rehabilitaciÓn estructural de un edificio de 16 … · disipadores de energÍa viscosos no...

1

Sociedad Mexicana de Ingeniería EstructuralSociedad Mexicana de Ingeniería Estructural

REHABILITACIÓN ESTRUCTURAL DE UN EDIFICIO DE 16 NIVELES MEDIANTE

DISIPADORES DE ENERGÍA VISCOSOS NO LINEALES.

Rogelio López Vázquez1, Tomás Castillo Cruz1, Rogelio Simón Velázquez1, Eduardo Arellano Méndez2, Consuelo Gómez Colín3, Jaime Novales Gudiño3.

RESUMEN

Se presenta el proyecto de la rehabilitación estructural de un edificio de concreto reforzado de 16 niveles ubicado en la zona de transición del valle de México, mediante la implementación de 76 disipadores de energía viscosos no lineales. Se evaluaron las condiciones de riesgo en las que se encontraba la edificación a través de levantamientos físicos del edificio y estudios de campo para determinar las características dinámicas del sitio. El objetivo del proyecto fue definir un arreglo del sistema de disipación con un costo competitivo en comparación a los métodos tradicionales de reparación.

ABSTRACT

A project for the structural rehabilitation of a reinforced concrete building is presented. The rehabilitation is based out of the implementation of 76 nonlinear viscous dampers. The structure is placed on the transition zone of the valley of Mexico. A general overview about the physical conditions of the structure was made. Several field studies were made such as material strength test, ambient vibration measurements and nonlinear static analysis. The goal of the project was to define a configuration for the damping system which could resist the seismic demand and at the very same time it should be an economic solution.

______________________________ 1 RLV INGENIEROS, Insurgentes Norte 1317 int 303, Guadalupe Insurgentes, Gustavo A. Madero, México D.F., C. P. 07870 México D. F. Tel. 36196162 [email protected], [email protected], [email protected] 2 Universidad Autónoma Metropolitana, Unidad Azcapotzalco, Av. San Pablo Xalpa No. 180, Colonia Reynosa Tamaulipas, Delegación Azcapotzalco, C. P. 02200 México D. F. Tel. 53189085 [email protected] 3 ALDECA-CTBR, Parque Vía # 190, Colonia Cuauhtémoc, Delegación Cuauhtémoc, México D.F. C.P. 02200, [email protected], tel 52442078.

XIX Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puerto Vallarta, Jalisco, 2014

2

INTRODUCCIÓN Derivado de los cambios en las características dinámicas del subsuelo de la ciudad de México ocurridas como consecuencia de la extracción de agua, así como de un posible daño acumulado de las estructuras construidas antes del año 1985, se empiezan a presentar los casos de edificios que tuvieron un comportamiento adecuado incluso durante el sismo de 1985, pero que sin embargo, en eventos recientes han manifestado deficiencias. Esta condición obliga a los ingenieros a enfrentar la problemática desde diferentes puntos de vista como son los tiempos de rehabilitación, costos de obra, así como la implementación de técnicas de reparación innovadoras tales que no se interrumpa con la operación de las estructuras. En los últimos años ha habido un desarrollo importante en diferentes partes del mundo de nuevas tecnologías para reducir los efectos de los sismos en las edificaciones, México no es la excepción, sin embargo existe un desfase importante entre lo que se ha desarrollado a nivel de investigación y lo que se ha logrado implementar en la práctica profesional. Esto se debe, entre otras cosas a que las nuevas tecnologías suelen ser demasiado costosas y resulta inviable implementarlas en estructuras "convencionales" cuyo presupuesto para su reparación tenga poco margen de variación respecto a lo que se maneja de manera tradicional. En este artículo se presenta el proyecto de rehabilitación de una estructura de 16 niveles rehabilitada mediante la instalación de amortiguadores viscosos no lineales. El incremento del porcentaje de amortiguamiento crítico aunado a un refuerzo específico del edificio, permiten controlar de manera adecuada el comportamiento de la estructura, logrando así que su respuesta sísmica cumpla con lo establecido en la normativa vigente. OBJETIVO Definir un sistema de disipación de energía sísmica para la rehabilitación un edifico de 16 niveles ubicado en la zona de transición tal que el comportamiento dinámico de la estructura cumpla con la normativa técnica vigente, así mismo, el proyecto de rehabilitación del edificio resulta económicamente comparable con los sistemas tradicionales de rehabilitación a la vez que se ajusta a los índices de inversión establecidos por el propietario del inmueble. ANTECEDENTES Se estudia el caso de un edificio de 16 niveles repartidos en un Semisótano, Planta Baja, 2 niveles de estacionamiento superiores, 12 niveles de oficinas y un Pent-House, más tanque de agua y cuartos de equipos. La altura de entrepiso tipo es de 3.2 m medidos de piso terminado a piso terminado lo que da un total de 56.0 [m] medidos a partir del nivel de banqueta. La estructura fue diseñada mediante marcos rígidos en dos direcciones ortogonales integrados por trabes y columnas de concreto reforzado. El sistema de piso es de vigueta y bovedilla prefabricada de concreto, con una capa de compresión de 7 cm de espesor. En la figura 1a se muestra una vista en elevación de la estructura. El edifico se terminó de construir en el año de 1983 (ver figura 1b), año en el cual comenzó su operación inmediata. Durante el sismo del 19 de septiembre de 1985 la estructura se comportó adecuadamente sin que se generaran daños visibles en sus elementos estructurales. En términos generales la estructura representa un ejemplo típico del tipo de construcciones realizadas en las décadas de los años sesenta a ochenta del siglo pasado. De acurdo con las Normas Técnicas Complementarias para Diseño por Sismo del 2004, el edificio se localiza sobre terreno de transición, con un periodo dominante del suelo entre 1.3 y 1.4 [s] y profundidad aproximada de los depósitos firmes, Hs=27 [m]. En la figura 2a a 2d se muestra la localización del edificio en una vista aérea así como en los diferentes mapas incluidos en las normas técnicas.

