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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE INGENIERÍA, CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICA
CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL
ANÁLISIS Y REDISEÑO DE LA CIMENTACIÓN DE UN EDIFICO EN
ACERO CON AISLADORES SÍSMICOS “BLOQUE-E DEL HOSPITAL
REGIONAL DE AMBATO” MODELAMIENTO EN EL PROGRAMA
ETABS
(Análisis Comparativo de Comportamiento y Costos).
TRABAJO DE GRADUACIÓN PREVIO LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO CIVIL
OPCIÓN ESTRUCTURAS
AUTOR:
ANRANGO CAÑAREJO MARCO RAMIRO
TUTOR:
ING. SANTAMARÍA CARRERA JORGE LUIS
QUITO – ECUADOR
2015
ii
DEDICATORIA
Este trabajo tiene un valor agregado ya que está dedicado en especial a mi
madre Mariana Cañarejo Fernández por haberme ayudado a culminar
una etapa más en mi vida, por enseñarme valores y buenos principios,
quien además me ayudo a comprender que en la vida siempre hay que
tener deseo de lucha y superación.
A mis hermanos Bladimir, Claudia y Gladyz por haberme acompañado
a través de los años por este caminar y darme su apoyo incondicional.
Marco Ramiro Anrango Cañarejo.
iii
AGRADECIMIENTO
A mis padres por haber sembrado en mi sabiduría y perseverancia para
lograr lo anhelado.
A mis profesores: Ing. Santamaría Jorge, Ing. Crespo Wilmer y Ing. Viera
Paulina por dirigirme de la mejor manera a fin de culminar el proyecto.
A todos mis profesores que fueron parte de mi instrucción profesional a lo
largo de toda la Carrera quienes con su conocimiento y experiencia
entregaron todo con la finalidad de formar en mí un buen profesional.
A mis amigos y compañeros con los que se compartió las aulas en toda mi
vida estudiantil.
Marco Ramiro Anrango Cañarejo.
iv
AUTORIZACIÓN DE LA AUTORÍA INTELECTUAL
Yo, ANRANGO CAÑAREJO MARCO RAMIRO en calidad de autor del
trabajo de investigación o tesis realizada sobre ANÁLISIS Y REDISEÑO
DE LA CIMENTACIÓN DE UN EDIFICO EN ACERO CON AISLADORES
SÍSMICOS “BLOQUE-E DEL HOSPITAL REGIONAL DE AMBATO”
MODELAMIENTO EN EL PROGRAMA ETABS (Análisis Comparativo de
Comportamiento y Costos), por la presente autorizo a la UNIVERSIDAD
CENTRAL DEL ECUADOR, hacer uso de todos los contenidos que me
pertenecen o de parte de lo que contiene esta obra, con fines estrictamente
académicos o de investigación.
Los derechos que como autor me corresponde, con excepción de la
presente autorización, seguirán vigentes a mi favor, de conformidad con lo
establecido en los artículos 5, 6, 8, 19 y demás pertinentes de la ley de
Propiedad Intelectual y su Reglamento.
Quito, a 20 de Enero de 2015
……………………….......
FIRMA
ANRANGO CAÑAREJO MARCO RAMIRO
CI 1002984860
v
CERTIFICACIÓN
En calidad de Tutor del proyecto de investigación: “ANÁLISIS Y REDISEÑO
DE LA CIMENTACIÓN DE UN EDIFICO EN ACERO CON AISLADORES
SÍSMICOS BLOQUE-E DEL HOSPITAL REGIONAL DE AMBATO”
MODELAMIENTO EN EL PROGRAMA ETABS. (Análisis Comparativo de
Comportamiento y Costos), presentado y desarrollado por el señor:
ANRANGO CAÑAREJO MARCO RAMIRO, previo a la obtención del Título
de Ingeniero Civil, considero que el proyecto reúne los requisitos
necesarios.
En la ciudad de Quito, a los 17 días del mes de Septiembre del 2014
---------------------------------------------
ING. SANTAMARÍA CARRERA JORGE LUIS
TUTOR
ix
CONTENIDO
CAPITULO I
1. INTRODUCCIÓN _______________________________________ 1
1.1 Antecedentes Generales _____________________________ 2
1.1.1 Ingeniería Sísmica _________________________________ 5
1.1.2 Costos Económicos en Edificios Producidos por Sismos __ 17
1.2 Objetivos y Alcances _______________________________ 21
1.2.1 Objetivo General _________________________________ 21
1.2.2 Objetivos Específicos ______________________________ 21
1.2.3 Alcances _______________________________________ 21
1.3 Metodología ______________________________________ 22
CAPITULO II
2. FUNDAMENTOS Y SISTEMAS DE AISLACIÓN BASAL _______ 24
2.1 Antecedentes Generales ____________________________ 24
2.2 Tipos de Aislación Basal ___________________________ 28
2.2.1 Aislador Elastomérico Convencional __________________ 29
2.2.1.1 Aislador Elastomérico de Bajo Amortiguamiento (LDRB).
30
2.2.1.2 Aislador Elastomérico de Alto Amortiguamiento (HDRB).30
2.2.1.3 Aislador Elastomérico con Núcleo de Plomo (LRB). ___ 31
2.2.2 Aisladores Deslizantes _____________________________ 32
2.2.2.1 Aisladores Péndulo Friccional. ___________________ 33
2.2.2.2 Aisladores Friccionales _________________________ 33
2.3 Experiencia y Aspectos a considerarse en la instalación de
aisladores. _____________________________________________ 35
CAPITULO III
3. ASPECTOS GENERALES DEL DISEÑO SISMO RESISTENTE _ 43
3.1 El sismo como acción de diseño _____________________ 43
3.1.1 Espectros de respuesta ____________________________ 45
3.1.2 Espectros de diseño _______________________________ 46
x
3.1.3 Acción vertical del sismo ___________________________ 50
3.2 Diseño por Capacidad ______________________________ 51
3.3 Filosofía del Diseño Sismo resistente _________________ 52
3.3.1 Criterio general___________________________________ 52
3.3.2 Factor de modificación de respuesta R ________________ 54
3.4 Desplazamientos Laterales y Distorsión de Piso ________ 59
3.5 Estados de Carga y Análisis _________________________ 64
3.5.1 Factor de redundancia _____________________________ 64
3.5.2 Combinaciones de carga con acción de sismo __________ 65
3.5.3 Métodos de análisis _______________________________ 68
3.6 Técnicas Avanzadas de Diseño Sismo resistente _______ 71
3.6.1 Sistemas de protección sísmica ______________________ 71
3.7 Sistemas Estructurales para Construcciones de Acero __ 77
3.7.1 Pórticos no arriostrados ____________________________ 79
3.7.2 Pórticos arriostrados concéntricamente ________________ 82
3.7.3 Pórticos arriostrados excéntricamente _________________ 86
3.7.4 Sistemas de columnas en voladizo ___________________ 90
3.7.5 Pórticos con riostras de pandeo restringido _____________ 93
3.7.6 Muros de corte con placas de acero __________________ 95
3.8 Sistemas Sismo resistentes _________________________ 97
CAPITULO IV
4. CARACTERIZACIÓN ESTRUCTURAL DEL EDIFICIO EN
ESTRUCTURA DE ACERO _________________________________ 98
4.1 Sistema Estructural Sismo Resistente de Pórticos no
arriostrados ___________________________________________ 99
4.2 Comportamiento estructural________________________ 100
4.3 Modelación computacional en el programa ETABS _____ 104
4.3.1 Antecedentes generales __________________________ 104
4.3.2 Consideraciones generales para el modelamiento de la
estructura empotrada. __________________________________ 106
xi
4.3.3 Modelamiento de la estructura empotrada _____________ 108
Propiedades de los Materiales ___________________________ 108
4.3.4 Estructuración del proyecto (diseño) _________________ 109
4.3.5 Análisis estático _________________________________ 116
4.3.5.1 Cargas Sísmicas _____________________________ 118
4.3.6 Análisis Dinámico Espectral ________________________ 122
4.3.6.1 Espectro elástico de diseño en aceleraciones ______ 122
4.3.6.2 Espectro Inelástico ___________________________ 123
4.3.7 Análisis del modelo ______________________________ 127
4.3.7.1 Requisitos para los modelos estructurales y sus Análisis
127
4.3.7.2 Detalles de análisis ___________________________ 129
4.3.7.3 Verificación geométrica del modelo. ______________ 129
4.3.7.4 Derivas de piso. _____________________________ 131
4.3.7.5 Periodos y modos de vibración. _________________ 137
CAPITULO V
5. AISLAMIENTO BASAL DE LA ESTRUCTURA______________ 139
5.1 Comportamiento del Sistema Aislado ________________ 139
5.2 Consideraciones Generales para el Diseño ___________ 139
5.3 Consideraciones generales para el análisis y diseño con
aisladores sísmicos ____________________________________ 141
5.4 Algunas consideraciones preliminares para el diseño __ 143
5.4.1 Norma Técnica __________________________________ 143
5.4.1.1 Método de la Fuerza Lateral Equivalente __________ 144
5.4.1.2 Métodos Dinámicos __________________________ 148
5.5 Análisis del Modelo de Estructura Aislada ____________ 149
5.5.1 Criterios para la elección de estructuras ______________ 149
5.6 Consideraciones y criterios de modelamiento. ________ 151
5.6.1 Capacidad de carga y tracción ______________________ 151
5.6.2 Rigidez lateral y desplazamiento máximo _____________ 151
5.6.3 Diafragma rígido_________________________________ 152
xii
5.7 Procedimientos de Diseño de los Aisladores __________ 153
5.7.1 Consideraciones Iniciales _________________________ 153
5.7.2 Procedimiento para diseño de aisladores elastoméricos con
núcleo de plomo (LRB) _________________________________ 153
5.7.3 Detalle del Modelamiento en Software ________________ 163
CAPITULO VI
6. ANÁLISIS DE LA ESTRUCTURA AISLADA ________________ 168
6.1 Análisis Dinámico No Lineal de la Estructura __________ 168
6.1.1 Modelo Histerético de Wen ________________________ 170
6.1.2 Definición de Registros ___________________________ 173
6.2 Resultados Sistema Aislado. _______________________ 174
6.2.1 Criterios de Verificación y Elección del Sistema de Aislación
175
6.2.2 Modos de vibración sistema aislado. _________________ 179
6.2.3 Desplazamiento del Sistema de Aislación _____________ 180
6.2.4 Desplazamiento Relativo de la Superestructura ________ 183
6.2.5 Aceleraciones Absolutas en la Superestructura _________ 185
6.2.6 Corte Basal de la Superestructura ___________________ 187
6.3 Comparación de Comportamiento de Edificio en Estructura
Metálica vs. Estructura Aislada ___________________________ 189
6.3.1 Desplazamientos Relativos de la Estructura Aislada y Base
Fija 190
6.3.2 Aceleración Absoluta de la Estructura Aislada y Base Fija 192
6.3.3 Corte Basal de la Estructura Aislada y Base Fija ________ 193
6.4 Rediseño de la Subestructura ______________________ 195
6.4.1 Losa Nv+/-0.00 y vigas del sistema de aislación ________ 196
6.4.2 Diseño Cimentación ______________________________ 203
CAPITULO VII
7. ESTUDIO COMPARATIVO DE COSTOS DEL EDIFICIO ______ 207
7.1 Antecedentes Generales ___________________________ 207
xiii
7.2 Estimación de Costos Totales del Edificio en Estructura
Metálica vs. Edificio en Estructura Metálica Aislado _________ 207
7.2.1 Estimación de Costos Directos _____________________ 209
7.2.2 Estimación de Costos Indirectos ____________________ 213
CAPITULO VIII
8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ________________ 218
8.1 Bibliografía y Referencias. _________________________ 226
xiv
LISTA DE GRÁFICOS
Fig. 1.1Distribución sísmica en América Central, Sur y en sus zonas
oceánicas. (Bolt 1985) ............................................................................... 6
Fig. 1.2 Fallas geológicas del Ecuador ...................................................... 7
Fig. 1.3 Sismo por Subducción .................................................................. 8
Fig. 1.4 Eventos de Actividad volcánica ..................................................... 9
Fig. 1.5 Comparación del número de eventos registrados vs. Número de
eventos de magnitud igual o superior a 4.0 grados desde el año 2000 hasta
el 2013 ..................................................................................................... 11
Fig. 1.6 Mapa con las ubicaciones de los sismos registrados durante el año
2013 en las fuentes corticales .................................................................. 13
Fig. 1.7 Mapa con las ubicaciones de los sismos registrados durante el año
2013 en las fuentes de subducción .......................................................... 14
Fig. 2.1 Reducción de la respuesta sísmica en un edificio aislado,
expresado en la reducción de la deriva y las fuerzas sísmicas en cada nivel
y en el incremento del amortiguamiento .................................................. 27
Fig. 2.2 Partes del sistema de aislación ................................................... 29
Fig. 2.3 Aislador tipo LDRB ...................................................................... 30
Fig. 2.4 Aislador tipo HDRB ..................................................................... 31
Fig. 2.5 Aislador tipo LRB ........................................................................ 32
Fig. 2.6 Péndulo Friccional....................................................................... 33
Fig. 2.7 Apoyo deslizante plano - Universidad Católica del Maule (Chile) 34
Fig. 2.8 Combinación de apoyo deslizante y aislador elastomérico - BERRY
STREET PROJECT (EEUU) .................................................................... 34
Fig. 2.9 Masificación de edificios sísmicamente aislados en Japón, luego
del terremoto de Kobe de 1995 ............................................................... 35
Fig. 2.10 Aplicación apoyo deslizante - Hospital Takasu (Japón) ............ 41
Fig. 2.11 San Francisco City Hall (EEUU)................................................ 41
Fig. 2.12 Puente Golden Gate, San Francisco (EEUU) ........................... 42
xv
Fig. 3.1 Espectro elástico de respuesta, en términos de aceleración,
Ejemplo: correspondiente al terremoto de Turquía, 17/8/1999, registro YPT
................................................................................................................. 46
Fig. 3.2 Espectro de diseño considerado por las especificaciones ASCE/SEI
7-10 .......................................................................................................... 49
Fig. 3.3 Ejemplos de espectros de aceleración para diseño según
ASCE/SEI 7-10 y los espectros de desplazamiento calculados a partir de
los primeros ............................................................................................. 50
Fig. 3.4 Regla o concepto de igual desplazamiento entre un sistema elástico
y otro elasto-plástico ................................................................................ 55
Fig. 3.5 Regla o concepto de igual energía entre un sistema elástico y otro
elasto-plástico .......................................................................................... 56
Fig. 3.6 Respuesta global del sistema, con indicación de los factores R, Ωo
y Cd ......................................................................................................... 57
Fig. 3.7 Deflexión lateral de la estructura y definición de la distorsión de piso
................................................................................................................. 64
Fig. 3.8 Clasificación de los sistemas pasivos de disipación de energía . 71
Fig. 3.9 Clasificación de los distintos sistemas de protección sísmica ..... 72
Fig. 3.10 Deflexión lateral de la estructura y definición de la distorsión de
piso .......................................................................................................... 75
Fig. 3.11 Analogía hidráulica para explicar los criterios de diseño (a)
convencional, (b) con aisladores .............................................................. 77
Fig. 3.12 Clasificación de los sistemas estructurales sismo resistente para
construcciones de acero .......................................................................... 79
Fig. 3.13 Vista general de una estructura de pórticos no arriostrados para
un edificio comercial ................................................................................ 80
Fig. 3.14 Pórtico no arriostrado con vigas reticuladas, (a) segmento especial
con reticulado en X, y (b) segmento con panel Vierendeel ...................... 81
Fig. 3.15 Mecanismo de deformación plástica para casos típicos de pórticos
no arriostrado con viga reticulada ............................................................ 81
Fig. 3.16 Vista de un edificio en construcción con pórticos arriostrados .. 83
xvi
Fig. 3.17 Configuraciones típicas para pórticos arriostrados
concéntricamente, (a) riostras en X, (b) en K, (c) en diagonal, (d) en V
invertida y (e) en V ................................................................................... 83
Fig. 3.18 Edificio “Hearst Tower”, en New York y Tokyo Sky Tree .......... 84
Fig. 3.19 Vista de un pórtico arriostrado de acero utilizado para la
rehabilitación de una estructura existente de hormigón armado .............. 85
Fig. 3.20 Ejemplo de rehabilitación mediante el agregado de riostras de
acero a una estructura de hormigón armado ........................................... 85
Fig. 3.21 Ejemplos de pórticos con arriostramientos excéntricos ............ 87
Fig. 3.22 Configuraciones típicas para pórticos arriostrados
excéntricamente ....................................................................................... 87
Fig. 3.23 Diagramas de solicitaciones por acción sísmica, (a) momentos
flectores, (b) corte, y esfuerzos axiales .................................................... 89
Fig. 3.24 Detalle del enlace en un pórtico con arriostramientos Excéntricos
................................................................................................................. 90
Fig. 3.25 Esquema de una columna en voladizo y diagramas de
solicitaciones ............................................................................................ 91
Fig. 3.26 Ejemplos del sistema estructural columnas en voladizo (a), (b) y
(c) ............................................................................................................. 92
Fig. 3.27 Pórtico de acero con riostras de pandeo restringido ................. 93
Fig. 3.28 Vista de una riostra de pandeo restringido utilizada en nuevo
edificio de la Universidad de California, Berkeley .................................... 93
Fig. 3.29 Detalle de una riostra de pandeo restringido, formada por un
núcleo de acero de acero recubierto con una capa deslizante dentro de un
tubo exterior relleno con mortero de cemento.......................................... 94
Fig. 3.30 Esquema de muros de corte con placas de acero (a) sin aberturas
y (b) con aberturas ................................................................................... 95
Fig. 3.31 Ejemplo de muros de corte con placas de acero en un edificio en
construcción ............................................................................................. 96
Fig. 4.1 Componentes estructurales de un pórtico no arriostrado, (a) vista
general y (b) detalle de una conexión viga- columna ............................... 99
xvii
Fig. 4.2 Diagramas típicos de (a) momentos flectores y (b) esfuerzos de
corte en un pórtico sometido a la acción sísmica ................................... 100
Fig. 4.3 Comportamiento estructural, (a) Mecanismo de deformación
plástica y (b) respuesta corte basal - desplazamiento lateral................ 102
Fig. 4.4 Diagramas momento-rotación típico de conexiones totalmente
restringidas, parcialmente restringidas y articuladas ............................. 103
Fig. 4.5 Planta - Diagrama de Ubicación de Bloques ............................. 104
Fig. 4.6 Render - Vista general del proyecto a futuro ............................. 105
Fig. 4.7 Vista satelital de la implantación del Hospital Regional Docente
Ambato................................................................................................... 105
Fig. 4.8 Planta Arquitectónica Nv+ 3.96m .............................................. 106
Fig. 4.9 Elevación Fachada “Bloque E ................................................... 107
Fig. 4.10 Propiedades de hormigón fc=210kg/cm2 ................................ 108
Fig. 4.11 Propiedades de Acero A-36 .................................................... 109
Fig. 4.12 Malla de ejes ETABS .............................................................. 110
Fig. 4.13 Columna Compuesta C1COMP .............................................. 111
Fig. 4.14 Columna C2 ............................................................................ 111
Fig. 4.15 (V1) y (VS1) Viga I formada por perfiles simples .................... 112
Fig. 4.16 Conformación de la placa colaborante de entrepiso ............... 114
Fig. 4.17 (a) Vista elevación eje II secciones de los elementos-sentido X
............................................................................................................... 115
Fig. 4.18 (a) y (b) Vista 3D Estructura total del bloque E ....................... 116
Fig. 4.19 Carga muerta sobreimpuesta .................................................. 117
Fig. 4.20 Sobre carga de uso o carga viva............................................. 118
Fig. 4.21 (a) Cortante basal de diseño dado al programa para sismo en X
............................................................................................................... 121
Fig. 4.22 Espectro sísmico elástico de aceleraciones que representa el
sismo de diseño ..................................................................................... 122
Fig. 4.23 Espectro sísmico elástico e inelástico de aceleraciones que
representa el sismo de diseño ............................................................... 125
xviii
Fig. 4.24 Espectro sísmico inelástico de aceleraciones que representa el
sismo de diseño importado desde el Excel al programa ETABS ........... 126
Fig. 4.25 Creación de diafragmas para cada nivel del edificio ............... 127
Fig. 4.26 Diafragma de entrepiso asignado ........................................... 128
Fig. 4.27 Asignación de fuente de masas por sus cargas ...................... 128
Fig. 4.28 Vista general del diseño de los elementos en forma optima ... 129
Fig. 4.29 Pórtico eje 27 sentido Y (resultado óptimo del diseño de vigas y
columnas principales) ............................................................................ 130
Fig. 4.30 Pórtico eje HH sentido X (resultado óptimo del diseño de vigas y
columnas principales) ............................................................................ 130
Fig. 4.31 Planta Nv+3.96m (diseño de vigas secundarias donde se apoya
la placa colaborante “Steel deck”) .......................................................... 131
Fig. 4.32 Derivas producidas por el sismo en sentido X, están dentro del
margen las derivas son menores al 0.007 ............................................. 132
Fig. 4.33 Derivas producidas por el sismo en sentido Y, están dentro del
margen las derivas son menores al 0.007 ............................................. 133
Fig. 4.34 Visualización del diagrama de derivas máximas por piso ....... 133
Fig. 4.35 Cuadro de derivas producidas por el sismo en X y sismo en Y
............................................................................................................... 134
Fig. 4.36 Visualización grafica de los máximos desplazamientos en cada
piso por efecto de las fuerza laterales ................................................... 135
Fig. 4.37 Visualización gráfica del Cortante Dinámico en todos los pisos
............................................................................................................... 135
Fig. 4.38 Visualización del peso del edificio ........................................... 136
Fig. 4.39 Cuadro del cortante Dinámico en cada piso resultante de los
efectos sísmicos en X e Y ...................................................................... 136
Fig. 4.40 Visualización de los 3 primeros periodos de vibración ............ 137
Fig. 4.41 Cuadro periodos de vibración del edificio ............................... 137
Fig. 4.42 Visualización de los periodos de vibración dentro del espectro de
aceleraciones ......................................................................................... 138
