capitulo 1

MESAS SISMICAS UNIDIRECCIONALES SERVO ACTUADASDesde que el hombre nace siente la necesidad de dar una explicacin lgica a cada suceso que ocurre a su alrededor. Los acontecimientos naturales son uno de esos hechos que ms llama la atencin del hombre porque l se ve directamente involucrado y lo preocupa an ms si lo que sucede es en contra de su beneficio. Los sismos o terremotos es uno de los fenmenos naturales que ms inquieta al hombre por su alto poder destructivo, es por esta razn que nace la necesidad de estudiar estos movimientos telricos descontrolados. Hoy en da el alto nivel tecnolgico brinda la oportunidad de simular terremotos de manera controlada, y as, obtener informacin detallada de estructuras sometidas a vibracin en una mesa ssmica servoactuada. Cada desarrollo tecnolgico enfrenta a los investigadores a nuevos retos cada da, y es de esta manera que se construye y fortalece el conocimiento acerca de cada fenmeno. Con cada reto superado crece a posibilidad de evitar estos efectos naturales indeseados y devastadores que repercuten en daos materiales, econmicos y sociales en la humanidad.El alcance destructivo de los sismos registrados y documentados hasta hoy, han impulsado a cientficos, empresas privadas, entidades estatales y Universidades a crear instituciones de investigacin tanto como para el monitoreo de movimientos telricos para la prevencin de desastres, como para la reproduccin y estudio de terremotos controlados que contribuirn a una mejora tecnolgica de la forma en que hoy se realizan grandes estructuras y construcciones civiles. Finalmente lo que se busca es prevenir y entender este fenmeno natural al que tanto se le teme.La mesa ssmica es la herramienta utilizada para simular movimientos ssmicos o randmicos, y estudiar sus efectos en estructuras y maquinaria, arrojando rpidamente resultados en lo que concierne a posibles fallas y las formas en cmo estas afectaran a la estructura en general o a la maquinaria.En el campo de la dinmica estructural, la mesa ssmica es una de las opciones ms viables debido a su relativo bajo costo de fabricacin y mantenimiento, adems los costos de operacin que presenta esta mquina son mnimos.

Esquema de una mesa ssmica unidireccional. Fuente: documento Development of the uprm earthquake simulator facility for dynamic model analysisEn la figura (XXXXXXX), se muestra una mesa ssmica unidireccional de acero cimentada sobre una gruesa placa de concreto, dicha mesa es actuada por un complejo sistema hidrulico, mecnico o magntico y controlada por medio de un ordenador para reproducir fielmente un movimiento telrico. Las caractersticas tcnicas de un simulador ssmico son: nmeros de grados de libertad, rea de carga, carga mxima, desplazamiento, velocidad, aceleracin y frecuencia, como se evidencia en la siguiente figura que denotara algunas de las mesas ssmicas existentes hasta el ao de 1993.

Algunas de las mesas ssmicas a nivel mundial hasta 1993. Fuente: document Operation and control of a seismic simulator CANADA, the University of British Columbia. 1993.Los alcances investigativos que brinda una mesa ssmica son: Inestabilidad dinmica. Torsin y efectos de volcadura. Efectos de carga. Efectos de masa e irregularidades en la rigidez. Mecanismos de falla por fisura. Caracterizacin de respuestas dinmicas bajo excitacin real y controlada.

SISMO, TEMBLOR O TERREMOTO:Se le denomina sismo a un movimiento vibratorio de las placas tectnicas de la tierra, movimiento violento y descontrolado provocado por perturbaciones endgenas que liberan gran cantidad de energa la cual se propaga a travs de la corteza terrestre. En un terremoto se encuentra la presencia de tres tipos de onda:

Tipos de ondas ssmicas. Fuente: Presentacin Los sismos. http://slideplayer.es/slide/304134/ONDAS P:Ondas que se propagan longitudinalmente a gran profundidad, y que provocan compresin y dilatacin de la tierra en la misma direccin del movimiento de la onda. Este tipo de ondas pueden viajan a travs de cualquier tipo de medio, con la caracterstica de que lo hacen a altas velocidades. ONDAS S:Ondas que tienen un desplazamiento transversal a la direccin en la que se propagan. Presentan una reduccin considerable en cuanto a la velocidad si se le son comparadas con las ondas p, pero aun as son mucho ms destructivas durante el movimiento ssmico, y solo se pueden trasladar a travs de un medio slido.ONDAS L y R:Se dan con la fase principal del sismo, se propagan por la superficie de discontinuidad de la interface de la superficie terrestre (tierra-aire y tierra-agua) y tienen periodos largos, viajan con mayor lentitud que las ondas p y s ya que toman los caminos ms complicados de propagacin. Las vibraciones productos de estas ondas son las causantes de los danos en las edificaciones y construcciones.VIBRACION: Variacin peridica del estado de un sistema fsico inicialmente en equilibrio provocada por una perturbacin en el equilibrio mecnico, trmico o electromagntico del conjunto. En su definicin ms sencilla, una onda es un movimiento repetitivo alrededor de una posicin cero provocada por una perturbacin que origina una fuerza recuperadora que tiende a restablecer el equilibrio.FRECUENCIA:Es la magnitud que mide el nmero de ciclos llevados a cabo por unidad de tiempo.

PRINCIPALES ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE UNA MESA SSMICA UNIDIRECCIONAL SERVO ACTUADALos componentes principales que integran una mesa ssmica se evidencian en la siguiente figura:

MTS 3.0 Meter Biaxial Seismic Simulator. Fuente: pgina web www.mts.com MASA DE REACCION:Base estructural que soporta a la mesa ssmica en su conjunto. Fundamenta la base sobre la que se monta el sistema de deslizamiento (ejes de acero y rodamientos lineales) junto a la plataforma mvil. Sobre este componente tambin se ancla el actuador hidrulico que posteriormente se unir a la plataforma de mvil por medio de una brida.

Masa de reaccin. Fuente: Proyecto de grado Diseo, modelamiento y simulacin de una mesa ssmica unidireccional hidrulica.

PLATAFORMA MVIL:Lamina anclada y debidamente soportada por un sistema de rodamientos para el deslizamiento lineal sobre el marco rgido. Es el componente que proporciona el soporte para el montaje del modelo que se desea estudiar. Presenta una matriz de agujeros para la fijacin de la estructura a la plataforma mvil por medio de pernos.

Plataforma mvil. Fuente: Proyecto de grado Diseo, modelamiento y simulacin de una mesa ssmica unidireccional hidrulica. SISTEMA DE DESLIZAMIENTO:Este sistema est compuesto por rodamientos lineales anclados a la plataforma mvil que se deslizan sobre rieles macizos lisos que permiten un movimiento linean con friccin casi nula.

Sistema de deslizamiento. Fuente: Proyecto de grado Diseo, modelamiento y simulacin de una mesa ssmica unidireccional hidrulica.

UNIDAD DE POTENCIA:Tiene la funcin de suministrar el caudal y la energa requerida por el simulador para generar el movimiento vibratorio en la estructura a analizar. Este sistema de consta de una bomba en la mayora de veces variable que proporciona energa hidrulica al fluido de trabajo que finalmente es el encargado del movimiento del actuador. Dentro de la unidad de potencia, se encuentran los siguientes elementos: Tanque. Bomba hidrulica. Acumuladores. Mangueras. Manifolds.

Unidad de potencia. Fuente: pgina web de la MTS seccin Unidades de poder hidrulico.

SERVO VLVULA:Este componente representa al elemento final de control en un sistema cerrado, y es el nico capaz de hacer cambios de direccin, posicin, velocidad y aceleracin del actuador.

Servo vlvula. Fuente: pgina web de la MTS seccin servo vlvulas.

ACTUADOR HIDRAULICO:Los actuadores hidrulicos son bsicamente cilindros lineales anclados a la mesa de reaccin que transmiten el movimiento ordenado por la servo vlvula a la plataforma mvil y as, finalmente provocar la vibraciones deseadas para la investigacin.

Actuador hidrulico. Fuente: pgina web de la MTS seccin Actuadores hidrulicos.

ACUMULADOR HIDRAULICO:Tienen la funcin de acumular fluido hidrulico a alta presin mientras no lo requiera el sistema, para cuando se presente la necesidad de un mayor caudal este proveerlo y evitar golpes de ariete y cavitacin en la bomba.

Acumulador hidrulico. Fuente: pgina web de la HYDAC seccin Acumuladores hidrulicos.