3


Figura 1a. Vista en elevación de Figura 1b. Placa de uso y ocupación

la estructura en estudio original del edificio

Figura 2a. Localización del sitio en estudio Figura 2b. Ubicación del predio dentro de la Zonificación sísmica del D.F. Zona IIIa.

Figura 2c. Ubicación aproximada sobre Figura 2d. Profundidad de los depósitos terreno con periodo Ts=1.4 [s] profundos en el sitio de interés. Hs=27 [m] DAÑOS PRELIMINARES EN LA ESTRUCTURA Y ESTUDIOS DE CAMPO El 20 de marzo del 2012 a las 12:00 hrs. (hora local), ocurrió un sismo con magnitud de 7.4 con epicentro ubicado a 29 kilómetros al sur de Ometepec, en el estado de Guerrero. De manera general puede decirse que las aceleraciones máximas que produjo este sismo en la superficie de la ciudad fueron del orden de 40 [gal]


4

(0.04 g). No obstante este último dato, el edificio presentó fisuras en gran cantidad de trabes sobre todo en la dirección longitudinal del inmueble. Dichos daños resultaban contradictorios con el comportamiento que la estructura había exhibido en años anteriores. A fin de conocer las condiciones reales en las que se encontraba el edificio, se llevaron a cabo múltiples inspecciones y estudios tanto de la estructura como del terreno de desplante mismos que se describen a continuación. Inspección estructural Derivado de una serie de inspecciones físicas llevadas a cabo se pudieron establecer las siguientes observaciones.

• Se aprecia una ligera emersión del edificio con relación a la banqueta general del orden de 20 cm. • Se aprecian fisuramientos en trabes como consecuencia de esfuerzos de flexión y corte. • No se aprecian roturas de vidrios, ni descuadre de ventanas o puertas. • Las columnas no presentan fisuras o daños. • Los sistemas de piso presentan en general un buen aspecto, salvo algunas bovedillas quebradas,

aparentemente las roturas no son recientes. Se realizaron también muestreos con esclerómetro de los cuales se obtuvieron resistencias del concreto entre 350 y 420 kg/cm2, tanto para trabes como para columnas y muros. Así mismo, se realizaron calas en los elementos estructurales principales con las cuales se determinó que las trabes se encuentran reforzadas longitudinalmente con cuantías de acero de un 0.284% a un 0.507% y estribos del #3 con separaciones que van de los 10, 15, 20 y hasta 25 cm. En el caso de las columnas, la cuantía de acero vertical va del 1% al 1.7% y los estribos del #3 con separaciones que van de los 10 hasta los 30 cm. Los muros de concreto presentan armados en general con varillas del #3@25 y @35 cm en ambas direcciones. En la figura 4a y 4b se muestran algunas de las calas llevadas a cabo en trabes y columnas.

