pág. 11772
ANÁLISIS TÉCNICO COMPARATIVO
UTILIZANDO DISIPADORES SÍSMICOS TIPO
FVD Y SLB EN ESTRUCTURAS METÁLICAS
REGULARES
COMPARATIVE TECHNICAL ANALYSIS USING FVD
AND SLB TYPE SEISMIC DISSIPATORS ON REGULAR
STEEL STRUCTURES
Freddy Gustavo Cuchiparte Pastuña
Universidad Politécnica Salesiana, Ecuador
David Patricio Guerrero Cuasapaz
Universidad Politécnica Salesiana, Ecuador
Jaime Eduardo Fernández Ñacato
Universidad Politécnica Salesiana, Ecuador
pág. 11773
DOI: https://doi.org/10.37811/cl_rcm.v8i4.13339
Análisis Técnico Comparativo Utilizando Disipadores Sísmicos Tipo FVD y
SLB en Estructuras Metálicas Regulares
Freddy Gustavo Cuchiparte Pastuña
1
fcuchipartep@est.ups.edu.ec
https://orcid.org/0009-0009-0955-6076
Universidad Politécnica Salesiana
Ecuador
David Patricio Guerrero Cuasapaz
dguerrero@ups.edu.ec
https://orcid.org/0000-0002-8547-906X
Universidad Politécnica Salesiana
Ecuador
Jaime Eduardo Fernández Ñacato
jfernandezn@est.ups.edu.ec
https://orcid.org/0009-0004-9947-2354
Universidad Politécnica Salesiana
Ecuador
RESUMEN
Los sistemas de protección sísmica son elementos diseñados para reducir los efectos destructivos de los
sismos en las estructuras, disipan la energía sísmica mediante mecanismos de deformación controlada,
por tal motivo, los disipadores seleccionados fueron, Fluid Viscous Dampers (FVD) utilizan un fluido
viscos para disipar la energía sísmica y Shear Link Bozzo (SLB) utilizan la deformación plástica de
elementos metálicos, con el fin de generar una deformación en el dispositivo. El análisis comparativo
se llevó a cabo mediante la modelación de una edificación metálica con características geométricas
regulares, se encuentra ubicada en Quito-Ecuador. Para conocer el comportamiento sismorresistente, se
realizó un análisis no lineal Pushover, para evaluar el rendimiento de los dispositivos bajo condiciones
sísmicas, la investigación se realizó mediante simulaciones en un software de análisis estructural, con
el fin de determinar que dispositivo sísmico presenta un mejor comportamiento durante un sismo. Se
consideraron las derivas inelásticas, los desplazamientos y demás parámetros indicados en la NEC-SE-
DS-2015 para evaluar el rendimiento de los disipadores. Los resultados del estudio revelan que ambos
dispositivos, FVD y SLB, son efectivos para reducir los daños estructurales durante un sismo,
manteniendo las derivas inelásticas dentro de los límites aceptables. Sin embargo, los disipadores FVD
demostraron una mayor capacidad para reducir la amplitud de los desplazamientos en comparación con
los dispositivos SLB.
Palabras clave: fluid viscous dampers, shear link bozzo, análisis no lineal, Pushover, pórticos
especiales arriostrados concéntricamente
1
Autor principal
Correspondencia: dguerrero@ups.edu.ec
pág. 11774
Comparative Technical Analysis Using FVD and SLB type Seismic
Dissipators on Regular Steel Structures
ABSTRACT
Seismic protection systems are elements designed to reduce the destructive effects of earthquakes on
structures, they dissipate seismic energy through controlled deformation mechanisms, for this reason,
the selected dissipators were Fluid Viscous Dampers (FVD) use a viscous fluid to dissipate seismic
energy and Shear Link Bozzo (SLB) use the plastic deformation of metallic elements, in order to
generate a deformation in the device. The comparative analysis was carried out by modelling a metallic
building with regular geometrical characteristics, located in Quito-Ecuador. In order to know the
seismic-resistant behaviour, a non-linear Pushover analysis was carried out to evaluate the performance
of the devices under seismic conditions. The research was carried out by means of simulations in a
structural analysis software, in order to determine which seismic device has a better behaviour during
an earthquake. Inelastic drifts, displacements and other parameters indicated in the NEC-SE-DS-2015
were considered to evaluate the performance of the dissipators. The results of the study reveal that both
FVD and SLB devices are effective in reducing structural damage during an earthquake by keeping the
inelastic drifts within acceptable limits. However, the FVD heatsinks demonstrated a greater ability to
reduce the amplitude of displacements compared to the SLB devices.
Keywords: fluid viscous dampers, shear link bozzo, nonlinear analysis, Pushover, concentrically braced
special frames
Artículo recibido 10 agosto 2024
Aceptado para publicación: 15 agosto 2024
pág. 11775
INTRODUCCIÓN
Los sistemas de protección sísmica están diseñados para reducir los efectos destructivos de un sismo en
una estructura mediante la disipación de energía a través de mecanismos de deformación controlados,
protegiendo así la estructura de daños y colapsos. En este estudio se eligieron los dispositivos basados
en requisitos de rendimiento sísmico y características estructurales. Estos dispositivos, de diseño y
construcción simples, son herramientas valiosas para reducir la vulnerabilidad sísmica de la edificación.
Los dispositivos sísmicos Fluid Viscous Dampers (FVD), son un tipo específico de dispositivo sísmico
que utiliza fluido viscoso para disipar energía del movimiento sísmico y reducir la fuerza sísmica que
actúa en la estructura, funcionan moviendo un pistón dentro de un cilindro lleno de fluido viscoso. Cuando
la estructura se mueve durante un sismo, el pistón se desplaza dentro del cilindro, lo que genera fricción
y elevación de la temperatura del fluido como se muestra en la Figura 1. Esta fricción y elevación de la
temperatura disipan la energía del movimiento sísmico, reduciendo la amplitud de las oscilaciones de la
estructura y minimizando los posibles daños, en la actualidad los disipadores fluidos viscosos con vástago
de pistón son los más recomendados (Edwin & Ricardo, 2021).