Fig. 5.1 Efecto de la aislación en el comportamiento dinámico.............. 139
xix
Fig. 5.2 Relación entre periodo, amortiguamiento y desplazamiento ..... 141
Fig. 5.3 Modelo usado para representar el comportamiento de los
aisladores LRB ....................................................................................... 153
Fig. 5.4 Esquema de espectros a considerados en el diseño de aisladores
............................................................................................................... 154
Fig. 5.5 Esquemas del aislador elegido del catálogo DIS ...................... 163
Fig. 5.6 Panta de asignación de elementos link LRB ............................. 164
Fig. 5.7 (a) y (b) Vista tridimensional del edificio con aisladores tipo LRB
............................................................................................................... 165
Fig. 5.8 (a) Pantalla de ingreso de propiedades para un aislador, (b)
Pantalla de ingreso de propiedades en la dirección vertical, (c) y (d) pantalla
de ingreso de propiedades en la dirección lateral .................................. 166
Fig. 5.9 Vista del edificio en 3D, elevación X-X, elevación Y-Y.............. 167
Fig. 6.1 Esquema de aislador elastómero reforzado con núcleo de plomo
............................................................................................................... 170
Fig. 6.2 Modelo dinámico No lineal ........................................................ 170
Fig. 6.3 Curva histerética de Z versus X con β = 0.5 y γ = 0.5 ............... 172
Fig. 6.4 Comportamiento de la variable Z con A = 1, α= 0.6, β=γ= 0.5, y
distintos valores de n ............................................................................. 172
Fig. 6.5 Verificación del comportamiento del aislador ............................ 176
Fig. 6.6 Ejemplo: Curvas histeréticas de un aislador LRB, de diámetro
exterior 90 cm, diámetro de plomo 15 cm, de 20 capas de goma de 8 mm,
analizados para el proyecto del Hospital Militar - Chile .......................... 178
Fig. 6.7 Modos de vibración Edifico Aislado con aplicación del Sistema LRB
............................................................................................................... 180
Fig. 6.8 Forma de desplazarse del edifico producto de la aplicación del
sistema de protección sísmica ............................................................... 181
Fig. 6.9 Deformación en la base producida en el sistema por efecto del
espectro símico en X ............................................................................. 182
Fig. 6.10 Deformación en la base producida en el sistema por efecto del
espectro símico en Y ............................................................................. 182
xx
Fig. 6.11 (a) y (b) Diagrama de máximos desplazamientos en X e Y de
entrepisos en cm .................................................................................... 185
Fig. 6.12 Diagrama de aceleraciones X e Y de entrepisos .................... 186
Fig. 6.13 Diagrama de aceleraciones X e Y de entrepisos .................... 186
Fig. 6.14 Esquema disminución de Aceleración espectral en una estructura
aislada y una sin aislar ........................................................................... 187
Fig. 6.15 Esquema fuerza de piso en Y por efecto de cargas laterales . 188
Fig. 6.16 Esquema fuerza de piso en X por efecto de cargas laterales . 189
Fig. 6.17 Esquema Estructura sin aislar vs. Estructura aislada ............. 190
Fig. 6.18 Diagrama desplazamientos máximos entre la estructura aislada y
sin aislar ................................................................................................. 191
Fig. 6.19 Diagrama derivas máximas entre la estructura aislada y sin aislar
............................................................................................................... 192
Fig. 6.20 Diagrama derivas máximas entre la estructura aislada y sin aislar
............................................................................................................... 193
Fig. 6.21 Diagrama cortante basal estructura sin aislar ......................... 194
Fig. 6.22 Diagrama cortante basal estructura aislada ............................ 194
Fig. 6.23 Cimentación Sistema de aislación .......................................... 195
Fig. 6.24 Esquema corte de una losa aligerada ..................................... 197
Fig. 6.25 (a) y (b) Esquematización 3D losa de piso Nv+/-0.00 en la
superestructura ...................................................................................... 199
Fig. 6.26 (a) viga intermedia o atiesadora, (b) viga principal de losa para el
sistema de aislación de losa de piso Nv+/-0.00 en la superestructura... 200
Fig. 6.27 (a) Combinación NEC-11 estimando el sismo en Y (b)
combinación estimando sismo en X ....................................................... 201
Fig. 6.28 (a) Refuerzo longitudinal en cm y (b) porcentaje de cuantía
requerido en las vigas del sistema de aislación de la superestructura Nv+/-
0.00 ........................................................................................................ 202
Fig. 6.29 Sistema de aislación sísmica LRB .......................................... 203
Fig. 6.30 Sistema de aislación sísmica LRB .......................................... 204
xxi
Fig. 6.31 Sistema de aislación sísmica LRB para Bloque E Hospital
Regional Docente Ambato ..................................................................... 205
Fig. 6.32 Nivelación plancha de anclaje previo al hormigonado del apoyo
del aislador LRB ..................................................................................... 206
Fig. 7.1 Estimación de costos para los aisladores según su tamaño ..... 213
xxii
LISTA DE TABLAS
Tabla 1.1 RANKING DE TERREMOTOS MÁS DESTRUCTIVOS A NIVEL
MUNDIAL DESDE 1900............................................................................. 9
Tabla 1.2 ESCALA DE MERCALI ............................................................ 10
Tabla 1.3. Estadísticas para el año 2013 del número de sismos por tipo de
fuente: cortical o subducción.................................................................... 12
Tabla 1.4Efectos causados por los terremotos con intensidad VIII o superior
................................................................................................................. 16
Tabla 2.1 Tipo de uso, destino e importancia de la estructura ................. 27
Tabla 3.1 Valores de los factores R, Ωo y Cd para estructuras de acero
según ASCE/SEI 7-10. ............................................................................ 61
Tabla 3.2 Valores de los factores R, Ωo y Cd para estructuras mixtas de
acero y hormigón según ASCE/SEI 7-10. ............................................... 62
Tabla 4.1 Sobrecargas mínimas uniformemente distribuidas, Lo y
concentradas (Po) .................................................................................. 117
Tabla 5.1 Coeficiente de amortiguamiento Bd. ....................................... 145
Tabla 5.2 Criterios mínimos para el análisis dinámico ........................... 148
Tabla 5.3 Características del edificio analizado ..................................... 150
Tabla 5.4 Valor numérico relacionado con el amortiguamiento efectivo 155
Tabla 5.5 Características físicas y mecánicas de los aisladores DIS .... 158
Tabla 5.6 Resumen características físicas y mecánicas del aislador
calculado ................................................................................................ 162
Tabla 6.1 Resultados del análisis modal del Edificio BLOQUE DE
HOSPITALIZACIÓN E con el sistema LRB............................................ 179
Tabla 6.2 Deformación en la base del sistema de aislación Edificio
“BLOQUE E” DE HOSPITALIZACIÓN con el sistema LRB ................... 181
Tabla 6.3 Derivas totales de entrepiso para el sistema aislado producto del
espectro sísmico X e Y .......................................................................... 184
Tabla 6.4 Aceleraciones producidas por el espectro sísmico X e Y ....... 186
Tabla 6.5 Respuesta de corte basal en edifico aislado con el sistema LRB
............................................................................................................... 188
xxiii
Tabla 6.6 Comparación desplazamientos máximos de piso entre el sistema
Aislado y el Sistema sin Aislar ............................................................... 190
Tabla 6.7 Comparación de derivas entre el sistema Aislado y el Sistema sin
Aislar ...................................................................................................... 191
Tabla 6.8 Comparación de derivas entre el sistema Aislado y el Sistema sin
Aislar ...................................................................................................... 192
Tabla 6.9 Comparación de fuerzas de corte basal entre el sistema Aislado
y el Sistema sin Aislar ............................................................................ 193
Tabla 6.10 Calculo inercia de una losa aligerada de 30cm de altura ..... 197
Tabla 6.11 Calculo inercia de una losa maciza de 30cm de altura ....... 197
Tabla 7.1 Comparación de costos según volúmenes de obra entre
estructura original y asilada ................................................................... 211
Tabla 7.2 Comparación de volúmenes de obra entre estructura original y
asilada.................................................................................................... 212
Tabla 7.3 Niveles de daño propuestos por Ghobarah et al (1997) ......... 216
Tabla 7.4 Valores deالen el umbral del nivel de daño para estructuras C1L
............................................................................................................... 217
Tabla 7.5 Valores deالen el umbral del nivel de daño para estructuras C1M
............................................................................................................... 217
xxiv
LISTA DE ECUACIONES
(Ec. 3.1) Aceleraciones espectrales de referencia para el terremoto máximo
considerado ............................................................................................. 48
(Ec. 3.2) Periodos de transición ............................................................... 49
(Ec. 3.3) Factor R ..................................................................................... 56
(Ec. 3.4) Desplazamiento de diseño ........................................................ 62
(Ec. 3.5) Distorsión Relativa de piso ........................................................ 63
(Ec. 3.6) Distorsión Total de piso ............................................................. 63
(Ec. 3.7) Factor de Redundancia ............................................................. 65
(Ec. 3.8) Efecto de carga sísmica ............................................................ 67
(Ec. 3.9) Efecto de carga sísmica ............................................................ 67
(Ec. 3.10) Suma de fuerzas inerciales para ecuación de equilibrio dinámico
................................................................................................................. 75
(Ec. 3.11) Aceleración total – Efecto estructural sistemas pasivos .......... 75
(Ec. 3.12) Ecuación equivalente de energía ............................................ 76
(Ec. 5.1) Desplazamiento Lateral de diseño .......................................... 144
(Ec. 5.2) Periodo efectivo propuesto por los aisladores ......................... 145
(Ec. 5.3) Mínima fuerza cortante en la base del edificio......................... 146
(Ec. 5.4) Mínima fuerza cortante usada para elementos por encima del
sistema de aislamiento........................................................................... 146
(Ec. 5.5) Desplazamiento máximo aislador ............................................ 147
(Ec. 5.6) Desplazamiento máximo total ................................................. 147
(Ec. 5.7) Aceleración .............................................................................. 154
(Ec. 5.8) Aceleración espectral de diseño (Sismo de Diseño) ............... 154
(Ec. 5.9) Aceleración espectral de diseño (Sismo máximo de Diseño) .. 154
(Ec. 5.10) Dimensionamiento de aislador – diámetro / Opción 1 ........... 156
(Ec. 5.11) Dimensionamiento de aislador – diámetro / Opción 2 ........... 157
(Ec. 5.12) Diámetro del núcleo de plomo del aislador ............................ 159
(Ec. 5.13) Altura del aislador .................................................................. 159
(Ec. 5.14) Calculo rigidez secundaria o rigidez de recuperación ........... 160
(Ec. 5.15) Rigidez efectiva ..................................................................... 160
xxv
(Ec. 5.16) Amortiguamiento efectivo ...................................................... 160
(Ec. 5.17) Rigidez Vertical...................................................................... 161
(Ec. 5.18) Modulo Elasticidad (Conjunto láminas de caucho y acero) ... 161
(Ec. 6.1) Fuerza de restauración – Modelo Histerético WEN ................. 170
(Ec. 6.2) Parámetro Histerético – Ecuación diferencial no lineal ............ 171
xxvi
LISTA DE PLANOS
PLANOS ESTRUCTURA AISLADA
Plano 1. Planta de Cimentación Nv+/-0.00 ............................................1EA
Plano 2. Cimentación – Subestructura Nv-3.85 .....................................2EA
PLANOS ESTRUCTURA CONVENCIONAL
Plano 3. Cimentación Estructura Convencional Nv-2.50 ...................... 1EC
xxvii
RESUMEN
ANÁLISIS Y REDISEÑO DE LA CIMENTACIÓN DE UN EDIFICO EN
ACERO CON AISLADORES SÍSMICOS “BLOQUE-E DEL HOSPITAL
REGIONAL DE AMBATO” MODELAMIENTO EN EL PROGRAMA
ETABS (Análisis Comparativo de Comportamiento y Costos).
Esta investigación está orientada a la metodología de cálculo de
edificaciones con dispositivos pasivos de disipación de energía. Los
dispositivos pasivos son elementos de carácter reactivo, cuya respuesta no
es controlable y depende únicamente de las condiciones de trabajo en que
se encuentran. Estos intervienen alterando las propiedades dinámicas del
edificio y provocando una reducción de su respuesta estructural, ventajas
económicas.
El edificio en estudio es el Bloque de Hospitalización “E”, el cual está
formado por un Sistema Estructural Sismo Resistente de Pórticos no
arriostrados en Acero, formada por vigas tipo I y columnas rectangulares
huecas diseñadas con la norma AISC y NEC-11 y que se complementa con
la aplicación de Aisladores Elastoméricos LRB, para finalmente establecer
un análisis comparativo de comportamiento y costos con los resultados que
el programa computacional ETABS presenta en análisis entre una
estructura de base fija con la de una estructura aislada.
DESCRIPTORES: AISLACIÓN SÍSMICA/ ESPECTRO DE DISEÑO/
NORMA NEC-11/ ESTRUCTURA SISMO RESISTENTE/ AISLADORES
ELASTOMÉRICOS/ AISLADORES LRB/ ANÁLISIS SÍSMICO / ANÁLISIS
DINÁMICO ESTRUCTURAL.
xxviii
ABSTRACT
ANALYSIS AND REDESING OF THE FOUNDATIONS OF A STEEL
BUILDING WITH SEISMIC ISOLATOR “BLOCK E OF THE REGIONAL
HOSPITAL OF AMBATO” MODELING IN THE SOFTWARE ETABS
(Comparative Analysis of Behavior and Costs).
This research deals whit the methodology of calculation of buildings with
passive energy dissipation devices. The passive decives are elements of
reactive nature whose response is not controllable and depends only on the
work conditions of their environment. These devices act by modifying the
dynamic properties of the building and then provoking a reduction of its
structure response, which has economical advantages.
The studied building is the block E of the aforementioned Hospital,
composed by a Earthquake Resistant Structural System of Unbraced Steel
Frames, made up of type I beams and hollow rectangular columns designed
under the standards AISC and NEC-11, complemented by the installation
of LRB elastomeric isolators, in order to conduct a comparative analysis of
behavior and costs thanks to the results of the ETABS software between a
fixed base structure and an isolated structure.
DESCRIPTORS: SEISMIC ISOLATION/ DESING SPECTRUM/
STANDARD NEC-11/ EARTHQUAKE RESISTANT STRUCTURE/
ELASTUMERIC ISOLATORS/ LRB ISOLATORS/ SEISMIC ANALYSIS/
DYNAMIC STRUCTURAL ANALYSIS.
1
CAPITULO I
1. INTRODUCCIÓN
En los últimos años los investigadores en el área de la mecánica estructural,
han ido incrementando diversos cuidados, con la finalidad que los edificios
sean diseñados acorde con los requerimientos mínimos de fuerza lateral
de los códigos de diseño. Recientes sismos han mostrado que los edificios
diseñados y construidos de acuerdo a los códigos más recientes proveen
una buena respuesta, pero el costo de reparación de daños y el tiempo
necesario para implementar estas reparaciones son más grandes que las
anticipadas. Diversos esfuerzos en Estados Unidos, Japón, Rusia y entre
otros países se han centrado en desarrollar criterios de diseño sísmico y
procedimientos para asegurar objetivos específicos de desempeño. El
incremento en las fuerzas de diseño no mejora todos los aspectos del
desempeño. Tres técnicas innovadoras han sido propuestas para usarse
individualmente o en combinación, con la finalidad de mejorar el
desempeño sísmico de los edificios: aislamiento sísmico, dispositivos
suplementarios de disipación de energía y control estructural activo o
híbrido.
Esta investigación está orientada a la metodología de cálculo de
edificaciones con dispositivos pasivos de disipación de energía. Los
dispositivos pasivos son elementos de carácter reactivo, cuya respuesta no
es controlable y depende únicamente de las condiciones de trabajo en que
se encuentran. Estos intervienen alterando las propiedades dinámicas del
edificio y provocando una reducción de su respuesta estructural, teniendo
ventajas económicas.
Los sistemas de control pasivo se pueden clasificar en control pasivo con
aislamiento en la base, control pasivo con sistemas inerciales acoplados y
control pasivo con disipadores de energía. Los sistemas pasivos son los
dispositivos de protección sísmica más comúnmente utilizados en la
actualidad.
2
Los sistemas pasivos permiten reducir la respuesta dinámica de las
estructuras a través de sistemas mecánicos especialmente diseñados para
disipar energía por medio de calor. Dado que estos sistemas son más
comúnmente utilizados, en comparación a los sistemas activos y semi-
activos, es que serán tratados con mayor detalle en los próximos capítulos.
1.1 Antecedentes Generales
La historia sísmica del Ecuador está llena de dolorosas experiencias,
producto de grandes catástrofes que dejaron a su paso muerte y
destrucción a lo largo y ancho de todo el territorio nacional. En términos
generales, si tomamos en cuenta los temblores de pequeña magnitud que
no son sentidos por las personas y son detectados únicamente por los
sismógrafos, el número de sismos que se registran en nuestro territorio
pueden sumar decenas de miles por año. Dentro de esta gran cantidad de
actividad sísmica, de tiempo en tiempo ocurren grandes terremotos, cuya
historia se inicia en 1541. Hasta la actualidad, en un lapso de 473 años,
han ocurrido en nuestro territorio 37 terremotos de intensidad igual o mayor
a VIII (Escala Internacional de Mercalli), grado a partir del cual, los efectos
son de consideración.
Y si se toma en cuenta los sismos a partir de la intensidad VI, (que es el
grado desde el cual se presentan daños leves), hay que añadir 96 eventos
que han causado daños desde leves hasta moderados1.
Ecuador es un país sísmico y por ende, toda estructura debe ser diseñada
para resistir este tipo de solicitaciones. El objetivo de la ingeniería sismo
resistente es la protección de la vida y así, su evolución sólo puede tender
a la mejora del comportamiento sísmico de las edificaciones para reducir el
riesgo de colapso.
1Instituto Geofísico EPN. Servicio Nacional de Sismología y Vulcanología
3
Por otro lado, se debe asegurar el funcionamiento de aquellas edificaciones
vitales en caso de una emergencia, cambiando el objetivo de diseño para
mantener la operatividad de este tipo de estructuras. Sin embargo, diseñar
edificaciones convencionales que no sufran daños durante un sismo puede
resultar muy costoso o difícil si la estructura planteada interfiere con los
requerimientos arquitectónicos, mecánicos, etc.
En consecuencia, para mejorar el comportamiento de ciertas edificaciones
e incluso poder diseñar a fin de evitar cualquier daño a la estructura y sus
contenidos, conviene considerar un sistema de aislamiento que modifique
las características dinámicas de la estructura.
Los recientes terremotos ocurridos en Chile, Japón, Turquía y Nueva
Zelandia han dejado de manifiesto la alta vulnerabilidad sísmica de las
estructuras y de sus contenidos.
En el caso de Ecuador, al igual que los países que estamos en Sudamérica,
sobre todo cerca de la Costa del Pacífico, estamos afectados por las placas
de Nazca y la Sudamericana, que chocan entre sí. Pero aparte, Ecuador
está atravesado por la falla geológica Guayaquil Caracas que atraviesa
todo Quito, misma que pasa por la Isla Santa Clara y la Isla Puná,
atravesando los Andes hasta llegar a Caracas en Venezuela y además,
estamos en el cordón volcánico2.
Si bien es preciso reconocer el excelente desempeño estructural de las
edificaciones, no se puede concluir lo mismo en materia de protección de
función, preservación de contenidos y percepción de la población. Por estas
razones, resulta necesario promover en nuestro medio el uso de
tecnologías, probadas a nivel nacional e internacional y reconocidas por la
comunidad profesional, orientadas a mejorar la respuesta sísmica de las
2 INOCAR-Instituto Oceanográfico de la Armada
4
estructuras, más allá de los requisitos mínimos de la normativa nacional
vigente.
Durante su vida útil, las estructuras son sometidas a diversas solicitaciones
de servicio, como las provenientes de las cargas propias del uso del edificio
y de fenómenos naturales.
Entre estos últimos, las mayores demandas o solicitaciones sobre una
estructura son causadas, generalmente, por eventos sísmicos. Durante un
sismo, la energía liberada en la fuente se propaga a través del suelo en
forma de ondas.
Esta energía, que es transmitida luego a las estructuras y sus contenidos,
y que se manifiesta fundamentalmente como movimiento, aceleración y
deformación de los componentes y sistemas estructurales y no
estructurales, se disipa a través de daño de dichos componentes.
En el caso de edificios, la disipación de energía se produce típicamente en
la interacción entre el suelo y la cimentación, en el daño de elementos
estructurales tales como muros, vigas, losas, columnas, unión viga-
columna, conexiones, y en la interacción entre el sistema estructural y
sistemas no estructurales.
El diseño de estructuras con aislación sísmica se fundamenta en el principio
de separar la superestructura (componentes del edificio ubicados por sobre
la interfaz de aislación) de los movimientos del suelo o de la subestructura,
a través de elementos flexibles en la dirección horizontal, generalmente
ubicados entre la estructura y su cimentación (subestructura).
Sin embargo, existen casos donde se han colocado aisladores en pisos
superiores. La incorporación de aisladores sísmicos permite reducir la
rigidez del sistema estructural logrando que el período de vibración de la
5
estructura aislada sea, aproximadamente, tres veces mayor al período de
la estructura sin sistema de aislación.