Figura 4a. Cala en columna Figura 4b. Cala en trabe La revisión de la resistencia de los diferentes elementos estructurales de concreto y de mampostería, se realizó siguiendo los criterios de las Normas Técnicas Complementarias respectivas, llegando a las siguientes conclusiones:

• Los muros de concreto reforzado en la planta baja, presentan una deficiencia de hasta un 30% en el acero requerido por cortante.

• Las columnas presentan deficiencias de hasta un 80% en el acero de refuerzo vertical. • Las trabes presentan deficiencias de hasta un 100% en el acero de refuerzo longitudinal. • Los muros de mampostería presentan deficiencias en la resistencia a cortante de hasta más del 200%

5


• Los esfuerzos en la cimentación exceden hasta en más del 80% la capacidad de la misma Por lo tanto se requirió desarrollar un proyecto de rehabilitación estructural. Propiedades dinámicas de la estructura y del suelo Se realizó un estudio de sitio para determinar el periodo del terreno actual así como los periodos de vibrar del edificio en sus dos direcciones principales y en su modo rotacional. Como resultado de estas mediciones se obtuvieron las características dinámicas presentadas en la tabla 1. Se puede observar, las características dinámicas del terreno han cambiado desde los datos publicados en las NTC de sismo del 2004 a la fecha, bajando de aproximadamente 1.3 a 0.97 [s].

Tabla 1. Resultados del estudio de sitio Características dinámicas del terreno Ts= 0.97 [s]

Características dinámicas de la estructura Dirección transversal 2.17 [s]Dirección longitudinal 1.23 [s]Modo rotacional 0.87 [s]

Como puede verse en la tabla 1, tanto el periodo en dirección longitudinal como el periodo rotacional presentan valores muy cercanos al periodo fundamental del terreno, lo cual muy probablemente fue la causa que originó los daños en el edificio debido al fenómeno de resonancia. De los resultados del estudio de sitio se puede concluir que las características dinámicas del edificio al inicio de su operación se encontraban desacopladas respecto a las características dinámicas del terreno de desplante. Sin embargo, con el paso de los años el periodo del terreno se fue rediciendo debido a diferentes causas entre las cuales podemos incluir la extracción de agua del subsuelo de la ciudad, de tal manera que actualmente las propiedades dinámicas del terreno y las de la estructura (en el sentido longitudinal y rotacional) se encuentran muy cercanas generándose así amplificaciones importantes en la respuesta sísmica del edificio. De este mismo estudio se obtuvo también un espectro de sitio para estimar las aceleraciones máximas que podrían esperarse en el terreno. Se consideraron tres fuentes sismogénicas: de falla normal, de subducción y de falla local. La respuesta superficial del sitio en estudio se obtuvo mediante un análisis de propagación de ondas generándose así una familia de sismogramas sintéticos en el sitio con diferentes orígenes y magnitudes. En la figura 5 se muestra tanto el espectro de sitio como los espectros de respuesta de los diferentes sismogramas sintéticos obtenidos. Se muestra también una comparativa con el espectro de diseño de las Normas Técnicas Complementarias para diseño por Sismo de la zona IIIa.

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0Periodo [s]

0.6

0.4

0.2

0.0

Coe

ficie

nte

sísm

ico

[a/g

]

Sismo del 19/sep/85 EWSismo de subducciónSismo de falla normalSismo de falla localNTC-Zona IIIaEspectro de sitio

Figura 5. Espectro de sitio y espectros de respuesta de los sismogramas sintéticos