Figura 1. Corte longitudinal de dispositivo (Taylordevices inc., 2023). 1) Pistón inoxidable. 2)Silicona
inerte. 3) Sellos.
Los dispositivos sísmicos Shear Link Bozzo (SLB), son un tipo específico de disipador de energía
diseñado para proteger las estructuras contra los efectos destructivos de los terremotos. Funcionan
mediante la deformación plástica de elementos metálicos especialmente diseñados, disipando la
energía a través de la fricción y la deformación del material, que le permite actuar como una rotula
plástica (Guilcaso Tipan et al., 2023).
El dispositivo en cuestión no transfiere carga axial al sistema, debido a su instalación mediante
conexiones almenadas como se muestra en la Figura 2, es por esta razón que se permite su
incorporación libremente en la estructura tanto en planta como en altura, además la conexión puede
pág. 11776
ser por medio de barras desacopladas a la estructura global y evitando fallos por corte o pandeo al
limitar su fuerza axial (Bozzo Fernández, 2021).
Figura 2. Dispositivo SLB de 3.a generación (Bozzo Fernández, 2021).
La investigación muestra una edificación tipo Hospital con características geométricas regulares y de
uso esencial, en acero estructural, el modelo cuenta con dos disipadores de energía sísmica FVD y
SLB, ambos con una configuración tipo Chevron, colocados en los nudos del entrepiso, entre los ejes
3-4 y C-D, desde los niveles N ± 0,00 y N + 54,00.
Por esta razón, se aplicó la filosofía de diseño descrita por la (NEC-SE-DS-2015, 2015), la cual está
basada en el desempeño, para evitar el colapso de la estructura, evaluando su eficacia en la reducción
de desplazamientos.
METODOLOGÍA
Para determinar el nivel de desempeño de la estructura, se efectuó un análisis no lineal Pushover. El
objetivo de este análisis es determinar la curva de capacidad y obtener el punto de desempeño para
los niveles de amenaza sísmica referenciados en la Norma Ecuatoriana de Construcción (Lopez
Sánchez et al., 2024). Este método consiste en aplicar una carga lateral creciente a la estructura, similar
a la fuerza sísmica, y monitorizar su respuesta en términos de desplazamientos, deformaciones y
fuerzas internas utilizando software de elementos finitos.
Para el modelo estructural presente se verificó el modelo propuesto por (Yaguana Torres et al., 2021)
el cual es un sistema SMF de doce pisos en total, a la edificación se le implanto los dos dispositivos
FVD y SLB. Esta edificación presenta una altura de 54,00 m. Se ubica en la ciudad de Quito-Ecuador,
sobre un suelo tipo “D”, su factor de reducción sísmica es R=8. Es una edificación de uso esencial
con regularidad en planta y elevación.
En la Tabla 1 se puede apreciar los demás datos del modelo de estudio, así como se puede visualizar
pág. 11777
en la Figura 3 la configuración de la edificación en planta.
Tabla 1. Características geométricas del modelo analizado.
Descripción
Edificio 12 niveles SLB/BRB
Unidad
Número de vanos
5
U
Luz de vanos
9
m
Altura entrepiso
4,5
m
Altura total
54
m
Número de pisos
12
Nivel
Área planta tipo
2025
m
2
Figura 3. Planta genérica de edificio con pórticos de acero estructural
La configuración estructural de columnas, vigas, viguetas y losas de placa colaborante son de acero
ASTM 572 Gr.50, en la Tabla 2 se resumen las propiedades de los materiales.
Se consideraron cargas permanentes para entrepiso y cubierta, en las que se consideró instalaciones
eléctricas, de saneamiento, de gas, etc. También se incluyeron cargas vivas para entre piso y cubierta,
para ello se optó por valores recomendados por la (NEC-SE-DS-2015, 2015).
Tabla 2. Propiedades asumidas de los materiales para la modelación de la estructura.
Valor
2,35 kN/cm2
25,5 kN/cm2
24,82 kN/cm2
pág. 11778
34,47 kN/cm2
23,54 kN/cm3
76,98 kN/cm3
20593,97 kN/cm2
En la Tabla 3 se detalla los valores de las cargas, se consideraron previo a un análisis detallado en
función del requerimiento de la edificación. Además, la Figura 4 (a) y (b) muestra las vistas de fachada
y 3D de la modelación estructural donde se implanto los dispositivos FVD y SLB.
Tabla 3. Carga vertical para el modelado del edificio.
Tipo de cargas
Cargas Vivas
Entrepiso (kN/m²)
3.51
Entrepiso (kN/m²)
2.9
Cubierta (kN/m²)
0.19
Cubierta (kN/m²)
0.7
Figura 4. Modelación estructural en el software ETABS v21.1.0 [8]. a) Dispositivo FVD. b)
Dispositivo SLB.
Verificación del diseño sismorresistente
La verificación sísmica se realizó mediante la (NEC-SE-DS-2015, 2015) .La norma establece
condiciones sobre modos de vibración, derivas inelásticas, desplazamientos y cortantes máximos para
garantizar que la edificación pueda resistir sismos, protegiendo a sus ocupantes y minimizando daños.