El aislamiento sísmico es utilizado para la protección sísmica de diversos
tipos de estructuras, tanto nuevas como estructuras existentes que
requieren de refuerzo o rehabilitación. A diferencia de las técnicas
convencionales de reforzamiento de estructuras, el aislamiento sísmico
busca reducir los esfuerzos a niveles que puedan ser resistidos por la
estructura existente. Debido a esto último, la aislación sísmica de base es
especialmente útil para la protección y refuerzo de edificios históricos,
hospitales y patrimoniales, entre otros.
1.1.1 Ingeniería Sísmica
La sismicidad, que originalmente ha sido considerada como la distribución
espacio-tiempo de los terremotos en la Tierra y de sus efectos destructivos,
obtenidos a partir de la recopilación histórica de los datos, ha dado origen
a los catálogos sísmicos. Con los avances de la sismología instrumental y
el desarrollo de nuevos conceptos teóricos en el marco de la sismología,
se han confeccionado catálogos cada vez más completos, que incluyen
datos como magnitud, duración, coordenadas exactas del foco, dirección
de propagación, profundidad, etc. En los nuevos estudios de sismicidad se
relaciona la actividad sísmica con su distribución espacial y temporal, e
incluso se correlaciona con las características fisiográficas y geológicas de
cada región. Como por ejemplo en la figura1.1 se muestra la sismicidad de
América Central y América del Sur (Bolt 1985).
La distribución geográfica de los epicentros de los terremotos en el planeta
muestra cuales son las zonas sísmicas más activas. El denominado
cinturón Circum-Pacifico, que tiene una extensión de 40000km, comprende
toda la parte oeste del continente Americano, desde Alaska hasta el sur de
Chile y desde la parte norte de las Islas Aleutianas, siguiendo las islas del
Japón, Indonesia, Nueva Zelanda, hasta las islas Fiji y Honda Sur. Un 85%
6
de la energía total liberada por los terremotos anualmente en el mundo
corresponde a dicha zona.3
Fig. 1.1Distribución sísmica en América Central, Sur y en sus zonas oceánicas.
(Bolt 1985)
Los principales objetivos de la Ingeniería Sísmica son:
Entender la interacción entre los edificios y la infraestructura con el
subsuelo.
Prever las potenciales consecuencias de fuertes terremotos en
áreas urbanas y sus efectos en la infraestructura.
Diseñar, construir y mantener estructuras que resistan a la
exposición de un terremoto, más allá de las expectaciones y en total
cumplimiento de los reglamentos de construcción.
Una estructura apropiadamente diseñada no necesita ser
extraordinariamente fuerte o cara. Las más poderosas y costosas
herramientas para la ingeniería sísmica son las tecnologías de
control de la vibración y en particular, el aislamiento de la base o
cimentación.
3 Luis M. Bozzo; Alex H. Barbat. Diseño Sismo Resistente de Edificios. Técnicas Convencionales y Avanzadas. Aspectos de Sismología. Pág. 8
7
Sismos originados en las fallas geológicas4
El territorio ecuatoriano está prácticamente surcado en su totalidad por
sistemas o conjuntos de fallas geológicas, entre las cuales unas son más
activas que otras, es decir que la cantidad, frecuencia y magnitud de los
eventos generados por una falla geológica determinada es variable, lo cual
hace que ciertas regiones sean sísmicamente más activas que otras.
Dentro de los principales sistemas de fallas geológicas que atraviesan
nuestro territorio se destacan el Sistema principal dextral de fallas, que
atraviesa el territorio desde el nororiente hasta el golfo de Guayaquil. Este
sistema de fallas ha originado la mayoría de los grandes terremotos que
han azotado principalmente a la región Interandina. El otro sistema
importante es el denominado de fallas inversas, de las estribaciones de la
Cordillera Real, donde se originó el primer gran terremoto conocido en el
Ecuador (1541) y el sismo del 5 de marzo de 1987, entre otros.
Las profundidades de los sismos originados por fallas tectónicas, varían
desde superficiales, hasta profundidad media, que es el rango de
profundidad de la gran mayoría de los sismos ecuatorianos.
Fig. 1.2 Fallas geológicas del Ecuador
4 Instituto Geofísico EPN. Servicio Nacional de Sismología y Vulcanología
8
Sismos originados por la subducción5
El proceso de subducción de la placa oceánica de Nazca bajo la placa
continental de Sudamérica, es otra de las fuentes sísmicas en nuestro
territorio.
Estos sismos generalmente son superficiales en la plataforma submarina y
en la costa continental y tienen profundidades mayores, conforme se
adentran en el continente, de acuerdo al ángulo de la subducción. Los
grandes sismos de Esmeraldas de 1906, 1958 y 1979, así como el sismo
de Bahía de Caráquez del año 1998 ocurrieron en este sistema.
Fig. 1.3 Sismo por Subducción
Sismos de origen volcánico6
Siendo el Ecuador un país altamente volcánico, es natural que haya tenido
que experimentar sismos asociados con esta actividad geológica. La
energía de estos sismos no es suficiente para que se propaguen a grandes
distancias ni para que causen daños. Así, la mayoría pasan inadvertidos
por las personas.
Estos sismos ocurren continuamente en los volcanes activos y como
actividad premonitora de las erupciones. En vista de que estos sismos
tienen relación con los procesos eruptivos que se generan en la cámara
magmática de los volcanes y por el ascenso de los materiales a través de
la chimenea del volcán, la profundidad de los sismos de origen volcánico
es superficial o muy somera.
5 Instituto Geofísico EPN. Servicio Nacional de Sismología y Vulcanología 6 Instituto Geofísico EPN. Servicio Nacional de Sismología y Vulcanología
9
Fig. 1.4 Eventos de Actividad volcánica
Tabla 1.1 RANKING DE TERREMOTOS MÁS DESTRUCTIVOS A NIVEL MUNDIAL
DESDE 1900
Fuente: USGS -United States Geological Survey (www.usgs.gov)
10
Tabla 1.2 ESCALA DE MERCALI
GRADO EFECTOS
I IMPERCEPTIBLE. Detectado solo por los sismógrafos.
II APENAS PERCEPTIBLE. Sentido solo por personas en reposo, especialmente en pisos altos.
III DEBIL, SENTIDO PARCIALMENTE. Sentido por pocos en interiores. Objetos colgantes oscilan levemente. Oscilaciones mayores en pisos altos.
IV SENTIDO POR MUCHOS. Sentido por muchas personas pero pocas se asustan. Vibración como el paso de un vehículo pesado. Vibración de puertas y ventanas. Crujido de pisos.
V PERSONAS SE DESPIERTAN. Sentido por todas las personas. Algunas personas corren hacia el exterior. Objetos inestables se desplazan o se viran. Se riegan líquidos. Algunos péndulos se paran. Posibles daños leves en casas de mala calidad.
VI PERSONAS SE ASUSTAN. Alarma. Muchos corren al exterior. Algunos pierden el equilibrio. Fisuras en enlucidos y tumbados, pueden desprenderse algunos trozos. En algunos casos pueden aparecer grietas hasta de 1 cm, en terrenos flojos.
VII DAÑOS EN LOS EDIFICIOS. Alarma general. Muchas personas tienen dificultad al caminar. Daños leves en algunos edificios de concreto y en muchos de ladrillo. Efectos serios en construcciones de adobe. Grietas en las paredes de ladrillo o bloque. Deslizamientos pequeños en taludes. Grietas pequeñas en carreteras. Se forman olas en el agua.
VIII DAÑOS SEVEROS EN EDIFICIOS. Susto general y pánico. Sentido en vehículos en marcha. Se mueven muebles pesados. Daños considerables en mampostería de edificios de ladrillo y de concreto, destrucción parcial de casas de adobe o tapia. Se rompen tuberías. Derrumbes en pendientes y taludes. Grietas de varios centímetros en el terreno.
IX DAÑO GENERAL EN EDIFICIOS. Pánico general. Los animales se asustan. Muebles destruidos. Destrucción parcial de muchos edificios de ladrillo. Colapso total de construcciones de adobe. Grietas en terreno hasta de 10 cm. Muchas grietas en terreno llano. Muchos derrumbes y deslizamientos importantes. Grandes olas en la superficie del agua.
X DESTRUCCIÓN GENERAL DE EDIFICIOS. Destrucción parcial de edificios bien construidos y total en construcciones de menor calidad. Colapso total de la mayoría de construcciones de adobe. Daños severos en represas, diques y puentes. Rieles del tren se deforman. Grietas hasta de un metro en el terreno. Grandes deslizamientos en laderas y orillas de ríos.
XI CATÁSTROFE. Daños severos incluso en edificios reforzados. Edificios de buena calidad pueden colapsar totalmente. Destrucción de puentes bien construidos y represas. Carreteras destruidas. El terreno se fractura considerablemente. Derrumbes de grandes proporciones.
XII DESTRUCCIÓN TOTAL, CAMBIO EN EL PAISAJE. Graves daños o destrucción total de todas las estructuras ubicadas sobre o bajo el nivel del suelo. Cambia radicalmente la superficie del terreno. Amplios movimientos verticales del terreno. Cambio radical en la topografía.
FUENTE: Instituto Geofísico EPN. Informe Sísmico para el Ecuador 2013
11
Caracterización de la sismicidad del Ecuador durante el año 20137
Fig. 1.5 Comparación del número de eventos registrados vs. Número de eventos de
magnitud igual o superior a 4.0 grados desde el año 2000 hasta el 2013
En el 2013, el Servicio Nacional de Sismología y Vulcanología (SENASV)
del Instituto Geofísico de la Escuela Politécnica Nacional, localizó un total
de 2420 eventos sísmicos con magnitudes que varían entre<1(en las áreas
donde la red tiende a ser más densa) hasta 6.5Mb (magnitud de coda). Con
respecto a años anteriores, el número total está dentro de los mismos
rangos. En el 2013los eventos símicos que superaron la magnitud de 4.0
representan el 8.22% del total.
El origen de estos eventos sísmicos tienen dos fuentes principales: debidos
al fallamiento cortical que afecta al Bloque Norandino y a la Placa
Sudamericana y al procesos de subducción de la Placa Oceánica Nazca
bajo el Bloque Norandino y la Placa Sudamericana.
En la tabla 1.3 se presenta una estadística general de la sismicidad desde
este punto de vista.
Los sismos corticales superan en número a los sismos de subducción,
aunque no en cuanto a la liberación de energía, ya que la mayor parte de
7 Instituto Geofísico EPN. Informe Sísmico para el Ecuador 2013
12
sismos que superan la magnitud5.0 Mb corresponden a las fuentes de
subducción.
Tabla 1.3. Estadísticas para el año 2013 del número de sismos por tipo de fuente:
cortical o subducción
Zona N° Total de
eventos N° Eventos entre 4 y 5
N° Eventos iguales o mayores a 5
Sismos corticales
1935 79.96% 93 3.84% 7 0.29
Sismos de la subducción
485 20.04% 96 3.55% 13 0.54%
1. Sismos corticales
En el año 2013, la actividad sísmica en la corteza continental (fuentes
corticales) muestra una distribución mensual relativamente homogénea,
exceptuando el enjambre sísmico ocurrido en las cercanías del volcán
Chiles. El número máximo de eventos por mes fue de 262 y el mínimo de
73, resultando en un promedio de 161.2 sismos por mes. Los eventos que
superaron los 4 grados fueron 15 como valor máximo y 3 eventos como
valor mínimo, resultando en un promedio de 8.2 eventos por mes.
Examinando la actividad sísmica de cada fuente cortical. La fuente de
Pallatanga- Pisayambo en la que se ubica el nido sísmico de Pisayambo,
al igual que en años anteriores, presenta mayor número de sismos (272
eventos), seguido por la fuente de Apuela - Huayrapungo (252 eventos). El
aumento en el número de sismos en esta fuente e incluso en la fuente de
El Ángel-San Gabriel es atribuido al enjambre registrado entre los meses
de julio a noviembre en el sector del Volcán Chiles, (frontera con Colombia).
En tercer lugar la fuente Canandé – San Lorenzo (214 sismos) seguida por
las fuentes Cuenca - Amotape (161 eventos), Cutucú (135 eventos), Macas
(115) y Quito (101 eventos). El resto de fuentes presentó una actividad
sísmica menor a los 100 eventos durante este año.
13
Fig. 1.6 Mapa con las ubicaciones de los sismos registrados durante el año 2013
en las fuentes corticales
14
2. Sismos de la subducción
En cuanto a la sismicidad asociada a la subducción, se registró un total de 485
eventos, 99 de los cuales poseen magnitudes superiores a los 4.0 grados y de
estos 13 sobrepasan los 5.0 grados Mb.
Fig. 1.7 Mapa con las ubicaciones de los sismos registrados durante el año 2013
en las fuentes de subducción
15
Sismos con intensidad VIII8
Los terremotos de intensidad igual o mayor a VIII (Escala de Mercalli)
constituyen aquellos eventos cuyos efectos son considerables o
catastróficos.
Se ha extraído del Catálogo de Terremotos del Ecuador aquellos sismos
que caen en estas categorías (Tabla 1.3) ocurridos entre 1541 y 1999. Se
debe recordar que el último terremoto de esta categoría ocurrió en la
provincia de Manabí en 1998, el cual afecto la ciudad de Bahía de
Caráquez (la intensidad máxima de este evento fue de VIII).
Sismos con intensidad VII9
Los terremotos de intensidad VII, sin ser tan catastróficos como los de
grados superiores, pueden ser de consideración especialmente en las
construcciones de adobe, típicas de los sectores rurales y periféricos de las
ciudades, principalmente en la serranía ecuatoriana. Por consiguiente,
estos terremotos afectan en particular a las clases sociales de menores
recursos que habitan ese tipo de construcciones y a las casas y
monumentos coloniales.
Los macrosismos de intensidad VII que han tenido lugar en nuestro
territorio a partir de 1541 totalizan 47. Las pérdidas económicas resultantes
de estos terremotos también son cuantiosas, con la particularidad de que
para los damnificados es más complicado resarcirse de las pérdidas por
cuanto, como se dijo, la gran mayoría es de bajos ingresos. También el
daño que causan a los monumentos históricos en ocasiones es irreparable.
No ocurre lo mismo con las pérdidas de vidas que con estos eventos solo
representan un mínimo porcentaje del gran total.
8 Instituto Geofísico EPN. Informe Sísmico para el Ecuador 2013 9Instituto Geofísico EPN. Informe Sísmico para el Ecuador 2013
16
La intensidad VI es aquella a partir de la cual se presentan daños
moderados en las construcciones, sin afectarlas estructuralmente y, por
ende, son fácilmente reparables y con inversiones relativamente bajas.
Sismos de estas características han ocurrido 49 en el lapso de nuestro
estudio
Tabla 1.4Efectos causados por los terremotos con intensidad VIII o superior
Fecha
1541-04-
00
Destruido un pueblo de unas 60 casas en la falda oriental de la Cordillera Real. Sentido en
Quito
1645-03-
15
Muchos temblores al comienzo de este año, sentidos en Quito y Riobamba, hasta febrero en
que ocurre un terremoto que causó graves estragos en toda la comarca. El terremoto originó
desprendimientos internos en el volcán Tungurahua. Innumerables réplicas. Muchos muertos.
1757-02-
22
Gran terremoto de Latacunga y su jurisdicción. Destrucción de iglesias y casas en la ciudad y
en los pueblos vecinos. Murieron más de 4000 personas. Efectos considerables en Tungurahua.
Réplicas continúas de variada intensidad durante los siguientes días.
1834-01-
20
Terremoto en la frontera Ecuador-Colombia.
En Ecuador solo se conoce que los efectos fueron severos en Tulcán y se lo sintió fuertemente
hasta Ibarra. Con seguridad se puede deducir que deben haberse producido daños en otras
poblaciones fronterizas ecuatorianas. En las ciudades y poblaciones fronterizas colombianas,
las consecuencias fueron catastróficas ya que la intensidad máxima alcanzó el grado XI de la
escala Mercalli Modificada, lo cual significa que las poblaciones fueron prácticamente
arrasadas.
1906-01-
31
Gran terremoto con epicentro en el Océano Pacífico, frente a las costas de la frontera Ecuador-
Colombia.
Se generó un tsunami de grandes proporciones.
Este sismo, por su magnitud, es el quinto más fuerte que se ha registrado en el mundo, desde
que existen los sismógrafos.
Sus efectos fueron muy graves en la provincia de Esmeraldas y en el Sur de Colombia y no
fueron mayores por cuanto el epicentro fue en el mar, alejado de la costa y por cuanto en esa
época la zona se encontraba muy poco poblada.
En Limones desaparecieron bajo las aguas cuatro islas.
Daños en las provincias norteñas de la Sierra.
1998-08-
04
Terremoto de severas consecuencias en la provincia de Manabí. Gran destrucción de edificios
en Bahía de Caráquez. Daños graves en Canoa, San Vicente y localidades cercanas. En otras
ciudades de Manabí los daños fueron de menor proporción.
FUENTE: Catálogo de Terremotos del Ecuador.- Intensidades- Instituto Geofísico, E.P.N; José Egred A.
17
1.1.2 Costos Económicos en Edificios Producidos por Sismos
En general, las enseñanzas que han dejado los movimientos sísmicos
indican que en los países donde se diseña con una buena normativa sismo
resistente, donde la construcción es sometida a una supervisión estricta y
donde el sismo de diseño es representativo de la amenaza sísmica real de
la zona, el daño sobre la infraestructura es marginal en comparación con el
observado en sitios donde no se han dado estas circunstancias.
La situación del Ecuador no es distinta a la de otros países en vías de
desarrollo, que al igual que el nuestro, experimentan un crecimiento rápido
de su población y una urbanización intensa, lo que podría ser un
crecimiento acelerado de las pérdidas causadas por los terremotos. Es por
esto que el estudio del riesgo sísmico, y su impacto en el desarrollo,
constituye un reto científico crucial para el siglo 21.
Además de todas las consideraciones en cuanto a mecanismos de
generación, forma de actuar y todo el análisis físico que se puede
desarrollar de un sismo, tenemos otros factor importante de estudio que
son los costos económicos que se pueden generar cuando se produce un
sismo de una intensidad considerable llamado terremoto.
En la magnitud de los costos económicos influyen varios factores la
magnitud del evento, su duración, el número de réplicas; características
propias del sismo y existen también las relacionadas directamente con la
construcción: los materiales utilizados, la geometría estructural, la
presencia de un diseño sismo resistente y finalmente características de la
sociedad en particular como es la concentración de población.
18
En términos esquemáticos, los efectos de un fenómeno natural se han
clasificado en:
a) aquellos que alteran un conjunto de bienes (daños directos);
b) los que se producen sobre los flujos de producción de bienes y servicios
(daños indirectos), y
c) los que se reflejan en el comportamiento de los grandes agregados
macroeconómicos (efectos macroeconómicos).
La evaluación ayudará a determinar el resultado neto (considerando los
efectos de ambos signos).Los daños directos se registran en el momento
del desastre, o pocas horas después; en cambio, los otros dos tipos se
resienten, dependiendo de la magnitud del fenómeno, en un lapso que
puede durar hasta cinco años. En eventos de gestación lenta o de larga
duración (como los climáticos, ya sean sequías o el fenómeno El Niño), los
daños directos ocurren en un lapso prolongado e incluso se duplican si
alguna infraestructura fue reparada o repuesta en un primer momento y
luego volvió a dañarse, como en el caso de puentes destruidos por
inundaciones repetidas. Sin embargo, la mayor parte de tales pérdidas son
de tipo indirecto, ya que suelen ser los flujos económicos los que se
interrumpen.
Desde el punto de vista de la apreciación rápida de los daños, los efectos
directos son relativamente más claros al momento de identificarse y
evaluarse, lo que no sucede con los efectos indirectos. Estos últimos se
manifiestan en períodos variables después del desastre y son, por lo tanto,
más difíciles de identificar en una apreciación rápida. Una gran mayoría de
estos efectos indirectos no aparecen al efectuarse dicha evaluación y,
aunque puedan detectarse en el momento de estimar los daños, no siempre
resulta posible medirlos en términos de unidades monetarias. Considérese
que los efectos indirectos de los desastres de larga duración (como sequías
o inundaciones prolongadas) se presentarán al menos durante el período
de incidencia del fenómeno que los origina.
19
DAÑOS DIRECTOS
Son todos aquellos sufridos por los activos inmovilizados y en las
existencias (tanto de bienes finales como de bienes en proceso, materias
primas, materiales y repuestos). Se trata en esencia, de perjuicios en los
conjuntos de bienes que acaecieron prácticamente durante el lapso mismo
en que ocurrió el siniestro. Entre los principales rubros que figuran en esta
categoría se consideran, la destrucción total o parcial de la infraestructura
física, edificios, instalaciones, maquinaria, equipos, medios de transporte y
almacenaje, mobiliario, perjuicios en las tierras de cultivo, en obras de
riego, embalses, etc.
Convencionalmente se ha optado también por incluir como un "daño
directo" el costo estimativo que se pagará por la demolición y limpieza de
áreas destruidas, ya que forman parte del presupuesto necesario para
reparar o reconstruir lo dañado y pueden tomarse en cuenta sin mayor
dificultad al calcular el costo del metro cuadrado de construcción.
DAÑOS INDIRECTOS
Se refieren básicamente, a los flujos de bienes que se dejan de producir o
de servicios que se dejan de prestar durante un lapso de tiempo, que se
inicia apenas ha ocurrido el desastre, y puede prolongarse durante el
proceso de rehabilitación y reconstrucción que convencionalmente se ha
establecido con un horizonte máxima de cinco años, aunque las mayores
pérdidas ocurren durante los dos primeros. En todo caso, el cálculo de su
efecto debe extenderse durante el lapso necesario para la recuperación
parcial o total de la capacidad productiva. Su ocurrencia deriva de los daños
directos que han afectado la capacidad productiva y la infraestructura social
y económica.
