Preguntas Frecuentes

Friction dampers are energy dissipators that convert kinetic energy into thermal energy when friction is generated between the relative motion of two or more solid surfaces. They are also known as coulomb dampers and are a type of constant mechanical damping, meaning that they provide a specific force resistance independent of velocity. Every moving system will have some amount of friction damping as friction exists is all joints, connections and even within materials. When applied to buildings, friction dampers are a type of seismic damper which is used to reduce earthquake damage by controlling building vibration.

A través de los años de experiencia y de los reportes de aplicaciones hemos encontrado sorpresivamente que para el caso de los disipadores sísmicos a fricción no hay incremento de costos, por el contrario, hay moderados ahorros para estructuras nuevas, altísimos ahorros para rehabilitación de estructuras y una importante mejora del desempeño sísmico en ambos casos.

Si estas tratando de mejorar el desempeño sísmico de una estructura, existente o nueva, al usar disipadores sísmicos a fricción, la estructura termina siendo más económica que si intentaras hacerlo con métodos tradicionales de fuerza bruta como muros de corte, diagonales / riostras restringidas al pandeo (BRBs), diagonales o riostras comunes etc. Será también más económica que si intentaras usar otras tecnologías de disipación de energía debido a su altísima eficiencia de la curva histeretica y su completa integración con el sistema principal de resistencia lateral. La diferencia es más abultada si costos de instalación se incluyen.

Es muy común encontrar ejemplos (Vezina, Proulx, Pall, & Pall, 1992), (Maholtra, Carson, & Pall, 2004), donde las fuerzas axiales y cortantes en las columnas tienden a ser reducidas entre 60% y 40% respectivamente en comparación a otros métodos de rehabilitación estructural y de protección sísmica para estructuras nuevas. Esto sucede sin importar la altura o tamaño del proyecto. Con estas reducciones en esfuerzos en los elementos, el presupuesto de la estructura se reduce hasta 60% para rehabilitación de estructuras y hasta en un 10% para edificaciones nuevas, incluyendo el valor de los disipadores instalados.

Algunas veces se tiende a pensar que por que se es más familiar con el concreto reforzado o con el acero estructural la rehabilitación de estructuras es más fácil de alcanzar con ellos. Este tiende a ser el modo de pensar cuando enfrentamos la pregunta de: ¿porque pasar horas extra trabajando en un proyecto usando tecnologías que pondrán desafíos adicionales desde el punto de vista técnico? Esto es cierto para tecnologías que dependen de la velocidad haciendo que el ingeniero tenga que calibrar la estructura ante diferentes registros sísmicos para entender como la energía sísmica es disipada en el edificio. Adicionalmente, a este trabajo extra, es probable que costos adicionales sean incurridos en el proyecto debido a instalación y menores eficiencias en la disipación.

¿En que consiste la diferencia?

Cuando se usan disipadores sísmicos a fricción, este no es el caso. Como no son dependientes de la velocidad, tú puedes aplicar la disipación de energía en tu proyecto tal como si estuvieras diseñando con sistemas regulares de concreto reforzado o acero estructural sin trabajo adicional de diseño.
Adicionalmente, desde el punto de vista de costos, los disipadores sísmicos a fricción permiten darle a la estructura extra resistencia lateral sin atraer más aceleración( link to image of diffferec in axial foreces in ¿Qué tan costoso será mi proyecto si uso los disipadores? question). Esto no es posible con métodos tradicionales de fuerza bruta que solo controlan la deformación lateral (muros de corte, diagonales restringidas al pandeo, refuerzo de columnas etc.). Así, puedes alcanzar los mismos objetivos de desempeño estructural con una estructura más eficiente (ligera), trayendo beneficios adicionales al cliente final.