6

PROPUESTAS DE REHABILITACIÓN ESTRUCTURAL Dadas las condiciones actuales de la ciudad, es de esperarse que el periodo fundamental del terreno todavía siga reduciéndose con el paso de los años. Esta última observación fue importante para la toma de decisión respecto al sistema de rehabilitación implementado en la estructura. Se analizaron y discutieron diferentes alternativas para la rehabilitación de la estructura, en cada uno de los casos se tuvieron que definir tanto las limitaciones técnicas y logísticas así como el impacto económico que cada sistema tendría en la edificación. A continuación se describe brevemente algunas de las soluciones consideradas en el proyecto de rehabilitación. Aumento de resistencia y rigidez mediante encamisado de concreto o metálico De acuerdo con los antecedentes de este tipo de casos, buscar que la estructura existente cumpla la normativa, obliga a aumentar de manera significativa las secciones de al menos una parte de la estructura, ya sea que se resuelva con macro-marcos o con un refuerzo generalizado, lo que conlleva a un significativo aumento en la rigidez del edificio y en consecuencia en las descargas a la cimentación, obligando a una re-cimentación. De acuerdo con las estimaciones de este caso, este tipo de rehabilitación tendría un costo del orden de entre $4,000.00 y $5,500.00/m2, incluyendo los costos de la re-cimentación. Eliminación de pisos Al analizar esta opción, se encontró que para que la estructura existente pudiera cumplir la normativa vigente, en el sentido longitudinal se requiere eliminar 6 pisos, sin embargo, al reducir la altura se reduce también el periodo en el sentido transversal, lo que hace crítico el sismo en esa dirección ya que aumenta significativamente la ordenada espectral. Esta opción reduce también de manera significativa la rentabilidad del inmueble, por lo que fue rechazada por el propietario. Aumento del amortiguamiento y desacoplamiento del 66% de los muros de mampostería Es bien conocido el efecto de aumentar el porcentaje de amortiguamiento crítico en una estructura: Al implementar un sistema a base de amortiguadores viscosos se tiene la ventaja de no aumentar significativamente la rigidez y en consecuencia las fuerzas en la cimentación tampoco se ven alteradas ya que el máximo trabajo de los amortiguadores se presenta con la ocurrencia de los desplazamientos mínimos de los entrepisos y viceversa. Al aumentar el amortiguamiento de la estructura sin modificar su rigidez, se conservaría en la dirección transversal la ventaja de que el periodo del edificio cae en la rama descendente del espectro de sitio. En contraste en la dirección longitudinal todavía se tiene la desventaja de que el periodo de la estructura permanece dentro de la meseta del espectro de sitio. Por tal razón, se propuso desconectar los muros de mampostería para desacoplar la respuesta sísmica del edificio respecto al movimiento del terreno. Al desconectar los muros de mampostería de los marcos de concreto, se induce un aumento en el valor del periodo asociado al primer modo de vibrar del edificio en dirección longitudinal, lo que elimina los efectos de resonancia que hoy en día se presentan. Las propiedades dinámicas de la estructura con las modificaciones descritas se presentan en la tabla 2. Se puede observar el periodo en la dirección longitudinal se aleja de los picos en los espectros de respuesta.

Tabla 2. Propiedades dinámicas modificadas de la estructura Características dinámicas de la estructura Dirección transversal 2.03 [s]Dirección longitudinal 1.53 [s]Modo rotacional 1.28 [s]

De esta manera, y después de realizar una serie de análisis descritos más adelante, se decidió rehabilitar la estructura mediante la instalación de 76 disipadores de energía viscosos no lineales, de 600 [kN] y 800 [kN] de capacidad, distribuidos en las dos direcciones principales.

7


DISEÑO DEL SISTEMA DE REHABILITACIÓN No obstante las bondades que ofrecen este tipo de dispositivos, se debe tener en cuenta que la reglamentación vigente de nuestro país no contempla los criterios de análisis y diseño necesarios para el estudio de estructuras habilitadas con disipadores de energía, en su lugar, abre la posibilidad de que el ingeniero estructurista pueda llevar a cabo los análisis y estudios que considere necesarios a fin de determinar adecuadamente el comportamiento de estructuras especiales o poco convencionales. Para llegar a definir el proyecto de rehabilitación de manera integral, se tuvieron que realizar diferentes estudios previos los cuales se describen a continuación. Capacidad de carga de la estructura Se llevó a cabo un análisis estático no lineal, Push-Over, mediante el cual se determinó el nivel de deformación lateral a partir del cual comienzan a presentarse articulaciones en los elementos estructurales del edificio. Derivado de este análisis, se pudo fijar un desplazamiento permisible de la estructura de 16 cm en el sentido longitudinal y de 20 cm en el sentido transversal. En la figura 6 y 7 se muestran las curvas fuerza vs deformación del edificio.

450 ton

Figura 6. Cortante vs Desplazamiento. Dirección longitudinal

1350 ton

Figura 7. Cortante vs Desplazamiento. Dirección transversal


8

Sismos de diseño Para estimar las demandas sísmicas máximas en el edificio, se tomaron los sismogramas sintéticos del estudio de sitio. En la figura 8 se muestran algunos de los sismogramas sintéticos representativos del sitio en estudio.

