informe de sustentacion 1
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ndice
CAPITULO I ...............................................................................................................................................................3
ASPECTO METODOLGICO ..................................................................................................................................3
1.1. INTRODUCCIN.......................................................................................................... 3
1.2. ANTECEDENTES GENERALES ..................................................................................... 4
1.3. DIAGNOSTICO SITUACIONAL ....................................................................................... 7
1.3.1. PELIGROSIDAD SISMICA ...................................................................................... 7
1.3.2. VULNERABILIDAD SISMICA................................................................................... 8
1.4. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................................. 10
1.5. HIPOTESIS ............................................................................................................... 10
1.6. OBJETIVOS .............................................................................................................. 11
1.6.1. OBJETIVO GENERAL.......................................................................................... 11
1.6.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS.................................................................................. 11
1.7. JUSTIFICACION ........................................................................................................ 11
1.8. ASPECTO METODOLOGICO ....................................................................................... 12
1.9. ALCANCES Y LIMITACIONES ...................................................................................... 12
CAPITULO II ............................................................................................................................................................14
SISTEMAS DE CONTROL SSMICO EN EDIFICIOS ..........................................................................................14
2.1. GENERALIDADES ..................................................................................................... 14
2.2. TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROL ESTRUCTURAL ..................................................... 15
2.2.1. Control pasivo........................................................................................................... 16
2.2.1.1. Sistemas de Aislamiento Ssmico ........................................................................... 17
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2.2.1.2. Sistemas de efecto de masa adicional ..................................................................... 21
2.2.1.3. Sistemas de control pasivo con disipacin de energa ................................................. 24
2.2.2. Sistemas de control activo ........................................................................................... 29
2.2.3. Sistemas de control hbrido ......................................................................................... 32
2.2.4. Sistemas de control semiactivo .................................................................................... 34
2.3. PERSPECTIVAS DE LOS SISTEMAS DE CONTROL ESTRUCTURAL ................................ 36
CAPITULO III ...........................................................................................................................................................37
AISLAMIENTO SSMICO DE BASE .....................................................................................................................37
3.1. TIPOS DE AISLADORES DE BASE ............................................................................... 38
3.1.1.- AISLADORES ELASTOMERICOS (LDR) ...................................................................... 39
3.1.2.- AISLADORES DE GOMA CON NUCLEO DE PLOMO (LRB) ............................................ 40
3.1.3.- AISLADORES DE FRICCION (FPS)............................................................................. 41
3.2. COMPORTAMIENTO DE LOS AISLADORES ELASTOMERICOS ....................................... 44
CAPITULO IV...........................................................................................................................................................47
CARACTERIZACIN ARQUITECTNICA Y ESTRUCTURAL DEL EDIFICIO ..............................................47
4.1. CARACTERIZACIN ARQUITECTNICA Y ESTRUCTURAL DEL EDIFICIO TRADICIONAL ....... 47
4.2.- CARACTERIZACION ESTRUCTURAL DEL EDIFICIO AISLADO ........................................ 58
CAPITULO V............................................................................................................................................................61
CARACTERSTICAS MECNICAS Y MODELO BILINEAL DE LOS AISLADORES ELASTOMERICOS CON NCLEO DE PLOMO (LRB).......................................................................................................................61
5.1. CONDICIONES GENERALES EN EL DISEO DE AISLACION BASAL...................................... 62
5.2 DISEO DEL SISTEMA DE AISLACION ............................................................................... 63
5.2.3.- CLCULOS REALIZADOS PARA EL DISEO DE LOS AISLADORES LRB ....................... 79
5.3.- ESTIMACION DEL COSTO DE LOS AISLADORES ELASTOMERICO CON NUCELO DE PLOMO
(LRB) .................................................................................................................................. 88
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CAPITULO VI...........................................................................................................................................................90
MODELACIN COMPUTACIONAL ......................................................................................................................90
EN EL PROGRAMA SAP2000 V-14.1...................................................................................................................90
6.1.- CRITERIOS PARA LA MODELACION DEL EDIFICIO CONVENCIONAL .................................. 91
6.2.- CRITERIOS PARA LA MODELACION DEL EDIFICIO AISLADO ............................................. 94
6.3.- PASOS PARA LA MODELACION SISMICA MODAL ESPECTRAL Y AISLADORES .................... 95
6.3.1.- PASOS PARA LA MODELACION SISMICA MODAL ESPECTRAL .................................... 95
6.3.2.- PASOS PARA LA MODELACION DE LOS AISLADORES .............................................. 101
CAPITULO VII........................................................................................................................................................109
ANLISIS COMPARATIVO DE LOS MODELOS CON Y SIN AISLACION DEL EDIFICIO DE DERECHO.109
7.1.- ESPECTRO DE DISEO ............................................................................................... 109
7.1.1.- ESPECTRO DE DISEO PARA EL EDIFICIO CONVENCIONAL..................................... 109
7.1.2.- ESPECTRO DE DISEO PARA EL EDIFICIO AISLADO......... Error! Marcador no definido.
7.2.- RESPUESTA DINAMICA PERIODOS Y PARTICIPACION MODAL . Error! Marcador no definido.
7.2.1.- EDIFICIO SIN AISLAR ..................................................... Error! Marcador no definido.
7.2.2.- EDIFICIO AISLADO ......................................................... Error! Marcador no definido.
7.2.3.- PSEUDO-ACELERACIONES CORRESPONDIENTES A LOS PERIODOS FUNDAMENTALES
DEL EDIFICIO ......................................................................... Error! Marcador no definido.
7.3.- DESPLAZAMIENTO DE ENTREPISOS Y DISTORSIONES ........... Error! Marcador no definido.
7.3.1.- EDIFICIO SIN AISLAR ..................................................... Error! Marcador no definido.
7.3.2.- EDIFICIO AISLADO ......................................................... Error! Marcador no definido.
7.3.2.1.- EDIFICIO AISLADO (Con espectro de la Norma E.030 del RNE) ...... Error! Marcador no
definido.
7.3.2.2.- EDIFICIO AISLADO (Con espectro de Newmark & Hall).... Error! Marcador no definido.
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7.4.- CORTANTE BASAL Y CORTANTE POR ENTREPISO ................. Error! Marcador no definido.
7.5.- ACELERACION ABSOLUTA POR ENTREPISO .......................... Error! Marcador no definido.
7.6.- ESFUERZOS EN LOS ELEMENTOS ESTRUCTURALES.............. Error! Marcador no definido.
7.6.1.- COMBINACIONES DE CARGA REALIZADAS ...................... Error! Marcador no definido.
7.6.2.- ESFUERZOS EN COLUMNAS Y PLACAS ........................... Error! Marcador no definido.
7.6.3.- ESFUERZOS EN VIGAS .................................................. Error! Marcador no definido.
CAPITULO VIII .............................................................................................................Error! Marcador no definido.
CONCLUSIONES .........................................................................................................Error! Marcador no definido.
BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................Error! Marcador no definido.
ANEXOS........................................................................................................................Error! Marcador no definido.
ANEXO A.................................................................................... Error! Marcador no definido.
DETALLES DE CONEXIN DE AISLADORES ................................... Error! Marcador no definido.
ANEXO B.................................................................................... Error! Marcador no definido.
PANEL FOTOGRAFICO EDIFICIO DE DERECHO.............................. Error! Marcador no definido.
ANEXO C ................................................................................... Error! Marcador no definido.
PLANOS DE REFERENCIA DEL EXPEDIENTE TECNICO DE DERECHO ........... Error! Marcador no
definido.
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DEDICATORIA
Dedico este trabajo a mis padres, hermanas y amigos, por el respaldo que siempre me brindaron
y me brindarn para cumplir cada meta trazada.
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AGRADECIMIENTO
Agradezco de manera especial a mis padres por el apoyo recibido durante toda mi poca de
estudiante as como por los consejos impartidos que hicieron de m una persona bien
encaminada y capaz de tomar las mejores decisiones dentro de las cuales esta haber elegido
esta hermosa profesin que es la Ingeniera Civil.
Agradezco al Ing. Carlos Jorge Ramos Chimpen por haberme asesorado en la elaboracin de
este Informe de Ingeniera.