Estos parámetros también son esenciales para comparar los sistemas de disipación FVD y SLB.
pág. 11779
Problema torsional en la estructura
Debido a que la estructura se encuentra en una categoría de edificación esencial, la edificación
establecida por (Yaguana Torres et al., 2021) escogió como tipo de uso un Hospital, es por ello que se
colocó cargas adicionales, en el entrepiso y en la cubierta, estas cargas se obtuvieron de un análisis
previo dada por la norma (NEC-SE-DS-2015, 2015) una vez ubicadas las cargas necesarias para el tipo
de edificación, se realizó entonces la verificación sísmica, en donde se pudo determinar la presencia de
torsión en los modos de la estructura. La torsión puede resultar en altos esfuerzos y deformaciones en
ciertas áreas de la estructura, lo que puede comprometer su estabilidad y seguridad (Parra Yambay,
2023).
La norma ecuatoriana de la construcción indica que la torsión accidental se debe tomar en cuenta para
asegurar que las estructuras diseñadas puedan resistir estas fuerzas torsionales. En el modelo, un
aumento de cargas provocó una rotación excesiva alrededor del eje longitudinal, lo que podría causar
deformaciones no deseadas o fallos estructurales.
La edificación tiene una distribución irregular de sobrecarga muerta en el entrepiso y en la cubierta
como se observa en la Tabla 4. Dado que la edificación es regular en planta, los dispositivos sísmicos
mencionados ayudan a controlar el comportamiento causado por esta sobrecarga adicional. En las
Figuras 5 (a) y (b) se detalla la distribución de cargas.
En términos generales, los sistemas para controlar los desplazamientos y torsiones excesivas producidas
por el sismo se pueden agrupar en dos categorías (Crisafulli, 2018) como se muestra en la Figura 6. Los
sistemas pasivos se subdividen en dos grupos, el presente estudio está enfocado en los sistemas de
disipación de energía, en donde se encuentran los de tipo FVD y SLB estos funcionan como un
amortiguamiento adicional, además serán diseñados para ser colocados en estructuras arriostradas
mediante esta combinación de elementos se busca controlar los desplazamientos y distorsiones del piso.
pág. 11780
Tabla 4. Sobrecargas permanentes para Hospitales.
Sobrecarga Adicional
Tipo de Carga
Entrepisos (kN/m²)
1,08
Cubierta (kN/m²)
1,96
Figura 5. Sobrecarga permanente. a) Entrepiso N + 49,50 m. b) Cubierta N + 54,00 m.
Figura 6. Clasificación de los distintos sistemas de protección sísmica (Crisafulli, 2018).
Modelos estructurales utilizando disipadores SLB
La configuración estructural para la implementación del dispositivo sísmico dentro de la estructura se
desarrolló mediante pórticos especiales arriostrados concéntricamente (SCBF). Los pórticos con
arriostramientos concéntricos son sistemas en los que elementos diagonales proveen la resistencia
necesaria para soportar las cargas sísmicas (NEC-SE-AC, 2016).
La modelación de los disipadores SLB se realizó mediante el Manual SLB Devices (Bozzo et al., 2019)
se siguió el procedimiento iterativo directo e inverso, con la finalidad de optimizar la sección y
pág. 11781
disposición de estos dispositivos dentro de la estructura, mediante un análisis modal, posteriormente se
estableció una relación entre el cortante actuante en los links y su fuerza de inicio de plastificación, a
esto se le conoce como índice Demanda/Capacidad.
El método directo parte de una selección inicial de dispositivos basados en estimaciones preliminares,
es mediante el análisis modal que se determinó las fuerzas actuantes en los dispositivos. Después de
haber realizado los procedimientos de iteración directa, se aumentó las dimensiones del dispositivo
hasta alcanzar un índice D/C inferior a un factor objetivo típicamente de máximo 1,50 (Bozzo
Fernández, 2021).
Lo que se busca por medio de estos dispositivos es liberar energía, sirviendo entonces como rotulas
plásticas a partir de deformaciones que permite el acero estructural (Chuquimango Castillo, 2022). En
la Tabla 5 se describe el método directo para el análisis de tipo lineal, los dispositivos finalmente
seleccionados fueron ajustados para cumplir con los requisitos estructurales y de resistencia.
pág. 11782
Tabla 5. Método Directo para la selección de disipadores SLB.
Iteración inicial
Iteración Final
Control
Elevación
Link
V
Disipador SLB
Fy
SLB
Fy
V
D/C
(m)
(kN)
(kN)
(kN)
(kN)
4,50
k25
1996,81
3xSLB4 40_11
1929,18
3xSLB4 40_11
1929,18
1996,81
1,04
OK
9,00
k35
4233,12
3xSLB4 65_14
4069,56
3xSLB4 65_14
4069,56
4233,12
1,04
OK
13,50
k34
5022,27
3xSLB4 65_18
5013,36
3xSLB4 65_18
5013,36
5022,27
1,00
OK
18,00
k33
5098,37
3xSLB4 65_18
5013,36
3xSLB4 65_16
4535,89
5098,37
1,12
OK
22,50
k32
4905,30
3xSLB4 65_18
5013,36
3xSLB4 65_15
4301,30
4905,30
1,14
OK
27,00
k31
4635,91
3xSLB4 65_16
4535,89
3xSLB4 65_14
4069,56
4635,91
1,14
OK
31,50
k30
4045,53
3xSLB4 65_13
3829,72
3xSLB4 65_12
3584,18
4045,53
1,13
OK
36,00
k29
3486,85
3xSLB4 65_12
3584,18
3xSLB4 60_11
2979,23
3486,85
1,17
OK
40,50
k28
2945,27
3xSLB4 60_11
2979,23
3xSLB4 50_12
2652,23
2945,27
1,11
OK
45,00
k27
2331,73
3xSLB4 50_12
2652,23
3xSLB4 40_10
1803,94
2331,73
1,29
OK
49,50
k26
1933,54
3xSLB4 40_11
1929,18
3xSLB4 40_8
1537,45
1933,54
1,26
OK
54,00
k36
248562
SLB3 25_3
238200
SLB3 20_4
188300
248562
1,32
OK
pág. 11783
Tabla 6. Método Inverso para la selección de disipadores SLB.