0 20 40 60 80

1−

0

1

tiempo [s]

acel

erac

ión

[m/s

2]

0 1 2 30

0.12

0.24

0.36

0.48

0.6

Periodo [s]

Coe

ficie

nte

sísm

ico

Sismograma sintético, CUWTEL

0 10 20 30 40 50

1−

0

1

tiempo [s]

acel

erac

ión

[m/s

2]

0 1 2 30

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Periodo [s]

Coe

ficie

nte

sísm

ico

Sismograma sintético, COSTEL

0 50 100 150 200

1−

0

1

tiempo [s]

acel

erac

ión

[m/s

2]

0 1 2 30

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Periodo [s]

Coe

ficie

nte

sísm

ico

Sismograma sintético, NORTEL

Figura 8 Sismogramas sintéticos representativos del sitio en estudio

Una vez que se había determinado la capacidad de carga y el desplazamiento permisible de la estructura así como las aceleraciones máximas esperadas en el terreno, el siguiente paso del proyecto consistió en determinar el número de disipadores requeridos así como su distribución a lo largo de la estructura. Como primer paso, se realizó un análisis con las condiciones existentes del edificio. Se generaron modelos del edificio en diferentes programas de cómputo: MIDAS, RCB y ETABS los cuales se calibraron de tal manera que se obtuvieran las características dinámicas medidas en campo. Esto permitió tener un estimado de las capacidades de los disipadores requeridos mediante análisis paso a paso tridimensionales. En la figura 9 se muestran los desplazamientos laterales máximos en la estructura (sin disipadores) cuando se somete a la acción de los diferentes sismogramas sintéticos. Se puede ver que en ambas direcciones las distorsiones de entrepiso sobrepasan los límites permisibles definidos en las Normas Técnicas: en el sentido longitudinal la estructura se compone principalmente de marcos y muros de mampostería por lo que el límite permisible es de 0.006; en el sentido transversal el sistema de estructuración es a base de marcos de concreto por lo que el límite permisible corresponde a 0.012.

9


0.03.26.49.6

12.816.019.222.425.628.832.035.238.441.644.848.051.254.457.6

0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0

Altu

ra [m

]

Desplazamiento lateral [cm]

Dirección TransversalDirección Longitudinal

0.03.26.49.6

12.816.019.222.425.628.832.035.238.441.644.848.051.254.457.6

0.000 0.004 0.008 0.012 0.016Al

tura

[m]

Distorsion de entrepiso [cm]


Figura 9. Desplazamientos laterales de la estructura sin disipadores Comportamiento del sistema de disipación El sistema de rehabilitación del edificio se pudo determinar luego de evaluar el comportamiento dinámico de la estructura con disipadores de diferentes capacidades y distribuidos de diferentes maneras en la altura del edificio. En algunos casos, la respuesta de la estructura excedía el desplazamiento permisible, en otros casos, el desplazamiento quedaba demasiado debajo de lo que la estructura podría soportar. Se encontraron también algunas configuraciones de los disipadores en donde los dispositivos no desarrollaban del todo su capacidad de disipar energía, es decir que no presentaban comportamiento inelástico, lo cual representaba un sistema de disipación poco eficiente. Después de evaluar diferentes configuraciones y propiedades de los dispositivos, se determinó que la mejor opción, tanto analítica como económicamente posible, era utilizar 76 disipadores de energía de tipo viscoso no lineal, con capacidades diferentes: de 600 [kN] y 800 [kN]. En la figura 10 se muestra el modelo de cómputo de la estructura con los disipadores y en la figura 11 se muestra la distribución de los disipadores en la estructura.


10

Figura 10. Modelo de la estructura con disipadores

a) Dirección transversal b) Dirección longitudinal

Figura 11. Distribución de los disipadores en la estructura

Desplazamientos laterales máximos En la tabla 3 se muestran los valores de los desplazamientos laterales máximos en la estructura, obtenidos de los análisis paso a paso tridimensionales y considerando la presencia de los disipadores en la estructura. Se muestran tanto los desplazamientos de cada entrepiso como su correspondiente distorsión. En la figura 12 se muestra la distribución de los desplazamientos y distorsiones respectivamente en la altura del edificio.