En numerosos ejemplos (Vezina, Proulx, Pall, & Pall, 1992) (Maholtra, Carson, & Pall, 2004), se evidencia como alternativas tradicionales basadas en fuerza bruta hacen la estructura muy rígida, pero al mismo tiempo atraen mucha más fuerza sísmica incrementando aceleraciones y por ende fuerzas axiales y cortantes en los elementos. El ingeniero usualmente no puede ver estos efectos cuando solo se limita a controlar deformaciones laterales. Como consecuencia, generalmente es inevitable el problema de refuerzo de elementos estructurales y costosas intervenciones de cimentaciones. Para clientes que no pueden detener sus actividades diarias esto no es nada conveniente.

Siempre es más eficiente lidiar con la energía sísmica usando disipación. Entonces la pregunta sería, porque no hacerlo cuando hay tecnologías muy accesibles y fáciles de usar como los disipadores sísmicos a fricción. Al usarlos, costos proyectos de rehabilitación de estructuras suelen reducirse hasta en un 60% y los de estructuras nuevas hasta en un 10%.

Los amortiguadores de fricción están diseñados para ser libres de mantenimiento y deslizarse durante los terremotos de diseño o superiores. Los casos en que los amortiguadores se deslizan diariamente por ejemplo sería inapropiado.

La disipación de la energía eólica sería un ejemplo de uso inadecuado. Los desplazamientos debidos al viento deben estar dentro del rango de rigidez del edificio antes de la activación del amortiguador. Los amortiguadores se utilizan a menudo cuando hay fuertes cargas de viento, sin embargo se recomienda que la carga de deslizamiento sea de aproximadamente 1,3 veces la carga de viento esperada. El uso previsto de nuestro amortiguador de fricción es para terremotos de diseño (DBE) y máximo considerado (MCE).

Amortiguadores de fricción para disipar la energía eólica

Los amortiguadores de fricción se pueden diseñar para activar bajo las fuerzas del viento usando almohadillas de fricción compuestas de alto desgaste y arandelas Belleville (resortes)  para compensar el desgaste. Sin embargo, tal diseño implicaría reemplazar o volver a trabajar los amortiguadores periódicamente debido a este desgaste de la interfaz y fatiga de los resortes. Así, aunque factible y posible, la implicación de mantenimiento periódico lo haría costoso. Los amortiguadores viscosos tienden a ser una tecnología más apropiada para disipar pequeñas cantidades de energía como el viento y el mantenimiento se puede hacer potencialmente en el sitio con kits de reemplazo de sellos y aceite de silicona de reemplazo (u otro fluido de trabajo). Debido a que la energía eólica tiende a ser mucho más pequeña (a veces órdenes de magnitud) que la energía sísmica (no reducida), la mayoría de los ingenieros tienden a preferir no disipar directamente las fuerzas del viento y optar por almacenar la energía dentro de la rigidez de los elementos del edificio.

En realidad, no es relevante. Los disipadores a fricción son muy eficientes al momento de controlar la energía sísmica debido al tamaño y a la estabilidad de su curva histeretica. Entonces en contraste con otras tecnologías de disipadores sísmicos, o de aisladores, la disipación de energía dependerá solo de la fuerza absorbida por los disipadores en conjunto y el desplazamiento lateral. Si esperas largos desplazamientos puedes usar menos fuerzas y si esperas desplazamientos muy cortos puedes usar fuerzas un tanto mayores, tal que tus objetivos de energía sísmica a disipar se cumplan como los esperas. Tú puedes siempre encontrar una fuerza optima que garantice la mayor cantidad de energía sísmica a disipar y al mismo tiempo la menor cantidad de energía transferida a la estructural.

Los disipadores Quaketek tienen la más larga capacidad de desplazamiento lateral. De hecho, nosotros proveemos a los disipadores con 130% del desplazamiento el ingeniero ha especificado para el Sismo Máximo Probable (MCE). Debido a que hacemos el testeo del 100% de los aparatos al 100% de la fuerza y desplazamientos tú puedes siempre confirmar el desempeño en el peor evento sísmico.