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CAPITULO I
ASPECTO METODOLGICO
1.1. INTRODUCCIN El Per es un pas que est expuesto a una amenaza ssmica alta debido a que est ubicado
en el Cinturn de Fuego del Pacfico donde se encuentran algunas de las zonas de subduccin
ms importantes del mundo, lo que ocasiona una intensa actividad ssmica y volcnica en los
territorios que abarca. La amenaza ssmica no constituye un riesgo si no es acompaada por
edificaciones vulnerables. Es sabido que el dao parcial o colapso de las construcciones durante
y despus de un sismo es la mayor causa de vctimas, disturbios sociales y prdidas eco-
nmicas. De aqu que es indispensable disear y construir las edificaciones para que resistan
eventos ssmicos grandes sin colapsar y eventos ssmicos recurrentes sin daos en la
estructura.
Las tcnicas convencionales para mitigar y controlar la respuesta de una edificacin ante un
evento ssmico estipuladas por la Norma Ssmica E.030 del RNE., se basan en la combinacin
de resistencia, rigidez y capacidad de disipacin de energa en el rango inelstico de la
estructura. El inconveniente de que una estructura disipe energa en el Rango Inelstico es
que se generan daos permanentes, muchas veces sin posibilidad de reparacin. En otros
pases, se estn complementando estas tcnicas convencionales con alternativas tecnolgicas
modernas de Sistemas de Control para la Proteccin Ssmica que permiten un mejor
comportamiento de las obras de infraestructura bsica luego de producirse sismos.
Un sistema que se aplica con gran eficiencia en edificios menores de 15 pisos es el SISTEMA
PASIVO DE AISLAMIENTO EN LA BASE, el cual se aplicar al edificio en estudio, el aislamiento
de la base se logra al colocar algn tipo de capa flexible entre la estructura y la cimentacin, de
esta manera frente a un sismo se logra desacoplar el movimiento del suelo con respecto al de la
estructura, reduciendo la respuesta ssmica, su deformacin y por lo tanto su dao.
Este estudio es desarrollado para analizar los efectos que tendra la implementacin de un sistema de aislacin ssmica sobre el comportamiento estructural, para un caso en particular: el edificio de Pabellones de Aulas y Laboratorios de Cmputo de la Facultad de Derecho de la UNPRG. Y as determinar el beneficio de utilizar esta tecnologa en nuestro BACH. CARLOS STALIN ARTEAGA FAYA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL FICSA - UNPRG Pgina 3
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medio para disminuir el riesgo ssmico de las edificaciones, por consiguiente la prdidas de vidas humanas, y econmicas por las prdidas materiales . la Modelacin del edificio con y sin alisalores se realiz en el Programa SAP2000.
1.2. ANTECEDENTES GENERALES El concepto de control estructural en estructuras civiles tiene sus races en el trabajo
emprico de John Milne, profesor de ingeniera en Japn, quien hace ms de 100 aos construy
una pequea casa en madera y la coloc sobre cojinetes para demostrar que la estructura podra
ser aislada del movimiento ssmico. Se necesitaron los primeros cincuenta aos del siglo veinte
para el desarrollo de la teora de sistemas lineales y su aplicacin al campo de las vibraciones y
en particular a la dinmica estructural. La motivacin principal de este desarrollo era el motor de
combustin interno, usado tanto en automviles como en aviones, que produca altos niveles de
fuerzas dinmicas. Durante la Segunda Guerra Mundial, conceptos tales como aislamiento,
absorcin, y amortiguamiento de vibraciones, fueron desarrollados y aplicados efectivamente en
estructuras aeronuticas. Despus de la Segunda Guerra Mundial, la carrera armamentista y la
conquista del espacio fomentaron el desarrollo de la teora y aplicacin del control estructural en
problemas de seguimiento y estabilizacin (tracking), y problemas relacionados con estructuras
flexibles espaciales. Esta tecnologa rpidamente fue adaptada a la ingeniera civil en
aplicaciones de proteccin de puentes y edificios a cargas extremas de sismos y vientos.
En 1969 se construy el primer edificio con aisladores de goma en la base, en la La Escuela
Pestalozzi, en Skopia Macedonia, desde entonces un gran nmero de investigadores ha
desarrollado sistemas de control estructural para el control de la respuesta ssmica y
actualmente existen muchas construcciones con aisladores ssmicos en pases como Estados
Unidos, Japn, Nueva Zelanda, Italia, Francia, Canad, China, Turqua, otros y recientemente en
Chile y Colombia, en Per recin se aplicar esta tecnologa con la construccin del City Center
Quimera en la ciudad de Arequipa. Esta tecnologa se ha verificado el buen comportamiento de
estos sistemas, un ejemplo de la efectividad de la tcnica de aislamiento de la base es el hecho
de que de los 10 hospitales afectados en el terremoto de Los ngeles (enero de 1994), slo el
hospital con aislamiento de base, University of Southern California Teaching Hospital, continu
en servicio. Durante el sismo de Los ngeles, la aceleracin pico del suelo fue de 0.49 g,
mientras que las aceleraciones dentro del edificio estuvieron entre 0.10 g y 0.13 g.
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En Japn se aplic por primera vez en 1982 en una casa pequea, hasta antes de 1995 existan
85 edificios aislados, 35 de los cuales eran de propiedad de constructoras, centros de
investigacin, o de fabricantes de aisladores, durante Kobe (1995), dos estructuras aisladas
soportaron el movimiento ssmico sin problemas (Matsumura-Gumi, WJPSCC). Posteriormente
al terremoto de Kobe, el crecimiento de la aislacin ssmica en Japn es abrupto; 20 edificios por
mes, aproximadamente 600 edificios aislados en Japn para 1998, actualmente muchos edificios
importantes estn construidos con sistemas de aislamiento, tales como el Centro de
Computacin de la Empresa Elctrica Tohoku en Sendai, Provincia de Miyako.
Un proyecto de cooperacin entre el Earthquake Engineering Research Center (EERC), ahora
Pacific Engineering Research Center (PEER), de la Universidad de California en Berkeley, y la
Malaysian Rubber Producers Research Association (MRPRA), U.K, ha conducido a un programa
apoyado por la Organizacin de Desarrollo Industrial de la Naciones Unidas (UNIDO) para
desarrollar sistemas de aislamiento de bajo costo para pases en desarrollo, y actualmente hay
varios proyectos demostrativos en Indonesia, China y Armenia.
La primera aplicacin en EEUU es en 1985 (San Bernardino), durante Northridge (1994), cinco
estructuras fueron sometidas a movimientos significativos (p.e., USC, FCC), aproximadamente
40 edificios aislados en EEUU para 1998, el promedio de altura de edificios aislados antes de
1995 era entre 4 y 5 pisos, actualmente es en promedio mayor a 8 pisos.
Estados Unidos es otra potencia en esta tecnologa, que se ha aplicado en muchos edificios de
oficinas, viviendas y en edificios histricos como City Hall (Municipio) San Francisco, California,
Corte de Apelaciones de San Francisco, California, City Hall (Municipio) Los Angeles, California
En Chile tambin se ha implementado esta tecnologa y es el nico pas de Sudamrica que ha
investigado y patentado sistemas de aislacin ssmica que son producidos y ensayados 100% en
dicho pas.
Se presenta algunos de los edificios construidos con esta tecnologa : Edificio de vivienda social
de la comunidad de Andaluca construido entre los aos 1991 y 1992, la Clnica San Carlos de
Apoquindo, en el edificio de San Agustn en el 2002, ubicado en el Campus San Joaqun de la
Universidad Catlica, con cerca de 6.000 m 2 de construccin, en el nuevo edificio de la
Asociacin Chilena de Seguridad ubicado en la calle Vicua Mackenna, en el Hospital Militar,
cuya estructura tiene aisladores de 90 m. de dimetro y 30 de que son los ms grandes que se
han usado en Chile y uno de los ms grandes del mundo y son completamente hechos y
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ensayados en ese pas. Recientemente se construyeron con esta tecnologa el edificio para
VULCO en el 2005, con una superficie de 1.200 m 2 . El edificio de consultas de la Asociacin
Chilena de Seguridad, tambin del 2005, con 5.500 m 2. En 7 pisos y 3 subterrneos es el ms
alto en Chile.
En Colombia recientemente se ha implementado esta tecnologa en la clnica Comfandi de la
Caja de Compensacin Familiar en la ciudad de Cali, que se encuentra actualmente en
construccin y tendr un rea total construida de 47,000 m2. Esta estructura contar con 145
aisladores ssmicos, se estima que este ao (2011) entre en funcionamiento y se culmine la
totalidad de las etapas del proyecto en el ao 2015. Esta es la primera edificacin en Colombia
con este tipo de tecnologa y se espera que esta tecnologa sea aplicada en un edificios de
apartamentos de 8 pisos en Bogot, encaminado el uso de estos dispositivos en este pas.