Iteración Inicial
Iteración Final
Control
Elevación
(m)
Link
SLB
Fy
disipador
V2
(kN)
D/C
Control
SLB
K1
(kN/cm)
Deformación
(cm)
Kf
SLB
V2
(kN)
D/C
(kN/cm)
4,50
k25
3xSLB440_11
1929,18
1996,81
1,04
Aumentar
rigidez
3xSLB440_11
33760,58
0,06
37539,02
3xSLB440_11
2218,68
1,15
Ok
9,00
k35
3xSLB465_14
4069,56
4233,12
1,04
Aumentar
rigidez
3xSLB465_14
73138,08
0,06
80828,83
3xSLB465_15
4703,47
1,16
Ok
13,50
k34
3xSLB465_18
5013,36
5022,27
1,00
Aumentar
rigidez
3xSLB465_18
90541,10
0,06
103880,35
3xSLB465_18
5580,31
1,11
Ok
18,00
k33
3xSLB465_18
5013,36
5098,37
1,02
Aumentar
rigidez
3xSLB465_16
81994,66
0,06
92690,67
3xSLB465_18
5664,85
1,13
Ok
22,50
k32
3xSLB465_18
5013,36
4905,30
0,98
Aumentar
rigidez
3xSLB465_15
77609,57
0,06
91224,04
3xSLB465_18
6131,62
1,22
Ok
27,00
k31
3xSLB465_16
4535,89
4635,91
1,02
Aumentar
rigidez
3xSLB465_14
73138,08
0,06
82275,63
3xSLB465_16
5151,01
1,14
Ok
31,50
k30
3xSLB465_13
3829,72
4045,53
1,06
Aumentar
rigidez
3xSLB465_12
63980,11
0,06
69686,42
3xSLB465_13
4495,04
1,17
Ok
36,00
k29
3xSLB465_12
3584,18
3486,85
0,97
Aumentar
rigidez
3xSLB460_11
53053,34
0,07
62736,72
3xSLB460_11
4981,21
1,39
Ok
40,50
k28
3xSLB460_11
2979,23
2945,27
0,99
Aumentar
rigidez
3xSLB450_12
46798,12
0,06
54469,23
3xSLB460_11
3681,59
1,24
Ok
45,00
k27
3xSLB450_12
2652,23
2331,73
0,88
Aumentar
rigidez
3xSLB440_10
31318,89
0,07
40940,45
3xSLB440_11
3331,04
1,26
Ok
49,50
k26
3xSLB440_11
1929,18
1933,54
1,00
Aumentar
rigidez
3xSLB440_8
26156,65
0,07
30021,05
3xSLB440_8
2148,37
1,11
Ok
54,00
k36
SLB3 25_3
238,20
248,56
1,04
Aumentar
rigidez
SLB320_4
3105,53
0,08
3424,13
SLB3 20_4
276,18
1,16
Ok
pág. 11784
El método inverso es un proceso alternativo al método directo para el diseño de dispositivos SLB, este
proceso de interacción inverso tuvo como propósito buscar y fijar el valor de la fuerza de corte en el
disipador, por lo tanto, la iteración consistió en reducir el tamaño del disipador en el modelo numérico,
con esta finalidad se logró calibrar la fuerza de corte transferida (Bozzo et al., 2019).
Este método fija la fuerza máxima que los disipadores pueden transferir a las uniones, se seleccionó un
dispositivo grande, después se redujo el tamaño de los dispositivos iterativamente hasta cumplir con la
fuerza de corte transferida. En la Tabla 6 se muestra el procedimiento del método en cuestión, además
se puede observar que el índice D/C trabaja con una ratio de 1,10 a 1,50 de su fuerza de fluencia, ya
que es lo óptimo según el manual de diseño SLB Devices (Bozzo et al., 2019) para no sobredimensionar
el sistema de protección sísmica.
Guilcaso et al (Guilcaso Tipan et al., 2023) indicó la Ecuación (1) para calcular la rigidez ficticia
𝑲𝒇 = 𝟏. 𝟏𝟓
𝑭𝒚
𝒅𝒆𝒇𝒅𝒊𝒔𝒑
(1)
Donde:
Kf: rigidez ficticia.
Fy: fuerza de fluencia del dispositivo.
defdisp: desplazamiento del dispositivo.
Por lo tanto, mediante esta expresión se cumple las condiciones mencionadas del índice D/C y se
garantiza dispositivos optimizados en tamaño y se evita diseños excesivamente robustos.
Modelos estructurales utilizando disipadores FVD
Al ser un dispositivo sísmico de tipo pasivo estos también pueden combinarse con los pórticos SCBF
para mejorar aún más el desempeño sísmico de una estructura. Es importante seleccionar los
dispositivos FVD adecuados para cada tipo de estructura y así disminuir el nivel de riesgo sísmico.
Los dispositivos fluido viscosos dependen de la velocidad, por ello es necesario controlar su respuesta
dinámica, es por eso que se considera la rigidez del sistema con un valor bastante alto y se modela el
brazo metálico, esto debido a que la rigidez del disipador es menor que la del brazo metálico (Caballero
Costa, 2021).
pág. 11785
Sin embargo, los diseñadores han tenido que estimar los parámetros del disipador dentro de la
estructura, mediante la determinación del amortiguamiento que se necesitara en la edificación, así este
enfoque nos permite producir un diseño optimo (Pettinga et al., 2013).