SERVO CONTROLADOR:Es el puente entre la seal de comando enviada por el ordenador y los puertos de entrada de la servo vlvula. El servo controlador maneja dos niveles de control para regular los movimientos de actuador hidrulico. Al primer nivel de control se le denomina lazo interno, y tiene la funcin de regular los puertos por donde circula el fluido en la servo vlvula. Al segundo nivel de control se le denomina lazo externo, y tiene la funcin de comparar la seal proveniente del LVDT que monitorea el desplazamiento del actuador con la seal comando enviada desde el ordenador. Finalmente la seal error es enviada al lazo interno quien corrige la abertura de la servo vlvula. El lazo externo es por ende el nivel ms alto del control del servo controlador.

Tarjeta controladora. Fuente: pgina web de la national instruments.

SENSORES LVDTs w:Son utilizados un amplio rango de sensores para monitorear variables durante la simulacin. La posicin, la velocidad, la aceleracin, la fuerza ejercida por el actuador, entre otras, son las variables que se desean medir para posteriormente controlar, dichas medidas se realizan por medio de LVDTs, que son sensores de alta precisin que supervisan el comportamiento dinmico de la mesa ssmica. LVDT y acondicionador de seales. Fuente: pgina web de la Trans-TeK. MESAS SISMICAS EN COLOMBIA.En Colombia, actualmente se ha incrementado el uso de mesas ssmicas para la realizacin de estudios investigativos, en su mayora realizados un compacto grupo de universidades en el pas. El enfoque investigativo ha sido netamente acadmico, pues en el mbito industrial de la construccin el uso de este tipo de simuladores ha sido mnimo. Los estudios realizados en laboratorio se han enfatizado en la simulacin de sismos para un posterior anlisis estructural de edificaciones y construcciones a pequea y mediana escala, pues en el pas se cuentan con dos mesas ssmicas de 60 y 70 toneladas, pertenecientes a la Universidad de los Andes y la Universidad EAFID respectivamente.A continuacin se presentaran las mesas ssmicas existentes en Colombia junto a sus principales caractersticas constitutivas.

Simuladores ssmicos de la Universidad del ValleLa universidad del valle (UNIVALLE) cuenta actualmente con dos mesas ssmicas con fines acadmicos, dichos simuladores se encuentran ubicados en el Laboratorio de Ingeniera Ssmica y Dinmica estructural, situado en la sede principal en la ciudad de Cali.El primero de estos simuladores y primer simulador ssmico construido en Colombia, es una mesa ssmica unidireccional con servo-actuacin (XXXXXXXXXXXXXX). La mesa en referencia cuenta con cojinetes lineales para su desplazamiento horizontal, un actuador hidrulico Shore Western de 45 KN (10 kip) con servo vlvulas duales de 15 gpm cada una y un LVTD ubicado internamente y seleccionado para cumplir las especificaciones de aceleracin, velocidad y frecuencia. La unidad de potencia opera en su mximo a 3000 psi y con caudal mximo de 32 gpm. El conjunto de elementos del simulador se encuentra sustentado sobre una base de concreto reforzado de 4 m X 3 m X 1.5 m, aislada del piso.Especificaciones tcnicas de la mesa ssmica unidireccional servoactuada de la Universidad del Valle. Fuente: Autores.ESPECIFICACIONESVALOR/MAGNITUDUNIDADES

Tipo de movimientoUnidireccional

Capacidad de carga1000Kg-f

rea disponible para carga1.1 X 1.5m

Recorrido mximo15cm

Velocidad mxima 90cm/s

Aceleracin mxima4gs

Rango de la frecuencia0 - 50Hz

El controlador de mando digital para el sistema hidrulico de potencia es diseo propio de la Universidad del Valle usando un sistema de implementacin de control en tiempo real desarrollado por dSpace Inc, que est constituido por una tarjeta controladora DS1102 y software para diseo, simulacin e implementacin de controladores. La tarjeta para el control involucra un procesador digital de seales (DSP) basada en el chip TMS320C31 de 60 MHz, dos canales A/D de 16 bits, dos canales A/D de 12 bits, 4 canales D/A de 12 bits, y 16 lneas de I/O digital. Se utiliz MATLAB-SIMULINK para el dise de los controladores y se compilaron al DSP usando el Real-Time Workshop.