Para curiosos
A veces hay preguntas acerca de cómo la longitud de ranuras alargadas afecta la aplicación de los disipadores sísmicos a fricción en proyectos donde se esperan deformaciones laterales grandes. Por el contrario, ranuras alargadas en conexiones pernadas han sido muy bien documentadas (FEMA 355D, 2000) incluso, se le han atribuido propiedades de conexiones rígidas para la mayoría de aplicaciones prácticas. Aunque el disipador a fricción no es una conexión en específico, y estos hallazgos solo suman a su garantía de desempeño, la efectividad de algunos de sus componentes como las ranuras alargadas ha sido extensamente probado y reconocido. Códigos nacionales y otras entidades regulatorias internacionales de estandarización como la AISC, reconocen el mecanismo mismo de deslizamiento de conexiones pernadas como que no constituye falla en la conexión y que por el contrario se asocian con una disipación de energía considerable que sirve para reducir la respuesta sísmica de la estructura (AISC 341-10).

Este es un fenómeno importante que debe ser descartado por que evita una transición predecible y suave entre la fricción estática y la fricción dinámica. En Quaketek, siempre hemos mantenido estas diferencias en limites mucho más bajos de los establecidos por entes reguladores de protección (FEMA, 2015).

Nuestros disipadores no sufren de este fenómeno. Tú puedes observar con el reporte del testeo del 100% de los aparatos. Así mismo tú puedes usar un ingeniero independiente que verifique hasta el 10% de la orden de manera aleatoria y repita el testeo al 100% de la fuerza y desplazamiento.

Nuestras superficies de contacto aseguran que el recorrido del disipador es extremadamente silencioso. Generalmente tiende a estar debajo de los 60db. El ingeniero puede constatarlo cuanto participa del control de la calidad de los dispositivos en el testo real de las condiciones de Fuerza y desplazamiento que el especificó en primer lugar. Este no es siempre el caso de todas las tecnologías a fricción, dependiendo de las superficies de contacto que se usen, este recorrido del desplazamiento puede ser un deslizamiento sigiloso o un horrible chillido estruendoso de metales. Como expertos en superficies, nuestro orgullo ha sido controlar estos desafíos.

Por estas razones, es recomendable que el ingeniero estructural se abstenga de recibir dispositivos sin antes haber evidenciado su funcionamiento durante todo el recorrido del desplazamiento a las fuerzas indicadas por él. Solo así garantizará el desempeño esperado.

Usamos pernos estructurales de alta resistencia en nuestros disipadores, los cuales han sido extensivamente estudiados y documentados. Su comportamiento es bien entendido y ha sido usado en conexiones estructurales por más de 60 años. Estudios que soportan las guías de diseño de AISC, Tajima (1964), Chenson y Munse (1965) y Allan y Fisher (1968), han encontrado que la relajación en los pernoss ocurre mayoritariamente justo después del pre-tensionamiento. Usualmente, esta variación es en promedio 8% en un periodo de 80-90 años. Cerca del 80% de esta variación ocurre entre 1 semana y un año después de la instalación. En Quaketek, el arte de pre-tensionamiento de pernos ha sido usado desde siempre y nuestros dispositivos están calibrados para contar con estas variaciones.

En adición, cuando se trabaja con disipadores sísmicos a fricción en línea, estudios paramétricos han demostrado que cambios en la fuerza ideal de accionamiento hasta de ±25% no afectan la respuesta de la estructura considerablemente. Es por eso que es tan fácil diseñar con ellos. Por favor comunícate con nuestro equipo de diseño para recibir ayuda en cómo encontrar esta fuerza ideal fácilmente.