Los desastres generan también efectos indirectos importantes que son
difíciles de identificar e imposibles de cuantificar. Son efectos que originan
daños (o beneficios) "intangibles", tales como el sufrimiento humano, la
inseguridad, el sentimiento de orgullo o de antipatía por la forma en que las
20
autoridades han enfrentado las consecuencias del desastre, la solidaridad,
la participación desinteresada, los efectos sobre la seguridad nacional y
muchos otros factores del mismo temor que inciden en el bienestar y la
calidad de vida. El analista no contará con el tiempo necesario para intentar
imputar un valor monetario a estos importantes efectos de los desastres,
pero debe estar consciente, que una apreciación completa de los efectos
de un desastre, debería contener una evaluación o al menos una discusión
global de daños o beneficios intangibles que afectan considerablemente las
condiciones o el nivel de vida.10
TIPOS DE DAÑOS COMUNES Y POSIBLES CAUSAS EN EDIFICIOS11
Los daños más fuertes provocados por los sismos en las edificaciones
dependen de los componentes estructurales y de los componentes no
estructurales de la obra.
Daños ligeros: Fisuras en los revestimientos, caídas de pequeños
trozos de revestimiento.
Daños moderados: Fisuras en los muros, caídas de grandes trozos
de revestimiento, caída de tejas, grietas en las chimeneas, e incluso
derrumbamientos parciales en las mismas.
Daños Graves: Grietas en los muros, caída de chimeneas o de otros
elementos exteriores.
Destrucción: Grietas en los muros resistentes, derrumbamiento
parcial, perdida de enlace entre distintas partes de la construcción,
destrucción de tabiques y muros de cerramiento.
Colapso: Ruina completa de la construcción.
10Manual para la evaluación del impacto socioeconómico y ambiental de los desastres-CEPAL
11 Instituto Andaluz de Geofísica y Prevención de Desastres Sísmicos- Daños producidos por terremotos
21
1.2 Objetivos y Alcances
1.2.1 Objetivo General
Comparación del comportamiento estructural y costos de un Edifico
Tradicional en Acero de Base Fija versus la implementación de Aisladores
Elastoméricos con Núcleo de Plomo (LRB) a la cimentación del Edificio
diseñado en Acero.
1.2.2 Objetivos Específicos
Implementar el sistema de aisladores sísmicos LRB a la cimentación
del edifico diseñado en acero.
Diseñar el sistema de aislación según los requerimientos de la
Norma Ecuatoriana de la Construcción NEC 11.
Modelar la estructura aislada en el programa computacional ETABS.
Establecer el mejor comportamiento estructural del edificio en acero
ante la aplicación de los diferentes tipos de aisladores.
Comparar los costos de cimentación del Edifico Aislado versus el
Edificio Tradicional en Acero de Base Fija.
1.2.3 Alcances
a) Implementar la aplicación de aisladores sísmicos en la cimentación
del Edificio Tradicional en Acero del Hospital regional de Ambato
“Bloque E” utilizando el programa computacional de análisis
estructural ETABS.
b) Impulsar el interés, estudio e implementación de los sistemas de
aislación en obras civiles de importancia del país.
c) Replicar mediante un programa computacional de análisis
estructural comercial el comportamiento de un edificio, permitiendo
ampliar el alcance de éstos en el diseño de estructuras, otorgando
una visión del real alcance de este tipo de programas.
22
d) Establecer un interés entre profesionales de la docencia y
estudiantes para que el tema de sistemas de protección sísmica se
masifique en el medio de la construcción.
1.3 Metodología
El sistema a aplicarse para este tema de Titulación es un análisis
comparativo estructural y de costos que nos permitirá establecer la
viabilidad del sistema de aislación sísmica a aplicarse en la cimentación del
edifico diseñado en Acero.
En principio se contara con el análisis y diseño del edifico en acero que está
diseñado con la norma NEC-11 (Norma Ecuatoriana de la Construcción) y
el código ANSI/AISC 360-10 (American Institute of Steel Construcction), de
donde se tomara en cuenta todos los resultados obtenidos del prediseño y
diseño para poder modelar el edifico en el programa computacional ETABS
y obtener una visión general del comportamiento estructural del Edificio en
Acero.
En consiguiente tomando toda la información necesaria del diseño del
edificio en acero es importante entrar al análisis y diseño del aislador
elastomérico LRB según la norma FEMA, de donde se seleccionará el
diámetro del aislador más adecuado según las condiciones geotécnicas y
estructurales del sitio de construcción del edificio aislado.
Definitivamente se tomara en cuenta al ya considerado Aislador
Elastomérico con núcleo de plomo (LRB) para ser modelado en el programa
computacional de análisis y diseño estructural ETABS, lo que nos dará una
esquematización tridimensional del edificio aislado.
Por último conociendo todos los resultados del análisis y diseño se
establecerá un análisis de costos que implica comparar el aspecto
económico de la cimentación de la estructura del Edifico en Acero Aislado
23
versus la estructura del Edificio Tradicional, tomando en forma general
todos los costos necesarios que este estudio demanda, es decir costos
directos, costos indirectos y costos de implementación del aislador sísmico.
Este estudio es muy importante ya que es un punto trascendente en la
decisión de realizar la inversión. Los resultados de este estudio tienen tanto
peso como el estructural, y es por eso que también se incluye los costos
que significan para una estructura después que ha sufrido un sismo severo,
ya sea el de reparaciones de elementos estructurales, el tiempo de
serviciabilidad perdido y el daño que puedan sufrir los contenidos del
edificio. Estos tipos de costos generalmente no se consideran, con lo cual
de cierta forma solo se aprecia los costos de inversión del momento
dejando de lado costo que pueden llegar a ser importantes respecto a la
inversión hecha.
24
CAPÍTULO II
2. FUNDAMENTOS Y SISTEMAS DE AISLACIÓN BASAL
2.1 Antecedentes Generales
Históricamente el diseño sismo resistente de estructuras ha estado basado
en una combinación de resistencia y ductilidad. Para pequeñas frecuencias
sísmicas, se espera que la estructura permanezca en el rango elástico, con
todos los esfuerzos bajo los niveles de fluencia. Asimismo, no es razonable
esperar que una estructura tradicional responda elásticamente a un sismo
muy raro. Se sabe, que el diseño utilizado por los ingenieros estructurales
está basado en la ductilidad inherente de los edificios para prevenir fallas
catastróficas, mientras que se acepta un determinado nivel de daño
estructural y no estructural.
Esta filosofía ha sido implementada en los códigos de diseño, ya sea en los
métodos de diseño por fuerza lateral o diseño por espectro de respuesta.
Últimamente con estas características la estructura es diseñada para
resistir una carga estática equivalente, brindando resultados
razonablemente satisfactorios.
Un número importante de avances para mejorar el desempeño en la
respuesta sísmica y el control de daño en los edificios, puentes y otras
estructuras han sido desarrolladas, y otras están por venir en el futuro
cercano. Estos avances pueden estar divididos en tres grupos: sistemas
pasivos, tales como aislamiento en la base y dispositivos suplementarios
de disipación de energía; sistemas activos, los cuales requieren la
participación activa de dispositivos mecánicos cuyas características están
hechas para cambiar durante la respuesta sísmica basándose en medidas
de respuesta; y sistemas híbridos, los cuales combinan los sistemas
pasivos y activos en una manera tal que la seguridad del edificio no esté
comprometida incluso si el sistema activo fallase.
25
En la actualidad, la técnica de aislamiento sísmico es ampliamente usada
en el mundo. Un sistema de aislamiento sísmico es típicamente ubicado en
la cimentación de la estructura. Debido a su flexibilidad y capacidad de
absorción de energía, el sistema de aislamiento parcialmente absorbe la
energía sísmica de entrada antes que esta energía sea transmitida a la
estructura. El efecto es una reducción de la demanda de la disipación de
energía en el sistema estructural, mejorando su desempeño.
Además, los sistemas de control activo y semi-activo son áreas de
protección estructural, en la cual el movimiento de una estructura es
controlado o modificado por la acción de un sistema de control con
suministro de energía externa. Los sistemas semi-activos requieren
solamente cantidades nominales de energía para ajustar sus propiedades
mecánicas y a diferencia de los sistemas activos estos no pueden adicionar
energía a la estructura. Una atención importante ha recibido el desarrollo
de estos sistemas, especialmente en la mejora de la respuesta sísmica y
de viento en los edificios. Esta tecnología actualmente, ha sido diseñada,
construida e instalada en varios edificios del mundo.
Desde fines del siglo XIX, los ingenieros civiles estructurales ya tenían la
idea de dotar a las edificaciones de un sistema dinámico especial que les
permitiera permanecer casi inmóviles durante la ocurrencia de sismos, con
el fin de disminuir los daños causados por las fuerzas internas y
desplazamientos de entrepiso generados.
No obstante, la implementación de los sistemas de aislamiento sísmico en
edificios y otras estructuras localizadas en distintos lugares de todo el
mundo se inició recién hace 35 años, gracias al desarrollo de los aisladores
elastoméricos conformados por láminas de caucho y placas de acero.
Desde entonces, por medio de una serie de investigaciones llevadas a cabo
en naciones líderes en la materia, como es el caso de Japón y Estados
Unidos, se ha mejorado este tipo de aislador de bajo amortiguamiento
26
colocándole un núcleo de plomo o carbón extrafino, aceites o resinas, para
que disipe mayor cantidad de energía.
Además, gracias a los avances tecnológicos, se han inventado los
aisladores deslizantes, compuestos por rieles o pequeños cilindros o
esferas, que trabajan desplazándose sobre una superficie plana o cóncava.
Todos estos dispositivos que se colocan en los edificios entre la
cimentación y la superestructura, tienen gran capacidad para soportar
cargas verticales pero comparativamente muy poca rigidez lateral frente a
fuerzas cortantes horizontales, de tal manera que presentan grandes ciclos
de histéresis ante las cargas de sismo, lo que ocasiona el aumento del
amortiguamiento y a la vez la reducción tanto de las fuerzas internas en los
elementos estructurales, la deriva en cada nivel y la amplitud de los
movimientos vibratorios.
Esto es posible debido a que gran parte de la energía proveniente del
movimiento sísmico es absorbida por el sistema de aislamiento, siendo
transmitida sólo una pequeña fracción a la superestructura del edificio, y
además, porque al incrementarse el periodo fundamental, la fuerza cortante
en la base disminuye; mejorándose de forma notable su respuesta
dinámica (Figura 2.1).
En forma espontánea surge la siguiente interrogante: ¿bajo qué
condiciones es adecuado usar aisladores sísmicos? Sin duda, esta técnica
brinda los mejores resultados al ser aplicada a edificios rígidos emplazados
sobre suelos también rígidos, puesto que al incrementarse grandemente el
periodo fundamental del sistema estructural compuesto, la reducción de las
fuerzas sísmicas y los desplazamientos de entrepiso es mucho mayor que
en casos donde el suelo de fundación es flexible y/o el edificio también lo
es. En consecuencia, no es conveniente aislar edificios emplazados sobre
suelos tipo D, E, F, según la sección 2.5.4.5., capítulo 2- NEC-11.
27
a) Edificio sin Aislación Basal b) Edificio con Aislación Basal
Fig. 2.1 Reducción de la respuesta sísmica en un edificio aislado, expresado en la
reducción de la deriva y las fuerzas sísmicas en cada nivel y en el incremento del
amortiguamiento
Por otro lado, los edificios que deberían tener un sistema de aislamiento
son fundamentalmente los considerados de ocupación especial y para
estructuras esenciales y/o peligrosas, catalogadas como tales según
requisitos de la sección 2.6.4., capítulo 2, como se muestra en la tabla 2.1,
según la normativa vigente (NEC11); es decir, hospitales, centros
educativos, y en general edificaciones donde las actividades no deberían
ser interrumpidas después de un desastre o donde las personas se puedan
refugiar.
Tabla 2.1 Tipo de uso, destino e importancia de la estructura
Categoría Tipo de uso, destino e importancia Factor
Edificaciones
esenciales y/o
peligrosas
Hospitales, clínicas. Centros de salud o de emergencia
sanitaria, Instalaciones militares, de policía, bomberos,
defensa civil, Garajes o estacionamientos para vehículos y
aviones que atiendan emergencias. Torres de control
aéreo. Estructuras de centros de telecomunicaciones u
otros centros de atención de emergencias. Estructuras que
albergan equipos de generación y distribución eléctrica.
Tanques u otras estructuras utilizadas para depósito de
1.5
28
agua u otras substancias anti-incendio. Estructuras que
albergan depósitos tóxicos, explosivos, químicos u otras
sustancias peligrosas.
Estructuras de
ocupación
especial
Museos, iglesias, escuelas y centros de educación o
deportivos que albergan más de trescientas personas.
Todas las estructuras que albergan más de cinco mil
personas. Edificios públicos que requieren operar
continuamente.
1.3
Otras
estructuras
Todas las estructuras de edificación y otras que no
clasifican dentro de las categorías.
1
Fuente: NEC-11 (Tabla 2.9)
2.2 Tipos de Aislación Basal
La aislación sísmica consiste en desacoplar horizontalmente a la estructura
del suelo. El sistema de aislación usado y los dispositivos de aislación para
lograr dicho objetivo pueden variar de acuerdo con las necesidades o
preferencias del diseñador.
Los dispositivos de aislación, también llamados aisladores, son elementos
estructurales muy flexibles en la dirección horizontal y sumamente rígidos
en la vertical que permiten grandes deformaciones horizontales ante las
solicitaciones sísmicas.
El sistema de aislación es el conjunto de elementos estructurales que
incluye a todos los aisladores, sus conexiones y a los elementos
estructurales que transmiten fuerza entre el sistema de aislación y la
superestructura y subestructura. A la estructura que se encuentra encima
del sistema de aislación se le denomina superestructura y a la que se
encuentra debajo subestructura. La interfase de aislación es el límite
imaginario entre la superestructura y la subestructura. La Figura 2.2
muestra las partes del sistema de aislación.
29
Fig. 2.2 Partes del sistema de aislación
Entre los principales tipos de aisladores tenemos a los aisladores
elastoméricos de caucho de bajo amortiguamiento (LDRB), los aisladores
con núcleo de plomo (LRB), los aisladores de alto amortiguamiento
(HDRB), el sistema de péndulo de fricción invertido y de doble curvatura.12
2.2.1 Aislador Elastomérico Convencional
Los aisladores elastoméricos están conformados por un conjunto de
láminas planas de elastómeros intercaladas con capas de acero. Las
láminas de elastómeros son vulcanizadas a las capas de acero y, por lo
general, presentan una sección circular o cuadrada. Mediante esta
configuración se logra la flexibilidad lateral necesaria para permitir el
desplazamiento horizontal relativo entre la estructura aislada y el suelo. La
rigidez vertical del sistema es comparable con la rigidez vertical de una
columna de hormigón armado. El comportamiento de los aisladores
elastoméricos depende de la amplitud de la deformación a la que son
sometidos y, en menor grado, de la temperatura, el envejecimiento y la
frecuencia del movimiento. Existen varios tipos de apoyos elastoméricos,
entre ellos se encuentran los apoyos de goma natural (NRB, Natural
Rubber Bearing), los apoyos de goma de bajo amortiguamiento (LDRB,
12 Análisis y Diseño de Estructuras con Aisladores Sísmicos en el Perú. Paul Korswagen, Julio Arias y Pamela Huaringa.
30
Low-Damping Rubber Bearing) y alto amortiguamiento (HDRB, High-
Damping Rubber Bearing), y los apoyos de goma con núcleo de plomo
(LRB, Lead-plug Rubber Bearing).13
2.2.1.1 Aislador Elastomérico de Bajo Amortiguamiento (LDRB).
Este tipo de dispositivos son los más simples dentro de los aisladores
elastoméricos. Los aisladores tipo LDRB presentan bajo amortiguamiento
(2-5% como máximo), por lo que generalmente se utilizan en conjunto con
disipadores de energía que proveen amortiguamiento adicional al sistema.
Estos dispositivos presentan la ventaja de ser fáciles de fabricar. La Figura
2.3 muestra una vista de un corte de un aislador Elastomérico tipo LDRB.
Fig. 2.3 Aislador tipo LDRB
2.2.1.2 Aislador Elastomérico de Alto Amortiguamiento (HDRB).
Los HDRB son aisladores elastoméricos cuyas láminas de elastómeros son
fabricados adicionando elementos como carbón, aceites y resinas, con el
fin de aumentar el amortiguamiento de la goma hasta niveles cercanos al
10-15%.
13 Protección Sísmica de Estructuras- Sistemas de Aislación Sísmica y Disipación de Energía (Cámara Chilena de la Construcción)
31
Los aisladores tipo HDRB presentan mayor sensibilidad a cambios de
temperatura y frecuencia que los aisladores tipo LDRB y LRB. A su vez, los
aisladores HDRB presentan una mayor rigidez para los primeros ciclos de
carga, que generalmente se estabiliza luego del tercer ciclo de carga. Estos
dispositivos, al igual que los dispositivos tipo LRB, combinan la flexibilidad
y disipación de energía en un solo elemento, con la característica de ser,
relativamente, de fácil fabricación.
(a) Instalación de aislador (b) Ensayo de aislador elastomérico
Fig. 2.4 Aislador tipo HDRB
2.2.1.3 Aislador Elastomérico con Núcleo de Plomo (LRB).
Los aisladores con núcleo de plomo (LRB) son aisladores elastoméricos
similares a los LDRB pero poseen un núcleo de plomo, ubicado en el centro
del aislador, que permite aumentar el nivel de amortiguamiento del sistema
hasta niveles cercanos al 25-30%. Al deformarse lateralmente el aislador
durante la acción de un sismo, el núcleo de plomo fluye, incurriendo en
deformaciones plásticas, y disipando energía en forma de calor.
Al término de la acción sísmica, la goma del aislador retorna la estructura a
su posición original, mientras el núcleo de plomo recristaliza. De esta forma
el sistema queda listo para un nuevo evento sísmico. La Figura 2.5 muestra
los componentes de un aislador Elastomérico tipo LRB.
32
(a) Componentes aislador LBR
(b) Esquema de corte real de aislador
Fig. 2.5 Aislador tipo LRB
2.2.2 Aisladores Deslizantes
Los aisladores deslizantes o también llamados deslizadores friccionales
utilizan una superficie de deslizamiento, típicamente de acero inoxidable,
sobre la que desliza una placa de acero revestida de Politetra Fluoro Etileno
(PTFE), sobre la que se soporta la estructura. La superficie de
deslizamiento permite el movimiento horizontal de la estructura de manera
independiente del suelo. Este sistema de aislación sísmica permite disipar
energía por medio de las fuerzas de rozamiento que se generan durante un
sismo. El coeficiente de fricción del aislador depende de variables tales
como la temperatura de trabajo, la presión de contacto, la velocidad de
movimiento, el estado de las superficies de contacto (limpieza, rugosidad,
etc.) y el envejecimiento. Los aisladores deslizantes planos generalmente
deben ser acompañados por mecanismos o sistemas restitutivos
(típicamente aisladores elastoméricos con o sin núcleo de plomo) que
33
regresen la estructura a su posición original luego de un sismo.
Adicionalmente, estos sistemas requieren de mayor mantención y cuidado,
ya que cualquier modificación en las superficies deslizantes puede resultar
en un coeficiente de fricción distinto al de diseño.
2.2.2.1 Aisladores Péndulo Friccional.
Los péndulos friccionales cuentan con un deslizador articulado ubicado
sobre una superficie cóncava. Los FPS, a diferencia de los apoyos
deslizantes planos, cuentan con la característica y ventaja de ser
autocentrantes. Luego de un movimiento sísmico, la estructura regresa a
su posición inicial gracias a la geometría de la superficie y a la fuerza
inducida por la gravedad. La Figura 2.6 muestra un esquema de un péndulo
friccional.
(a) Esquema estático (b) Esquema deformado
Fig. 2.6 Péndulo Friccional
2.2.2.2 Aisladores Friccionales
Los apoyos deslizantes planos son los aisladores deslizantes más simples.
Consisten básicamente en dos superficies, una adherida a la estructura y
la otra a la fundación, que poseen un bajo coeficiente de roce, permitiendo
los movimientos horizontales y resistir las cargas verticales. Poseen,
generalmente, una capa de un material elastomérico con el fin de facilitar
el movimiento del deslizador en caso de sismos. Por lo general, las
34
superficies deslizantes son de acero inoxidable pulida espejo, y de un
material polimérico de baja fricción. Este tipo de aislación puede requerir
de disipadores de energía adicionales. A fin de prevenir deformaciones
residuales luego de un evento sísmico, se debe proveer de sistemas
restitutivos (típicamente aisladores elastoméricos o con núcleo de plomo)
que restituyan la estructura a su posición original. La Figura 2.7 muestra un
esquema de un apoyo deslizante plano.
Fig. 2.7 Apoyo deslizante plano - Universidad Católica del Maule (Chile)
La combinación de estos sistemas con aisladores elastoméricos o con
núcleo de plomo permite, en general, ahorros de costos del sistema de
aislación. La Figura 2.8 muestra la combinación de un apoyo deslizante con
un aislador elastomérico.
Fig. 2.8 Combinación de apoyo deslizante y aislador elastomérico - BERRY
STREET PROJECT (EEUU)
35
2.3 Experiencia y Aspectos a considerarse en la instalación de
aisladores.
Para edificios, los efectos sísmicos fueron incorporados por primera vez en
el Uniform Building Code (UBC) de 1927 en Estados Unidos. Sin embargo,
el código no incorporaba requerimientos de diseño. Los requerimientos de
diseño se incorporaron en el código de 1930.
En general, el desarrollo de normativa a nivel mundial ha estado siempre
relacionado con la ocurrencia de terremotos de gran magnitud. En el sur
del continente Americano Chile no ha sido la excepción. Luego del
terremoto de Talca de 1928 se publicó el primer reglamento de diseño
sísmico que comenzó a regir en 1935 a través de la Ordenanza General de
Construcciones y Urbanización.