Con el fin de realizar el análisis sísmico adecuado del disipador FVD, se utilizó las derivas máximas de
piso extraídos del software ETABS [8] los cuales fueron de 0.00597 sentido X-X y de 0.010186 en el
sentido Y-Y. Así como la identificación de la deriva objetiva que se puede observar en la Tabla 7, que
fue de 0.010 según la normativa técnica E.030. (NTP E.030, 2016) debido a que se modelo una
estructura regular de acero.
Tabla 7. Límites para la distorsión del entrepiso (NTP E.030, 2016).
Límites para la distorsión del entrepiso
Material Predominante
(∆
i
/ h
ei
)
Concreto Armado
0,007
Acero
0,010
Albañilería
0,005
Madera
0,010
Concreto armado con muros de ductilidad limitada
0,005
Mediante los valores antes mencionados, se calculó la reducción por amortiguamiento con la Ecuación
(2) en los dos sentidos.
𝑩
𝒙,𝒚
=
𝜹𝒎𝒂𝒙
𝒙,𝒚
𝜹𝒐𝒃𝒋
(2)
Donde:
Bx,y: reducción por amortiguamiento en sentido X-X y Y-Y.
δmaxx,y: derivas máximas en sentido X-X y Y-Y.
δobj: deriva objetiva.
En el sentido X-X se obtuvo un resultado de 0,60 y en el sentido Y-Y un resultado de 1,02 con estos
valores se pudo determinar el amortiguamiento que necesita la estructura, a continuación, se utilizó la
normativa americana de la construcción (ASCE 7-22, 2022) en la Tabla 8 se puede observar los valores
del coeficiente de amortiguamiento con más detalle. Así se obtuvo un amortiguamiento de diseño de 2
% en el sentido X-X y 10 % en el sentido Y-Y.
pág. 11786
Tabla 8. Coeficiente de amortiguamiento
Effective Damping, β
(percentage of critical)
B
V+I
, B
1D
, B
1E
, B
R
, B
1M
, B
mD
, B
mM
(Where Period of the Structure ≥ T
0
)
≤2
0,8
5
1,0
10
1,2
20
1,5
30
1,8
40
2,1
50
2,4
60
2,7
70
3,0
80
3,3
90
3,6
≥100
4,0
BV+I, B1D, B1E, BR, B1M, BmD, BmM (Periodo de las estructuras ≥ T0) (ASCE 7-22, 2022).
Al obtener el porcentaje de amortiguamientos de diseño, se procedió a realizar el predimensionamiento
de los dispositivos FVD, mediante los cálculos pertinentes. Para el sistema de disipación lineal, se
consideró una estructura de un solo grado de libertad, equipado con un amortiguador viscoso lineal bajo
una historia de desplazamiento sinusoidal impuesta. Con el fin de convertirlo en un sistema no lineal,
se ocupó un factor de amortiguamiento α=0,4 que nos ofrece la normativa vigente (FEMA-356, 2000)
ya que este se desprende de un sistema SDOF (Grado Único de Libertad) con un amortiguador viscoso
no lineal bajo movimientos sinusoidales (Hwang, 2002).
Obteniendo un valor de fuerza de amortiguamiento de diseño 26,22 tf*(s/m)α en el sentido X-X y de
95,33 tf*(s/m)α en el sentido Y-Y, cómo se puede observar en las Tablas 9 y 10 respectivamente, para
cada nivel de la edificación.
pág. 11787
Tabla 9. Diseño de coeficientes de amortiguamiento para el disipador FVD en sentido XX.
Nivel
mi
ϕi
ϕi normal
ϕrj
θj (°)
f=cosθj
miϕi
miϕi²
C'=Cj/C
CLj
Cj f²
ϕrj²
CNLj
λCj f(1+α)
ϕrj(1+α)
tf*s2/m
tf*s/m
tf*(s/m)
α
1
199,88
0,000001
0,08
0,08
45
1,00
15,376
1,183
1,00
125,13
0,74
26,22
2,53
2
199,88
0,000001
0,08
0,00
45
1,00
15,376
1,183
1,00
125,13
0,00
26,22
0,00
3
199,88
0,000002
0,15
0,08
45
1,00
30,751
4,731
1,00
125,13
0,74
26,22
2,53
4
199,88
0,000004
0,31
0,15
45
1,00
61,502
18,92
1,00
125,13
2,96
26,22
6,68
5
186,55
0,000005
0,38
0,08
45
1,00
71,752
27,60
1,00
125,13
0,74
26,22
2,53
6
173,37
0,000007
0,54
0,15
45
1,00
93,353
50,27
1,00
125,13
2,96
26,22
6,68
7
173,37
0,000008
0,62
0,08
45
1,00
10,669
65,65
1,00
125,13
0,74
26,22
2,53
8
173,37
0,000010
0,77
0,15
45
1,00
133,36
102,59
1,00
125,13
2,96
26,22
6,68
9
173,37
0,000011
0,85
0,08
45
1,00
146,70
124,13
1,00
125,13
0,74
26,22
2,53
10
173,37
0,000012
0,92
0,08
45
1,00
160,03
147,72
1,00
125,13
0,74
26,22
2,53
11
171,98
0,000012
0,92
0,00
45
1,00
158,75
146,54
1,00
125,13
0,00
26,22
0,00
12
84780
0,000013
1,00
0,08
45
1,00
84,782
84,780
1,00
125,13
0,74
26,22
2,53
∑
1078,43
775,30
14,07
37,74
pág. 11788
Tabla 10. Diseño de coeficientes de amortiguamiento para el disipador FVD en sentido YY.