Pero la aislacin smica en Colombia se est aplicando tambin a estructuras como puentes, en
estos casos se han usado asiladores de Pndulo de friccin, los puentes aislados con este
sistema son: Puente la Estampilla en Manizales (2008), Viaducto el Helicoidal- entre dos
quebradas y Santa Rosa.
En Ecuador la aplicacin de sistemas de control ssmico, por el momento solo se ha aplicado en
estructuras de puentes siendo el primero, el puente que unir Baha de Carquez con San
Vicente, gigantesca obra erigida por el Grupo de Trabajo Manab del Cuerpo de Ingenieros del
Ejrcito C.E.E., otro puente que actualmente se est construyendo es el Puente Esmeralda.
En el Per se aplicar por primera vez este sistema de control ssmico en la construccin del City
Center Quimera en la ciudad de Arequipa, un edificio de oficinas de 14 pisos que incluir un
hotel, institucin educativa y una clnica, y que demandar una inversin de US$ 40 millones de
dlares.
La construccin del City Center Quimera de 14 pisos en la Ciudad de Arequipa, representa el
primer antecedente de construccin de un edificio con la tecnologa de sistema de control
ssmico, que en este caso emplea aisladores en la base. Actualmente recin se han iniciado los
trabajos de excavacin para la cimentacin, pero se paraliz la obra para optimizar la aplicacin
de este sistema de control ssmico.
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1.3. DIAGNOSTICO SITUACIONAL La regin Lambayeque conforma una de las Macro Regin Norte con mejores potencialidades,
que en corto y mediano plazo se convertir en el polo de desarrollo del norte. Tiene una
ubicacin estratgica donde confluyen los pueblos del norte de la costa, sierra y selva,
concentrando el mayor movimiento comercial, industrial y econmico de todas estas regiones.
Adems, es el centro de un importante eje de vas de comunicacin, como la carretera
Panamericana y algunas vas de penetracin. Por todo esto, Chiclayo tiene una gran importancia
en el continuo desarrollo del pas. La interrupcin de sus actividades por un terremoto generara
cuantiosas prdidas y un desequilibrio econmico considerable, es por ello que es importante
conocer el riesgo ssmico de las edificaciones en esta regin, debido a la peligrosidad ssmica
por nuestra ubicacin en una zona de alta sismicidad y a la vulnerabilidad de las edificaciones,
para as establecer la importancia de aplicar una tecnologa antissmica de vanguardia cuya
efectividad se ha comprobado en pases desarrollados en los ltimos sismos ocurridos,
obtenindose un comportamiento ssmico adecuado de estas edificaciones protegidas
reduciendo as los daos de la misma y contenidos.
1.3.1. PELIGROSIDAD SISMICA La peligrosidad ssmica de la Regin Lambayeque es alta, principalmente por la
actividad de origen tectnica (iteracin de las placas de Nazca y Continental), actividad
de origen de fallas geolgicas en el sur de lado Oriental de la cordillera de los Andes, en
la que se identifican 2 zonas:
Zonas Activas y Superficiales: Segmento en el Sur de Oriental de los Andes.
Cordillera El Cndor- Jan (Amazonas Noroeste de Cajamarca)
Zonas activas de sismicidad intermedia superficial: Segmento Noroeste de Chimbote en la costa de Huaraz.
En la Regin Lambayeque los antecedentes que se tienen de sismos de magnitud
superior a 5 grados en la escala de Ritcher, se pueden clasificar:
Hasta antes de 1970: Se tiene perodos de ocurrencia cada 10 a 15 aos, siendo el
ltimo terremoto en la zona norte el que ocurri en el ao 1970 en el callejn de Huaylas
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- Huaraz, generando daos en la integridad fsica de la poblacin (muertos y heridos),
destruccin de viviendas, especialmente de adobe y de la infraestructura de los servicios
pblicos (agua, energa elctrica, alcantarillado), que afect en especial nuestro
Departamento de Lambayeque.
Despus de 1970, los registros que se tienen son solo de temblores, con una magnitud
menor a 4.5 grados en la escala de Ritcher, cada 2 3 meses.
En la Regin Lambayeque, como se puede apreciar en estos ltimos 40 aos, no se han
registrados sismos mayores de 5 grados en la escala de Ritcher, denotndose un
silencio ssmico que lgicamente permite concluir que se viene produciendo una
considerable acumulacin de energa, y se ha ido descuidando la proteccin bsica
frente a terremotos, hecho que sin dudas ocasionara prdidas de vidas humanas en la
poblacin as como daos materiales en la infraestructura existente, creando con ello,
incertidumbre, problemas de salubridad y migraciones de las poblaciones, y
obstaculizando el normal desenvolvimiento de la actividad socioeconmica en las zonas
afectadas.
Por otro lado el tipo de suelo predominante en la ciudad de Chiclayo y ciudades
aledaas es una Arcilla de baja plasticidad, de baja resistencia, en promedio de 8
ton/m2. De Capacidad Portante, con periodos predominantes del suelo entre 0.5 y 1.0
seg. Este tipo de suelo de no buenas caractersticas para la construccin aumenta la
peligrosidad ssmica, pues genera mayores amplificaciones del sismo en la superficie
que un suelo de mejores caractersticas, lo que ocasionara mayor dao en las
edificaciones.
1.3.2. VULNERABILIDAD SISMICA De acuerdo a un estudio realizado Evaluacin del riesgo ssmico del centro Histrico
Chiclayo y otros estudios similares en el medio, se puede decir que la vulnerabilidad
ssmica de las construcciones en la Ciudad de Chiclayo y en la Regin Lambayeque
dependen del sistema de edificacin, as:
La totalidad de construcciones de adobe presentan alta Vulnerabilidad, debido a que la
calidad estructural del adobe es psima, pues este material por su gran peso atrae una
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considerable fuerza ssmica, la cual no puede ser resistida por ser un material dbil, que
se comporta frgilmente ante movimientos horizontales, pues casi no posee ductilidad.
Las edificaciones de Albailera tienen Vulnerabilidad media a alta, debido a la muy
practicada autoconstruccin, o construccin informal.
En los edificios de concreto armado la vulnerabilidad es de baja a media, sin embargo
existe un considerable porcentaje de stas que tiene una vulnerabilidad alta, esto
tambin es debido a varios aspectos que disminuyen la calidad de estas estructuras,
como son los procedimientos constructivos deficientes con materiales de baja calidad y
sin supervisin tcnica, variedad de elementos no estructurales mal conectados al
sistema resistente, irregularidades en planta y elevacin, entre otros.
Ante esto, debido a la alta peligrosidad ssimica y vulnerabilidad de las edificaciones en
la Regin Lambayeque, existe un Alto Riesgo ante un sismo severo o raro, que
ocasionara una perdida social cuantiosa.
La edificaciones de concreto armado como el Edificio de Pabellones de Aulas y Laboratorios de Cmputo de la Facultad de Derecho, Hospitales, Colegios y otros, son menos vulnerables a los sismos que las edificaciones de albailera y adobe.
Esta edificaciones han sido diseadas considerando la filosofa y principios de diseo
Sismorresistente contempladas en la Norma E.030 del RNE, la cual reconoce que
reconoce que dar proteccin completa frente a todos los sismos no es tcnica ni
econmicamente factible para la mayora de las estructuras. Y establece que la
estructura no debera colapsar, ni causar daos graves a las personas debido a
movimientos ssmicos severos que puedan ocurrir en el sitio. Y debera soportar
movimientos ssmicos moderados, que puedan ocurrir en el sitio durante su vida de
servicio, experimentando posibles daos dentro de lmites aceptables.
En cambio en estructuras con proteccin ssmica, la tendencia mundial de filosofa de
diseo es que ante un Sismo Severo: No exista dao significativo a los elementos
estructurales ni dao masivo a los elemento no estructurales y contenidos, quedando en
servicio luego del evento ssmico, Y ante un Sismo Moderado NO EXISTAN DAOS EN
LOS ELEMENTOS ESTRUCTURALES, NO ESTRUCTURALES Y CONTENIDOS, esto
significa un desempeo muy superior frente a estructuras convencionales.
Es importante recalcar que incluso a travs de reforzar considerablemente las
estructuras convencionales es muy difcil alcanzar los objetivos de desempeo de una
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estructura con proteccin ssmica, esto se debe a que el aumento de resistencia en una
estructura
convencional, conlleva a la rigidizacin de la estructura lo que induce niveles de
aceleracin que dificultan el control de daos en contenidos, instalaciones y
terminaciones y por ende la funcionalidad del edificio.
