Lo elementos de control pasivo tienen carácter reactivo, cuya respuesta no es controlable y depende únicamente de las condiciones de trabajo en que se encuentren. Son sistemas que intervienen alterando las propiedades dinámicas del edificio, provocando la reducción de su respuesta estructural. Entre sus ventajas se encuentra su competitividad económica y la robustez de su comportamiento. Los sistemas de control pasivo pueden clasificarse en:
a) Sistemas de aislamiento de la base. b) Sistemas disipativos.
c) Sistemas inerciales acoplados.
4.2.1 CONTROL PASIVO CON AISLAMIENTO DE LA BASE
Se fundamenta en el desacoplamiento de la estructura del movimiento del suelo. Se consigue a través de dispositivos flexibles al movimiento horizontal y rígidos al desplazamiento vertical, situados entre los cimientos y la superestructura.
Los aislantes de neopreno zunchado intercalan placas delgadas de acero, dotando al edificio de flexibilidad pero su capacidad disipativa resulta baja.
En la figura 4.2 se muestra un ejemplo de aislante de la base que consiste en capas alternativas de neopreno y acero unidas con un cilindro de plomo insertado en el agujero central. Las capas de neopreno permiten que el elemento aislante se mueva fácilmente en las direcciones horizontales, actuando a la vez como elementos tipo muelle, asegurando que la estructura vuelve a su posición original después de que la carga haya cesado. La unión entre las capas de neopreno y las capas de acero, hace que
el elemento sea muy rígido en la dirección vertical, de forma que la estructura no sufra movimientos en esta dirección debido a cargas de uso cotidiano. El elemento contiene dos capas gruesas de acero en sus extremos, de forma que el aislante quede unido solidamente a la estructura arriba y a la cimentación abajo. El núcleo central de plomo impide movimientos laterales bajo cargas de viento y otras cargas de tipo no sísmico. Durante la acción sísmica, este núcleo central es empujado por las capas de acero y neopreno, absorbiendo una porción de la energía del terremoto.
Figura 4.2: Esquema de un elemento aislante sísmico.
Figura 4.3: Montaje de un elemento aislante sísmico.
Un segundo grupo de aislantes de la base corresponde a los de fricción. Limitan la fuerza máxima que se transmite a la estructura mediante un coeficiente de fricción.
Su principal ventaja es su coste y no tener prácticamente limitación de carga vertical que se puede transmitir.
Por último, hay otro tipo de aislantes de la base basados en el movimiento pendular de la estructura sobre las superficies cóncavas de los aisladores. El periodo del péndulo depende del radio de curvatura de la superficie deslizante. La principal ventaja de este tipo de dispositivo es su capacidad de proporcionar periodos y desplazamientos largos, manteniendo su capacidad portante.
4.2.2 SISTEMAS DE CONTROL PASIVO CON DISIPADORES DE ENERGÍA
Una primera clasificación distingue entre disipadores histeréticos y viscoelásticos.
Los dispositivos histeréticos se basan en la plastificación de metales por flexión, torsión, cortante o extrusión y la fricción entre superficies. Son dispositivos que dependen básicamente del desplazamiento.
Los disipadores viscoelásticos pueden basarse en sólidos viscoelásticos, fluidos conducidos a través de orificios y fluidos viscoelásticos. Su comportamiento depende fundamentalmente de la velocidad.
4.2.2.1 Disipadores histeréticos
a) Disipadores por plastificación de metales: La plastificación de metales en disipadores puede producirse a partir de esfuerzos estructurales o bien a partir del proceso de extrusión. Cualquier esfuerzo, sea torsión, flexión, cortante o axial, puede conducir a procesos de plastificación en metales. El acero ha sido sin duda el material mas empleado en disipadores. Entre sus virtudes están las posibilidades constructivas que ofrece (fácil mecanizado y soldabilidad), su bajo coste y su elevada ductilidad.
b) Disipadores por fricción: Los sistemas de fricción disipan energía basándose en el rozamiento entre dos superficies en contacto bajo presión y en desplazamiento entre ellas. El principal inconveniente que presentan este tipo de dispositivos es que el coeficiente de fricción, durante el desplazamiento, depende de la velocidad, la presión normal y las condiciones de las superficies de contacto, por lo que resulta difícil garantizar un coeficiente de fricción independiente del tiempo y de las condiciones de los disipadores. Sin embargo se ha observado que la variación del coeficiente de fricción durante el desplazamiento no afecta significativamente a la respuesta estructural si la estructura permanece en el rango lineal elástico, mientras que esta influencia puede ser significativa si entra en el rango no lineal.
4.2.2.2 Disipadores con comportamiento viscoelástico.
Los disipadores viscoelásticos sólidos están formados por chapas metálicas unidas por capas finas de material viscoelástico y presentan unos ciclos histeréticos característicamente elípticos. Su acción disipativa se basa en el aumento de amortiguamiento estructural. Presentan algunas ventajas con respecto a los disipadores histeréticos, entre las cuales destacan que no precisan de una fuerza umbral para disipar energía y no cambian de forma significativa los modos de vibración, con lo cual resulta posible linealizar el comportamiento estructural y realizar una modelización mas
sencilla. Como inconvenientes están, primero, la poca variación del periodo fundamental no evita el comportamiento resonante, segundo, los materiales viscoelásticos son sensibles a los cambios de temperatura, frecuencia y deformación, y resulta necesario minimizar la influencia de estas variables en el rango de servicio y por último, se necesitan una gran cantidad de dispositivos para conseguir un aumento del amortiguamiento estructural a valores que reduzcan significativamente la respuesta estructural ante un sismo severo.
4.2.3 SISTEMAS DE CONTROL PASIVO MEDIANTE SISTEMAS INERCIALES ACOPLADOS
El control pasivo mediante sistemas inerciales acoplados o “Tuned Mass Damper” (TMD), consta de los siguientes elementos: Un oscilador de un grado de libertad, un mecanismo de muelle, y un mecanismo de amortiguamiento. Normalmente se instalan en la parte superior de las estructuras. La masa y la rigidez del muelle se determinan de forma que la frecuencia de oscilación sea la misma que la frecuencia fundamental de la estructura.
Este sistema se ha demostrado efectivo para reducir la vibración del viento y también para resistir las fuerzas sísmicas. La mayor desventaja de este dispositivo es que requiere una gran masa y espacio para su instalación. Otra desventaja es que su efectividad se reduce a una banda estrecha de frecuencias cercanas al periodo fundamental del edificio.