Nivel
mi
ϕi
ϕi normal
ϕrj
θj (°)
f=cosθj
miϕi
miϕi²
C'=Cj/C
CLj
Cj f²
ϕrj²
CNLj
λCj f(1+α)
ϕrj(1+α)
tf*s2/m
tf*s/m
tf*(s/m)
α
1
199,88
0,000031
0,03
0,03
45
1,00
5,220
0,136
1,00
398,17
0,27
95,33
2,028
2
199,88
0,000109
0,09
0,07
45
1,00
18,355
1685
1,00
398,17
1,72
95,33
7,380
3
199,88
0,000215
0,18
0,09
45
1,00
36,204
6558
1,00
398,17
3,18
95,33
11,34
4
199,88
0,000339
0,29
0,10
45
1,00
57,085
16,30
1,00
398,17
4,35
95,33
14,12
5
186,55
0,000470
0,40
0,11
45
1,00
73,867
29,25
1,00
398,17
4,85
95,33
15,25
6
173,37
0,000606
0,51
0,11
45
1,00
88,510
45,19
1,00
398,17
5,23
95,33
16,07
7
173,37
0,000736
0,62
0,11
45
1,00
107,50
66,65
1,00
398,17
4,78
95,33
15,09
8
173,37
0,000854
0,72
0,10
45
1,00
124,73
89,74
1,00
398,17
3,93
95,33
13,17
9
173,37
0,000957
0,81
0,09
45
1,00
139,78
112,69
1,00
398,17
3,00
95,33
10,89
10
173,37
0,001043
0,88
0,07
45
1,00
152,34
133,86
1,00
398,17
2,09
95,33
8,460
11
171,98
0,001118
0,94
0,06
45
1,00
161,99
152,57
1,00
398,17
1,59
95,33
6,980
12
84780
0,001187
1,00
0,06
45
1,00
84,782
84,78
1,00
398,17
1,35
95,33
6,215
∑
1050,36
739,41
36,32
126,99
pág. 11789
Con los coeficientes determinados, mediante un análisis del amortiguamiento que se necesitaba bajo las
características específicas de esta estructura, se puedo considerar que los disipadores FVD
implementados, no se encontraron sobredimensionados y que cumplieron con su propósito de disipar
la energía sísmica óptimamente.
Los elementos que conectan el disipador térmico pueden influir en la respuesta del amortiguador. Por
tanto, en lugar de modelar el disipador y las riostras por separado, deben considerarse un único elemento
de unión, como se muestra en la figura 7, donde puede observarse la interacción entre ambos
componentes.
Figura 7. Modelo de amortiguador en serie con una abrazadera extensible (Taylor Device Inc, 2020).
La ubicación óptima del dispositivo resulto de la verificación del lugar con más necesidad de
reforzamiento, donde se siguió las recomendaciones de (Şigaher & Constantinou, 2003) llegando a
determinar una configuración tipo chevron, como se puede observar en la Figura 8, donde se muestra
la disposición del dispositivo FVD tipo Taylor.
Figura 8. Amortiguadores viscosos con tirantes expansibles (Taylor Device Inc, 2020).
Análisis estático no lineal (Pushover)
El análisis estático No-lineal es una herramienta utilizada para identificar las vulnerabilidades de una
edificación durante un sismo. Este método consiste en aplicar una carga creciente de forma monotónica
hasta obtener una curva de capacidad de carga, que relaciona el cortante basal con el desplazamiento
en el nivel superior de la edificación (González González, Ricardo Manuel Pájaro Cudris, 2015).
pág. 11790
Para la determinar la curva de capacidad de una estructura, se optó por la guía (ASCE/SEI-41-13, 2007)
y por la guía (FEMA-356, 2000), las guías detallan el procedimiento de análisis Pushover. La estructura
previamente diseñada se somete a un patrón de carga lateral que simula la distribución de las fuerzas
sísmicas. Esta carga se incrementa de forma controlada hasta que se alcanza un estado límite de
comportamiento, como la formación de rótulas plásticas. A partir de ahí, se obtiene un límite de
desempeño mediante una curva bilineal, que permite estimar la demanda de desplazamiento. La curva
de capacidad, que relaciona la fuerza cortante total de la base con el desplazamiento superior de la
estructura, se muestra en la figura 9.
La curva de capacidad muestra la capacidad de la estructura para resistir cargas laterales y proporciona
información sobre la ductilidad y la resistencia. El punto de rendimiento es la intersección entre la curva
de capacidad y el espectro de demanda ajustado, e indica el desplazamiento y la fuerza que la estructura
puede soportar durante un sismo. Se utilizó la metodología Pushover debido a su conveniencia para
identificar mecanismos de falla, su versatilidad con diferentes materiales estructurales, y su capacidad
para detectar grietas y la formación de rotulas plásticas.
Figura 9. Representación bilineal de la curva de capacidad (Medina & Music, 2018).
Existen diversos métodos de investigación, como los niveles de desempeño descritos en la norma Visión
2000 (SEAOC, 2019), que proponen un diseño sísmico basado en el desempeño. A continuación, se
presenta una matriz conceptual para comprender los objetivos de desempeño de estructuras de uso
esencial, estándar y crítico. La figura 10 ilustra la matriz que especifica los niveles de desempeño
sísmico. Estos niveles son esenciales para priorizar estudios de vulnerabilidad y riesgo sísmico en
edificaciones de uso esencial. Este enfoque permite una toma de decisiones informada sobre la gestión
del riesgo sísmico, minimizando el impacto en la infraestructura.
pág. 11791
Para interpretar el nivel de desempeño, se utiliza la curva de capacidad, que relaciona el cortante en la
base con el desplazamiento en la parte superior de la estructura.