11


Dado que se trata de uno de los primeros casos en los que se usan estos dispositivos en un proceso de rehabilitación en México, se decidió aumentar el confinamiento de algunas trabes y columnas que estarán en contacto con las diagonales de los amortiguadores.

Tabla 3. Desplazamientos laterales de la estructura con disipadores

Nivel Altura [m] Elevación [m] Dirección Longitudinal Dirección Transversal

Desplazamiento [cm]

Distorsión de entrepiso

Desplazamiento absoluto [cm]

Distorsión de entrepiso

Azotea 3.20 54.40 14.09 0.00230 17.19 0.0040

PH 3.20 51.20 13.39 0.00300 15.86 0.0040

N12 3.20 48.00 12.58 0.00350 14.69 0.0040

N11 3.20 44.80 11.58 0.00380 13.47 0.0040

N10 3.20 41.60 10.44 0.00390 12.25 0.0040

N9 3.20 38.40 9.20 0.00390 11.06 0.0040

N8 3.20 35.20 7.94 0.00400 9.85 0.0040

N7 3.20 32.00 6.65 0.00400 8.66 0.0040

N6 3.20 28.80 5.36 0.00400 7.48 0.0040

N5 3.20 25.60 4.08 0.00400 6.31 0.0040

N4 3.20 22.40 2.79 0.00390 5.19 0.0040

N3 3.20 19.20 1.57 0.00300 4.15 0.0030

N2 3.20 16.00 0.63 0.00090 3.19 0.0030

N1 3.20 12.80 0.40 0.00040 2.31 0.0030

E2 3.20 9.60 0.24 0.00040 1.52 0.0020

E1 3.20 6.40 0.13 0.00030 0.84 0.0020

PB 3.20 3.20 0.05 0.00010 0.29 0.0010

0.0

3.2

6.4

9.6

12.8

16.0

19.2

22.4

25.6

28.8

32.0

35.2

38.4

41.6

44.8

48.0

51.2

54.4

57.6

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0

Altu

ra [m

]

Desplazamiento lateral [cm]


0.0

3.2

6.4

9.6

12.8

16.0

19.2

22.4

25.6

28.8

32.0

35.2

38.4

41.6

44.8

48.0

51.2

54.4

57.6

0.000 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005

Altu

ra [m

]

Distorsion de entrepiso [cm]


Figura 12. Desplazamientos laterales de la estructura con disipadores


12

EFICIENCIA ESPERADA EN EL SISTEMA DE DISIPACIÓN En la figura 13 se muestran algunos de los ciclos histeréticos desarrollados por los amortiguadores, se puede ver que los dispositivos trabajan de manera efectiva al desarrollar ciclos estables que permiten disipar la energía sísmica de manera adecuada.

-60

-40

-20

0

20

40

60

-20 -10 0 10 20 30

Car

ga a

xial

[T]

deformación [mm]

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

-100 -50 0 50 100

Car

ga a

xial

[T]

deformación [mm]

a) Disipador en primer nivel. Sismo NORTEL b) Disipador en tercer nivel. Sismo CUWTEL

-100-80-60-40-20

020406080

100

-100 -50 0 50 100

Car

ga a

xial

[T]

deformación [mm]

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

-100 -50 0 50 100

Car

ga a

xial

[T]

deformación [mm] c) Disipador en cuarto nivel. Sismo NORTEL d) Disipador en quinto nivel. Sismo COSTEL

-100-80-60-40-20

020406080

100

-100 -50 0 50 100

Car

ga a

xial

[T]

deformación [mm]

-60

-40

-20

0

20

40

60

-40 -20 0 20 40

Car

ga a

xial

[T]

deformación [mm]

e) Disipador en sexto nivel. Sismo NORTEL f) Disipador en octavo nivel. Sismo COSTEL

Figura 13. Gráfica Fuerza-deformación de algunos amortiguadores utilizados en el proyecto de rehabilitación

Así mismo, con el sistema de disipación propuesto, el porcentaje de amortiguamiento crítico, ξ, de la estructura se incrementa del 5 al 20%, esto se pudo determinar al comparar el desplazamiento de azotea de la estructura con disipadores y el desplazamiento de azotea con un modelo del edificio en el que directamente se

13


incrementaba el valor del porcentaje de amortiguamiento crítico. En las figuras 14 a 16 se muestran las comparaciones de los desplazamientos en la azotea para algunos de los sismogramas sintéticos utilizados.