El primer documento para el diseño de estructuras con aislación sísmica de
base fue publicado en 1986 por el SEAOC (Structural Engineering
Association of California). Estados Unidos y Japón son los principales
precursores del uso de estas tecnologías de protección. Los sistemas de
protección sísmica presentaron su mayor auge luego de los terremotos de
Northridge (EEUU) en 1994 y Kobe (Japón) en 1995. La Figura 2.9 muestra
el aumento del uso de sistemas de aislación sísmica en Japón después del
terremoto de Kobe de 1995.
Fig. 2.9 Masificación de edificios sísmicamente aislados en Japón, luego del
terremoto de Kobe de 1995
36
En ambos terremotos se observó que las construcciones que poseían
sistemas de aislación sísmica se comportaron de excelente forma, lo que
estimuló la masificación de este tipo de tecnología. La experiencia
internacional muestra que el uso de tecnologías de protección sísmica no
solo aplica para estructuras nuevas, sino que también es utilizada como
estrategia de refuerzo o rehabilitación (retrofit) de estructuras ya existentes.
Algunos ejemplos emblemáticos de estas aplicaciones son el Capitolio de
Utah (EEUU), el Municipio de San Francisco (EEUU), y el puente Golden
Gate en San Francisco (EEUU).
En la actualidad Japón cuenta con más de 2500 construcciones con
sistemas de aislación sísmica mientras que Estados Unidos con alrededor
de 200.
En Chile, el primer edificio con aislación sísmica de base fue construido en
el año 1991. Este edificio de viviendas sociales, de cuatro pisos,
corresponde al conjunto habitacional de la Comunidad Andalucía, ubicado
en la comuna de Santiago. Posteriormente, una veintena de estructuras con
sistemas de protección sísmica han sido construidos, entre los que
destacan el viaducto Marga-Marga, el Muelle Coronel, el puente Amolanas,
el Nuevo Hospital Militar La Reina, el edificio Parque Araucano, la Clínica
UC San Carlos de Apoquindo, la Torre Titanium, y los edificios de la
Asociación Chilena de Seguridad en Santiago y Viña del Mar, entre otras.
Se espera que luego de los últimos terremotos ocurridos en Chile este abril
del 2014, como el que ya ocurrió en febrero del 2010 y además del ocurrido
en marzo 2011 en Japón se genere un nuevo auge, al igual que lo ocurrido
en la década de 1990 con los terremotos de Northridge y Kobe, que impulse
la masificación de la aplicación de sistemas de protección sísmica en
estructuras. En particular, debido a la cantidad de edificaciones que,
contando con sistemas de protección sísmica en Japón, registraron un
excelente desempeño sísmico.
37
Los aisladores de base, son una excelente opción para el diseño sísmico
de estructuras. Lastimosamente en el Ecuador, recién en el 2008, el Cuerpo
de Ingenieros del Ejército construyo el puente que une las ciudades de
Bahía de Caráquez con San Vicente con aisladores de base los mismos
que están ubicados bajo el tablero del puente, que dicho sea de paso tiene
aproximadamente dos kilómetros de longitud.
En la actualidad el ecuador sin duda se ha visto el interés de introducir este
tipo de sistemas en la redacción de su normativa y a la par con este auge
en el uso de sistemas de protección sísmica ya se menciona en la Norma
Ecuatoriana de la Construcción NEC11 (capítulo 2.9 y 2.10) algunos
requisitos especiales para estructuras de ocupación especial y para
estructuras esenciales como son los requisitos de diseño de edificios con
sistemas de control estructural involucrando así a los sistemas de
aislamiento sísmico y sistemas de disipación pasiva de energía.
Aspectos arquitectónicos
A diferencia de lo que sucede con la incorporación de disipadores de
energía, los aisladores sísmicos no representan una tarea compleja en
términos de solución arquitectónica, y ésta suele ser similar en todos los
casos. En general, los dispositivos de aislación sísmica se instalan en las
plantas bajas de los edificios, sobre los cimientos (subestructura), o entre
el entrepiso del primer subterráneo y el primer piso de la estructura. Sin
embargo, existen casos, donde se ha instalado aisladores sísmicos en
pisos superiores. Más aún, existen soluciones de protección sísmica
orientadas a aislar solo la planta de un piso o de un recinto específico de
un edificio.
Los aisladores sísmicos generan una interfaz donde, en caso de sismos,
se produce un gran desplazamiento horizontal relativo entre la estructura
aislada y la no aislada o el suelo. Este desplazamiento, que suele estar en
el rango entre 40 y 60 cm (o más), debe ser considerado en el diseño de
cañerías y ductos de servicios y redes distribuidas como agua, gas,
38
electricidad, alcantarillado, tv, internet, etc., además de sistemas de
ascensores, escaleras, accesos al edificio y, en general, cualquier
instalación, servicio o componente arquitectónico que cruce de la estructura
aislada a la no aislada. Un espacio de similares dimensiones debe
disponerse alrededor de la estructura a fin de prevenir el impacto de la
estructura aislada con sectores no aislados de la estructura o estructuras
adyacentes.
Los aisladores sísmicos deben ser instalados en puntos de la estructura
donde puedan ser inspeccionados y donde se les pueda dar mantenimiento
en el caso que se requiera. Por requerimiento normativo, los aisladores
sísmicos deben ser susceptibles de reemplazo. Se debe tomar las
precauciones en el diseño arquitectónico para que esto sea factible.
Se recomienda considerar el uso de dispositivos de aislación sísmica desde
las etapas iniciales del proyecto, a fin de mitigar el impacto de su
incorporación en la arquitectura.
Beneficios y limitaciones de uso
Beneficios: Los dispositivos de aislación sísmica actúan como filtro del
movimiento sísmico, evitando que gran parte de la energía sísmica se
traspase a la estructura aislada, reduciendo los esfuerzos y por lo tanto, el
daño producido a elementos estructurales y no estructurales de los
edificios.
Limitaciones de uso: Algunos tipos de aisladores, como el caso de los
aisladores deslizantes, requieren ser revisados luego de sismos
excepcionalmente severos. Debido al desplazamiento relativo entre la
estructura aislada y el suelo u otras estructuras no aisladas, todas las
especialidades involucradas en un proyecto, y que se puedan ver afectadas
por el desplazamiento de la estructura aislada, deben realizar diseños
especiales de sus sistemas a fin de acomodar los desplazamientos
esperados para el sistema de aislación.
39
Consideraciones para la evaluación económica
Se presenta una serie de costos y beneficios que deben ser considerados
al evaluar económicamente la instalación de aisladores sísmicos. Estos
aspectos varían dependiendo del tipo de aislación que se instale y las
características de cada proyecto.
Costos:
• Costo de los dispositivos.
- Costos del proyecto de aislación.
- Costos de fabricación y ensayo de prototipos y aisladores de obra.
- Costos de instalación. Costos directos y gastos generales por aumento de
plazos.
- Costo de protección al fuego de los dispositivos en caso que se requiera.
- Costo del sistema de conectores flexibles en las instalaciones y juntas de
dilatación.
- Costo del diafragma adicional requerido por sobre el nivel de aislación y
columnas de gran dimensión o envigados por debajo del sistema de
aislación.
- Costos de la súper y subestructuras requeridas para alcanzar objetivos de
desempeño compatibles con los provistos por el sistema de aislación.
• Costos de mantenimiento e inspección.
• Costo de proveer un espacio físico adicional para la instalación de los
aisladores.
Beneficios:
• Beneficio de mantener la estructura operativa durante e inmediatamente
después de ocurrido un sismo.
• Disminución de los costos de reparación de daños, luego de eventos
sísmicos severos, dado que se reducen:
- Daños de componentes y sistemas no estructurales.
- Daños estructurales.
40
• Beneficio para el fabricante en reputación de su marca. Ayuda a vender
mejor los atributos del producto.
• Percepción de mayor seguridad por parte del usuario.
Requisitos normativos
En nuestro medio la NEC 11 no establece parámetros de diseño para
estructuras con aislación sísmica, el diseño sísmico de edificios con
sistemas de aislamiento sísmico utilizará como requerimientos mínimos a
las especificaciones del Capítulo 13 del BSSC (2004) "NEHRP
Recommended Provisions and Commentary for Seismic Regulations for
New Buildings and Other Structures" (FEMA 450). Sin importar el uso u
ocupación del edificio, el parámetro SD1 corresponde a la aceleración
espectral para T = 1s, para un periodo de retorno de 475 años. SM1
corresponde a la aceleración espectral con para T = 1s, para un periodo de
retorno de 2500 años, tomando en cuenta el efecto del suelo de
cimentación.14
14 NEC11-CAP.2.10 DISEÑO DE EDIFICIOS CON SISTEMAS DE CONTROL ESTRUCTURAL
41
Ejemplos y aplicaciones.
Fig. 2.10 Aplicación apoyo deslizante - Hospital Takasu (Japón)
(a) Estructura reforzada (b)Aisladores elastoméricos
Fig. 2.11 San Francisco City Hall (EEUU)
42
(a) Estructura reforzada
(b) Aisladores elastoméricos
Fig. 2.12 Puente Golden Gate, San Francisco (EEUU)
43
CAPITULO III
3. ASPECTOS GENERALES DEL DISEÑO SISMO RESISTENTE
3.1 El sismo como acción de diseño15
Los sismos son eventos con baja probabilidad de ocurrencia y sus
consecuencias pueden ser tremendas en términos de destrucción y del
sufrimiento que provocan, por estas razones el diseño de estructuras sismo
resistente presenta particularidades que lo distinguen del diseño para otro
tipo de acciones como cargas gravitatorias o viento.
El fenómeno sísmico es un problema netamente dinámico, si bien los
primeros métodos para su consideración se basaron en conceptos
estáticos. Es así que surgió el método de las fuerzas estáticas equivalentes,
que aún hoy se aplica para estructuras relativamente simples (la mayoría
de los códigos permiten su aplicación para construcciones de baja y
mediana altura y de configuración aproximadamente regular). En este
método, el efecto vibratorio del sismo se reemplaza por fuerzas laterales
que, en general, siguen una distribución creciente con la altura. El corte
basal sísmico se determina a partir de un coeficiente sísmico (igual a la
aceleración horizontal dividida la aceleración de la gravedad, g)
multiplicado por el peso total de la construcción, incluyendo las sobrecargas
de uso. El desarrollo y la difusión de las computadoras personales y de los
programas de análisis estructural han permitido una generalizada
aplicación de métodos dinámicos para considerar la acción sísmica. En
estos métodos, y dependiendo del tipo de análisis a realizar, el sismo se
cuantifica a través de un espectro de aceleraciones o mediante una serie
de registros de aceleración (acelerogramas). Estos últimos representan la
variación de la aceleración del terreno en función del tiempo. Los registros
de aceleración se obtienen de mediciones de sismos real eso bien se
generan artificialmente mediante programas computacionales para cumplir
ciertos requisitos.
15ANSI/AISC 341-10 (Asociación Latinoamericana del Acero – Alacero)
44
Cualquiera sea el método aplicado, se consideran en general cuatro
aspectos fundamentales para cuantificar la acción sísmica, a saber:
(i) sismicidad propia del lugar,
(ii) características del suelo de fundación,
(iii) destino o importancia de la construcción y
(iv) características principales de la respuesta estructural, vinculadas
principalmente a su ductilidad y sobre resistencia.
Los dos primeros aspectos se definen a través de un espectro de diseño,
normalmente en términos de aceleraciones horizontales. La importancia de
la construcción se cuantifica a través de un factor que mayora la demanda
sísmica para obras de infraestructura pública, edificios con alta ocupación,
etc. El comportamiento estructural se representa mediante un factor de
modificación de respuesta, R, el cual se ha calibrado a partir de resultados
experimentales y analíticos obtenidos para distintos tipos de estructuras;
sus implicancias en el diseño se indican posteriormente en este capítulo.
Es importante mencionar que usualmente la acción sísmica de diseño se
define a partir de aceleraciones (o del coeficiente sísmico para el método
estático), razón por la cual los métodos que utilizan este criterio se
denominan “métodos de diseño basados en fuerza”. Este es un criterio
tradicional que se utiliza desde los comienzos de la ingeniería sísmica. Sin
embargo, en las últimas décadas, investigadores y diseñadores de distintos
países han comenzado a desarrollar una nueva definición de la acción
sísmica, considerando los desplazamientos laterales como variable
principal de diseño (Priestley et al, 2007). Es así que han surgido distintos
“métodos de diseño basado en desplazamiento”, los cuales han madurado
en su formulación e implementación, de modo que es muy factible que en
un futuro cercano se incorporen paulatinamente a los códigos de diseño.
El concepto de espectro es de gran importancia para definir y cuantificar la
acción sísmica; es por ello que se presentan a continuación aspectos
básicos sobre los espectros de respuesta y de diseño.
45
3.1.1 Espectros de respuesta
Se han definido diversos parámetros e indicadores para cuantificar los
terremotos y sus efectos. Desde el punto de vista estructural, la aceleración
es uno de los parámetros más importante para el diseño sismo resistente,
más precisamente a través de los espectros de aceleración (ver Figura 3.1).
A través de ellos, se define la amenaza sísmica de una zona o región a los
efectos del diseño sismo resistente. En forma general, puede definirse
espectro como un gráfico de la respuesta máxima (expresada en términos
de desplazamiento, velocidad, aceleración, o cualquier otro parámetro de
interés) que produce una acción dinámica determinada en una estructura u
oscilador de un grado de libertad. En estos gráficos, se representa en
abscisas el periodo propio de la estructura (o la frecuencia) y en ordenadas
la respuesta máxima calculada para distintos factores de amortiguamiento
ξ.
El espectro de respuesta elástica representa el máximo de un parámetro
de respuesta (aceleración, desplazamiento, etc.) para osciladores simples
de un grado de libertad con un periodo de vibración T y un amortiguamiento
relativo ξ para un terremoto dado. En la Figura 3.1 se presenta el gráfico
correspondiente a un espectro de aceleración.
El concepto de los espectros comenzó a gestarse gracias a una idea Kyoji
Suyehiro, Director del Instituto de Investigaciones de la Universidad de
Tokyo, quien en 1920 ideó un instrumento de medición formado por 6
péndulos con diferentes periodos de vibración, con el objeto registrar la
respuesta de los mismos ante la ocurrencia de un terremoto. Unos años
después, Hugo Benioff publicó un artículo en el que proponía un
instrumento similar al de Suyehiro, destinado a medir el desplazamiento
registrado por diferentes péndulos, con los cuales se podía determinar el
valor máximo de respuesta y construir una curva (espectro de
desplazamiento elástico) cuya área sería un parámetro indicador de la
destructividad del terremoto. Maurice Biot, en el Instituto Tecnológico de
California, fue quien propuso formalmente la idea de espectros de
46
respuesta elástica; luego Housner, Newmark y muchos otros
investigadores desarrollaron e implementaron este concepto en criterios de
aplicación práctica.
Fig. 3.1 Espectro elástico de respuesta, en términos de aceleración, Ejemplo:
correspondiente al terremoto de Turquía, 17/8/1999, registro YPT
3.1.2 Espectros de diseño
Debido a que los espectros de respuesta representan el efecto de un solo
registro de aceleración, no pueden usarse para el diseño. Por esta razón,
los reglamentos sismo resistentes utilizan espectros de diseño. Éstos
presentan dos características principales:
(i) consideran la peligrosidad sísmica de una zona o región y
(ii) son curvas suavizadas, es decir, no presentan las variaciones
bruscas propias de los espectros de respuesta.
La obtención de las respuestas espectrales, como parte del análisis de
amenaza sísmica, puede realizarse mediante procedimientos
probabilísticos o determinísticos, según lo que resulte más conveniente en
cada caso (Maguire, 2004; Reiter, 1990).
47
Desde hace más de una década, se ha desarrollado en Estados Unidos un
procedimiento que permite definir los espectros de diseño a partir de lo que
se denomina terremoto máximo considerado (MEC, máximum considered
earthquake). Éste no debe interpretarse como el máximo terremoto que
puede ocurrir en una región, sino como el máximo nivel de sacudimiento
que se considera razonable para el diseño de estructuras (Leyendecker et
al., 2000).
Se describe a continuación, en términos generales, el criterio que adoptan
las especificaciones ASCE/SEI 7-10, Minimum Design Loads for Buildings
and Other Structures (ASCE, 2010) para definir el espectro de diseño. Este
reglamento considera para casos usuales un sismo definido como
terremoto máximo considerado con probabilidad de colapso uniforme,
MCER (risk-targered máximum considered earthquake). Este concepto fue
introducido en la edición del año 2010 de mencionado reglamento para
considerar que la probabilidad de colapso estructural presenta
incertidumbres. Anteriormente, los valores de movimiento de suelo (ground
motion values) se definían bajo la condición de “amenaza uniforme”
(uniform hazard), sin considerar las incertidumbres en la capacidad
estructural. Es por ello que en la edición 2010 se modificaron los
parámetros de movimiento desuelo de manera que la probabilidad de
colapso esperada asociada a los espectros resultantes sea uniforme.
El terremoto MCE se determina asumiendo una probabilidad de excedencia
del 2% en 50 años (equivalente a un periodo de retorno de 2475 años) y se
caracteriza mediante tres parámetros principales:
La aceleración espectral para periodos cortos (T=0.2s), SS.
La aceleración espectral para un periodos T=1.0s, S1.
El periodo de transición para periodos largos, TL (ver Figura 3.2).
Estos parámetros se obtienen de mapas disponibles para todo el país, y
corresponden a un sitio clase B.
48
Actualmente, se puede acceder a los valores de los parámetros SS y S1 para
calcular el espectro compatible con ASCE/SEI 7-10 en forma electrónica a
través del sitio web el United States Geological Survey´s16, no solo para
Estados Unidos sino también a nivel mundial (mediante World wide Seismic
Design Maps Application).
La clasificación del sitio se realiza a partir de las propiedades del suelo
(velocidad promedio de las ondas de corte, resistencia promedio a la
penetración o resistencia a corte no drenada promedio) y para ello se
consideran seis categorías, de la A a la F.
El espectro de diseño se determina considerando una reducción de las
aceleraciones espectrales de referencia para el terremoto máximo
considerado, MCE, de modo que:
SDS = 2/3 Fa SS
SD1 = 2/3 Fv S1 (Ec. 3.1)
(Ec. 3.1) Aceleraciones espectrales de referencia para el terremoto máximo considerado
Donde el factor 2/3 representa un “margen sísmico” para transformar el
espectro MCE, que corresponde a un nivel de colapso, en otro a nivel de
diseño. Como consecuencias de dividir por 2/3, se obtiene un margen
uniforme contra el colapso, pero no una probabilidad de ocurrencia
uniforme de los espectros obtenidos para distintos sitios (Leyendecker et
al., 2000). Luco et al. (2007) explican que el factor 2/3 representa un
modificación en el objetivo de desempeño considerado por el reglamento
que cambió del nivel de “seguridad de vida” (life safety) a “prevención del
colapso” (collapse prevention).
Las modificaciones indicadas de los parámetros de referencia SS y S1 se
representa esquemáticamente en la Figura 3.2 mediante flechas. Debe
notarse, sin embargo, que en ciertos casos los parámetros de diseño
16http://earthquake.usgs.gov/hazards/designmaps/
49
pueden ser mayores que los del espectro MCE cuando los factores de sitio
Fa o Fv son mayores de 1.5 lo cual puede ocurrir en suelos blandos.
Fig. 3.2 Espectro de diseño considerado por las especificaciones ASCE/SEI 7-10
Para sitios cuya clase difiere de la B es necesario modificar la respuesta
espectral, de modo de considerar el efecto del suelo, que afecta tanto los
valores de aceleración como la forma del espectro. Esta modificación se
logra mediante dos coeficientes de sitio, Fa y Fv, que multiplican a las
aceleraciones espectrales SS y S1. Los coeficientes Fa y Fv se encuentran
tabulados y sus valores dependen de la clase de sitio y de los niveles de
aceleración SS y S1.
Finalmente, para obtener el espectro completo, que consta de cuatro ramas
(ver Figura 3.2) se determinan los periodos de transición TO y TS mediante
las siguientes expresiones:
TO = 0.2 SD1 / SDS
TS = SD1 / SDS (Ec. 3.2)
(Ec. 3.2) Periodos de transición
En la Figura 3.3 se presenta, a modo de ejemplo, dos típicos espectros de
aceleración para diseño correspondientes a sitios clase B y E. Además se
50
incluyen en esa figura (en línea de trazo) los espectros de desplazamientos
deducidos a partir de los de aceleración3.
Es muy importante aclarar que las aceleraciones especificadas mediante
los espectros de diseño de los códigos para cuantificar la acción sísmica
no representan necesariamente los máximos que podrían ocurrir en esa
zona o región. Más bien representan un nivel de movimiento sísmico que
se considera aceptable a los efectos del diseño (AISC, 2006). La aplicación
de las especificaciones reglamentarias (por ejemplo ANSI/AISC 341-10 y
360-10) asegura que la estructura presenta una adecuada ductilidad para
evitar el colapso ante la ocurrencia de un sismo severo.
Fig. 3.3 Ejemplos de espectros de aceleración para diseño según ASCE/SEI 7-10 y
los espectros de desplazamiento calculados a partir de los primeros
3.1.3 Acción vertical del sismo
Los espectros descriptos previamente se utilizan para definir la acción
sísmica horizontal. Los reglamentos de diseño, normalmente, incluyen
también requerimientos para considerar el efecto de la acción sísmica
vertical. Esta consideración se debe a que el movimiento del suelo,
resultante de la propagación de las ondas sísmicas, presenta también una
componente en la dirección vertical. En el caso de las normas ASCE/SEI
51
7-10 (ASCE, 2010) se considera una aceleración espectral constante (que
no es función del periodo) igual a 0.2 SDS. La aceleración así definida se
considera que actúa sobre la masa vinculada a las cargas permanentes, de
modo que se tiene un efecto vertical igual a ±0.2 SDS D (donde D representa
la carga permanente o muerta).
