aislamiento en la base asocem
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BOLETÍN INFORMATIVO ASOCEM 2011
ACTUALIDAD NACIONAL N° 1 / OCTUBRE 2012
DISEÑO ESTRUCTURAL CON AISLADORES DE BASE DE LA NUEVA BIBLIOTECA DE LA FIC-UNI (1ra Parte)
Este proyecto nace de la iniciativa del decano de
la Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad
Nacional de Ingeniería, Dr. lng. Javier Piqué del
Pozo, (gerente de Proyecto). El diseño
estructural del sistema de aislamiento sísmico y
del edificio ha sido realizado por el MSc. lng.
Ricardo Proaño Tataje.
Aislamiento sísmico y disipación de energía, son
dos conceptos que en los últimos años han
tomado interés dada su probada efectividad
frente a terremotos en países como Japón,
Estados Unidos, Nueva Zelandia y Chile.
El aislamiento sísmico reduce notablemente la
rigidez del sistema estructural, haciendo que el
periodo fundamental de la estructura aislada
sea mucho mayor que el de la misma estructura
con base fija, a la vez que permiten reducir los
esfuerzos sísmicos notablemente y pueden ser
adaptados a estructuras nuevas, así como
también se pueden incorporar en puentes y
edificios existentes.
El nuevo edificio del Centro de Información de
la FIC - UNI va a ser construido de forma
experimental por profesores la facultad y será
monitoreado de forma continua a través de
sensores digitales que almacenarán informa-
ción relacionada con su comportamiento
sísmico, información que además servirá para
la enseñanza del diseño de este tipo de edificios
en los cursos estructuras de la facultad.
1. INTRODUCCIÓN
La Facultad de Ingeniería Civil (FIC) de la Universidad Nacional de Ingeniería (UNI), está gestionando el diseño y
construcción de un nuevo edificio llamado Centro de Información destinado a su uso para la nueva biblioteca y sala de
profesores con un sistema estructural sismo resistente innovador en el Perú llamado Aislamiento Sísmico en la Base. Este
edificio tendrá 600m2 de área en planta; así mismo, contará con 04 pisos en una primera etapa y 08 pisos al final de su
construcción.
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2. FILOSOFIA DE DISEÑO SISMO
RESISTENTE
La filosofía del diseño sismo resistente
convencional se basa en aumentar las capaci-
dades de las estructuras a través de: 1) La
ductilidad de los elementos estructurales y 2) La
resistencia, con la inclusión de elementos de
corte como las placas de concreto armado. Es
sabido que cuando sobre las estructuras actúa
un sismo, se generan altas aceleraciones, altos
esfuerzos y sustanciales distorsiones o derivas
de entrepiso, las mismas que pueden dañar las
estructuras con deficiencia de capacidad para
enfrentar sismos y llevarla incluso al colapso.
Otra forma de enfrentar los sismos, la cual es
materia del presente artículo, está basada en la
disminución de la energía sísmica de entrada o
demanda sísmica, y es así que a través del
aislamiento en la base de los edificios y otras
estructuras podemos lograr una disminución
esa demanda por sismo (ver Fig. N°1).
3. FILOSOFIA DEL AISLAMIENTO SÍSMICO
El aislamiento sísmico es una estrategia de
diseño basada en la premisa de que es posible
separar una estructura de los movimientos del
suelo mediante la introducción de elementos
flexibles entre la estructura y su fundación,
disipando de forma pasiva la energía sísmica.
Así el aislador sísmico representa un filtro del
movimiento sísmico horizontal, que no deja
pasar la energía hacia la estructura que se
encuentra sobre él. Como el movimiento
horizontal debido a sismo es la causa principal
del daño en la estructura, el aislador sísmico la
protege reduciendo su vibración lateral en
valores del orden de 6 a 8 veces.