-10.0

-8.0

-6.0

-4.0

-2.0

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0

desp

laza

mie

nto

[cm

]

tiempo [s]

ξ=22%Análisis con disipadores

Figura 14. Comparación entre desplazamientos de azotea. Sismograma sintético, CUWTEL

-4.0

-3.0

-2.0

-1.0

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0

desp

laza

mie

nto

[cm

]

tiempo [s]


Figura 15. Comparación entre desplazamientos de azotea. Sismograma sintético, LOCTEL

-10.0

-5.0

0.0

5.0

10.0

15.0

0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0desp

laza

mie

nto

[cm

]

tiempo [s]


Figura 16. Comparación entre desplazamientos de azotea. Sismograma sintético, NORTEL En la figura 17 se muestra una comparación entre la energía total que el sismo impone a la estructura (Entrada), la energía regulada por el sistema de disipación (Amortiguador) y la energía que se desarrolla en los elementos estructurales como son columnas muros y trabes (Modal), como puede verse, esta última cantidad de energía es considerablemente menor que la energía que disipa el sistema de amortiguadores.


14

Figura 17. Energía desarrollada en la estructura Así mismo, el costo de este sistema de disipación se estima en aproximadamente $2,250.00/m2, esta inversión puede recuperarse en aproximadamente 14 meses, al mismo tiempo que se genera una reducción en las primas de seguros y un aumento en las rentas derivado del aumento en el confort y la seguridad misma. CONCLUSIONES Derivado de diversas pruebas de campo, inspecciones y levantamientos físicos, estudios sismológicos del sitio y análisis estáticos y dinámicos no lineales, fue posible definir un proyecto de rehabilitación para una estructura de concreto reforzado de 16 niveles, mediante la implementación de disipadores de energía viscosos no lineales. El proyecto de rehabilitación propuesto resulta menor tanto en costo como en tiempo, comparado contra los sistemas tradicionales que implican un aumento de rigidez en la estructura. El incremento del porcentaje de amortiguamiento crítico del edificio aunado a una flexibilización de la estructura en el sentido longitudinal así como un refuerzo específico en zonas particulares, permitieron controlar de manera adecuada el comportamiento de la estructura, logrando que su respuesta sísmica para sismos con diferentes características cumpliera con lo establecido en la normativa vigente.

REFERENCIAS

Akiyama, H., 1988. “Earthquake resistant design based on the energy concept”. Proceedings of Ninth World Conference on Earthquake Engineering, vol.5, paper 8-1-2, Tokyo, Japan, pp. 905-910. Arroyo Espinoza, D. y Terán Gilmore A. (2002), “Factores de reducción de fuerzas sísmicas para el diseño de estructuras con sistemas pasivos de disipación de energía”, Revista de Ingeniería Sísmica, vol 66, 73-93 “Base Mexicana de Sismos Fuertes”(1999), Disco compacto editado por la Sociedad Mexicana de Ingeniería Sísmica, A C Castillo Cruz Tomás (2014), “Métodos de análisis sísmico para estructuras con disipadores de energía”, Tesis Doctoral, Universidad Nacional Autónoma de México. Castillo T. y Ruiz Gómez S. E. (2014), “Reduction Factors for Seismic Design Spectra for Structures with Viscous Energy Dampers”, Journal of Earthquake Engineering, 18: 323-349, Tylor& Francis group

15


Constantinou M. and Symans M. (1995), “Experimental study of seismic response of buildings with supplemental fluid dampers”, Department of civil engineering, Styate University of New York Buffalo, NY. USA. Normas Técnicas Complementarias para Diseño por Sismo (2004), Gaceta Oficial del Distrito Federal, 6 de octubre, DF, México. Ramirez O., Constantinou M., Whittaker A., Kircher C. y Chryosotomou C. (2002), “Elastic and Inelastic seismic response of building with damping systems”, Earthquake Spectra, Vol. 18, No. 3, pages 531-547, Earthquake Engineering Research Institute, USA. Terán GilmoreA., Virto-Cambray N. (2009). “Preliminary Design of Low-Rise Buildings Stiffened with Buckling-Restrained Braces by a Displacement-Based Approach”,Earthquake Spectra vol.25, 1, 185–211.

rehabilitaciÓn estructural de un edificio de 16 … · disipadores de energÍa viscosos no...

Documents