El efecto de la acción vertical del sismo debe considerarse como parte de
la acción sísmica total E cuando se plantean las combinaciones de carga
requeridas por el reglamento. En algunos casos especiales se permite
omitir la consideración de la acción vertical del sismo, por ejemplo cuando
SDS ≤ 0.125 o cuando se determina la demanda en cimentaciones.
3.2 Diseño por Capacidad
El método de diseño por capacidad se desarrolló originalmente en Nueva
Zelanda para estructuras de hormigón armado. En la actualidad, es
aceptado internacionalmente y sus principios se aplican también al diseño
de estructuras de acero.
El diseño por capacidad se basa en la formulación de una jerarquía en la
resistencia de los componentes que componen el sistema estructural para
permitir la formación de un mecanismo de deformación plástica (o
mecanismo de colapso); se evita así la ocurrencia de fallas frágiles. Para
ello, se seleccionan ciertos componentes o zonas de la estructura sismo
resistente, los cuales son diseñados y detallados para disipar energía en
forma dúctil y estable. En estas zonas críticas, denominadas comúnmente
“rótulas plásticas”, el sismo induce deformaciones plásticas por flexión y se
evitan otros mecanismos de falla mediante un incremento de la resistencia
asignada (por ejemplo fallas de corte en los miembros de hormigón armado
o problemas de pandeo local en secciones de acero).
Todos los demás componentes se protegen de la posibilidad de falla
asignando una resistencia mayor que la correspondiente al desarrollo de la
52
máxima resistencia esperada en las potenciales regiones de plastificación
(Paulay y Priestley, 1992).
En el caso de pórticos, la rótula plástica se asocia a una zona de disipación
de energía por flexión, pero el concepto puede ampliarse a otras
estructuras con zonas donde se produce fluencia por corte, tracción,
tracción-compresión, o incluso a dispositivos especialmente diseñados
como disipadores de energía.
De esta forma, el diseño por capacidad permite contrarrestar las
incertidumbres existentes para definir la demanda sísmica y asegura que
la estructura responda en forma estable y con adecuada capacidad de
disipación de energía.
Las especificaciones ANSI/AISC 341-10 incorporan los conceptos del
diseño por capacidad para la verificación de ciertos componentes, por
ejemplo columnas, considerando las solicitaciones inducidas cuando se
desarrolla el mecanismo de deformación plástica. En otras palabras, esos
componentes no se diseñan para resistir las solicitaciones inducidas por la
acción sísmica de diseño sino las correspondientes al nivel de resistencia
última de la estructura. Para ello se define un factor de sobre resistencia
del sistema estructural, Ωo. Este aspecto se explica con más detalle en
secciones subsiguientes de este capítulo.
3.3 Filosofía del Diseño Sismo resistente
3.3.1 Criterio general
Los códigos de diseño estructural usualmente indican el nivel general de
protección que debe esperarse de ellos. Para las estructuras sismo
resistentes la mayoría de los códigos establece requerimientos mínimos
para asegurar la protección de la vida humana esto es, evitar el colapso
parcial o total pero sin controlar el daño que puede resultar de la acción
sísmica.
53
Las estructuras sismo resistentes, salvo casos especiales, se diseñan para
responder en el rango inelástico, de modo que puedan desarrollar ductilidad
y disipar energía durante la ocurrencia de un terremoto severo. Es por ello
que las fuerzas o aceleraciones obtenidas a partir del espectro de diseño
(espectro elástico) son reducidas mediante un factor de modificación de
respuesta, R (cuya evaluación se discute en detalle en la sección
siguiente).
De esta forma el espectro de diseño elástico se transforma, a través del
factor R, en un espectro de diseño inelástico.
El ingeniero estructural debe comprender adecuadamente el criterio de
diseño sismo resistente a los efectos de aplicar correctamente las
especificaciones reglamentarias. Este criterio difiere significativamente del
aplicado para otros estados de carga, por ejemplo, para acciones laterales
por viento, donde la estructura se diseña con el objetivo de permanecer
esencialmente en rango elástico. La razón principal de esta diferencia es
de orden económico, a los efectos de que los costos de construcción sean
aceptables.
Es importante resaltar que la disipación de energía y el comportamiento
dúctil de la estructura bajo la acción sísmica solo puede lograrse si los
miembros que componen la misma son adecuadamente detallados para
evitar fallas de tipo frágil. Además, el desarrollo de la ductilidad implica la
ocurrencia de daño estructural, el cual resulta de la fluencia del acero y
eventualmente de problemas de inestabilidad como el pandeo local. El
daño que produce el terremoto tiene un costo de reparación, pudiendo ser
significativo según el tipo y la cantidad de componentes afectados, las
técnicas de reparación requeridas, etc.
54
3.3.2 Factor de modificación de respuesta R
El concepto del factor de modificación de respuesta se introdujo en la
década de 1960, fundamentalmente a través de las investigaciones
realizadas por Veletsos y Newmark (1960) y Veletsos et al (1965). A partir
de los resultados obtenidos del análisis dinámico de estructuras simples
con comportamiento elasto-plástico, se propuso que el espectro inelástico
(para diseño) podía obtenerse con cierta aproximación a partir de un
espectro elástico. De esta forma se podía reducir la demanda sísmica de
diseño (determinada a partir de un espectro elástico) para considerar la
capacidad de disipación de energía de la estructura por comportamiento no
lineal. Para ello se aplicó, como variable principal, el concepto de ductilidad
de desplazamiento, , definida como la relación entre el desplazamiento
máximo y el desplazamiento de fluencia, y se aplicaron consideraciones
simplificadas deducidas de la observación de los resultados obtenidos del
análisis dinámico.
En primer lugar se observó que en el rango de periodos largos, el
desplazamiento máximo en rango no lineal es similar al desplazamiento
máximo del sistema elástico (ver Figura 3.4), situación que se puede
expresar como “criterio de igual desplazamiento” (algunos autores utilizan
el término “principio” en lugar de criterio o regla, lo cual sería incorrecto
dado que es observación deducida a partir valores promedios obtenidos de
resultados de análisis dinámicos). A partir de esta observación se deduce
que el factor de reducción es igual a la ductilidad del sistema, R = Ve / Vy =
μ (donde Ve es la fuerza sísmica en el sistema elástico, Vy la fuerza de
fluencia en la estructura no lineal y μ=m/y es la ductilidad definida como la
relación entre el desplazamiento máximo y el desplazamiento de fluencia).
55
Fig. 3.4 Regla o concepto de igual desplazamiento entre un sistema elástico y otro
elasto-plástico
Para el caso de estructuras con periodo de vibración bajos se concluyó que,
aproximadamente, la energía en ambos sistemas era equivalente, como se
ilustra esquemáticamente en la Figura 3.5, lo cual puede expresarse como
“criterio o regla de igual energía”. A partir de igualar el área bajo la curva
de comportamiento elástico y elasto-plástico se puede deducir que:
R = √2μ − 1.
Finalmente, para el caso de periodos intermedios se observó un
comportamiento más complejo y se propusieron algunos procedimientos
simplificados para la consideración de este caso. Sin embargo, las reglas
de igual desplazamiento e igual energía representaron criterios importantes
que han influenciado significativamente el diseño sismo resistente. A partir
de las investigaciones de Veletsos, Newmark y sus colaboradores, muchos
otros investigadores profundizaron los estudios sobre el factor de respuesta
R. Los estudios realizados permitieron identificar distintas variables que
intervienen y deducir ecuaciones y valores del factor R más precisos,
Miranda y Bertero (1994) y Vielma et al. (2006).
56
Fig. 3.5 Regla o concepto de igual energía entre un sistema elástico y otro elasto-
plástico
En la actualidad el reglamento ASCE/SEI 7-10, al igual que los reglamentos
de varios países de Latinoamérica, especifican un criterio para evaluar el
factor R que considera no solo el efecto de la ductilidad, sino también la
sobre resistencia del sistema. De modo que:
(Ec. 3.3)
(Ec. 3.3) Factor R
Para explicar los conceptos involucrados en la Ecuación 3.3 resulta útil
analizar la respuesta estructural mediante un diagrama corte basal vs.
Desplazamiento lateral, como se muestra en la Figura 3.6. El nivel de fuerza
definido por el espectro de diseño se representa mediante el corte basal
elástico, Ve, mientras que el nivel de diseño se indica mediante el corte
basal VD. Este nivel representa el inicio de la fluencia, cuando la estructura
abandona el comportamiento lineal y elástico.
El factor R reduce las fuerzas a un nivel correspondiente al estado límite
último o de resistencia, no a un nivel de servicio.
A medida que los desplazamientos aumentan, la respuesta es no lineal y la
estructura es capaz de desarrollar una resistencia mayor que VD. La
respuesta real de la estructura puede aproximarse mediante una respuesta
57
bilineal equivalente, a los efectos de definir el nivel de fluencia (con corte
basal VY).
El factor de sobre resistencia Ωo tiene en cuenta la reserva de resistencia
entre los niveles VY y VD, la cual surge de la redundancia estructural, de la
sobre resistencia de los materiales, del sobredimensionamiento de los
miembros, de combinaciones de cargas distintas al sismo, de límites de
distorsión de piso, del efecto del factor de resistencia, etc. En los
comentarios de la recomendación FEMA 450, NEHRP Recommended
Provisions for Seismic Regulations For New Buildings and Other Structures
(FEMA, 2003) se presenta una detallada descripción conceptual del factor
Ωo y se analiza el mismo considerando que su valor está determinado por
tres factores Ωo = ΩD ΩM ΩS. Estos tres factores representan la sobre
resistencia de diseño, la debida al material y la del sistema,
respectivamente.
Fig. 3.6 Respuesta global del sistema, con indicación de los factores R, Ωo y Cd
El factor de reducción Rμ considera la ductilidad del sistema (definida como
μ=Δs/δY) que proporcionan los componentes con capacidad para disipar
energía.
58
El factor Rμ cuantifica la diferencia entre el nivel de respuesta elástica, Ve, y
la resistencia Vy de la estructura.
El uso del factor de modificación de respuesta simplifica el proceso de
diseño, porque el ingeniero estructural sólo debe realizar un análisis
elástico, aun cuando la estructura se deforme en rango no lineal. Sin
embargo, es importante resaltar que el análisis elástico no permite evaluar
adecuadamente los desplazamientos laterales, dado que los obtenidos por
ese procedimiento (δe) son menores que los desplazamientos que se
producirán en rango inelástico. Esta es la razón por la cual se considera un
factor de amplificación de desplazamientos, Cd, para estimar los
desplazamientos de diseño δS, como se indica esquemáticamente en la
Figura 3.6.
Puede concluirse que las acciones se definen a partir de un espectro de
diseño considerando el comportamiento lineal y elástico del sistema (ver
Figura 3.6 punto A), que se reduce luego mediante el factor R, bajo la
hipótesis de que la estructura dispone de adecuada capacidad de disipar
energía y sobre resistencia. Con la acción sísmica así definida se realiza el
análisis estructural con métodos estáticos o dinámicos, para determinar
solicitaciones de diseño y desplazamientos (punto B). Los desplazamientos
de diseño se obtienen mediante la amplificación de los resultados del
análisis elástico (punto C).
El factor de sobre resistencia se utiliza luego en el diseño de ciertos
componentes de estructuras dúctiles, por ejemplo columnas, con el objeto
de aplicar conceptos del diseño por capacidad. Es decir, que esos
componentes estructurales no se diseñan para resistir las solicitaciones
correspondientes a la acción sísmica VD sino para resistir las solicitaciones
que se inducen cuando la estructura desarrolla su resistencia real (Ωo VD).
Los valores del factor de modificación de respuesta R, del factor de sobre
resistencia Ωo y del factor de amplificación de desplazamientos Cd. se
59
encuentran tabulados en los respectivos códigos en función del tipo y
material de la estructura. La evaluación de dichos factores, particularmente
de R, se ha desarrollado a lo largo de varias décadas, de modo que en la
actualidad se dispone de información confiable para los distintos tipos
estructurales. La Tabla 3.1 presenta los valores correspondientes a estos
factores para distintos tipos de estructuras metálicas, de acuerdo con las
especificaciones ASCE/SEI 7-10, mientras que la Tabla 3.2 presenta los
mismos factores pero para el caso de estructuras mixtas de acero y
hormigón armado.
Del análisis de las Tablas 3.1 y 3.2 se observa que un mismo tipo estructural
puede diseñarse con distintos valores de R, a criterio del ingeniero
estructural, según sea la categoría que se adopte. Por ejemplo, para los
pórticos no arriostrados especiales se adopta R=8 y para los ordinarios
R=3.5, lo cual implica que el corte basal de diseño, VD, será
significativamente mayor en este último caso. Sin embargo, los pórticos
ordinarios se verifican con criterios menos estrictos y los detalles
constructivos y las conexiones son más simples y económicas.
También se deduce de dicha tabla que la reducción por ductilidad (Rμ = R /
Ωo, según Ecuación 3.3) adopta usualmente valores comprendidos entre 4
y 3 para las estructuras con mayor capacidad de disipar energía, y varía
entre 1.5 y 2 para las estructuras menos dúctiles. Para el caso extremo de
estructuras sin detalles sismo resistentes (última fila de la Tabla 3.1), el
factor de reducción por ductilidad es Rμ = 1.
3.4 Desplazamientos Laterales y Distorsión de Piso17
El desplazamiento lateral que experimentan las estructuras por acciones
como viento o sismo es una variable de importancia en el diseño, debido a
su vinculación con tres aspectos:
(i) la estabilidad estructural y el daño,
17ANSI/AISC 341-10 (Asociación Latinoamericana del Acero – Alacero)
60
(ii) el control de daño en elementos no estructurales, y
(iii) el confort de los usuarios de la construcción.
En el caso de la acción sísmica, el tercer aspecto no es significativo dado
que el objetivo primario del diseño es evitar la pérdida de vidas humanas.
Como se indicó previamente, los desplazamientos calculados a partir del
análisis elástico no representan adecuadamente el nivel al cual debe
plantearse la verificación (punto B en Figura 3.3). Los desplazamientos
laterales en estructuras sometidas a la acción sísmica de diseño son
mayores por el desarrollo de la ductilidad.
Es por ello que los códigos utilizan un factor de mayoración para obtener
los valores de los desplazamientos de diseño.
61
Tabla 3.1 Valores de los factores R, Ωo y Cd para estructuras de acero según
ASCE/SEI 7-10.
Durante mucho tiempo, se utilizó el mismo factor R tanto para reducir las
fuerzas elásticas como para amplificarlos desplazamientos,
fundamentando el criterio en el “criterio de igual desplazamiento”
previamente explicado. En la actualidad, algunos códigos consideran
factores diferentes para calcular los desplazamientos inelásticos, como en
el caso de las reglamentaciones norteamericanas que utilizan para ese fin
el factor Cd, de modo que el desplazamiento de diseño se determina como:
62
𝛿 =𝐶𝑑 𝛿
𝐼 (Ec. 3.4)
(Ec. 3.4) Desplazamiento de diseño
Donde I es factor de importancia, cuyo valor se encuentra tabulado (para el
reglamento ASCE/SEI 7/10 varía entre 1.0 y 1.5).
Tabla 3.2 Valores de los factores R, Ωo y Cd para estructuras mixtas de acero y
hormigón según ASCE/SEI 7-10.
63
En los procedimientos de diseño basados en fuerza, el control de
desplazamientos se plantea como una verificación adicional, que en el caso
de estructuras flexibles, como los pórticos no arriostrados, puede resultar
en una modificación del diseño. Como parámetro de control usualmente se
considera el desplazamiento relativo de piso, Δ, definido como la diferencia
entre los desplazamientos horizontales últimos correspondientes al nivel
superior e inferior del piso, o bien la distorsión horizontal de piso, θi,
definida por (ver Figura 3.7):
(Ec. 3.5)
(Ec. 3.5) Distorsión Relativa de piso
A nivel global, también se puede definir la distorsión de piso total como la
relación entre el desplazamiento total y la altura del edificio:
(Ec. 3.6)
(Ec. 3.6) Distorsión Total de piso
64
Los valores límites para los casos más usuales varían entre 0.01 y 0.02
dependiendo del tipo de estructura, la categoría de ocupación, etc.
Fig. 3.7 Deflexión lateral de la estructura y definición de la distorsión de piso
3.5 Estados de Carga y Análisis
3.5.1 Factor de redundancia
La redundancia estructural es un concepto importante en el diseño sismo
resistente (inicialmente fue introducido por el Código UBC en 1997, Bertero
y Bertero, 1999) y distintos reglamentos consideran explícita o
implícitamente su influencia. Tradicionalmente se define la redundancia
como el número de ecuaciones que se requiere para la solución de un
problema estructural, en adición a las ecuaciones de equilibrio. Esta
definición se basa en aspectos vinculados al análisis, pero resulta
inadecuada desde el punto de vista del diseño sismo resistente. Es por ello
que la redundancia se relaciona con la configuración estructural de la
construcción y con la posibilidad de falla de sus componentes.
65
Un sistema estructural compuesto por mucho componentes diseñados para
resistir la acción sísmica y en los cuales las fuerzas laterales se distribuyen
entre gran parte de esos componentes, presenta un probabilidad de falla
menor que un sistema con pocos componentes.
Bertero y Bertero (1999) indicaron que los efectos benéficos más
importantes de la redundancia son la distribución de la disipación de
energía en la estructura, evitando la concentración de daño y la reducción
de la demanda de desplazamientos y ductilidad como consecuencia de
efectos torsionales en rango elástico. Es por ello que las normas
norteamericanas consideran un factor de redundancia, ρ, cuyo objeto es el
de aumentar la acción sísmica de diseño en el caso de sistemas menos
redundantes. Se consideran dos casos, con valores de 1.0 y 1.3. En forma
general, el valor más elevado corresponde a estructuras donde la remoción
de una riostra o de una viga resulta en una reducción del 33% o más de la
resistencia lateral del piso. Este factor se aplica al estado de carga sísmica,
según se indica en la sección siguiente.
Es importante mencionar que la consideración del factor de redundancia
para incrementar la acción sísmica en estructuras con baja redundancia
implica, prácticamente, una reducción del factor de modificación de
respuesta R. Desde el punto de vista conceptual, puede concluirse que son
tres los aspectos principales que afectan la respuesta de la estructura ante
la acción sísmica: la ductilidad, la sobre resistencia y la redundancia
estructural. De este modo, la Ecuación 3-3 puede modificarse para incluir
estos tres factores explícitamente en una única expresión:
(Ec. 3.7)
(Ec. 3.7) Factor de Redundancia
3.5.2 Combinaciones de carga con acción de sismo
Las especificaciones sísmicas para construcciones de acero requieren que
la resistencia requerida se determine a partir de las combinaciones de
carga estipuladas en el código de aplicación.
66
El método LRFD (Load and Resistance Factor Design) considera diversas
combinaciones de carga, las cuales surgen de asumir que cada una de
ellas actúa separadamente con el máximo valor esperado en la vida útil de
la construcción (acción de base), mientras que las otras cargas (acciones
de acompañamiento) adoptan valores usuales, todas con igual probabilidad
de ocurrencia. A modo de ejemplo, se presentan combinaciones de cargas
según lo requerido por ASCE/SEI 7-10:
1. 1.4D
2. 1.2D + 1.6L + 0.5 (Lr o S o R)
3. 1.2D + 1.6 (Lr o S o R) + (L o 0.5W)
4. 1.2D + 1.0W + L + 0.5 (Lr o S o R)
5. 1.2D + 1.0 E + L + 0.2S
6. 0.9D + 1.0W
7. 0.9D + 1.0E
Desde el año 2005 las especificaciones AISC incorporaron un formato
unificado en el que se incluye en forma simultánea ambos métodos: LRFD
y ASD.
No obstante ello, se presenta el método ASD (Allowable Stress Design) con
un formato modificado con el objeto de mantener un esquema de
verificación similar al del método LRFD.
Es por ello que se aplica la verificación por estados límite y los coeficientes
de seguridad adoptan valores diferentes según cada estado. El criterio de
verificación establece que la resistencia admisible, Ra, determinada como la
resistencia nominal, Rn, dividida por el coeficiente de seguridad, , debe
ser mayor que la resistencia requerida, Ra, por las cargas externas:
Ra Rn /
67
Las combinaciones de estados de carga requeridas para el método ASD,
según el reglamento ASCE/SEI7-10, Minimum Design Loads for Buildings
and Other Structures (ASCE, 2010) para determinar la resistencia requerida
Ra son:
1. D
2. D + L
3. D + (Lr o S o R)
4. D + 0.75 L + 0.75 (Lr o S o R)
5. D + (0.6W o 0.7E)
6a. D + 0.75L + 0.75 (0.6W) + 0.75 (Lr o S o R)
6b. D + 0.75L + 0.75 (0.7E) + 0.75S
7. 0.6D + 0.6W
8. 0.6D + 0.7E
En la consideración de la acción sísmica debe incluirse el efecto de la
vibración vertical, Ev, según se explicó previamente en la Sección 3.1.3, y
el factor de redundancia estructural, ρ, definido en la Sección 3.5.1. Es por
ello que se aplica el siguiente criterio:
En las combinaciones de carga 5 y 6 del método ASD y en la combinación
5 del método LRFD, el efecto de la carga sísmica se determina como:
E = Eh + Ev (Ec. 3.8)
(Ec. 3.8) Efecto de carga sísmica
En la combinación de carga 8 del método ASD y en la combinación 7 del
método LRFD, el efecto de la carga sísmica se determina como:
E = Eh – Ev (Ec. 3.9)
(Ec. 3.9) Efecto de carga sísmica
Donde Eh = ρ QE, siendo QE el efecto de acción sísmica horizontal, cuya
determinación se realiza de acuerdo a los requerimientos reglamentarios
según el método de análisis a aplicar.