(Cagua-Gómez et al., 2022) explica que la aplicación de cargas laterales en cada piso considera 100 %
de la fuerza horizontal del piso en el sentido de análisis y 30 % en el sentido ortogonal. Así, los niveles
de desempeño de la estructura se pueden asociar a desplazamientos laterales en la edificación, como se
muestra en la Figura 11.
Figura 10. Objetivos de diseño sísmico basados en desempeño (Safina Melone, 2003).
Figura 11. Niveles de desempeño en función del desplazamiento en el tope (Cagua-Gómez et al., 2022).
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Con el objetivo de examinar el comportamiento estructural de los dispositivos FVD y SLB en el modelo
de estructuras propuesto, se han realizado los siguientes análisis fundamentales de acuerdo con las
normativas (NEC-SE-DS-2015, 2015), (FEMA-273, 2000) y (FEMA-356, 2000).
Periodos de vibración
El análisis determinó los periodos de vibración mediante métodos estáticos y modales espectrales. Los
resultados del modelo para los disipadores sísmicos FVD y SLB se presentan en la tabla 11.
pág. 11792
Para el parámetro del período de vibración, la (NEC-SE-DS-2015, 2015) establece que no debe ser
excedido el 30 % en el modal 1 y 2 para el valor calculado mediante el método 1. Se puede observar
que este criterio se satisface a través de los datos obtenidos.
Tabla 11. Periodos de vibración disipadores (FVD-SLB).
Disipadores
Modo
Periodo (s)
UX
UY
Edificios 12 niveles
(FVD)
1
1,620
0,707
0,000
2
1,466
0,000
0,719
3
1,094
0,001
0,000
Edificios 12 niveles
(SLB)
1
1,620
0,698
0,000
2
1,473
0,000
0,723
3
1,149
0,002
0,000
El uso de estos dispositivos para disipar la energía sísmica ha mostrado resultados significativos en los
periodos observados. En el modelo estructural, los periodos del modo 1 son similares tanto con
disipadores SLB como FVD. Sin embargo, los dispositivos FVD han reducido los periodos de los modos
2 y 3 en un 0,48% y un 4,79%, respectivamente (de 1,473 a 1,466 en el modo 2 y de 1,149 a 1,094 en
el modo 3). Además, ambos tipos de disipadores han provocado alteraciones notables en los modos de
vibración, transformando la rotación en el modo 2 en movimiento de traslación, lo que garantiza el
cumplimiento de los periodos exigidos por la normativa.
Derivas inelásticas
Las derivas inelásticas son deformaciones permanentes que sufre una estructura durante un terremoto y
que no pueden recuperarse. Estas deformaciones son clave para evaluar la capacidad de la estructura
para disipar la energía sísmica. Según (NEC-SE-DS-2015, 2015) las derivas máximas no deben superar
el 2 % de la altura del edificio.
La figura 12 y la tabla 12 muestran las derivas inelásticas obtenidas a partir del análisis. Se observa una
reducción del 1,75 % en la dirección X-X con el dispositivo sísmico FVD, mientras que en la dirección
Y-Y la reducción alcanza el 12,83 %. Esto muestra una notable eficacia del dispositivo FVD en
comparación con el otro dispositivo sísmico.
pág. 11793
Figura 12. Derivas inelásticas FVD – SLB.
Tabla 12. Comparativa FVD y SLB.
Deriva Inelástica Máxima
EJE
FVD
SLB
% REDUCCION
X
0,018
0,019
1750
Y
0,013
0,015
12,82
Los datos obtenidos muestran que el disipador sísmico FVD controla mejor las derivas del suelo,
evitando desplazamientos excesivos en la estructura. En comparación con el dispositivo SLB, el FVD
demuestra una optimización durante un evento sísmico y cumple las normas establecidas.
Desplazamientos máximos
Mediante el software Etabs, se calculó los desplazamientos máximos, que representan la respuesta
esperada de la estructura frente a un evento sísmico. Estos resultados se presentan en la Figura 13 y con
mayor detalle en la Tabla 13, para ambas direcciones, los cuales son primordiales para el estudio de la
seguridad, funcionalidad y comportamiento dinámico de la estructura (Gallegos Díaz Pablo Fernando,
2022).
Figura 13. Desplazamientos máximos de piso SLB-FVD.
pág. 11794
Tabla 13. Comparación FVD y SLB.
Desplazamientos Máximos
EJE
FVD (m)
SLB (m)
% REDUCCION
X
0,124
0,125
1,50
Y
0,102
0,102
0,23
Los desplazamientos obtenidos son casi iguales en los ejes X-X e Y-Y, con una disminución de sólo el
1,5%. Esto indica que ambos dispositivos son igualmente eficaces en el control de los desplazamientos,
con una eficacia ligeramente superior en el disipador FVD. Ambos dispositivos cumplen los parámetros
establecidos en las normas vigentes.
Cortantes máximos
El cortante basal es un parámetro que amplifica la aceleración de la estructura en cada piso en relación
con la aceleración del suelo, provocada por la acción sísmica en el nivel basal de la edificación, por lo
cual es fundamental su análisis con los distintos disipadores y ver su incidencia en la edificación
(Proaño-Narváez, 2023).
Mediante el análisis realizado en el modelo estructural se pudo obtener los cortantes basales máximos
en la base de la estructura, los cuales se pueden observar en la Figura 14 y con mayor detalle le Tabla
14, en la dirección X-X, así como en la dirección Y-Y, los cuales se presentan a continuación para su
evaluación.
Figura 14. Cortantes máximos de piso SLB-FVD.
pág. 11795
Tabla 14. Comparación FVD y SLB.
Fuerza Cortante (T)
EJE
FVD
SLB
% INCREMENTA
X
2106252
2094572
0,56
Y
2127975
2106393
1,02
Los resultados muestran un aumento mínimo del 0,56 % en la dirección X-X y del 1,02 % en la dirección
Y-Y con el uso del dispositivo FVD, lo que indica un rendimiento similar entre los dos dispositivos.