Desde el punto de vista energético, la acción
sísmica transmite energía a la estructura, que se
transforma en energía elástica de deformación
(EElástica), y en energía disipada (EDisipada). El
principio de conservación de la energía
establece que esta no se crea ni se destruye,
solo se transforma, por lo tanto debe
Fig.1 Alternativas para el diseño sísmico resistente de una edificación
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mantenerse el equilibrio entre la energía de
entrada y la suma de la energía elástica y la
energía disipada, como se plantea en la
ecuación (1.1)
E E +entrada = Elástica EDisipada ... (1.1)
Del mismo modo, la energía elástica está
compuesta por la energía almacenada de
deformación elástica (EPotencial) y por energía
de movimiento (ECinética).
E E +Eelástica = Potencial Cinética ... (1.2)
A partir de este momento nos centramos en las
posibilidades que tiene una estructura para
disipar energía. Una estructura tiene dos
posibilidades de disipar energía, la primera es
por medio de energía de amortiguamiento.
(EAmortiguamieto) y la segunda es por medio
de energía histerética (EHisterética), la cual se
basa en la ductilidad de sus miembros, la
formación de articulaciones plásticas en ellos y
un consecuente daño estructural, que en
muchas ocasiones es apreciable.
E E E+Disipada = Amortiguamiento Histerétoca
... (1.3)
La disipación de energía dentro de una
estructura es posible por amortiguamiento
viscoso, por fricción, por amortiguamiento
histerético, por impacto y radiación. Se recalca
que el principio fundamental del diseño sismo
resistente se base en que la capacidad de
disipación de energía de las estructuras debe
ser mayor que la demanda de energía
histerética. En la actualidad, las nuevas
tecnologías para mejorar el comportamiento
sísmico de las estructuras dicen que la
tendencia no debe ser rigidizar la estructura,
sino' más bien reducir la energía d'e entrada
(EEntrada), o incrementar su capacidad de
disipación de energía (Edisipada).
La disminución de la energía sísmica de entrada
o demanda se puede lograr por medio del
aislamiento de base, mientras que el incre-
mento en la capacidad de disipación de energía
de las estructuras se puede lograr por medio de
dispositivos disipadores de energía.
E E +E +Eentrada = Potencial Cinética Amortigua-+E miento Histerética…(1 .4)
Fig. Nº2 Desplazamientos sísmicos debido a sismo para una estructura con un diseño convencional y otra con un sistema de aislamiento en l a bases.
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De este modo la energía sísmica de entrada
puede ser absorbida por la deformación Eelástica ( Potencial) y el amortiguamiento
E( Amortiguamiento) de los aisladores elasto-
méricos, reduciendo de manera considerable
los desplazamientos laterales del edificio por
encima del sistema de aislamiento (ver fig.
Nº2).
4. TIPOS DE AISLADORES SÍSMICOS
4.1 Aisladores elastoméricos de bajo
amortiguamiento:
Los aisladores elastoméricos de caucho natural
de bajo amortiguamiento, han sido usados
ampliamente alrededor del mundo en conjun-
ción con dispositivos de amortiguamiento
adicionales. Estos aisladores tienen dos placas
de acero externos y varias láminas delgadas de
acero internas. El caucho es vulcanizado y unido
a las láminas delgadas de acero a través de una
operación simples bajo presión y temperatura
en un molde. (Ver Fig. 3a).
Las láminas de acero previenen el abultamiento
lateral del caucho y provee de una alta rigidez
vertical al aislador. La rigidez horizontal del
aislador es controlada por el bajo módulo d~
corte del caucho. El comportamiento del
material en cortante es casi lineal hasta
deformaciones por corte del orden de 100%,
con amortiguamiento en el rango de 2-3% del
crítico.
Las ventajas de aisladores de caucho de bajo
amortiguamiento son muchas: La fácil manu-
factura, moldeado simple, y sus propiedades
mecánicas no son afectadas por la temperatura
y envejecimiento. La única desventaja es que
por lo general van acompañados por sistemas
de amortiguamiento adicional.
4.2. Aisladores elastoméricos con núcleo de
plomo:
Este tipo de aisladores son similares a los
anteriores (compuestos por láminas: de caucho
y acero ·de forma intercalada) pero que
contiene uno o varios núcleos de plomo. Las
láminas de acero en el apoyo fuerzan al núcleo
de plomo a deformarse por corte. Los núcleos
de plomo dotan al dispositivo de asilamiento
con un comportamiento bilineal. El núcleo de
plomo debe de ser encajado de forma ajustada
dentro de los huecos previamente preparados
en el aislador y forzado a entrar en él. La rigidez
inicial y el amortiguamiento efectivo del
aislador dependen del desplazamiento. (Ver
Fig.3ª. Aislador elastomérico de Caucha Natural (NRB)
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Fig. 3b).