68
Adicionalmente, las especificaciones ASEC/SEI 7-10 requieren, en ciertos
casos, que la determinación del efecto sísmico se realice considerando el
factor de sobre resistencia Ωo (cargas sísmicas amplificadas).
Para ello, el efecto sísmico incluyendo sobre resistencia, Em, que se
considera en las combinaciones de carga se define como:
Em = Emh ± Ev (Ec. 3.8a)
Emh = Ωo QE (Ec. 3.8b)
Donde el signo del efecto sísmico vertical en la Ec. 3.8a se aplica según
corresponda, con igual criterio que el definido para las Ec.3.8 y 3.9. El
reglamento AISC 360-10 aplica este criterio en el diseño de componentes
de estructuras dúctiles, en los cuales se contemplan los principios del
diseño por capacidad, indicando en cada caso particular el valor de Emh a
considerar. De esta forma, se trata de diseñar ciertos componentes con un
nivel de resistencia requerida mayor, resultante del desarrollo del
mecanismo plástico.
Las especificaciones indican explícitamente cuándo deben considerarse
las cargas sísmicas amplificadas, por ejemplo para el diseño de columnas
con carga axial elevada, bases de columnas, conexiones de riostras, etc.
3.5.3 Métodos de análisis
Los métodos de análisis han evolucionado paulatinamente según los
avances de la ingeniería sismo resistente y el desarrollo y difusión de las
computadoras como herramienta de cálculo. El primer método aplicado fue
el de las fuerzas estáticas equivalentes, en el cual el efecto dinámico de la
acción sísmica se representa en forma simplificada mediante fuerzas
laterales.
69
Este criterio aún se aplica en la actualidad para construcciones de baja o
mediana altura con características de regularidad estructural en planta y en
elevación. El segundo procedimiento es el “método de análisis modal
espectral” que considera la naturaleza dinámica del problema.
Los reglamentos contemplan la posibilidad de realizar análisis dinámicos
con integración temporal, definiendo la acción sísmica mediante varios
registros de aceleración. Estos registros pueden ser obtenidos de sismos
reales o bien generarse artificialmente y, cualquiera sea el caso, deben
cumplir con requisitos especiales a los efectos de asegurar que representan
adecuadamente el terremoto de diseño. De esta forma, se puede
representar la naturaleza dinámica de la acción sísmica, si bien el volumen
de los datos de salida es significativamente mayor que en los otros
métodos, debido a que todas las variables (solicitaciones y
desplazamientos) son funciones temporales y deben seleccionarse sus
valores máximos a los efectos del diseño.
El código ASCE/SEI 7-10 permite también realizar análisis dinámicos
inelásticos, es decir, considerando el comportamiento real de la estructura.
Sin embargo, la complejidad del análisis y la interpretación de los
resultados son significativamente mayores, por lo cual este procedimiento
debería ser aplicado solo por diseñadores con experiencia y conocimientos
profundos de la dinámica no lineal.
El reglamento ANSI/AISC 341-10 indica algunas pautas para el análisis
estructural en su Capítulo C.
Para los análisis elásticos se requiere que la rigidez de los miembros de
acero se determine a partir de las propiedades elásticas de las secciones,
mientras que en el caso de miembros compuestos (acero y hormigón) se
deben considerar las secciones fisuradas.
70
Finalmente, es importante presentar algunas consideraciones generales
sobre el análisis estructural. Powell, 2010, indica que el análisis es solo una
herramienta a aplicar en el diseño estructural, la cual comprende, en
general, tres etapas:
(i) modelación,
(ii) computación e
(iii) interpretación.
La primer etapa requiere de experiencia y juicio crítico, a los efectos de
formular un modelo que represente adecuadamente a la estructura real
(recordar que un modelo nunca es “exacto”).
La segunda etapa consiste en la resolución del modelo, tarea que se realiza
computacionalmente con programas de análisis estructural, para obtener
los resultados (esfuerzos y desplazamientos).
Por último, la tercer etapa implica la interpretación y utilización de los
resultados para tomar decisiones de diseño, es por ello que resulta de
fundamental importancia verificar los resultados obtenidos y así detectar
eventuales errores que pueden ocurrir ya sea porque el modelo es
inadecuado (error del usuario del programa) o bien por problemas en el
proceso de computación (error del programa).
El significativo avance tecnológico, tanto de las computadoras personales
como de los programas para análisis estructural, permite en la actualidad
formular modelos computacionales con un alto grado de sofisticación y
refinamiento. Las interfaces gráficas representan la estructura con gran
detalle, con imágenes de gran realismo, y esta situación conduce
usualmente a generar una sensación de seguridad sobre la precisión del
modelo. Sin embargo, el uso de estas modernas herramientas no garantiza
que los resultados obtenidos sean correctos. Al respecto, resultan de gran
valor las recomendaciones de Wilson (2010), “no use un programa de
análisis estructural a menos que comprenda completamente los
fundamentos teóricos y las aproximaciones aplicados en su desarrollo” y
71
además “no formule un modelo computacional a menos que se hayan
definido claramente las propiedades de los materiales, las cargas y las
condiciones de borde”. La modelación para el análisis estructural es un
tema que, más allá de su relevancia, escapa de los alcances de este
trabajo. Se recomienda al lector interesado profundizar este tema a partir
de los textos de Powell (2010), y Wilson (2010).
3.6 Técnicas Avanzadas de Diseño Sismo resistente
3.6.1 Sistemas de protección sísmica
Los criterios de diseño sismo resistente convencional, presentados en
secciones previas de este capítulo, se fundamentan principalmente en los
conceptos de ductilidad (capacidad de disipar energía) y sobre resistencia
estructural, de modo que se pueden reducir las acciones de diseño
inducidas por el sismo. Sin embargo, el desarrollo de la ductilidad implica
la plastificación localizada en ciertas zonas de la estructura y
eventualmente la ocurrencia de pandeo. Así por ejemplo, la Figura
3.8muestra el daño resultante en el extremo de una viga, luego de la
formación de una rótula plástica resultado de un ensayo de laboratorio. El
comportamiento estructural es adecuado, pero el desarrollo de la ductilidad
originó plastificación y pandeo local, lo cual es sinónimo de daño, el cual a
su vez ocasiona pérdidas económicas.
Fig. 3.8 Clasificación de los sistemas pasivos de disipación de energía
72
A partir de la década de 1980 se produjeron avances significativos en la
ingeniería sismo resistente, particularmente por el desarrollo e
implementación de distintos dispositivos o sistemas innovadores para
controlar la acción sísmica, con los cuales es posible evitar o reducir la
necesidad de desarrollar deformaciones plásticas en la estructura. En
términos generales, los sistemas para control de la vibración inducida por
el sismo (o por otras acciones como el viento) se pueden agrupar en dos
grandes categorías: (i) sistemas de control pasivos y (ii) sistemas de control
activo, híbrido o semi-activo. La Figura 3.9 muestra esquemáticamente, a
modo de resumen, la clasificación de los distintos sistemas de protección
sísmica.
El primer grupo comprende una amplia gama de soluciones destinadas a
modificar favorablemente algunas propiedades estructurales, tales como
amortiguamiento, rigidez, resistencia y ductilidad. Estos dispositivos,
usualmente, se incorporan a la estructura principal de modo tal que pueden
remplazarse fácilmente en caso de fuera necesario (en forma
conceptualmente similar a un fusible en una instalación eléctrica). Los
sistemas pasivos se pueden subdividir en dos grupos, de acuerdo al
principio en el que se basa su funcionamiento, esto es, el asilamiento
sísmico y la disipación adicional de energía (o amortiguamiento adicional).
Fig. 3.9 Clasificación de los distintos sistemas de protección sísmica
73
El aislamiento sísmico se basa en el concepto de desacoplar la respuesta
dinámica de la construcción con respecto a la componente horizontal del
movimiento del terreno, mediante la colocación de elementos de muy baja
rigidez horizontal dispuestos, generalmente entre la construcción y su
cimentación. Si bien se han propuesto muchos sistemas diferentes, su
aplicación práctica se hizo realidad con el desarrollo de los aisladores
formados por capas alternadas de goma (u otro material similar) y
planchuelas de acero inoxidable. La primera aplicación de aisladores de
goma se realizó en1969 para una escuela de tres niveles en Skopje,
Yugoslavia, diseñada y construida por un grupo de ingenieros suizos. Otro
ejemplo importante es el edificio William Clayton, construido en 1981 en
Wellington, Nueva Zelanda, donde se emplearon por primera vez
aisladores de goma y plomo, que representa uno de los métodos de
aislamiento sísmico más usados en la actualidad.
En los últimos 35 años se han diseñado y aplicado otros sistemas de
aislamiento, por ejemplo, el péndulo de fricción, sistema de pilotes
encamisados, etc.
Los disipadores de energía, o sistemas con amortiguamiento adicional,
mejoran la capacidad de disipar la energía trasmitida por el sismo y
protegen la estructura principal de los daños que podrían originarse si se
aplicaran los principios de diseño sismo resistente convencional. Estos
sistemas han tenido una difusión relativamente rápida, siendo aplicados
fundamentalmente para construcciones importantes y rehabilitación de
edificios históricos, especialmente en Estados Unidos, Japón, Italia y Nueva
Zelanda. Sin embargo, se han realizado también proyectos en Armenia,
Chile, China e Indonesia para el uso de estos sistemas en edificios de
vivienda de bajo costo. El control activo, híbrido o semi-activo incorpora
elementos especiales para la aplicación de fuerzas, los cuales son
controlados por un procesador que recibe información de sensores
ubicados en la estructura. De esta forma se logra, en tiempo real,
74
contrarrestar los efectos peligrosos de la acción sísmica, mejorando la
seguridad de la construcción.
Esta técnica presenta ventajas importantes y ha tenido cierta difusión y
desarrollo en los últimos veinte años para control de acciones de viento y
sismo. Las principales desventajas son la necesidad de asegurar el
suministro eléctrico durante el sismo y el mantenimiento constante de los
elementos que integran el sistema de control para que funcione
normalmente durante un terremoto. La mayoría de las aplicaciones de
control activo de edificios se han realizado en Japón (el primer caso es el
Kyobashi Seiwa Building, de once pisos, construido en 1989) y algunos
casos aislados en Estados Unidos, Taiwán y China (Soong y Spencer,
2000).
El desarrollo e implementación de los diversos sistemas de protección
sísmica surge, principalmente, como respuesta de la ingeniería estructural
a una demanda de la sociedad, que requiere no solo evitar la pérdida de
vidas humanas ocasionadas por los sismos, sino también reducir y
controlar las pérdidas económicas resultantes del daño de la construcción
y del lucro cesante producto de la interrupción de actividades económicas.
Estas nuevas soluciones, que se fundamentan en el avance científico y
tecnológico, presentan ventajas en términos económicos cuando el análisis
se formula en forma integral, mediante una evaluación de costos y
beneficios a lo largo de toda la vida útil de la construcción (ver Figura 3.10).
El costo inicial de la obra puede incrementarse ligeramente (5 a10%) por la
incorporación de sistemas de protección sísmica. Sin embargo, al
producirse un sismo, estos sistemas permiten reducir o eliminar las
pérdidas por daño y lucro cesante. Es por ello, que su aplicación se
incrementa año a año, tanto en los países desarrollados como en
desarrollo.
75
Fig. 3.10 Deflexión lateral de la estructura y definición de la distorsión de piso
Para explicar conceptualmente el efecto estructural de los sistemas pasivos
de protección sísmica, puede recurrirse a los principios de la dinámica y a
consideraciones energéticas. La ecuación de equilibrio dinámico para un
sistema de un grado de libertad sometido a la acción sísmica puede
expresare como la suma de las fuerzas inerciales, fi, la fuerza de
amortiguamiento, fd, y la fuerza restitutiva fs (Uang y Bertero, 1988):
fi+fd+fs=mϑt +cϑ +fs=0 (Ec. 3.10)
(Ec. 3.10) Suma de fuerzas inerciales para ecuación de equilibrio dinámico
Donde m es la masa del sistema, c el amortiguamiento viscoso, ϑt es la
aceleración total y ϑ la velocidad.
Para el caso particular de un sistema linear y elástico, la fuerza restitutiva
es fs=k*v (donde k es la rigidez y v el desplazamiento relativo).
La aceleración total puede expresarse como la suma de la aceleración del
suelo (registro de aceleración medido instrumentalmente) y de la
aceleración relativa (ϑt =ϑg+ϑ) de modo que:
(Ec. 3.11)
(Ec. 3.11) Aceleración total – Efecto estructural sistemas pasivos
76
A partir de las ecuaciones de equilibrio dinámico puede derivarse una
ecuación equivalente en términos de energía (multiplicando cada término
por un diferencial de desplazamiento, dv, integrando y reagrupando):
(Ec. 3.12)
(Ec. 3.12) Ecuación equivalente de energía
Donde Ei representa la energía de introducida por el sismo al sistema
(input), Ek es la energía cinética, Ed es la energía disipada por
amortiguamiento viscoso, Es la energía de deformación elástica y Eh es la
energía disipada por comportamiento histerético. Es importante notar que
las energías cinética y deformación elásticas no son disipativas; por el
contrario estas energías ingresan al sistema y se intercambian según sean
los valores de la velocidad y del desplazamiento.
Para visualizar la diferencia, en términos energéticos (Ecuación 3.12) entre
el diseño convencional y el asilamiento sísmico, Popov et al., 1993,
propusieron una analogía en la cual la estructura se representa mediante
un recipiente y la energía del sismo mediante un cierto caudal de agua que
ingresa al mismo. En la Figura3.11 se presenta una versión adaptada de la
propuesta original de Popov et al. En el caso del diseño sismo resistente
convencional, el ingeniero estructural solo puede controlar, dentro de cierto
rango, la energía Eh que puede disipar el sistema (modificando la ductilidad
de los miembros estructurales).
Esta situación se representa en la Figura 3.11(a), en donde parte de la
energía ingresada permanece en el recipiente, Ek y Es, mientras que la
energía excedente es disipada en dos turbinas, Ed (amortiguamiento
viscoso) y Eh (histéresis).
77
Fig. 3.11 Analogía hidráulica para explicar los criterios de diseño (a) convencional,
(b) con aisladores
Cuando se incorporan aisladores a la construcción, su efecto puede
representarse en esta analogía mediante un desvío de parte del agua
ingresante, con lo cual se logra reducir la energía Ei, ver Figura 3.11. (b).
3.7 Sistemas Estructurales para Construcciones de Acero18
Las estructuras de acero han evolucionado a lo largo de más de un siglo
como resultado de la experiencia obtenida por la industria de la
construcción y de numerosas investigaciones destinadas a optimizar su
uso. Este avance ha permitido desarrollar distintos tipos de estructuras
sismo resistente, los cuales presentan variaciones no solo en su
comportamiento estructural, sino también diferencias constructivas,
funcionales y económicas.
18ANSI/AISC 341-10 (Asociación Latinoamericana del Acero – Alacero)
78
Esto le permite al ingeniero estructural seleccionarla solución más
adecuada para casos particulares.
El reglamento ANSI/AISC 341-10 clasifica a los sistemas estructurales para
construcciones sismo resistentes de acero en dos grupos, según se indica
en la
Figura 3.12 (las siglas que se indican en cada caso corresponden con la
denominación en inglés adoptado por el reglamento).
Los sistemas del primer grupo se caracterizan porque el comportamiento
está controlado principalmente por la flexión, mientras que en el segundo
depende principalmente de las fuerzas axiales o el corte es importante
observar que para un mismo tipo estructural el reglamento considera la
posibilidad de que el sistema se diseñe como sistema especial u ordinario.
Los sistemas especiales requieren verificaciones y detalles constructivos
más estrictos, para asegurar un comportamiento muy dúctil, lo cual permite
utilizar un factor de modificación de respuesta R mayor (y por ende la acción
sísmica es menor).
En contraposición, los sistemas ordinarios se diseñan con acciones
sísmicas mayores (factor R menor) y por lo tanto el nivel de detalles
requerido es menos estricto. Resulta difícil indicar a priori cuál de las dos
alternativas resulta más económica. En principio, la experiencia indica que
los sistemas especiales requieren menor cantidad de acero (secciones
menores) si bien los detalles para conexiones son más costosos; en el caso
de los sistemas ordinarios, la situación es inversa.
El diseñador deberá evaluar las características y condicionantes de cada
caso para encontrar la solución óptima, considerando aspectos
estructurales, constructivos y de costo.
79
Fig. 3.12 Clasificación de los sistemas estructurales sismo resistente para
construcciones de acero
3.7.1 Pórticos no arriostrados
Los pórticos no arriostrados o pórticos resistentes a momento son
ensambles rectilíneos de vigas y columnas conectadas entre sí mediante
soldaduras, pernos o ambos (ver figura 3.13). Los miembros componentes
de estos pórticos quedan sometidos principalmente a momentos flectores
y esfuerzos de corte, que controlan su diseño, razón por la cual también se
los denomina “pórticos a momentos”.
80
Fig. 3.13 Vista general de una estructura de pórticos no arriostrados para un
edificio comercial
Este tipo estructural se caracteriza por su elevada capacidad de disipación
de energía, cuando se diseña y construye para tal fin. Las especificaciones
ANSI/AISC 341-10 consideran tres niveles de desempeño, esto es: pórticos
especiales, intermedios u ordinarios.
Un aspecto fundamental en el diseño de los pórticos no arriostrados son
las conexiones viga-columna, las cuales son necesarias desde el punto de
vista constructivo y deben asegurar que las vigas pueden desarrollar su
capacidad a flexión.
Dentro de las alternativas que ofrece este tipo estructural, las
especificaciones sísmicas ANSI/AISC 341-10 contemplan un caso
particular: los pórticos con vigas reticuladas (ver Figura 3.14). Éstos se
caracterizan por contar con un segmento especial en la viga que se diseña
para deformaciones inelásticas significativas cuando es sometido a la
acción del sismo, de acuerdo a un mecanismo de deformación plástica
como el que se indica en la Figura 3.15 (Basha y Goel, 1994, Goel et al.,
1998). La disipación de energía resulta de la fluencia por flexión en los
cordones de la viga y la fluencia axial y pandeo de las barras diagonales
81
dentro del segmento especial. Las partes restantes de la viga y las
columnas se diseñan para permanecer en rango elástico.
Fig. 3.14 Pórtico no arriostrado con vigas reticuladas, (a) segmento especial con
reticulado en X, y (b) segmento con panel Vierendeel
Fig. 3.15 Mecanismo de deformación plástica para casos típicos de pórticos no
arriostrado con viga reticulada
De acuerdo a las especificaciones ANSI/AISC 341-10, la luz de la viga
reticulada no debe exceder los 20 m y su altura total no debe ser mayor que
1.8m. La longitud del segmento especial debe estar comprendida entre 0.1
82
y 0.5 veces la luz de la viga (el primer límite surge de consideraciones para
controlar la demanda de ductilidad en los componentes que fluyen,
mientras que el segundo límite se debe a razones prácticas). La relación
entre la longitud y la altura de cualquier panel dentro de la zona del
segmento especial debe estar comprendida entre 0.67 y 1.5. Es
recomendable disponer el segmento especial en la zona central de la viga,
debido a que el esfuerzo de corte producido por las cargas gravitatorias es
mínimo en esta posición.
Los ensayos estructurales realizados por distintos investigadores indican
que los pórticos especiales con viga reticulada presentan un
comportamiento dúctil, con una respuesta cíclica estable hasta distorsiones
de piso del 3%.
3.7.2 Pórticos arriostrados concéntricamente
Los pórticos arriostrados surgieron a comienzos del siglo XX como una
alternativa estructural para edificios de mediana y baja altura. La presencia
de las barras diagonales o riostras modifica significativamente el
comportamiento del pórtico, dado que se forma una estructura reticulada,
con triangulaciones (ver Figura 3.16). Las acciones laterales de viento y
sismo inducen en la estructura principalmente esfuerzos axiales de tracción
y compresión. Este tipo estructural se caracteriza por una elevada rigidez
lateral, lo que permite un adecuado control de los desplazamientos.
83
Fig. 3.16 Vista de un edificio en construcción con pórticos arriostrados
Se pueden plantear diferentes configuraciones, como se muestra
esquemáticamente en la Figura 3.17. La adopción de la configuración más
conveniente en cada caso se realiza a partir de consideraciones
estructurales, funcionales y eventualmente aspectos estéticos.
Fig. 3.17 Configuraciones típicas para pórticos arriostrados concéntricamente, (a)
riostras en X, (b) en K, (c) en diagonal, (d) en V invertida y (e) en V
84
Desde el punto de vista arquitectónico, los pórticos no arriostrados pueden
considerarse como menos invasivos, debido a que otorgan mayor libertad
al diseñador en la distribución de espacios. La disposición de las riostras,
ya sea en las fachadas o en pórticos interiores puede dificultar la ubicación
de aberturas o dificultarlas circulaciones. Sin embargo, muchos arquitectos
han logrado excelentes diseños mostrando y resaltando las riostras como
componentes importantes de la solución estética adoptada, como se
muestra en los ejemplos de la Figura 3.18.
Fig. 3.18 Edificio “Hearst Tower”, en New York y Tokyo Sky Tree
Los arriostramientos concéntricos de acero presentan ventajas
significativas para la rehabilitación sísmica de estructuras (ver Figura 3.19),
ya que permiten fabricarlos componentes de acero en taller y luego
montarlos en obra con alteraciones mínimas de la actividad que se
desarrolla en la construcción, particularmente en los casos en los que los
pórticos arriostrados se disponen en la periferia de la construcción. Otra
solución interesante es colocar solamente riostras de acero para rehabilitar
estructuras aporticadas existentes (de acero u hormigón armado), tal como
se muestra en la Figura 3.20.