Mesa ssmica de la Universidad del Valle. Fuente: paper. Diseo y construccin del simulador ssmico uniaxial de la universidad del valle.El segundo simulador de Univalle presenta una reduccin de tamao en sus componentes fsicas y es utilizado para investigaciones con prototipos a menor escala (XXXXXXXXXXXXXX). Adems, presenta una mejora circunstancial en cuanto a su operacin ya que esta mesa simuladora es tele-operable, lo que quiere decir, que puede ser manejada de forma remota, esto se da gracias a una notable mejora en cuanto al uso de nuevas tecnologas.El dispositivo encargado del movimiento de la mesa vibratoria es bsicamente un motor elctrico lineal de fuerza pico y continua de 2500 N y 1255 N respectivamente, el cual est unido a la superficie de carga la cual desliza libremente sobre un par de rodamientos lineales. El motor es controlado y monitoreado por un servo controlador el cual recibe una seal de referencia que referencia viene comandada de forma remota desde un computador en forma de voltaje y una seal de retroalimentacin proveniente desde el encoder lineal que mide el posicionamiento de la mesa. Especificaciones tcnicas de la mesa ssmica tele-operado de Univalle. Fuente: paper Simulador Ssmico Uniaxial Tele-Operable para Modelos Estructurales de Pequea Escala.ESPECIFICACIONESVALOR/MAGNITUDUNIDADES



rea disponible para carga50 X 50cm

Recorrido mximo15cm

Velocidad mxima Informacin no disponiblecm/s

Aceleracin mxima2.5gs


Mesa ssmica tele-operado Universidad del Valle. Fuente: paper Simulador Ssmico Uniaxial Tele-Operable para Modelos Estructurales de Pequea Escala.

Simulador ssmico de la Universidad de los Andes Hoy la Universidad de los Andes con sede en Bogot cuenta con dos mesas vibratorias para estudios ssmicos ubicadas en el laboratorio de materiales y estructuras.El primero de estos simuladores es un simulador de mnimas proporciones, es bsicamente de uso acadmico y presenta excelente resistencia para una considerable capacidad. A continuacin se mostraran las especificaciones tcnicas de la mesa en referencia.Especificaciones tcnicas de la mesa ssmica acadmica de la Universidad de los Andes. Fuente: paper Diseo y construccin de la cimentacin para la mesa vibratoria de la Universidad de los Andes.ESPECIFICACIONESVALOR/MAGNITUDUNIDADES




Recorrido mximo15cm


Aceleracin mximaInformacin no disponiblegs


Mesa ssmica de la Universidad de los Andes. Fuente: paper Diseo y construccin de la cimentacin para la mesa vibratoria de la Universidad de los Andes.El segundo de estos simuladores es uno de los gigantes de Colombia con una capacidad mxima de 60 toneladas, es capaz de reproducir sismos de diferentes intensidades, con un gado mximo de 8 en la escala de Rither a estructuras de escala real (XXXXXXXXXXX). Antes de someter prototipos estructurales a esta mesa vibratoria se analiza numricamente el ensayo, lo que permite predecir y determinar las condiciones necesarias que se desean simular, finalmente se dan las variables requeridas al simulador para as obtener el sismo que se quiere reproducir. Especificaciones tcnicas del simulador industrial de la Universidad de los Andes. Fuente: paper Diseo y construccin de la cimentacin para la mesa vibratoria de la Universidad de los Andes.ESPECIFICACIONESVALOR/MAGNITUDUNIDADES




Recorrido mximo30cm




Simulador ssmico industrial de la Universidad de los Andes. Fuente: revista contacto Universidad de los Andes.

Simulador ssmico de la Universidad EAFIT

La gran gigante Colombiana, se encuentra ubicada en el laboratorio de investigacin en ingeniera ssmica de la universidad EAFIT sede Medelln (XXXXXXXXXXXX). Gracias a las prestaciones que brinda este simulador, se pueden realizar un sin nmero de estudios ssmicos a estructuras civiles de diferentes formas y tamaos para predecir su comportamiento frente a unas condiciones dadas de vibracin. Esta mesa ssmica es controlada de forma totalmente electrnica que brinda una alta precisin. El diseo y construccin del sistema de control fue elaborado en su mayor parte por investigadores de dicha universidad con algo de apoyo del sector industrial.

Actualmente se prestan servicios de simulacin a estructuras livianas en su mayora prefabricadas con peso mximo hasta de 70 toneladas. Por este simulador han pasado trabajos investigativos de universidades como la EAFIT, la Nacional y la de Antioquia. Especificaciones tcnicas del simulador industrial de la Universidad EAFIT. Fuente: Autores.ESPECIFICACIONESVALOR/MAGNITUDUNIDADES



rea disponible para carga6 X 6m

Recorrido mximo10cm



Rango de la frecuencia0 0.2Hz

Simulador ssmico industrial de la Universidad EAFIT. Fuente: revista pgina web EAFIT seccin Laboratorios.