Por lo anterior un edificio convencional no puede competir en seguridad con un edificio con Proteccin Ssmica. La implementacin de esta tecnologa en nuestro medio, especialmente en los Hospitales que son estructuras que deberan seguir en
funcionamiento luego de un sismo para la atencin de heridos, en los edificios Pblicos
como Universidades, Colegios y otros edificios que sern potenciales lugares de refugios
luego del sismo sera muy beneficiosa y disminuira la prdida de vidas, disturbios
sociales y prdidas econmicas.
1.4. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA El problema central identificado es: Riesgo Ssmico considerable de las edificaciones en la Regin Lambayeque.
Esto debido a que se encuentran ubicadas en una zona Ssmica de alta actividad, con
caractersticas de suelo que aumentan el riesgo y con configuracin estructural insuficiente
para soportar un sismo Severo sin presentar daos estructurales considerables, no acorde
con la tecnologa de vanguardia existente para la proteccin smica la cual se aplica cada
vez ms en pases como Japn, Estados Unidos, pases europeos, ahora en chile y otros
pases latinoamericanos, cuya rpida expansin en estos ltimos no ha sido posible
principalmente por la poca difusin de informacin.
1.5. HIPOTESIS Mejor desempeo Ssmico del edificio en estudio con aisladores, que el edificio sin estos
Dispositivos de control tal como est construidos, presentando aumento del periodo de la
estructura alejndolo del periodo principal del suelo, evitando as amplificaciones y
resonancia, as como la reduccin la fuerza cortante basal, disminucin considerable de las
distorsiones de entrepiso, disminucin de los esfuerzos en los elementos estructurales.
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1.6. OBJETIVOS
1.6.1. OBJETIVO GENERAL Comparar la respuesta Ssmica e una estructura convencional versus la estructura
similar aislada, para un caso en particular: Edificio de Pabellones de Aulas y
Laboratorios de Cmputo de la Facultad de Derecho UNPRG. De Lambayeque y as
determinar los beneficios de la aplicacin de esta tecnologa para las caractersticas de
nuestro medio y este tipo de edificaciones de mediana altura que son las predominantes.
1.6.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS Realizar una modelacin Dinmica en el Programa SAP2000 del edificio en
estudio con su configuracin actual conforme est construido
Determinar el Sistema de Proteccin Ssmico adecuado para el edificio en estudio y realizar una Modelacin Dinmica del sistema en el Programa SAP2000.
Realizar un anlisis comparativo de la respuesta estructural de la edificacin convencional y la estructura similar aislada.
Estimar el costo que significara utilizar un Sistema de aislacin en el edificio en estudio.
Difundir los aspectos bsicos de estas tecnologas, entre los profesionales relacionados, para que su uso beneficioso se extienda.
1.7. JUSTIFICACION La aplicacin de esta tecnologa de vanguardia como son los Sistemas de Control
Ssmico, en las construcciones de la Regin Lambayeque y dems Regiones del Per,
otorgara a estas construcciones una real proteccin ante sismos severos a los que estn
expuestos , muy superior a una estructura convencional, entregando una mayor seguridad a
las personas, disminuyendo daos en elementos estructurales, no estructurales y
contenidos, y teniendo presente la servicialidad de la estructura luego del evento ssmico, a
travs de un conocimiento controlado y conocido de sta, acorde a las nuevas filosofas
mundiales de diseo estructural.
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1.8. ASPECTO METODOLOGICO
Recopilacin de Informacin Tcnica Bibliogrfica.
Se realizar un modelo Dinmico en el Programa SAP2000-V14 para del Edificio de la Facultad de Derecho, tal como est construido. El anlisis ssmico se realizar con Respuesta Espectral y con un anlisis adicional de Tiempo Historia, para una comparacin ms completa con el sistema aislado.
Se Predimensionar los Aisladores Ssmicos para determinar sus caractersticas geomtricas y mecnicas las cuales sern utilizadas para realizar la modelacin Dinmica para el mismo edificio con aisladores en la base, utilizando el Programa SAP2000-V14. El anlisis ssmico se realizar con Respuesta Espectral y con un anlisis adicional de Tiempo Historia, para una comparacin ms completa con el edificio convencional.
Mediante un proceso iterativo se verificar que las dimensiones y caractersticas mecnicas de los aisladores considerados sean las adecuadas para resistir los esfuerzos a los que estarn sometidos.
Se realizar un Anlisis comparativo de las respuestas ssmicas entre el edificio convencional versus el mismo edificio con aisladores ssmicos en la base, para determinar los reales beneficios de la aplicacin de esta tecnologa en nuestro medio con las caractersticas particulares del caso.
Se estimar el costo del sistema de aislacin de acuerdo al nmero de aisladores considerados y sus dimensiones calculadas y su instalacin, teniendo como referencia los costos de este sistema en el Pas vecino de Chile.
1.9. ALCANCES Y LIMITACIONES Los alcances y limitaciones de este estudio son a nivel de comparacin de la respuesta
estructural ante los sismos para el edificio convencial y con aislacin en la base, utilizando
consideraciones de normativas de otros pases por no existir una norma especfica en el
Per para edificios con aisladores ssmicos.
Se disear solo el Sistema de Aislacin por ser necesario para la modelacin en el
Programa SAP2000, el presente estudio no contempla el diseo de los elementos
estructurales ,por lo tanto tampoco se determinar el presupuesto real del edificio aislado
para su comparacin con el presupuesto aprobado para la construccin de este edificio, solo
se realizar una estimacin ligera del costo que generara aplicar este sistema de aislacin.
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CAPITULO II
SISTEMAS DE CONTROL SSMICO EN EDIFICIOS
En este captulo se tratar de manera ligera los principales sistemas de control ssmico
de estructuras utilizados en el mundo, para luego tratar en un captulo especfico el sistema de
control ssmico de aisladores de base que son los utilizados en este proyecto por sus amplios
beneficios que se mencionan el captulo respectivo.
2.1. GENERALIDADES Las vibraciones estructurales producidas por sismos o viento pueden ser controladas mediante
sistemas de control estructural. Estos sistemas son mtodos alternos para disminuir las
solicitaciones (fuerzas internas) de una estructura, mejorando sus propiedades dinmicas con
base en esquemas de control pasivo, semiactivo, activo e hbrido. El uso de estas tcnicas de
control de respuesta ssmica tiene como objetivo reducir la demanda ssmica de la propia
estructura controlando su deformacin y, por lo tanto, su dao.
La comprensin del concepto fsico de conservacin de energa es bsica para el planteamiento
de innovaciones en cualquier sistema estructural. Los tres tipos de elementos que forman los
sistemas vibratorios son: elementos de inercia, que almacenan y liberan energa cintica y estn
asociados con la aceleracin del sistema; elementos de rigidez, que almacenan y liberan energa
potencial y estn asociados con la deformacin o desplazamientos; y elementos de disipacin,
que representan la prdida de energa en el sistema y estn asociados con la velocidad y
desplazamiento. La energa de respuesta de estos elementos iguala la energa externa
provocada por una excitacin del sistema por fuerzas y momentos externos, o por alteraciones
externas provenientes de desplazamientos iniciales prescritos o de velocidades iniciales.
Los sistemas de control de respuesta ssmica trabajan la disipacin de energa por medio de
amortiguamiento viscoso, friccin seca, friccin interna en los materiales, calor, sonido,
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amortiguamiento material o slido o histertico, o amortiguamiento de fluido, y disminucin de la
energa de excitacin con aisladores.
Algunas de las ventajas estructurales del uso de estos dispositivos son: reduccin de fuerzas
cortantes, aceleraciones y derivas en cada nivel, y reduccin de daos en elementos
estructurales y no estructurales. Adems de estas ventajas mecnicas se cuenta con los
beneficios arquitectnicos: espacios ms grandes y limpios, implementacin y uso de nuevos
materiales para elementos no estructurales, confort y seguridad a los usuarios.
2.2. TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROL ESTRUCTURAL Los japoneses y estadounidenses utilizan dos nomenclaturas diferentes de clasificacin de
acuerdo con el mecanismo de funcionamiento. Los japoneses los clasifican en cuatro categoras:
sistemas aislados en la base, sistemas de absorcin de energa, sistemas de efecto de masa y
sistemas de control activo.
Los estadounidenses plantean tres categoras: sistemas aislados, sistemas de disipacin pasiva
de energa y sistema de control activo. La diferencia entre las clasificaciones radica en que los
estadounidenses incluyen los sistemas de efecto de masa dentro de los sistemas de control
pasivo o activo de energa.