4.3. Aisladores elastoméricos de alto
amortiguamiento:
El desarrollo de un caucho natural compuesto
con suficiente amortiguamiento para eliminar
la necesidad de un sistema de amortigua-
miento suplementario fue desarrollado en
1982 por la asociación de investigación de los
productores de caucho de malasia del Reino
Unido. El amortiguamiento es incrementado
por la adición de bloques de carbón extrafino,
aceites, resinas y otros. El amortiguamiento es
incrementado a niveles entre el 10% - 20% para
deformaciones por corte del orden del 100%.
(Ver Fig. 3c).
El material es no lineal para deformaciones por
corte menores que el 20% y es caracterizado
por su alta rigidez y amortiguamiento el cual
tiende a minimizar la respuesta bajo cargas de
viento o sismos pequeños. Para deformaciones
por corte de entre el 20% y el 120% el módulo
de corte es bajo y constante. Para deforma-
ciones por corte mayores el módulo de corte se
incrementa debido al proceso de cristalización
por deformación del caucho lo cual va acompa-
ñado con un incremento en la energía disipada.
Este incremento en rigidez y amortiguamiento
ha sido dirigida para producir un sistema que
será rígido para pequeñas solicitaciones, casi
lineal y flexible para un nivel de diseño y que
puede limitar los desplaza-mientos para niveles
de solicitación mayor.
El amortiguamiento en este tipo de aisladores
no es ni viscoso ni histerético, pero tiene de
ambos. Múltiples ensayos han mostrado que la
energía disipada por ciclo.es proporcional al
Fig. 3b. Aislador elastomérico con Núcleo de Plomo (LRB)
Fig 3c. Aislador elastomérico de Alto Amortiguamiento (HDR)
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desplazamiento elevado a la potencia 1.5.
4.4. Aisladores de péndulo de fricción:
Este tipo de aisladores contemplan un sistema
de aislamiento friccional que combina la acción
de la fricción por deslizamiento y una fuerza
restitutiva generada por la geometría del
aislador. Este tipo de aisladores utilizan las
características de un péndulo simple para
incrementar el periodo natural de una estruc-
tura aislada, el periodo de la estructura se
selecciona simplemente escogiendo el radio de
curvatura de la superficie cóncava del aislador
(es independiente de la masa de la estructura
soportada). La fricción entre el deslizador
articular y la superficie esférica genera el
amortiguamiento en los aisladores. La rigidez
efectiva del aislador esta también controlada
por el radio de curvatura de la superficie
cóncava. Fig.
5. BREVE DESCRIPCIÓN DE LA ARQUITEC-
TURA DEL EDIFICIO DE DENTRO DE
INFORMACIÓN DE LA FACULTAD DE
INGENIERÍA CIVIL DE LA UNI
El diseño arquitectónico del nuevo edificio es
obra del Arq. Oswaldo Núñez Carvallo, Profesor
Principal de la Facultad de Ingeniería Civil de la
UNI y consultor. La forma y dimensión del
espacio disponible, sobre la que se proyectan
las necesidades programadas, han determi-
nado un edificio de planta rectangular separado
de las actuales pabellones de aulas, oficinas y
laboratorios de la Faculta de Ingeniería Civil por
amplios pasajes que permiten la buena
iluminación y ventilación de los edificios
vecinos sin interrumpir la comunicación entre
ellos. La fachada principal mira al oeste,
adyacente a un eje peatonal de la UNI y a los
jardines de la Facultad de Arquitectura. El
resultado de estas condiciones es un edificio, de
4 niveles en su primera etapa, con proyección a
28 niveles, con un área de unos 600m por piso.