Esto permite un cumplimiento significativo de los parámetros de reducción del cizallamiento basal.
Análisis no lineal Pushover
El análisis no lineal estático (Pushover), permite evaluar el desempeño sísmico de una estructura
mediante la obtención de la curva de capacidad sísmica, que relaciona el cortante basal con el
desplazamiento lateral de la edificación. Sumado a esto, identifica las secciones que ingresan al rango
no lineal. Esta información es esencial para el análisis de los disipadores, ya que permite verificar si el
desempeño es el esperado (Aguiar et al., 2020).
Con el fin de generar la curva de capacidad correspondiente para cada caso se utilizó la normativa
(FEMA-273, 2000), con la cual se pudo interpretar los resultados obtenidos.
Durante la evaluación del modelo estructural, se obtuvieron los siguientes resultados, que se muestran
en la Figura 15 y con mayor detalle en la Tabla 15 de las fuerzas alcanzadas en la estructura en el sentido
X-X y Y-Y. Estos resultados indican una tendencia similar en ambos dispositivos, con una ligera
disminución en la capacidad del dispositivo FVD.
Figura 15. Fuerza vs desplazamiento SLB-FVD.
pág. 11796
Tabla 15. Fuerzas alcanzadas en la curva demanda capacidad.
Fuerzas (T)
X-X
Y-Y
Disipador SLB
15911,71
10801,38
Disipador FVD
15393,93
8384,31
Los resultados indican que los disipadores FVD y SLB presentan fallos en los elementos con valores
muy similares, y los daños en el edificio se consideran reversibles. Ambos dispositivos muestran una
capacidad similar para resistir cargas sísmicas, como demuestran los valores registrados en ambas
direcciones (X-X e Y-Y).
Punto de desempeño
A través del método no lineal Pushover, se estableció el punto de desempeño, de los dispositivos
sísmicos FVD y SLB en los sentidos X-X y Y-Y, el cual se muestra en la Tabla 16, mediante la
generación de la curva de capacidad estructural de la edificación, para determinar su nivel de desempeño
global (Duarte et al., 2017).
La finalidad de este análisis fue observar el desplazamiento máximo a la que es sometida la estructura
bajo una demanda sísmica (Torres & Matango, 2017). Esto se puede apreciar en las Figuras 16 (a) y (b)
para los sentidos X-X y Y-Y, para el dispositivo SLB, Del mismo modo en las Figuras 17 (a) y (b) del
dispositivo FVD en sentido X-X y Y-Y, respectivamente. Que se llevaron a cabo siguiendo la normativa
vigente, específicamente la (FEMA-273, 2000), asegurando que los procedimientos y análisis cumplan
el desempeño sísmico.
Tabla 16. Niveles de Desempeño.
Disip.
Pushover
Sentido
Punto de Desempeño
Nivel de
Desempeño
V (Ton)
D (cm)
Edificio 12 N.
SLB
X
6582,55
48,10
Funcional
Y
6455,96
55,04
Funcional
FVD
X
5952,15
57,67
Funcional
Y
4301,98
61,83
Funcional
pág. 11797
Figura 16. Punto de desempeño del dispositivo SLB. a) Sentido X-X. b) Sentido Y-Y.
Figura 17. Punto de desempeño del dispositivo FVD. a) Sentido X-X. b) Sentido Y-Y.
Se observó que los modelos estructurales se comportaron adecuadamente en un evento sísmico. Los
dos dispositivos analizados demostraron ser eficaces en la disipación de la energía sísmica. En la curva
de comportamiento Pushover, ambos dispositivos mantuvieron los desplazamientos dentro de límites
aceptables, estando situados en la zona funcional. Esto sugiere que ambos disipadores sísmicos son
eficaces para garantizar la seguridad del edificio, manteniendo su integridad y funcionalidad durante y
después de un terremoto.
CONCLUSIONES
El estudio comparativo de disipadores sísmicos tipo FVD y SLB en estructuras metálicas regulares para
esta investigación, ha revelado importantes hallazgos en el campo de la ingeniería sísmica. Ambos
dispositivos han demostrado ser efectivos para reducir el daño estructural durante eventos sísmicos,
cumpliendo con el objetivo fundamental de preservar la integridad de las edificaciones.
pág. 11798
Los resultados obtenidos indican que tanto los FVD como los SLB son capaces de mantener las derivas
inelásticas y los cortantes máximos dentro de límites aceptables, lo que es esencial para asegurar la
funcionalidad y estabilidad de las estructuras durante un sismo.
Sin embargo, al analizar con mayor detalle el comportamiento de los desplazamientos estructurales, se
ha observado que los FVD presentan una ventaja mínima sobre los SLB en términos de reducción de
desplazamientos. Esta diferencia, aunque sutil, sugiere que los FVD pueden ser más eficientes en
situaciones donde la minimización del desplazamiento es un factor crítico, lo cual podría ser
determinante en el diseño de edificaciones situadas en zonas de alta sismicidad.
Por consiguiente, la selección entre FVD y SLB no debe basarse únicamente en su capacidad general
de disipación de energía, sino también en las características específicas de la estructura y los objetivos
de mitigación sísmica establecidos para el proyecto. Factores como la naturaleza del terreno, la
configuración estructural y el nivel de protección deseado deben influir en esta decisión. En
consecuencia, la integración de disipadores sísmicos, ya sean FVD o SLB, en el diseño estructural es
una estrategia sólida que contribuye significativamente a mejorar la resistencia y seguridad de las
edificaciones frente a los inevitables eventos sísmicos.
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