Simulador ssmico de la Universidad Industrial de SantanderDentro de las instalaciones del edificio Jaime Beltrn Pinzn y ms precisamente dentro del laboratorio de estructuras del centro de caracterizacin de materiales de construccin, se encuentra la mesa ssmica de la Universidad Industrial de Santander (XXXXXXXXXX), mesa que ha sido el resultado de un proyecto realizado por el grupo de investigacin en Sistemas Dinmicos, Control y Robtica, DICBOT adscrito a la Escuela de Ingeniera Mecnica y en cabeza de su director Carlos Borras Pinillas PhD, Msc., docente planta perteneciente a dicha escuela.

Mesa ssmica de la Universidad Industrial de Santander. Fuente: Autores.En seguida se presentaran las caractersticas constitutivas de cada componente de esta mesa ssmica.

Masa de reaccin:Este soporte de acero A36, perfil IPE 120, es bsicamente un rectngulo de 0.8 X 2 m donde se apoyara la plataforma mvil. La unin del conjunto masa de reaccin actuador hidrulico se har por medio de una brida cuadrada con 4 pernos.Los dems componentes de soporte son de lmina HR de 1/2 de pulgada de espesor, los cuales posteriormente se unirn y anclaran a la masa de reaccin.

Plataforma mvil:Esta plataforma construida en lmina de aluminio 1100 calibrado de 25 mm de espesor, con dimensiones de 0.9 X 1.1 m y una matriz de agujeros para anclaje con tornillos de 1/2 pulgada; tiene como funcin principal ser soporte para la carga estructural que se desee estudiar.

Sistema de deslizamiento:Este sistema consta de 4 rodamientos lineales XR-48-OPN marca Thompson, que son montados sobre dos ejes macizos de acero cromado y estos a su vez soportados por la mesa de reaccin. As el movimiento horizontal que se logra es libre de friccin y por esta razn se considera friccin nula en el sistema.

Unidad de potencia hidrulica:La unidad de potencia es una MTS 505. 11, la cual cuenta con una bomba variable que provee un caudal nominal de 11 gpm (41.6 L/min) a una presin de operacin de 3000 psi (21MPa).Cabe resaltar que el sistema hidrulico en su conjunto cuenta con todos los dispositivos de seguridad necesarios para descargar el sistema en caso de sobrecargas como lo son las vlvulas de seguridad. Tambin se cuenta con manmetros y termmetros para monitorear, controlar y mantener las propiedades qumicas del lubricante en perfectas condiciones de funcionamiento. La lnea tanque cuenta con filtros de aceite para mantener el sistema libre de residuos slidos.

Servo vlvula: Este componente tiene la funcin de dirigir el envi del fluido hidrulico a alta presin que debe ingresar al actuador, y as, finalmente controlar los movimientos de la plataforma mvil con alta precisin. Esta mesa ssmica cuenta con una servo vlvula MOOG serie 73-263 (10 gpm @ 1000 psi) con alto desempeo dinmico.

Actuador Hidrulico:Cilindro hidrulico de doble vstago marca Parker con dimetro de pistn de 2.5 pulgadas, dimetro de vstago de 1.75 pulgadas y carrera de 10 pulgadas, encargado de hacer vibra a la plataforma mvil.

Acumulador:El acumular instalado es tipo vejiga de marca HYDAC serie SB 330 (3000 psi) de un galn de capacidad.

Sensores LVDTs:Para censar la posicin de la plataforma mvil se cuenta con un LVDT Trans-Tek con un rango de medicin de 5 pulgadas y con una no linealidad del 0.5%. Para la comunicacin entre la tarjeta de adquisicin de datos, el PLC o convertidores A/D con el LVDT, este cuenta con un acondicionador de seales Trans-Tek serie 1000 para as facilitar l envi de datos.

Prestaciones de la mesa ssmica como conjuntoEnseguida se presentaran las especificaciones tcnicas en cuanto a carga, rea de carga, posicin, velocidad, aceleracin y frecuencia que brinda el simulador.Especificaciones tcnicas de la mesa ssmica de la Universidad Industrial de Santander. Fuente: Autores.ESPECIFICACIONESVALOR/MAGNITUDUNIDADES




Recorrido mximo25cm


Aceleracin mxima2gs

Rango de la frecuencia0 50Hz

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