En el 1er piso se ubicaran 4 ingresos. El principal
da acceso a un foyer donde habrá ficheros
electrónicos, casilleros para los que vayan a
zonas controladas, y mostrador para préstamo
de libros o su devolución. Se cuenta con un
ingreso reservado para acceder a través de los
ascensores a los pisos altos del edificio. Se
cuenta con rampas de ingreso para minusváli-
dos. Los otros ingresos corresponden al de
personal de la biblioteca y a los servicios. Se
Fig. 3d. Aislador de péndulo invertido con fricción (FPS).
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contará con 2 escaleras de escape.
En el 2do piso se encontraran las salas
principales de lectura con una doble altura en
su parte central, el depósito general de libros
(20,000 libros de capacidad con el sistema
convencional) la entrega, control y reprografía,
y los espacios de administración y servicios de la
biblioteca. Este piso y el tercero se unirán
mediante un puente a un edificio vecino.
El 3er piso es el de la sala de lectura de tesis y las
cabinas de medios audiovisuales, los cuales
tienen gran flexibilidad para previsibles
cambios en las tecnologías de soporte de la
información.
EI 4to piso estará destinado al Centro de
Computo de la Facultad que consistirá en
ambientes de administración y servicios, data
center, cabinas de consulta y practica y 4 aulas
de enseñanza para 20 alumnos cada una. Una
ampliación futura de este edificio con 4 niveles
más está programada para su uso como salas y
oficinas para profesores.
6. SISTEMA DE AISLAMIENTO EN LA BASE
Un sistema de aislamiento en la base para una
edificación debe de dotar a esta de:
. FLEXIBILIDAD para aumentar de período
vibración y por tanto, reducir la fuerza de
respuesta sísmica.
. CAPACIDAD DE DISIPACIÓN DE ENERGIA para
reducir los desplazamientos producidos por
sismo los cuales están directamente relacio-
nados con el daño en un edificio.
. RIGIDEZ PARA NIVELES BAJOS DE CARGA,
como lo son las fuerzas de viento y sismos de
menor importancia.
La estrategia de diseño de una edificación con
un sistema de aislamiento en la base tiene por
objetivo aumentar el periodo fundamental de
vibración de la estructura y disipar la energía
de deformación de forma pasiva a través del
amortiguamiento con la finalidad de:
. Reducir de las aceleraciones sísmicas y por
ende las fuerzas sísmicas de diseño.
. Reducir las deformaciones de entrepiso en el
edificio debido a sismo.
Los sistemas de aislamiento en la base son
efectivos en: (1) Suelos rígidos de fundación y
(2) En edificios de poca altura con bajo periodo
fundamental de vibración (O.4seg a 1.0seg). Así
Elevación Este del edificio. Pueden observarse la construcción en sus dos etapas.
Elevación Este del edificio. Pueden observarse la construcción
en sus dos etapas.
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mismo, estos sistemas son poco efectivos en:
(1) Suelos flexibles de fundación y (2)
Edificaciones muy altas con alto periodo de
vibración (mayores a 1.2seg).
La aplicación de los sistemas de aislamiento en
la base son recomendables en:
En edificaciones esenciales que deben de seguir
operando después de la ocurrencia de un
sismo, tales como hospitales, colegios, tanques
con contenidos de alto peligro, etc.
En la preservación de Edificaciones Históricas.
En edificaciones cuyo contenido tenga un valor
superior al de la estructura, tales como museos,
etc.
En edificaciones comunes de vivienda, oficinas
y centros comerciales de acuerdo al requerimi-
ento de los propietarios.
Fig. Nº 7. Estrategia de diseño desde el punto de vista de las
aceleraciones
Fig. Nº 8. Estrategia de diseño desde el punto de vista de los
desplazamientos
Msc. Ing. Luis Ricardo Proaño Tataje
Ing. Civil – Especialista en estructuras
Jefe del Departamento de Ingeniería Sísmica del CISMID-UNI.
Profesor de la Facultad de Ingeniería Civil de la UNI.
Reg. Colegio de Ingenieros del Perú Nº 92188
E mail: [email protected]
Asociación de Productores de CementoCalle Julián Arce 203, Urb. Sta. Catalina, Lima 13 - PERÚ · Tel.: 472-7654 Fax: 471-9817 · [email protected]