A tener cuidado

Desafortunadamente este bien entendido comportamiento, no es el caso para el tipo de pernos extra largos (8x el diámetro) que deben ser usados en disipadores rotacionales de tipo rotula. Cuando se trata de decidir entre el uso de pernos largos o cortos no hay mucha documentación (AISC, 2002) para establecer un estándar satisfactorio ni reglas claras de instalación para el pre-tensionamiento. En esos casos, el efecto de la relajación de los pernos sobre el pre-tensionamiento no es aun claro. Adicionalmente, en estos disipadores es muy común encontrar arandelas tipo Belleville que presionan el perno para evitar su relajación pues la disipación sucede en el sentido en el que fue aplicado el torque durante el pre-tensionamiento. Esta práctica es prohibida en algunos países. Ej. Estados Unidos.

En Quaketek, uno de nuestros más grandes logros y que garantiza la fiabilidad de nuestros dispositivos son superficies de contacto que aseguran mínima expansión térmica y ausencia de corrosión galvánica. Esto es importante porque algunos materiales pueden convertirse en dependientes de la velocidad a medida que se calientan. Por ejemplo, algunos aisladores friccionales usan PTFE, polímero (plástico). Cuando este plástico alcanza su temperatura de transición a vidrio se comporta como un fluido.

Nuestros disipadores no sufren incrementos de temperatura perceptibles y eso es lo que garantiza su alta eficiencia. El ingeniero puede comprobarlo cuando sigue nuestro control de calidad en que el 100% de los dispositivos son testeados al al fuerza y desplazamiento especificados.

Acerca de la Energía y el calor

La energía sísmica debe ser almacenada o disipada. Cuando se almacena en exceso el contenedor se rompe y es disipada durante esa ruptura. Tal es el caso de una estructura cuando colapsa. Todas las tecnologías de construcción, edificios tradicionales dúctiles o con disipación guardan un poco de esta energía y disipan otro tanto (usualmente a través de la generación de calor).

En edificios tradicionales de concreto, la energía se almacena en los miembros de concreto con muy poca disipación. Cuando la energía sísmica supera la capacidad de almacenamiento se produce la ductilidad en el acero de refuerzo y eventualmente la ruptura que disipan la energía. Si alguien midiera la temperatura en ese momento se daría cuenta de cuanto calor se produce. Comportamiento análogo sucede en las estructuras de acero estructural.

En el caso de tecnologías deformables o dúctiles (ej. BRBs o aisladores con núcleo deformable), la energía sísmica es usada para deformar el núcleo de acero y mientras esta deformación ocurre energía es liberada por medio del calor. Esta elevación de la temperatura es necesaria y ocurrirá cualquier material para que pueda alcanzar el rango dúctil.

Un disipador viscoso generará calor cuando toda la energía es transferida en el fluido y este se calienta. Esto a su vez afecta la viscosidad y por esto la selección del fluido que hará el trabajo de disipación debe ser muy cuidadosa para que se puedan controlar las fugas. Siempre las habrá, pero usualmente se establecen programas de mantenimiento. El cambio total de temperatura dependerá de la masa térmica (masa del disipador, fluido y del calor especifico de los materiales) y de la energía input sísmica.

Un disipador a fricción transfiere la energía directamente entre las superficies de contacto que disipan el calor a través del disipador por efecto de conductividad. El cambio de temperatura dependerá de la masa térmica del disipador.

En el caso de disipadores rotacionales, la menor masa del dispositivo usualmente causa que la transferencia de calor sea al menos el doble de rápida que con un disipador a fricción linear. Esto pone un desafío adicional por que la temperatura es la principal variable de cambios en la fuerza de accionamiento. Entonces, cuando de disipación a fricción se trata, mientras más larga la superficie de contacto mucho mejor. La experiencia de más de 30 años de nuestro equipo nos ha permitido identificar puntualmente cuales son los desafíos clave.

Hemos desarrollado superficies de contacto que no sufren de corrosión y que tienen un despreciable nivel de desgaste después de muchos ciclos. La razón por la que no existe corrosión las superficies “metálicas” de contacto es porque nuestras superficies no son metálicas en primer lugar. De hecho, reconocidos entes reguladores de la protección sísmica como FEMA explícitamente prohíben el uso de superficies metálicas y otras superficies no confiables que pueden presentar riesgos en desempeño (FEMA, 2015).