Ante estas diferencias, en la ISO 3010 International Standard Basis for design of structures
Seismic action on structures se plantea una clasificacin que pretende ser internacional, que
consiste en tres sistemas de control de respuesta ssmica: control pasivo, control activo e hbrido
y control semiactivo (tabla 1).
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2.2.1. Control pasivo
Los sistemas pasivos de control estructural (figura 1) emplean dispositivos pasivos que
responden al movimiento de la estructura y disipan la energa vibratoria del sistema estructural.
Un sistema de control pasivo no requiere una fuente externa de potencia. Los dispositivos de
control pasivo producen fuerzas en respuesta al movimiento de la estructura. La energa total en
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un sistema estructural controlado pasivamente, incluyendo los dispositivos pasivos, no aumenta
por dichos dispositivos.
Estos sistemas, que incluyen aisladores de base, amortiguadores viscoelsticos y
amortiguadores de masas, han sido empleados en la construccin sismo resistente de miles de
estructuras en pases como Estados Unidos, Japn, Nueva Zelanda, Italia, Canad, China, Chile,
Colombia, otros.
(figura 1)
Los sistemas de control pasivo comprenden: Sistemas de Aislacin Ssmica, Sistemas de
Disipacin de Energa y Sistema de Masa Adicional, las cuales se detallan a continuacin.
2.2.1.1. Sistemas de Aislamiento Ssmico
En el sistema de aislamiento ssmico en la base se instalan dispositivos, generalmente
en el nivel ms bajo del edificio, con el fin de que absorban, de forma parcial, la energa
impuesta por el sismo antes de que sea transmitida a la superestructura (figura 2). Entre los
dispositivos empleados en la tcnica de aislamiento ssmico en la base se cuenta con los
aisladores flexibles y los aisladores de friccin deslizantes o basculantes, combinados con
amortiguadores.
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Este es el tipo de aisladores utilizado en el presente estudio (Aisladores ssmicos
Elastomrico), por lo cual la informacin referente a este sistema ser tratada de manera ms
completa en el prximo captulo referente a Sistemas de Aislamiento Ssmico.
(figura 2)
El uso de los aisladores ssmicos hace que la energa ssmica se atene, de forma
parcial, antes de ser transmitida a la superestructura, haciendo que la energa total para
balancear por amortiguamiento propio del sistema, energa elstica y energa cintica
sea menor.
En el caso de los aisladores flexibles, la reduccin de energa ocurre por el aumento del
perodo de vibracin de la estructura, alejndolo del perodo de vibracin natural del
suelo. Por otro lado, los aisladores de friccin reducen la energa por medio del
deslizamiento entre el edificio y la cimentacin. Para edificios con perodos largos de
vibracin (edificios mayores a 15 pisos) el uso de aisladores no es muy recomendado, ya
que su presencia no implicara un cambio drstico en las fuerzas de entrada a la
superestructura. Los aisladores flexibles y los apoyos por friccin funcionan tambin
como sistema de transmisin de cargas verticales a la fundacin, por lo tanto, se debe
controlar su rigidez y resistencia vertical para evitar el colapso del edificio. En la (figura
3) se aprecia la instalacin de un aislador elastomrico en la cimentacin del edificio.
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(figura 3). Instalacin de aisladores elastomricos en la platea de cimentacin.
Los aisladores de elastmeros y los de caucho natural (figura 4) estn compuestos por
una serie de lminas de elastmeros o de caucho adheridas entre s, intercaladas o no
con lminas metlicas, con el fin de proveer capacidad para soportar cargas verticales y
confinar el ncleo que, por lo general, es de plomo. Las principales caractersticas que
debe cumplir este tipo de aisladores son la alta rigidez vertical, la flexibilidad horizontal,
la rigidez torsional, la durabilidad, la resistencia a cambios de temperatura y la
resistencia a fuerzas cortantes, propiedades que deben ser comprobadas en laboratorio
antes de ser utilizados en un edificio. En la (figura 5) se aprecia la instalacin de
aisladores elastomricos en un hospital.
(figura 4). Aislador de caucho natural
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(Figura 5). USC Teaching Hospital (USA)
En cuanto a los aisladores de friccin se cuenta con los apoyos deslizantes (figura 6 ) y
los apoyos basculantes tipo pndulo de friccin (figura 7). En los apoyos deslizantes las
columnas descansan sobre elementos de deslizamiento de tefln o acero inoxidable y se
genera amortiguamiento por friccin. Los apoyos basculantes consisten en una base
cncava sobre la que se colocan un patn esfrico articulado y una platina de cubierta.
La base cncava tiene la funcin de restaurar la posicin original del sistema, mientras
que las superficies deslizantes, esferas, disipan energa por friccin. El movimiento que
se produce en el dispositivo durante la accin de un sismo es similar al movimiento de
un pndulo.
(figura 6 ). Aislador de friccin con apoyo deslizante
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(figura 7 ). Aislador tipo pndulo de friccin
2.2.1.2. Sistemas de efecto de masa adicional
La tcnica de efecto de masa consiste en adicionar una masa al edificio para que vibre con la
misma frecuencia natural de vibracin de la estructura. Si la frecuencia del absorbedor adherido
a la estructura coincide con la frecuencia de excitacin, entonces la masa del sistema principal
permanece quieta, y el absorbedor genera en todo instante sobre la estructura fuerzas iguales y
contrarias a la excitacin (Frahm, 1909). Los TMDs han sido instalados en edificios tales como
las Petrona Twin Towers en Malasia, y el Oregon Convention Center (Figura 8) en Portland,
USA, y son efectivos para reducir las amplitudes de vibraciones producidas por trfico y viento.
(figura 8 ). Oregon Convention Center con sistema de TMDs
En los disipadores de masa sincronizada, la masa se adhiere a la estructura por medio de
resortes y amortiguadores que inducen fuerzas contrarias a la excitacin, reduciendo los
movimientos y desplazamientos impuestos por el sismo (figura 9). En el Japn se han dotado BACH. CARLOS STALIN ARTEAGA FAYA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL FICSA - UNPRG Pgina 21
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varias edificaciones con esta tcnica; la torre Landmark de Yokohama de 75 pisos (figura 10).
posee en su ltimo piso un amortiguador de masa sincronizada (tunned mass damper), para
controlar las vibraciones debidas al viento y al sismo, evitar problemas estructurales y otorgar
comodidad a los usuarios de la edificacin.
(figura 9 ). Tcnica de masa adicional
(figura 10 ). torre Landmark de Yokohama de 75 pisos
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Dentro de estos amortiguadores de masa sincronizada tambin se pueden considerar los de
lquido sincronizado (tunned liquid damper). Estos son amortiguadores que aprovechan la
frecuencia de vibracin del oleaje de un lquido contenido en tanques u otros depsitos que se
sitan, generalmente, en el ltimo piso de la estructura. El oleaje dentro del tanque produce una
serie de frecuencias de vibracin que reduce la respuesta de la estructura ante la excitacin. Una
variante de este tipo de amortiguadores es el amortiguador de columna de lquido sincronizado
(tunned liquid column damper), que imparte amortiguamiento adicional al disipar energa
mediante el paso del agua por unos orificios acompaado de una prdida de cabeza, para
mejorar el desempeo estructural de la edificacin. Ejemplos de estructuras con amortiguadores
de lquido sintonizado incluyen la torre del aeropuerto de Nagasaki, el Shin Yokohama Prince
Hotel en Japn, y la Torre Millenium en Japn (Figura 11), proyectada para tener 840 metros de
altura, utilizando agua en anillos perimetrales a diferentes alturas para minimizar las vibraciones
inducidas por viento.
(figura 11 ). Torre Millenium (a construirse en Japn)
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2.2.1.3. Sistemas de control pasivo con disipacin de energa Los Sistemas de control pasivo con disipacin de energa son dispositivos diseados para
absorber la mayora de la energa ssmica, evitando as que sta sea disipada mediante
deformaciones inelsticas en los elementos estructurales.
Estos sitemas se clasifican en cuatro categoras: histerticos, de fluidos, viscoelsticos y de
friccin (figura 12). Por lo general, se instalan en riostras diagonales dentro de los prticos de la
estructura o como complemento al sistema de aislamiento ssmico en la base, entre la fundacin
y la plataforma de aislamiento, como se mostr en la figura 2.
