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ANANÁÁLISIS Y LISIS Y DISEDISEÑÑO DE UNA MESA O DE UNA MESA VIBRATORIA UNIAXIAL DE 5 X 5 METROS VIBRATORIA UNIAXIAL DE 5 X 5 METROS
CON CAPACIDAD DE 25 TONELADASCON CAPACIDAD DE 25 TONELADAS
Octubre 2007
Expositor: Ing. Juan Álvarez Reyes
Ph. D Francisco Yeomans ReynaM.C. Carlos Enrique Nungaray PérezM.C. Delma V. Almada Navarro
San Miguel de Allende, Gto.
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CONTENIDO
IntroducciónObjetivoDescripciónConsideraciones de diseñoDescripción del sistemaConsideraciones del modelo para análisis.
Etapa IEtapa IIEtapa III
ConclusionesAgradecimientosReferencias
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A lo largo de la historia, grandes catástrofes originadas por fenómenos naturales como sismos, inundaciones y erupciones volcánicas, entre otras, han ocasionado pérdidas incalculables de vidas y han generado pérdidas millonarias en la infraestructura básica de los países.
INTRODUCCIÓN
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México es un país de fuerte actividad sísmica, como lo demuestran los sismos de la ciudad de México de 1985, en el cual murieron más de 9,500 personas, y el de Oaxaca, en 1999, en el cual murieron 20 personas.
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Debido a lo anterior es de gran importancia la implementación de técnicas y sistemas que permitan conocer de una manera precisa el comportamiento en estructuras principalmente en sistemas de vivienda y en edificios de gran altura.
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OBJETIVO.
Diseño y análisis de un simulador de aceleraciones sísmicas (shake table) para modelos a escala de diferentes geometrías y materiales de construcción para conocer el grado de daño estructural.
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MESA VIBRATORIA (SHAKE TABLE)
Dispositivo mecánico que permite la generación de movimientos sísmicos sobre modelos estructurales.
Desplazamientos sobre los ejes X, Y y Z y tres rotaciones sobre cada uno de los ejes
El sistema es formado por:
Estructura metálicaGuías LinealesActuadorSistema HidráulicoDispositivos computacionales (Equipos y paquetes)
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Vivienda de Adobe en mesa vibratoria.ITESM Departamento de Ingeniería Civil, Febrero 2002.
APLICACIONES
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APLICACIONES
Modelo Casa-habitaciónUniversidad de California en San Diego, 11 Julio 2000.
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CONSIDERACIONES DE DISEÑO
El diseño de la mesa vibratoria debe cumplir con ciertos requisitos para poder simular adecuadamente el fenómeno sísmico.
Dirección del movimiento.
Desplazamiento máximo.
Fuerza dinámica máxima.
Área de la superficie.
Peso de los modelos.
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DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA
Es indispensable que la forma de estructuración de la mesa vibratoria proporcione:
ESTRUCTURA METÁLICA
a) Configuración
Alta rigidez para soportar las cargas verticales y horizontales actuantes
Frecuencia natural fundamental elevada
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La mesa vibratoria presenta una configuración de los elementos de forma rectangular lo que permite:
Mayor rigidez al momento de aplicar las cargas horizontales.Disminuir la deflexión de la placa principal
b) Geometría
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Aspectos para elección:
• Ligereza • Resistencia a la flexión• Resistencia a la fatiga• Disponibilidad en el mercado
Tabla de materiales
c) Materiales
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GUÍAS LINEALES
Las guías lineales son dispositivos mecánicos que proporcionan el libre movimiento de la estructura metálica en una dirección.
Características:
Desplazamiento en una dirección
Bajo coeficiente de fricción
Estabilidad al movimiento
Alta resistencia a cargas de compresión y tensión.
Esta formada por la chumacera (parte superior) y el riel (parte inferior).
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UBICACIÓN DE GUÍAS LINEALES.
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ACTUADOR HIDRAÚLICO
Los actuadores son sistemas hidráulicos que generan un desplazamiento o rotación mediante una fuerza aplicada al modelo de prueba, de forma lineal o rotacional.
Características:
Genera movimiento en una dirección
Capacidad máxima 250 kN
Desplazamiento máximo 250 mm(± 125 mm)
Bajo coeficiente de fricción.
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MODELO
Modelo de Mesa Vibratoria
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CONSIDERACIONES DEL MODELO MEDIANTE EL ANALISIS POR ELEMENTOS FINITOS
El modelo es elaborado mediante un paquete de dibujo de ingeniería y exportado como formato SAT al ANSYS versión 11.
Dimensiones y volumetrías de los elementos.
