Sintonizada. Para evaluar su influencia frente a movimientos externos (excitación de base), se tomó como valores de base para la comparación el desplazamiento y la aceleración que experimenta la estructura sin Amortiguador de Masa Sintonizada en su último nivel, siendo este nivel donde se registran los mayores desplazamientos y aceleraciones. Para realizar los ensayos experimentales, se construyó una estructura metálica de cuatro niveles del tipo Shear Building, considerando las especificaciones técnicas para el material de Aceros Arequipa, el cual cuenta con una gran gama de aplicaciones en la rama de estructuras. La excitación de base de la estructura se realizó mediante una mesa vibratoria unidireccional, auto construida. La estructura está conformada por cuatro niveles, la dirección de excitación de base se consideró en el lado lateral de menor rigidez de la estructura, la cual es más susceptible a generar mayores desplazamientos y aceleraciones. La construcción de la mesa sísmica se dio debido a que en el ámbito de la ciudad del cusco no se cuenta con laboratorios que estén implementados con una mesa vibratoria para realizar estudios en relación a excitación de base. Las rigideces laterales más desfavorables de la estructura principal son: para el primer nivel de 20.594 N/cm y el resto de niveles de 25.330 N/cm; la masa concentrada para cada diagrama rígido, es: 5.26 kg para el primer piso, 5.11 kg para segundo y tercer piso, y 5.49 kg para el cuarto piso, siendo una masa total de 20.97 kg de la estructura principal, generando frecuencias de vibración de 3.68Hz, 10.73 Hz, 16.70 Hz y 20.72 Hz. El Amortiguador de Masa Sintonizada es formado por los siguientes porcentajes de masa de la estructura total: 4.32%, 4.38%, 5.98% y 7.33%, y las rigideces utilizadas son: 4.65 N/cm para el primero, 4.72 N/cm para el segundo, 6.31 N/cm para el tercero y 7.61 N/cm para el cuarto. El Amortiguador de Masa Sintonizada que mejor ha sintonizado con la estructura es para la tercera masa con una frecuencia de 3.06 Hz, generando una relación de frecuencias de 0.96. La excitación de base se realizó en la mesa unidireccional autoconstruida, que proporciona un torque de 6.6 N.m generado por un Motor de Paso Nema 34. La estructura principal fue excitada en un rango de frecuencias de 3.00Hz a 3.60Hz, con la finalidad de generar el efecto de resonancia estructural. La toma de datos se realizó mediante sensores: de desplazamiento VL53L0X y aceleración MPU6050, disponles en el mercado nacional, controlados mediante los softwares de ARDUINO y MATLAB. La incorporación del Amortiguador de Masa Sintonizada, acorde a los resultados y conclusiones, en la estructura principal ha demostrado una eficiencia en la reducción de desplazamientos en el orden de 77.73%, 77.73%, 77.10% y 78.99% en relación de la estructura principal sin control llegando a experimentar un desplazamiento total lateral en el último nivel de 4.76 cm. Otra de las ventajas del Amortiguador de Masa Sintonizada sobre la estructura principal es la reducción de las aceleraciones en los diafragmas rígidos, experimentando una aceleración máxima de 17.37 m/s2; el Amortiguador de Masa Sintonizada a mostrando una eficiencia en la reducción de las aceleraciones de 50.94%, 52.27%, 52.65% y 59.19%, proporcionando el Amortiguador de Masa Sintonizada un confort a los habitantes de la estructura principal durante eventos sísmicos.

The present research work performs a comparative analysis of the efficiency of a linear tuned mass damper (AMS), placed in the last level of a four-level steel structure, with and without the incorporation of the Mass Damper. Tuned. To evaluate its dynamic behavior against external movements (base excitation), the displacement and acceleration experienced by the structure without Tuned Mass Damper at its last level were taken as base values for comparison, where the larger displacements and accelerations. To carry out the experimental tests, a four-level metal structure of Shear Building type was built, considering the technical specifications for the material of Aceros Arequipa, which has a wide range of applications in the field of structures. The base excitation of the structure was carried out by means of a self-constructed unidirectional vibrating table. The structure is made up of four levels, the base excitation direction was considered to be on the lateral side of the structure with less rigidity, which is more susceptible to generating greater displacements and accelerations. The construction of the seismic table occurred because in the area of the city of Cusco there are no laboratories that are implemented with a vibrating table to carry out studies in relation to base excitation. The most unfavorable lateral stiffnesses of the main structure are: 20,594 N/cm for the first level and 25,330 N/cm for the rest of the levels; the concentrated mass for each rigid diagram are: 5.26 kg for the first floor, 5.11 kg for the second and third floors, and 5.49 kg for the fourth floor, with a total mass of 20.97 kg for the main structure, generating vibration frequencies of 3.68Hz, 10.73Hz, 16.70Hz and 20.72Hz. The Tuned Mass Damper is formed by the following mass percentages of the total structure: 4.32%, 4.38%, 5.98% and 7.33%, and the stiffnesses used are: 4.65 N/cm for the first, 4.72 N/cm for the second, 6.31 N/cm for the third and 7.61 N/cm for the fourth. The Tuned Mass Damper that has best tuned with the structure is for the third mass with a frequency of 3.06 Hz, generating a frequency ratio of 0.96. The base excitation was carried out in the self-built unidirectional table, which provides a torque of 6.6 Nm generated by a Nema 34 Step Motor. The main structure was excited in a frequency range of 3.00Hz to 3.60Hz, in order to generate the structural resonance effect. Data collection was carried out using sensors: displacement VL53L0X and acceleration MPU6050, available in the national market, controlled by ARDUINO and MATLAB software. The incorporation of the Tuned Mass Damper in the main structure has shown an efficiency in the reduction of displacements in the order of 82.52%, 83.13%, 85.41% and 85.41% in relation to the main structure without control, reaching a total lateral displacement. at the last level of 6.58 cm. Another advantage of the Tuned Mass Damper over the main structure is the reduction of accelerations in the rigid diaphragms, experiencing a maximum acceleration of 20.20 m/s2; the Tuned Mass Damper has shown an efficiency in the reduction of accelerations of 44.06%, 47.41%, 58.33% and 55.89%, providing the Tuned Mass Damper with comfort to the inhabitants of the main structure during seismic events.