(figura 12). Tcnica de control pasivo con disipacin de energa
Entre los principales dispositivos para el control pasivo se resaltan por su economa y
funcionalidad los disipadores metlicos, histerticos, basados en deformacin plstica;
especialmente los de acero que, debido a su homogeneidad, se convierten en un tipo de
disipador de fcil caracterizacin mecnica. Algunos de los disipadores metlicos de acero
usados en el mundo son las placas a flexin, los amortiguadores torsionales de barras, los
anillos amortiguadores de fluencia y las riostras metlicas. En la (figura 13) se presenta una
estructura metlica donde se utilizaron amortiguadores de fluencia. BACH. CARLOS STALIN ARTEAGA FAYA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL FICSA - UNPRG Pgina 24
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(figura 13). Amortiguador de fluencia. Ski dome Japn.
La (figura 14 ) muestra un disipador de placas a flexin tipo ADAS, formado por un conjunto de
placas en forma de I dispuestas a flexin fuera de su plano donde concentran la energa por
deformacin plstica de la zona delgada. En la (figura 15) se muestran el disipador tipo TADAS y
el disipador tipo panel, constituido por placas alineadas que trabajan en su plano.
Figura 14. Disipador tipo ADAS. (Tomado de Aiken et al., 1993)
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Figura 15. Disipador histertico metlico. Tadas y tipo panel
Otra clase de disipador histertico la forman las riostras metlicas (figura 16). Estn constituidas
por un elemento rigidizador que contiene un dispositivo disipador compuesto por un ncleo de
acero, restringido lateralmente al pandeo por medio de un material de confinamiento, y un tubo
metlico externo. El ncleo de acero soporta las fuerzas transmitidas por la riostra, dndose la
disipacin de energa por fluencia, al verse sometido ya sea a efectos de flexin, cortante o
deformacin axial, dependiendo de la forma geomtrica de la riostra y de su instalacin en los
prticos. Un modo de falla puede ser ms eficiente que otro, de all la correcta eleccin del
dispositivo usado de acuerdo con el planteamiento estructural y arquitectnico de la edificacin.
Para el adecuado funcionamiento de la riostra como disipador de energa se requiere que no
haya adherencia entre el ncleo de acero y el material de confinamiento; de esta manera, slo el
ncleo toma y soporta las fuerzas. Como material de confinamiento se utiliza un mortero de
cemento Prtland.
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(Figura 16). Disipador tipo riostra metlica con restriccin al pandeo.
Los disipadores viscoelsticos no slo se han utilizado contra los sismos, sino tambin para el
control de vibraciones inducidas por viento. Los materiales viscoelsticos son generalmente
polmeros que, al ser deformados por cortante, ofrecen capacidad de disipacin de energa. La
(figura 17) muestra el esquema tpico de estos dispositivos en los que la disipacin tiene lugar
cuando existe desplazamiento relativo entre las placas de acero externas y el material
viscoelstico interno. En el diseo se deben tomar las previsiones necesarias contra los cambios
fuertes de temperatura, deformaciones excesivas y frecuencia de vibracin, ya que pueden
modificar el comportamiento del dispositivo.
Figura 17. Disipadores viscoelsticos (tomado de Kitamura et al., 1991)
Los disipadores de fluidos viscosos se basan en la respuesta elstica de un lquido viscoso. Uno
de los amortiguadores viscosos de mayor uso es el dispositivo compuesto por un pistn inmerso
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en un fluido viscoelstico. Al generarse un desplazamiento interno del pistn, el fluido es forzado
a pasar por un grupo de pequeos orificios, lo que da como resultado disipacin de energa. Este
dispositivo es muy eficiente, puesto que cubre un amplio rango de frecuencias, as que sirve para
un mayor rango de sismos. La (figura 18) muestra el esquema general de un disipador tipo
viscoso.
Su aplicacin en la ingeniera civil comenz en 1969 cuando aproximadamente diez mil
amortiguadores viscoelsticos fueron instalados en las torres gemelas (figura 18) del World
Trade Center en New York para reducir las vibraciones inducidas por viento.
Figura 18. Disipadores viscosos
Los disipadores de friccin trabajan por la friccin generada entre dos miembros mientras uno
desliza contra el otro, disipando la energa ssmica por calor. El diseador debe conocer el nivel
de fuerza exacto en que se rompe la esttica y comienza el deslizamiento entre las dos placas,
tanto para sismos pequeos como para grandes.
En los ltimos aos se han acondicionado numerosos edificios con estos dispositivos para
aumentar su proteccin ssmica, en particular en Canad y Japn. Entre los numerosos casos
est la estructura metlica de la Canadian Space Agency en Montreal y el Hotel Atami Korakuen
en Takenaka, Japn (figura 19).
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Figura 19. Hotel Atami Korakuen Japn, cuenta on disipadores de friccin.
2.2.2. Sistemas de control activo Un sistema de control activo requiere de una fuente externa de potencia para alimentar los
actuadores que aplican fuerzas a la estructura. Estas fuerzas pueden ser usadas tanto para
suministrar como para disipar energa en la estructura. En un sistema de control activo con
retroalimentacin, las seales enviadas a los actuadores de control son funcin de las
respuestas (normalmente movimientos) de la estructura, medidas con sensores fsicos.
Los sistemas de control activo son usados para atenuar la respuesta de estructuras sometidas a
excitaciones internas o externas, tales como maquinaria o trfico, vientos y sismos, para
aumentar la seguridad o nivel de comodidad de sus ocupantes. Estos sistemas normalmente
consisten en actuadores que imparten una fuerza o movimiento a la estructura, en direccin
opuesta a la vibracin (Figura 20). La accin apropiada de control se determina mediante la
medicin de la respuesta dinmica de la estructura. Actuadores tales como tendones activos,
tirantes activos, y sistemas de amortiguadores de masa activos, que pueden emplear accin
hidrulica, neumtica, o electromagntica, son empleados para el control estructural activo.
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Figura 20. Representacin de un sistema de control activo
El esquema describe el proceso. Los sensores instalados en la estructura miden las excitaciones
externas y la respuesta dinmica de la estructura; los dispositivos de procesamiento en tiempo
real procesan la informacin proveniente de los sensores y calculan las fuerzas de control
necesarias para estabilizar la estructura; finalmente los actuadores generan las fuerzas
necesarias para contrarrestar los movimientos ssmicos, tal como se muestra en la (figura 21).
Figura 21. Esquema del proceso de un sistema de control activo
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Las fuerzas de control pueden ser aplicadas a la estructura mediante una masa activa (AMD),
arriostres activos (ABS), o tendones activos. Los osciladores de masa activa (AMD) proporcionan
la forma ms simple y compacta de aplicar las fuerzas de control a una estructura. Los arriostres
y tendones activos requieren un diseo ms complicado y se encuentran actualmente en nivel
experimental.
El edificio Kyobashi Seiwa (figura 22) es la primera aplicacin a escala natural de la tecnologa
del control activo. Este edificio ubicado en Tokio, Japn, se termin de construir en 1989. El
sistema activo est conformado por dos osciladores AMD, uno principal para controlar el
movimiento transversal, y otro secundario para reducir los movimientos torsionales. El objetivo
del sistema instalado en el edificio es reducir las vibraciones producidas por vientos fuertes y
solicitaciones ssmicas moderadas, con el fin de incrementar el confort de sus ocupantes.
Figura 22. Ssitema activo AMD en el edificio Kyobashi Seiwa en Japn.
Una caracterstica esencial de los sistemas de control activo es que requieren una fuente externa
de energa para su funcionamiento y, por lo tanto, son vulnerables a cortes en el flujo elctrico, lo
que es altamente probable durante sismos. Estos sistemas pueden mejorar la respuesta
dinmica de una estructura pero una de sus grandes desventajas es que tambin lo pueden
empeorar en el sentido de que se pueden volver inestables e introducir energa cintica adicional
al sistema. Otras limitaciones del control activo es la dificultad de obtener un modelo adecuado
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de la estructura para el diseo del controlador y la dificultad en la medicin de desplazamientos y
velocidades de la estructura. Debido a lo anterior, la extensin del diseo estructural para
incorporar conceptos de control con retroalimentacin debe estar acompaada por un
compromiso con la investigacin y el desarrollo tecnolgico.
A pesar de que an existen varios aspectos no resueltos para la aplicacin de sistemas de
control activo en estructuras civiles, el futuro es prometedor y se ha avanzado significativamente
en la investigacin de las metodologas de control activo para estructuras, incluyendo control
ptimo, control estocstico, control adaptivo, control inteligente con lgica difusa y redes
neuronales, control de estructura variable, y control robusto. Las estrategias hbridas y de control
semiactivo tienen el potencial de proveer soluciones a varios de los retos de esta tecnologa.