Modelación a base de sólidos
Separaciones adecuadas para definir el tipo de contacto
MODELACIÓN
Consideraciones:
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SIMULACIÓN
Para la simulación del sistema se consideran tres etapas:
Simulación de guías lineales
La simulación es realizada mediante un análisis dinámico flexible (Flexible Structural Analysis)
• Conexión (Connections - Frictional).
ETAPA I
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• Mallado del modelo (Mesh).
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• Condiciones de Análisis (Analysis Settings)
• Peso propio (Standard Earth Gravity).
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• Apoyo friccionante (frictionless support).
• Condiciones iniciales de apoyo (Fixed Support).
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• Condiciones de Movimiento (Displacement).
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• Deformaciones Totales (Total Deformation).
RESULTADOS
• Esfuerzos Equivalentes(Equivalent Stress).
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• Deformaciones Totales (Total Deformation).
Simulación
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• Esfuerzos Equivalentes(Equivalent Stress).
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Simulación de la Mesa Vibratoria
Es importante mencionar que al exportar el modelo no se consideraron:
• Actuador• Base de soporte• Barras de fijación• Ángulos sobre la placa principal
ETAPA II
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• Mallado del modelo (Mesh).
• Condiciones de Movimiento (Displacement).
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• Conexión (Connections - Frictional).
• Apoyo friccionante (frictionless support).
• Condiciones iniciales de apoyo.
• Condiciones de Análisis (Analysis Settings).
• Peso propio (Standard Earth Gravity).
Los siguientes aspectos se aplicaron de manera similar a la Etapa I.
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• Deformaciones Totales (Total Deformation).
RESULTADOS
• Esfuerzos Equivalentes(Equivalent Stress).
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• Análisis Modal (Modal Analysis).
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Simulación de Vivienda
ETAPA III
Características de los materiales
Malla Electro soldada 66-66 F’y = 5,000 kg/cm2
Concretof’c = 200 kg/cm2
Mezcla cemento-agua-arena:: 1:2:3Mortero Estructural LigeroResistencia a la tensión 20 kg/cm2
Resistencia a la compresión 150 kg/cm2
Varilla #3Diámetro: 3/8”fy = 4,200 kg/cm2
Alambron #2 f’y = 2,800 kg/cm2
ArmexF’y = 5,000 kg/cm2
Diámetro: 3/8”
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Proceso constructivo
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Vivienda
Modelos
ViviendaMesa Vibratoria
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• Deformaciones Totales (Total Deformation).
RESULTADOS
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• Esfuerzos Equivalentes(Equivalent Stress).
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• Esfuerzos Normales (Normal Stress).
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RESULTADOS
• Reacciones en los apoyos
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CONCLUSIONES
Al colocar el modelo sobre la mesa vibratoria se tiene un efecto de volteo, presentándose sobre la superficie fuerzas de compresión y de tensión.
Es necesario tomar en cuentas estos resultados para el diseño y selección de los accesorios de rodamiento, además de definir el tipo y forma de fijación de los elementos barra (perfiles W).
Mediante los resultados del análisis se pudo evaluar los niveles de esfuerzos y desplazamientos máximos para las condiciones de carga preestablecidas y se comprobó que no afectan el comportamiento de las vigas de acero.
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AGRADECIMIENTOS
La presente investigación fue desarrollada con el apoyo del Centro de Diseño y Construcción del Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey y del CONACYT/CONAFOVI. El proyecto fue patrocinado por el ITESM vía el programa CONA 34 y a través de la Cátedra de Desarrollo e Innovación de Procesos y Tecnologías de Vivienda.
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Danaher Motion, “Linear Ball Bushing Bearings and Components, 2003-2004 edition”, Wood. Dale,Illinois.
Nagarajaiah, S., Gozdowski, E., “Unidirectional Shaking Table for Testing Small Scale Structural Models: Design and Development”. Engineering Mechanics: A Force for the 21st Century, Proceedings of the 12th Engineering Mechanics Conference, pp. 779-782, May, 1998
La Jolla, C.A “Proceedings of the 1998 Engineering Mechanics Conference”, ASC. May 17-20, 1998.
http://soil.princeton.edu/~igor/shaker.html
Thompson, W., “Concept of an Earthquake-Proof Hut for Mexico (and Other Countries).” Renewable Energy, Vol. 6., No. 8., pp. 977-981, 1995.
Harris, H. y Sabnis, G. (1999). “Structural Modeling and Experimental Techniques”, Segunda Edición, CRC Press, United States, Marzo, 1999 (808 pp).
REFERENCIAS
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GRACIAS !!GRACIAS !!