En Quaketek, nos sentimos orgullosos de haber desarrollado superficies especiales que no son afectadas por la corrosión ni por la abrasión después del uso o antes de él. Degradación de la capacidad no es un problema para nuestros disipadores. Es por esa razón que siempre hacemos el testeo del 100% de la producción antes de ser enviados. Este test se hace al 100% de la fuerza y desplazamientos especificados por el ingeniero, y este puede ser testigo de ellos. Nada es mejor que una prueba en vivo para estar seguros de que los disipadores funcionan en el proyecto tal cual como se espera.

Desde siempre el Control de la Calidad ha estado en el corazón de nuestro equipo. Esas prácticas las aprendimos a lo largo de nuestra experiencia previa en la industria Aeroespacial. Como expertos en superficies de contacto, sabemos que nada puede ser dejado a la probabilidad y por eso cada uno de los disipadores fabricados es testeado al 100% de las condiciones reales antes de dejar la fábrica. Nuestro control de producción es más exigente que las normas internacionales vigentes, que solo delinean requerimientos mínimos y generalmente enfocados a ensayos de prototipo. Cabe anotar, que recientemente Chile ha ido a la vanguardia con la NCh 3411, detallando muy bien cómo se debe practicar el control de la calidad en la disipación de energía.

En Quaketek, testeamos cada dispositivo al 100% de la fuerza y desplazamiento indicados por el ingeniero porque esa es la única forma que puedes estar seguro de que los disipadores se comportaran como lo esperas. En adición a eso, invitamos a un ingeniero independiente, usualmente el ingeniero diseñador o su representante a seleccionar aleatoriamente hasta un 10% de la orden y testearla de nuevo. Cuando especificas uno de nuestros disipadores puedes estar seguro de que harán lo que esperas en el evento del sismo.

También, ofrecemos a los clientes la posibilidad de remover los disipadores después de cierto número de años para que sean re-testeados si así lo desean. Nuestra garantía de 30 años y más nos permite estar seguros de nuestro desempeño.

Otras opciones dependientes de la velocidad

En contraste, cuando se usan dispositivos dependientes de la velocidad, como los aisladores sísmicos o disipadores viscosos, el ingeniero debe pasar más horas calibrando la estructura contra distintos registros sísmicos por que la fuerza será diferente para cada uno de ellos. Finalmente, porque las curvas histereticas son más pequeñas, no tendrá la misma reducción en energía sísmica input.

Si, por el contrario, el ingeniero decide usar opciones como las diagonales restringidas al pandeo (BRBs) para adicionar rigidez lateral a la estructura debido a su costo competitivo, terminara atrayendo mucha más energía sísmica input a la estructura debido al incremento de las aceleraciones. Entonces, el ligero ahorro en precio, debido a que su precio es parecido al de los disipadores a fricción, no es suficiente para sopesar el extra costo por el exceso de fuerza sísmica en los elementos de la estructura. Los pocos ahorros serán opacados por el incremento de tamaños de acero de refuerzo, concreto y acero estructural.

A tener cuidado

Disipadores con propiedades recentrantes

Algunos dispositivos tienen propiedades restitutivas o recentrantes. Pero desafortunadamente estos hacen la tarea mientras sacrifican capacidad de absorción de la energía sísmica. Al aplicar una fuerza restitutiva mientras disipan la energía, reducen considerablemente su curva histeretica, llegando a ser solo 25% que la de un dispositivo normal.

Entonces diseñar con ellos no es tan eficiente porque se deben usar más aparatos por unidad de área. Por otro lado, el ingeniero debe preguntarse si vale la pena el esfuerzo adicional para calibrar una estructura ante los efectos restitutivos de los disipadores si se espera un comportamiento plástico al mismo tiempo. ¿Cuál es el estado de la estructura que estoy tratando de recentrar?, Colapsará en el intento de volver a balance?