2.2.3. Sistemas de control hbrido Las estrategias de control hbrido han sido estudiadas por varios investigadores debido a su
potencial de aumentar la fiabilidad y eficiencia de la estructura controlada. Un sistema de control
hbrido consiste en dos o ms dispositivos pasivos, activos o semiactivos. Debido a la
implicacin de mltiples dispositivos de control funcionando simultneamente, los sistemas de
control hbrido pueden aliviar algunas de las restricciones y limitaciones que existen cuando slo
uno de los sistemas es utilizado. Adems, el sistema de control hbrido puede ser ms fiable que
un sistema totalmente activo, aunque muchas veces resulta siendo ms complejo. En la (figura
23) se presenta el esquema de un sistema hbrido.
Figura 23. Esquema del proceso de un sistema de control hbrido.
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La investigacin en el rea de sistemas de control hbrido ha sido enfocada principalmente hacia
los sistemas hbridos con amortiguadores de masa (HMD) y sistemas con aislamiento de base
activo (figura 24). El oscilador hbrido HMD (Hybrid Mass Damper) es el resultado de la
combinacin de un oscilador resonante (TMD) y un actuador de control activo. Este dispositivo
se instal en el edificio Shinjuku Tower (Japn) (figura 25). La capacidad de este dispositivo
para reducir la respuesta estructural radica principalmente en el movimiento natural del oscilador
resonante. Las fuerzas de control generadas por el actuador son empleadas slo para mejorar el
desempeo del oscilador resonante, incrementando la eficiencia del sistema y permitiendo su
adaptabilidad a los cambios en las caractersticas dinmicas de la estructura.
Figura 24. Aislamiento de base con control activo del desplazamiento
Figura 25. Shinjuku Tower (Japn)
Sistema HMD implementado en el edificio (imagen derecha)
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2.2.4. Sistemas de control semiactivo Los sistemas de control semiactivo han recibido mucha atencin durante los ltimos aos debido
a que ofrecen la adaptabilidad de los sistemas de control activo sin las exigencias de energa
asociadas con stos. Muchos de estos sistemas semiactivos operan con la energa de una
batera, lo que puede ser muy favorable durante eventos ssmicos cuando la principal fuente de
energa elctrica puede fallar. Segn las definiciones, un dispositivo de control semiactivo no
puede aumentar la energa mecnica en el sistema controlado (incluyendo estructura y
dispositivo), pero tiene propiedades que pueden ser variadas dinmicamente para reducir la
respuesta de un sistema estructural. Por lo tanto, a diferencia de los sistemas de control activo,
los dispositivos de control semiactivo no pueden desestabilizar el sistema estructural.
Los sistemas semiactivos tienen un mejor rendimiento que los dispositivos pasivos y a veces an
mejor que los sistemas completamente activos, permitiendo as la posibilidad de una reduccin
efectiva de la respuesta de la estructura bajo una amplia gama de condiciones de cargas
dinmicas, en la (figura 26) se muestra la configuracin de estos sistemas.
Figura 26. Esquema del proceso de un sistema de control semiactivo.
Algunos ejemplos de estos sistemas son los dispositivos de friccin, dispositivos de lquidos
controlables, amortiguadores de fluidos con orificio variable, dispositivos de aleaciones con
memoria de forma, y dispositivos de fluidos controlables. La caracterstica principal de los
fluidos controlables es la habilidad que poseen para cambiar reversiblemente de un fluido
viscoso lineal a un semislido cuando son expuestos a un campo magntico o elctrico. El futuro
de estos fluidos para aplicaciones de control estructural es muy positivo. Los amortiguadores de
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fluidos con orificio variable permiten alterar la resistencia del caudal de un fluido hidrulico y han
sido efectivos para controlar la respuesta ssmica de edificios.
El dispositivo denominado VSD (variable stiffness) es un sistema prototipo de los sistemas
semiactivos que permite introducir o liberar la actuacin de un brazo rigidizador entre dos
plantas; Kajima Corporation construy en Japn un edificio de tres plantas equipado con este
dispositivo, capaz de resistir fuertes vientos y terremotos extremos, cuyo esquema de
funcionamiento se muestra en la (figura 27).
Figura 27 . Control estructural semiactivo mediante un amortiguador MR.
Los dispositivos de aleaciones con memoria de forma son otros sistemas con un gran potencial
para el control estructural semiactivo, ya que se pueden usar como sistemas de rigidez variable.
En la Universidad del Valle de Colombia se est investigando un sistema de control semiactivo
en aleacin con memoria de forma (AMF) Nquel- Titanio, el cual tiene la capacidad de cambiar
su rigidez en presencia de un estmulo (voltaje), con el fin de variar la frecuencia natural de la
estructura dependiendo de la frecuencia de excitacin, evitando la posibilidad de una situacin
de resonancia.
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2.3. PERSPECTIVAS DE LOS SISTEMAS DE CONTROL ESTRUCTURAL
En los ltimos 25 aos de historia de control estructural han sido propuestos y desarrollados
numerosos dispositivos para mejorar la respuesta de estructuras civiles sometidas a cargas
dinmicas. Actualmente ningn sistema o dispositivo en particular es el mejor para todos los
diseos y, en consecuencia, se han presentado una gama de alternativas en va de desarrollo.
Es importante enfatizar que esta tecnologa an est evolucionando y se esperan mejoras
significativas tanto en los dispositivos como en los procedimientos correspondientes de diseo
en los prximos aos. En particular, la incorporacin de requisitos en los cdigos de construccin
para la implementacin de estos sistemas de control estructural es un paso que ya se est
dando en pases como Estados Unidos y Japn.
Una de las recomendaciones para un buen diseo estructural consiste en minimizar la energa
mecnica en la estructura, que se compone de la energa cintica y la energa potencial o de
deformacin. Para una estructura completamente rgida, la energa cintica es mxima y la
energa potencial o deformacin es cero. Por otro lado, para un sistema ideal, completamente
aislado en la base, se tendr cero de energa cintica y cero de energa potencial o de
deformacin. Si la energa de deformacin es cero, la estructura no tendra forma de fallar
(Wilson, 2000). Con este razonamiento simple, se confirma la validez del uso de los sistemas de
control de respuesta ssmica en el diseo de edificaciones.
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CAPITULO III
AISLAMIENTO SSMICO DE BASE
En este captulo se tratar ms a fondo el aislamiento ssmico de base y particularmente los
aisladores elastomricos con ncleo de plomo, que son los que se ha utilizado en este proyecto.
Los aisladores de base se basan en el concepto de la reduccin de la demanda ssmica. Estos
sistemas tienen como finalidad aislar la cimentacin de la superestructura. Al colocarlos se
alarga considerablemente el perodo fundamental de vibracin de la estructura llevndolo a
zonas en donde las aceleraciones espectrales son reducidas y, consecuentemente, las fuerzas
que producen resultan de menor cuanta. Como la frecuencia disminuye, las aceleraciones
introducidas disminuyen al igual que los efectos dainos del movimiento del suelo en la
estructura. El mayor beneficio se encuentra en estructuras con perodos del orden de un
segundo o un poco menor, o edificios con ciertas caractersticas en donde se acenta la torsin.
Existen varios tipos de aisladores de base, pero los ms conocidos son los aisladores
elastomricos convencionales, aisladores ssmicos con ncleo de plomo y los aisladores de
pndulo friccional. Algunas de las razones de su amplio uso como sistemas de proteccin
ssmica son:
El respaldo terico y experimental que existe en los tres sistemas, existen estudios de
importantes autores y universidades que permiten contar con datos confiables y
comprobados. Adems estos estudios y experimentaciones se vienen realizando hace
ya bastantes aos.
La mayora de los edificios aislados en el mundo estn sobre algn tipo de estos
aisladores, existiendo parmetros de comportamiento. Ellos han demostrado
proporcionar un buen desempeo ssmico en las estructuras en que se han
implementado, visto tanto en los sismos de Northridge (Los ngeles, 1994) y Kobe
(Kobe, 1995), mostrando las bondades de esta alternativas en cuanto a aumentar
considerablemente el nivel de seguridad para las estructura, las personas y la
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operabilidad despus de un sismo, un ejemplo de ello es que de los 10 hospitales
afectados en el terremoto de Los ngeles (enero de 1994), slo el hospital con
aislamiento de base, University of Southern California Teaching Hospital, continu en
servicio. Durante el sismo de Los ngeles, la aceleracin pico del suelo fue de 0.49 g,
mientras que las aceleraciones dentro del edificio estuvieron entre 0.10 g y 0.13 g.
Figura 28 . Espectro de aceleracin para distintos valores de amortiguamiento.
