Análisis de vibraciones y aislamiento de una escalera frente a la acción generada por personas

Resumen

Actualmente, es común encontrar estructuras de nueva construcción con diseños modernos que, en muchos casos, no son óptimos para garantizar la resistencia necesaria frente a las posibles cargas a las que podrían estar expuestas. Esto puede resultar en un comportamiento estructural poco favorable, comprometiendo el confort de los usuarios, su seguridad y la integridad de los propios elementos estructurales.

Este trabajo de investigación se centra específicamente en la evaluación del comportamiento de una escalera metálica de tipo colgante, caracterizada por su ligereza y su menor capacidad de disipación de energía en comparación con otras escaleras, lo cual hace que sea mucho más vulnerable a las vibraciones generadas por acciones humanas, como caminar, correr o saltar.

Básicamente, se realizó el análisis de vibraciones y el aislamiento de esta escalera, sometiéndola a las acciones generadas por el salto de una o varias personas, utilizando el software SAP2000, donde se simularon los diferentes escenarios de carga para evaluar las vibraciones y aceleraciones verticales inducidas. Este estudio identificó las frecuencias naturales de la estructura y los modos de vibración más propensos a la resonancia, determinando que las aceleraciones verticales en el primer modo de vibración superaban los niveles de confort exigidos para los usuarios, y que la respuesta del sistema ante las frecuencias de excitación presentó un comportamiento resonante.

Para abordar este problema, se propuso la incorporación de un amortiguador de masa sintonizada (TMD), cuyo diseño y optimización se basaron en la teoría de Den Hartog (1956). La eficacia de este amortiguador se evaluó comparando las respuestas dinámicas de la escalera antes y después de su instalación, donde se evidenció una reducción significativa de las aceleraciones verticales y, mejorando así, el comportamiento dinámico de la estructura.

Por último, se realizaron análisis de variación de los parámetros de optimización del TMD, lo cual permitió identificar las configuraciones más adecuadas para maximizar su efectividad. Finalmente, se concluye que el uso del TMD es una solución eficaz para controlas las vibraciones de estructuras susceptibles a vibraciones, con características similares a la escalera evaluada en este trabajo, garantizando el confort y la seguridad de los usuarios.

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Currently, it is common to find newly constructed structures with modern designs that, in many cases, do not provide optimal resistance against the potential loads to which they may be subjected. This can lead to unfavorable structural behavior, compromising user comfort, safety, and the integrity of the structural elements themselves.

This research focuses specifically on evaluating the behavior of a suspended metal staircase, characterized by its lightness and reduced capacity for energy dissipation compared to other types of staircases, making it significantly more vulnerable to vibrations induced by human activities such as walking, running, or jumping.

The study involved a vibration analysis and isolation assessment of this staircase, subjected to dynamic actions generated by the jumping of one or several individuals, using the SAP2000 software to simulate various loading scenarios and evaluate the induced vertical vibrations and accelerations. The study identified the natural frequencies of the structure and the vibration modes most susceptible to resonance, determining that the vertical accelerations in the first vibration mode exceeded the comfort levels required for users, and that the system's response to excitation frequencies exhibited a resonant behavior.

To solve this issue, the incorporation of a tuned mass damper (TMD) was proposed, with its design and optimization based on Den Hartog's theory (1956). The effectiveness of this damper was evaluated by comparing the dynamic responses of the staircase before and after its installation, demonstrating a significant reduction in vertical accelerations, thereby improving the dynamic behavior of the structure.

Finally, parameter variation analyses for the TMD optimization were conducted, allowing for the identification of the most suitable configurations to maximize its effectiveness. The study concludes that the use of TMDs is an effective solution for controlling vibrations in structures susceptible to dynamic excitations, such as the staircase evaluated in this work, ensuring user comfort and safety.