Como solución a los problemas de los sistemas activos de tipo fuerza de control, que utilizan una gran cantidad de energía, como el tipo AMD (el cual usa la inercia de una masa auxiliar como la fuerza de control) y el tipo cable activo, que aplica la fuerza de control directa por medio de la operación de un actuador. Y además para minimizar los efectos de fuerzas destructivas potencialmente grandes de sismos, proteger la vida humana, asegurar la seguridad estructural y mantener en funcionamiento el edificio e instalaciones, la empresa japonesa Kajima Corporation desarrolló en 1990 un sistema activo innovador, interesante y de una concepción bastante simple para el control de vibraciones en una estructura, denominado sistema de rigidez variable y/o amortiguamiento variable (sistema AVS), también llamado sistema tipo control no resonante.
La idea es tener un sistema que pueda alterar la rigidez de la estructura seleccionando una alternativa de un número de diferentes posibilidades, de acuerdo a la características específicas del movimiento del suelo. El cambio de rigidez se logra con un sistema mecánico que es impulsado por una cantidad pequeña de energía. Este ofrece una solución al problema de energía en la aplicación del sistema de control activo. Así, posee la excelente ventaja de poder realizar un efectivo control durante sismos extremadamente severos.
Con el objeto de comprender con mayor exactitud la concepción de éste sistema, en la Figura 3.13 se muestra una analogía entre el funcionamiento del sistema AVS con el "Sentido del Balance" del cuerpo humano.
El sistema AVS ha sido aplicado al Edificio de Control de las instalaciones de ensayos de mesa vibradora (Bldg. KaTRI Nº21), ubicado en el complejo del Instituto de Investigación Técnica de Kajima. El edificio de estructura de acero de tres pisos de altura (peso total de aproximadamente 3920 kN) es mostrado en la Figura 3.14. Arriostramientos de acero en forma de V invertida han sido colocados en la dirección transversal y los dispositivos de rigidez variable (VSD) son instalados entre el tope del arriostramiento y la viga (ver Figura 3.15). Estos dispositivos pueden alterar la rigidez del edificio. El VSD puede trabajar de dos maneras, es decir, cada uno de los arriostramientos puede estar bloqueado (arriostramiento llega a ser efectivo) o desbloqueado (arriostramiento llega a ser inefectivo) durante el sismo.
En la dirección longitudinal, la cual no es la dirección de control, se instalaron refuerzos auxiliares para aumentar la rigidez del edificio de manera que el control en la dirección transversal sea ejecutado con la mínima torsión.
Figura 3.14 Edificio KaTRI Nº21 (izquierda) y su sección transversal (derecha).
Para poner en funcionamiento el control AVS, es necesario un sistema de control como el armado en el edificio (Fig. 3.16 (a)). La función de control fue ejecutada de acuerdo con el flujo de control que se muestra en la Fig. 3.16 (b).
(b) Flujo de Control del Sistema AVS
(c) Variación del Tipo de Rigidez
Figura 3.16 Sistema de Control: (a) Composición del Sistema AVS; (b) Flujo de control del sistema AVS; (c) Variación del tipo de Rigidez.
Las aceleraciones de los sismos medidas por el acelerómetro ( en la Fig. 3.16 (a))
ubicado en el primer piso, son los datos de entrada al analizador de movimiento (). Este
consiste de varios filtros de banda especiales, que aproximan la respuesta transfiriendo características que corresponden a cada tipo de rigidez. Para el control del edificio, cada uno de los arriostramientos en forma de V invertida puede estar bloqueado o desbloqueado durante el
Aceleración del 1er piso Evaluación de la respuesta Rigidez TIPO 1 Rigidez TIPO 2 Rigidez TIPO 3 Selección de Rigidez Juicio e interruptor "Bloqueado" o "Desbloqueado" Cambio "Bloqueado" o "Desbloqueado" ➀ Acelerómetro ➁ Analizador de movimiento Computador Controladores ➃ VSD ➂ Computadores de Control
Intervalo de Control: 4 mseg
Cambio de Rigidez
Retardo del dispositivo aprox. 30 mseg
sismo, de esta forma se tiene un número de configuraciones igual a 2n, donde n es el número de dispositivos. Así, un total de ocho tipos de rigidez pueden ser seleccionados considerando como un dispositivo por piso, sin embargo, en este edificio se emplean sólo tres tipos de rigidez (Fig. 3.16 (c)) con frecuencias resonantes naturales mutuamente diferentes. Puesto que con esta limitación pueden ser evitadas complicaciones de control, sin reducir el efecto de control.
Basado en los datos filtrados, el computador de control () selecciona la rigidez óptima
para reducir las vibraciones del edificio y las señales de control son reenviadas al VSD () que
sea requerido. Dentro del computador, el intervalo de control requerido para seleccionar la rigidez es sólo de 4mseg.
El VSD comprende un cilindro hidráulico con un regulador de válvula insertada en el tubo que conecta las dos cámaras. En la Fig. 3.17 y en la Tabla 3.3 se muestran el esquema y las especificaciones del mecanismo VSD, respectivamente. Su función de abierto/cerrado está controlado por el movimiento del líquido viscoso allí adentro, así se produce la condición de bloqueado o desbloqueado entre la viga y el arriostramiento, produciendo dos alternativas de rigidez en cada piso, como se muestra en la Figura 3.18. La energía eléctrica que se necesita para que opere la válvula es solo de 20 W. Por eso, tiene la gran ventaja que con un generador de energía de emergencia ( en la fig. 3.13 (a)), el sistema de control puede seguir operando por lo
menos 30 minutos después que ocurra un corte de corriente.
Por otra parte, en el caso del corte de la energía eléctrica suplementaria los dispositivos adoptan automáticamente la condición de bloqueado, de esta forma se aumenta la capacidad de tensión del edificio. Normalmente cuando no hay sismos, todos los dispositivos VSD se encuentran en la condición de bloqueado.
Carga de Diseño 35 tonf (343 KN)
Tamaño 730 mm x φ290 mm
Peso 250 Kg
Recorrido ±50 mm
Diámetro del Pistón φ180 mm Diámetro de la Barra φ100 mm
Tabla 3.3 Especificaciones del dispositivo VSD.