3.1. TIPOS DE AISLADORES DE BASE Como se indic anteriormente, los aisladores de base ms usado en la mayora de pases son
tres: aisladores elastomricos, aisladores de goma con ncleo de plomo y los aisladores
friccionales.
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3.1.1.- AISLADORES ELASTOMERICOS (LDR) El apoyo de goma laminada est compuesto por capas alternas de goma y placas de acero
unidas entre s por un proceso de vulcanizacin, como se muestra en la (figura 29) De este
modo, la rigidez del apoyo es controlada por el espesor de las capas de goma. As, mientras ms
gruesas son estas capas ms flexibles es el apoyo en la direccin horizontal. En cambio, la
rigidez vertical del apoyo es controlada por la alta rigidez en planta de las placas de acero que
inhibe la expansin lateral de la goma que resulta de la presin vertical El apoyo de goma tiene
dos funciones, flexibilidad y amortiguamiento como una propiedad intrnseca de la misma goma,
la cual consecuentemente elimina la necesidad de sistemas de apoyo y amortiguamiento por
separado. Esta simplicidad provee varias ventajas, incluyendo una reduccin en el costo
concerniente a dispositivos, construccin y mantencin.
Figura 29. Esquema Aislador Elastomrico. (Desarrollo y fabricacin de aisladores ssmicos para Edificio
Habitacional)
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3.1.2.- AISLADORES DE GOMA CON NUCLEO DE PLOMO (LRB) Los aisladores con ncleo de plomo son conexiones multicapas de goma y acero intercaladas
parecidas al LDR, pero estos tienen uno o ms orificios circulares en donde se introducen los
tapones de plomo, para entregar mayor amortiguacin al sistema de aislacin. Por lo general el
sistema cuenta con un solo ncleo de plomo inserto en el centro del aislador. Un corte
esquemtico de un LRB es presentado en la (figura 30)
Figura 30. Corte esquemtico de aislador con ncleo de plomo donde se aprecia la disposicin de las lminas
de goma-acero, y del ncleo de plomo.
El uso de los aisladores elastomricos convencionales resulta eficiente en trminos de incorporar
flexibilidad a la estructura y aumentar el perodo, pero no consiguen agregar una cantidad
importante de amortiguamiento adicional y presentan deformaciones considerables ante cargas
deservicio. Estas consecuencias negativas se logran remediar incorporando un ncleo de plomo
al dispositivo, dadas las buenas propiedades mecnicas que posee el plomo. Entre las
caractersticas del plomo que influyen en el buen comportamiento de estos aisladores, se puede
mencionar la baja tensin de fluencia (10 Mpa aproximadamente), una alta rigidez inicial al corte
(G cercano a 130 Mpa), un comportamiento elasto-plstico y buenas condiciones de fatiga ante
ciclos de carga. Adems, la baja tensin de fluencia implica que una vez alcanzado tal nivel de
esfuerzos, la rigidez del aislador ser igual a la de la goma.
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Debido a las ventajas que presenta este tipo de aislador, se ha elegido para realizar la
modelacin del edificio en estudio y as cuantificar los beneficios reales de aplicar esta
tecnologa para la proteccin de la edificaciones, de sus contenidos y sobre todo de las personas
que las habitan. En la (figura 31) se muestra el Hospital de la Universidad de Kyorin
Figura 31. Hospital de la Universidad de Kyorin
3.1.3.- AISLADORES DE FRICCION (FPS) Este tipo de aisladores utilizan las caractersticas de un pndulo simple para incrementar el
periodo natural de una estructura aislada, el periodo de la estructura se selecciona simplemente
escogiendo el radio de curvatura de la superficie cncava del aislador. Bsicamente estos
dispositivos son de acero inoxidable y constan de una superficie cncava, un patn esfrico
articulado y una platina de cubierta (figura 32). Durante un sismo, el patn articulado se desliza
en la superficie cncava generando en la estructura soportada pequeos movimientos de
pndulo. La disipacin de energa se logra mediante la fuerza de friccin dinmica, la cual
genera el amortiguamiento necesario para absorber la energa de entrada. En consecuencia, las
fuerzas y movimientos laterales transmitidos a la estructura se reducen en gran proporcin, pues
las grandes deformaciones de desplazamiento son soportadas por los aisladores.
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Figura 32. Aislador de friccin pndulo simple
El uso de los aisladores tipo Pndulo Friccional cada vez es mayor, estos dispositivos han sido
implementados con xito en Edificios, puentes, aeropuertos, complejos industriales, plataformas
de perforacin petrolera e inclusive en obras de arte.
El Pasadera City Hall en California es un claro ejemplo de que los aisladores de base funcionan
muy bien cuando son incorporados en estructuras ya existentes. Este emblemtico edificio sufri
daos tras el sismo de Northridge en 1994 y a partir de esa fecha comenzaron las
investigaciones para determinar cual era la mejor alternativa para protegerlo contra eventos
ssmicos futuros. Uno de los principales retos que tuvieron los investigadores y diseadores fue
que la estructura estaba dentro de la lista de patrimonios culturales, por lo tanto, las
intervenciones estructurales de ninguna manera
podan modificar su arquitectura.
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Figura 33. Pasadena City Hall, California
El Aeropuerto Internacional de San Francisco fue diseado para resistir un sismo de magnitud 8,
considerando su cercana a la falla de San Andrs. Los 267 Pndulos de Friccin, protegen a
este edificio de los movimientos severos de la tierra cuando ocurre un sismo fuerte. Este sistema
de aislamiento ha sido el de menor costo, y provee el comportamiento ssmico deseado. El uso
de aisladores tipo FPS en lugar de aisladores elastomricos, ha permitido la disminucin en el
tamao de vigas y columnas, con lo cual se ahorraron 600 toneladas adicionales de acero
estructural.
Figura 33. Aeropuerto Internacional de San Francisco
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3.2. COMPORTAMIENTO DE LOS AISLADORES ELASTOMERICOS Un apoyo flexible produce que el perodo de vibracin del sistema total se incremente lo
suficiente para reducir la respuesta. La (figura 34) muestra uno de los principales fundamentos
de la aislacin ssmica. Donde la flexibilidad adicional produce una rpida reduccin en la
aceleracin transmitida a la estructura aislada con el aumento del perodo. Este efecto es
equivalente al edificio que se aproxima al estado donde quedan fijos en el espacio mientras la
tierra se mueve de un lado para otro bajo l. Con ello se hacen substanciales reducciones de
corte basal, ya que el perodo de vibracin se alarga, pero el grado de reduccin depende del
perodo inicial de la base fija y de la forma de la curva del espectro de respuesta.
Figura 34. Efecto del perodo y el amortiguamiento sobre la aceleracin
Sin embargo, el aumento de flexibilidad produce grandes desplazamientos por efecto de la
fundacin flexible. En la figura 35 se muestra una curva idealizada de respuesta de
desplazamiento, donde se aprecia que ste aumenta con el aumento del perodo y el
efecto del amortiguamiento para controlar el desplazamiento. Estos grandes
desplazamientos pueden ser reducidos si se introduce un amortiguamiento adicional a
nivel de fundacin.
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Figura 35. Efecto del periodo y amortiguamiento sobre el desplazamiento
En la (figura 36), se presentar un grfico de factor de reduccin de la respuesta espectral, valor que deber
multiplicarse al espectro para su modificacin de acuerdo al amortiguamiento del sistema de aislacin.
Figura 36. Factor de modificacin de respuesta espectral 1/BD y parmetro de reduccin de desplazamiento
B0
En la (Figura 37) se puede apreciar como en la estructura convencional las deformaciones
se dan mayormente en la estructura. En tanto, en la (Figura 38) , las deformaciones se dan BACH. CARLOS STALIN ARTEAGA FAYA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL FICSA - UNPRG Pgina 45
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casi en su totalidad en la base, con mnimas deformaciones en la superestructura. Si
observamos la (Figura 39) la deformada es triangular y la (Figura 40) es cercana a un
rectngulo, de esto tambin podramos decir que la estructura convencional presenta
amplificaciones, en la aceleracin y desplazamientos, segn la altura del edificio va
aumentando, mientras que la estructura aislada no presenta amplificaciones de este tipo.
Figura 37. Estructura convencional Figura 38. Estructura con aislacin ssmica
Figura 39. Deformacin en la estructura convencional Figura 40. Deformacin en la estructura con
aisladores
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CAPITULO IV
CARACTERIZACIN ARQUITECTNICA Y
ESTRUCTURAL DEL EDIFICIO
4.1. CARACTERIZACIN ARQUITECTNICA Y ESTRUCTURAL DEL EDIFICIO TRADICIONAL
El edificio de pabellones