85
Fig. 3.19 Vista de un pórtico arriostrado de acero utilizado para la rehabilitación de
una estructura existente de hormigón armado
Las especificaciones sísmicas AISC consideran dos categorías de pórticos
arriostrados concéntricamente: especiales y ordinarios, según su nivel de
desempeño para el cual se diseñarán. Como se indicó anteriormente, en
los pórticos especiales se utiliza un factor de respuesta R mayor y los
requerimientos y detalles son más estrictos que en el caso de los pórticos
ordinarios.
Fig. 3.20 Ejemplo de rehabilitación mediante el agregado de riostras de acero a una
estructura de hormigón armado
86
3.7.3 Pórticos arriostrados excéntricamente
Los pórticos no arriostrados pueden exhibir una respuesta dúctil y estable;
sin embargo, son estructuras relativamente flexibles y el diseño usualmente
es controlado por las limitaciones de la distorsión de piso.
Los pórticos con arriostramientos concéntricos representan una situación
inversa, debido a que se caracterizan por una elevada rigidez lateral, pero
su comportamiento sismo resistente puede verse afectado por el pandeo
de las riostras comprimidas. Es por ello que en la década de 1970 se
desarrolló en Japón (Fujimoto etal., 1972, y Tanabashi et al., 1974) y en
Estados Unidos de América (Popov et al. 1987 y 1989) un sistema que trata
de combinar las ventajas de los dos anteriores, contrarrestando sus
debilidades. Así, surgieron los pórticos arriostrados excéntricamente, en los
cuales las riostras se disponen deliberadamente de forma tal degenerar una
excentricidad en la viga (ver Figura 3.21) donde se inducen esfuerzos de
corte y momentos flectores elevados. Estas zonas, llamadas enlaces se
diseñan especialmente para disipar energía mientras el resto de los
componentes se diseñan para responder esencialmente en rango elástico.
(a)
87
(b)
Fig. 3.21 Ejemplos de pórticos con arriostramientos excéntricos
La Figura 3.22 muestra las configuraciones más usuales con el enlace
(zona dúctil) ubicado en las vigas.
Fig. 3.22 Configuraciones típicas para pórticos arriostrados excéntricamente
No es recomendable generar la zona de enlace en las columnas, debido a
que en ese caso el esfuerzo axial (variable por efecto de la acción sísmica)
88
dificulta la determinación precisa de la resistencia a flexión y corte. Además,
la falla no deseada del enlace en la columna tendría consecuencias mucho
más graves que si el mismo se dispusiera en las vigas.
La Figura 3.22(a) muestra un pórtico arriostrado con enlace interior, esto es
en la parte central de la viga, mientras que las Figura 3.22(b) y (c)
representan configuraciones con enlace exterior, en las que el enlace está
en los extremos de la viga. En estos dos últimos casos la conexión viga-
columna se encuentra ubicada en la zona dúctil, donde se generan
solicitaciones elevadas de flexión y corte. Es por ello que la conexión debe
diseñarse con requerimientos similares a los aplicados en el caso de
conexiones en pórticos no arriostrados dúctiles.
Los pórticos arriostrados con conexiones excéntricas constituyen un buen
ejemplo de aplicación del diseño por capacidad, mediante el cual el
diseñador define un mecanismo de deformación plástica (fluencia por
flexión y/o corte en el enlace) y evita modos de falla no deseados (pandeo
de las riostras y columnas).
Estas estructuras representan una solución excelente para el diseño sismo
resistente debido a que combinan una elevada rigidez lateral, por efecto de
las riostras, y una muy adecuada capacidad de disipación de energía. Por
estas razones, fueron adoptados rápidamente como sistema estructural en
distinto tipo de construcciones sismo resistente, incluso en casos de
rehabilitación de estructuras existentes.
Los esfuerzos típicos que la acción sísmica induce en este tipo de pórticos
se presentan en la Figura 3.23, para el caso de una estructura simple de
dos pisos, con el enlace en la parte central de la viga. Se observa
claramente cómo la conexión excéntrica genera esfuerzos elevados de
flexión y corte en la zona del enlace. Estos esfuerzos son los que producen
la fluencia en dicha zona, disipando energía y asegurando así una
adecuada ductilidad al sistema. La relación entre el momento flector y el
89
corte inducidos en el enlace puede modificarse si se varía la longitud del
mismo. De esta forma el diseñador puede controlar el comportamiento del
enlace, para que éste fluya por corte o por flexión, siendo el primer
mecanismo de fluencia el más conveniente.
Fig. 3.23 Diagramas de solicitaciones por acción sísmica, (a) momentos flectores,
(b) corte, y esfuerzos axiales
El enlace debe diseñarse y detallarse en forma adecuada para asegurar
una respuesta dúctil y estable, para lo cual es importante controlar los
problemas de inestabilidad por pandeo local. Los ensayos de laboratorio
muestra que esto puede lograrse mediante el uso rigidizadores verticales
dispuestos en el alma del perfil. La Figura 3.24 muestra el detalle típico de
un enlace.
90
Fig. 3.24 Detalle del enlace en un pórtico con arriostramientos Excéntricos
3.7.4 Sistemas de columnas en voladizo
Las columnas en voladizo (cantiléver columns) constituyen un sistema
estructural simple, en el cual el comportamiento de las columnas está
controlado por la flexión originada por las acciones laterales, tales como
viento o sismo. En la Figura 3.25 se muestra el esquema de una columna
en voladizo y se representan los diagramas de solicitaciones típicos. El
diagrama de momentos flectores presenta su valor máximo en la base,
donde la columna se empotra en la fundación o en otro elemento
estructural. Este sistema se emplea en construcciones industriales,
soportes de equipos o tanques, estanterías para mercaderías, pilas de
puentes, etc. En la Figura 3.26 se presenta algunos ejemplos
deconstrucciones que incorporan este sistema estructural.
92
(c)
Fig. 3.26 Ejemplos del sistema estructural columnas en voladizo (a), (b) y (c)
Las especificaciones ANSI/AISC 341-10 considerandos casos para las
columnas en voladizo, esto es ordinarias o especiales, según el nivel de
desempeño esperado. Las primeras se diseñan considerando que
presentan una capacidad de deformación inelástica mínima como resultado
de la fluencia por flexión, mientras que en las columnas especiales dicha
capacidades limitada. En ambos casos se especifica que las columnas
deben diseñarse a partir de las combinaciones de carga amplificadas y que
la carga requerida en la columna no puede exceder el 15% de la resistencia
disponible.
En las columnas especiales se especifican ciertos requerimientos
adicionales para alcanzar una respuesta con ductilidad limitada. Es así que
se requiere que las columnas cumplan con los criterios de miembros de alta
ductilidad y dispongan de arriostramientos para satisfacer las condiciones
de vigas clasificadas como miembros de ductilidad moderada. Además se
requiere que la base de las columnas, a lo largo de una longitud de dos
veces la altura de la sección, se considere como zonas protegidas y las
soldaduras de empalmes y de la conexión base-columna cumplan los
requerimientos de soldaduras de demanda crítica.
93
3.7.5 Pórticos con riostras de pandeo restringido
Las riostras de pandeo restringido son disipadores de fluencia incorporados
en la misma riostra, las cuales fueron desarrolladas originalmente en Japón
y han sido aplicadas como una conveniente solución estructural, ver
Figuras 3.27 y 3.28, en varios países. Esta es la razón por la cual la las
especificaciones sísmicas ANSI/AISC 341-10 incluyen estos dispositivos
como sistema estructural: los pórticos con riostras de pandeo restringidos
(BRBF, buckling-restrained braced frames).
Fig. 3.27 Pórtico de acero con riostras de pandeo restringido
Fig. 3.28 Vista de una riostra de pandeo
restringido utilizada en nuevo edificio
de la Universidad de California, Berkeley
94
Las riostras de pandeo restringido están formadas por una barra o núcleo
de acero recubierto por una capa deslizante o antiadherente; esta barra se
inserta en un tubo exterior, el cual se rellena con mortero de cemento
(grout), como se ilustra en la Figura 3.29. De esta forma, se logra que el
núcleo de acero fluya tanto en tracción como en compresión, dado que el
tubo exterior y el mortero de relleno evitan en pandeo global y local del
núcleo. Las ventajas de las riostras de pandeo restringido frente a una
riostra típica son significativas, debido a que se logra una respuesta estable
y sin la reducción del área de los ciclos de histéresis por problemas de
pandeo.
Fig. 3.29 Detalle de una riostra de pandeo restringido, formada por un núcleo de
acero de acero recubierto con una capa deslizante dentro de un tubo exterior
relleno con mortero de cemento
95
3.7.6 Muros de corte con placas de acero
Los muros de corte con placas de acero (SPSW, por las siglas en inglés de
steel plate shear walls) son estructuras formadas por placas esbeltas (alma
del muro) conectadas a componentes de borde horizontal (HBE) y vertical
(VBE), ver Figura 3.30. Las placas de acero se diseñan para fluir y pandear
bajo la acción sísmica y constituyen así el principal mecanismo de
deformación plástica y disipación de energía, mientras los componentes de
borde permanecen en rango elástico. Solo se admite la formación de
rótulas plásticas en los componentes de borde horizontal o vigas. Si bien
este sistema estructural se ha usado desde hace varias décadas en
distintos países, recién en el año 2005 fue explícitamente incluido en las
especificaciones sísmicas del AISC. En la Figura 3.31 se muestra un
ejemplo de este sistema estructural en un edificio en construcción.
En el caso de existir aberturas, éstas deben disponer de elementos
intermedios de borde que rodeen totalmente su perímetro.
Fig. 3.30 Esquema de muros de corte con placas de acero (a) sin aberturas y (b)
con aberturas
El tipo más usual de muros con placas de acero es el que incluye placas
esbeltas sin rigidizadores, y representa la base para la cual fueron
96
formuladas las especificaciones sísmicas ANSI/AISC 341-10. Otra
alternativa es el uso de muros con placas rigidizadas, mediante elementos
adicionales de acero que incrementan la resistencia al pandeo de la placa
por corte. De acuerdo con las características de los rigidizadores, se logra
un efecto de rigidización total o parcial (en los casos en que son
relativamente flexibles en comparación con la placa). Adicionalmente,
pueden usarse muros compuestos con placas de acero, en los cuales se
agrega hormigón en una o en ambas caras de la placa.
La rigidización de la placa de acero tiene un efecto moderado sobre la
rigidez y la resistencia de la estructura, pero mejora significativamente la
respuesta histerética pues permite controlar el pandeo local y reducir el
efecto de estrangulamiento de los ciclos. Adicionalmente, el uso de
rigidizadores disminuye la demanda de resistencia y rigidez sobre los
componentes de borde. Sin embargo, estas ventajas estructurales se ven
contrarrestadas por un aumento de los costos y tiempos de construcción,
por lo cual se recomienda el uso de placas sin rigidizar (Sabelli y Bruneau,
2006).
Fig. 3.31 Ejemplo de muros de corte con placas de acero en un edificio en
construcción
97
3.8 Sistemas Sismo resistentes
El sistema sismo resistente (seismic load resistent systems, SLRS) de una
construcción, comprende todos los componentes estructurales y sus
conexiones, necesarios para transferir las fuerzas de inercia inducidas por
el sismo desde su punto de origen hasta el terreno de fundación. Los
componentes de un sistema típico, para el caso de edificios, pueden
agruparse en:
Componentes verticales, que usualmente se disponen formando un plano
resistente y conforman uno o más de los tipos estructurales descriptos
previamente, tales como pórticos no arriostrados, pórticos arriostrados,
tabiques con placas de acero, etc.
Diafragmas horizontales, formados por losas, riostras u otros
componentes, con el objeto de trasmitir las fuerzas de inercia. Estos
diafragmas actúan como placas horizontales que distribuyen dichas fuerzas
entre los componentes verticales, permitiendo así que se transfieran hasta
el terreno de fundación.
Fundaciones, tienen como función transferir todas las cargas al terreno
sobre el que se funda la construcción.
De acuerdo a las características del terreno, tipo de estructura, técnicas
constructivas disponibles, etc., se usan distintos tipos de cimentaciones,
tales como, bases superficiales, pilotes, bases corridas o continuas, etc.
Conexiones, entre los distintos componentes que componen el sistema. El
adecuado diseño y construcción de las conexiones constituyen un aspecto
fundamental para garantizar la condición sismo resistente de todo el
sistema.
98
CAPITULO IV
4. CARACTERIZACIÓN ESTRUCTURAL DEL EDIFICIO EN
ESTRUCTURA DE ACERO
Este proyecto está orientado a la nueva aplicación de sistemas de
protección sísmica en edificios de mediana altura construidos de acero con
un tipo de uso, destino e importancia de la estructura diferente al resto de
estructuras que además de también ser importantes, las que más crédito
de aplicabilidad tienen son las edificaciones esenciales y/o peligrosas (ver
tabla 2.1).
El sistema estructural sismo resistente aplicado al edificio propuesto está
conformado por pórticos no arriostrados, información que se detallara en
este capítulo más adelante.
Al tratarse de una nueva metodología constructiva que tiene gran
relevancia a nivel mundial ya existen edificaciones que han sido construidas
con este sistema de protección las cuales demuestran buenos
comportamientos ante las eventualidades sísmicas que se han producido
en la región sur de nuestro continente americano, no está por demás
inmiscuirnos en el tema ya que nuestro país también puede tener una
eventualidad sísmica similar a la de nuestros países vecinos.
Al ser esta una investigación de carácter informativa y demostrativa que
hace referencia a la aplicación de aisladores sísmicos de base en la
cimentación del edificio propuesto, esto hace que las consideraciones a
tomarse sean las adecuadas para tener establecido un buen
funcionamiento y comportamiento de la estructura ante la aplicación de
dichos sistemas de protección sísmica de base, en esta oportunidad se
pondrá en conocimiento la aplicación del programa computacional para
estructuras ETABS.
99
4.1 Sistema Estructural Sismo Resistente de Pórticos no
arriostrados
Los pórticos no arriostrados, o pórticos a momentos, están formados por
distintos componentes que se vinculan entre sí para formar una estructura
resistente; usualmente los componentes principales son rectilíneos y se
disponen en posición vertical (columnas) y horizontal (vigas). Desde el
punto de vista estructural, y a los efectos del diseño, se deben considerar
los siguientes componentes (ver Figura 4.1):
vigas
columnas
conexiones viga-columnas
panel nodal (o zona panel)
empalmes
base de columnas
(a) (b)
Fig. 4.1 Componentes estructurales de un pórtico no arriostrado, (a) vista general y
(b) detalle de una conexión viga- columna
La Figura 4.1 muestra el esquema constructivo más usual para edificios, en
el cual las columnas son continuas en la zona de los nudos, con empalmes
ubicados en la zona central de las mismas. Las vigas se vinculan a las
100
columnas en la etapa de montaje mediante las conexiones
correspondientes, que representan uno de los componentes más
importantes del sistema para asegurar una respuesta dúctil y estable.
También se ha desarrollado e implementado un esquema constructivo,
denominado pórticos con columna-árbol en el que las columnas se fabrican
en taller con tramos de vigas ya vinculados, y luego en obra se conectan
los componentes entre sí para formar el pórtico con empalmes en vigas y
columnas (zonas donde las solicitaciones por sismo son mínimas. De esta
forma se logra que el nudo viga-columna se construya enteramente en taller
bajo condiciones óptimas de trabajo, lo cual es muy importante para el caso
de uniones soldadas.
4.2 Comportamiento estructural
Las distintas cargas que actúan sobre los pórticos no arriostrados inducen
esfuerzos internos, controlando el diseño los momentos flectores. Para el
caso particular de la acción sísmica (ver Figura 4.2) los momentos flectores
desarrollan sus valores máximos en los extremos de vigas y columnas,
donde pueden formarse rótulas plásticas para permitir la disipación de
energía por fluencia del acero.
Fig. 4.2 Diagramas típicos de (a) momentos flectores y (b) esfuerzos de corte en un
pórtico sometido a la acción sísmica
101
Consideraciones analíticas y experimentales indican que se puede lograr
una excelente respuesta estructural si se induce a través del diseño la
formación de un mecanismo de “viga débil-columna fuerte”.
En este mecanismo, las rótulas plásticas se forman en los extremos de las
vigas, mientras las columnas permanecen en rango elástico (con excepción
de la base de las columnas), como se ilustra en la Figura 4.3(a). Las
columnas están sometidas a carga axial variable por el efecto del sismo, lo
cual afecta la resistencia y ductilidad de las mismas; además, la falla de
una columna puede originar colapso parcial o total del edificio, mientras que
la misma falla en un viga presenta efectos menos significativos. Estas son
las razones principales por las que se protegen las columnas del pórtico,
mediante la condición de que las mismas se mantengan en rango elástico.
Para lograr este objetivo es de fundamental importancia aplicar los
conceptos del diseño por capacidad de modo de obtener una respuesta
dúctil, donde la plastificación de las vigas se produce en forma progresiva
y el sistema es capaz de desarrollar una respuesta dúctil, ver Figura 4.3(b).
102
Fig. 4.3 Comportamiento estructural, (a) Mecanismo de deformación plástica y (b)
respuesta corte basal - desplazamiento lateral
Las especificaciones ANSI/AISC 341-10 definen tres tipos de pórticos no
arriostrados: especiales (SMF), intermedios (IMF) y ordinarios (OMF), de
acuerdo al grado de comportamiento dúctil que se considera en el diseño.
La diferencia fundamental entre ellos es que se diseñan con distintos
niveles de capacidad de rotación inelástica en las rótulas plásticas. En las
secciones siguientes se presentan los principales aspectos vinculados al
diseño de las tres categorías de pórticos no arriostrados. Conexiones viga-
columna. Conexiones precalificadas
Las conexiones de los pórticos no arriostrados influyen significativamente
en el comportamiento estructural de los mismos. Estas conexiones, en
general pueden clasificarse en tres grupos, según su rigidez flexional. El
primer grupo está constituido por las conexiones totalmente restringidas
(FR, siglas por la denominación en inglés full y restrained), que son aquellas
capaces de transferir momento flector con una rotación relativa
despreciable. Usualmente se considera que esta situación requiere que la
rigidez flexional de la conexión sea igual o mayor que 20 veces la rigidez
de la viga, EI/L. Las conexiones parcialmente restringidas (PR, partially
restrained) son capaces de transferir momento, pero en este caso la
rotación no es despreciable.
103
Esta condición se presenta con conexiones cuya rigidez flexional está
comprendida entre 20 y 2 veces la rigidez RI/L de la viga. Si la rigidez de la
conexión es menor se asume que la misma es equivalente a una
articulación, de modo que su capacidad de transferir momentos es
despreciable. Estos conceptos se ilustran en la Figura 4.4 mediante
diagramas momento-rotación.
Los pórticos no arriostrados sismo resistentes deben construirse con
conexiones parcial o totalmente restringidas.
Fig. 4.4 Diagramas momento-rotación típico de conexiones totalmente restringidas,
parcialmente restringidas y articuladas
Con el objeto de evitar las fallas en las conexiones viga-columna
observadas en las edificaciones que soportaron el terremoto de Northridge
(ocurrido en California, USA, en 1994), las especificaciones sísmicas
vigentes requieren el uso de “conexiones precalificadas” en pórticos no
arriostrados sismo resistentes.
Se entiende como tal aquellas conexiones que han sido validadas en forma
experimental, ya sea como parte del proyecto que se desarrolla o bien en
ensayos previos que se encuentran debidamente documentados.
104
El proceso de precalificación implica que:
Existe suficiente información experimental y analítica para asegurar que la
conexión presenta adecuada capacidad de deformación plástica.
Se dispone de modelos racionales para predecir la resistencia asociada a
los distintos modos de falla y la capacidad de deformación, a partir de las
propiedades geométricas y mecánicas de los elementos componentes.
Los datos existentes permiten evaluar estadísticamente la confiabilidad de
la conexión.
Como resultado del proceso de precalificación, el ingeniero estructural
dispone de criterios y pautas para diseñar la conexión. Adicionalmente,
para cada tipo de conexión se indican el campo de aplicación y limitaciones
para su uso, tales como dimensiones máximas de vigas y columnas, tipos
de soldaduras, características del acero, etc.
4.3 Modelación computacional en el programa ETABS
4.3.1 Antecedentes generales
La investigación está enfocada en el Bloque “E” del Hospital Regional
Docente Ambato, que está destinado para el área de hospitalización en las
diferentes especialidades que se ofrecen en el hospital, sus instalaciones
son parte de un proyecto de ampliación y remodelación que se las puede
apreciar en los siguientes gráficos:
Fig. 4.5 Planta - Diagrama de Ubicación de Bloques
105
Fig. 4.6 Render - Vista general del proyecto a futuro
Fig. 4.7 Vista satelital de la implantación del Hospital Regional Docente Ambato
106
4.3.2 Consideraciones generales para el modelamiento de la
estructura empotrada.
Estructuración
El modelo que estamos considerando para nuestro estudio se ha
estructurado de acuerdo a las siguientes características:
- Simetría simple en planta.
- Continuidad en los elementos estructurales verticales.
- Sin cambios de rigidez con la altura.
- Ejes de vigas coincidentes con ejes de columnas.
Fig. 4.8 Planta Arquitectónica Nv+ 3.96m
107
Fig. 4.9 Elevación Fachada “Bloque E
El presente informe comprende el análisis y diseño estructural del edificio
de 7 niveles y un último nivel que cumple la función de tapa gradas y a la
vez de cubierta para el área los ascensores, conformado por estructura
metálica, la altura de entrepiso es de 3.96m para el primer nivel y para el
resto de niveles tipo.
La losa de steel panel, estará apoyada sobre vigas secundarias, las cuales
estarán dispuestas en el sentido corto de 7.20m.
Para el análisis se han considerado varios factores fundamentales:
Comportamiento estructural
Configuración estructural.
Requisitos para los modelos estructurales y sus análisis.
Factores de reducción y factor de amplificación.
Selección del método de análisis sísmico.
Modelos estructurales y sus análisis
Rigideces de los elementos para que sean compactos.
108
Las normas que se han aplicado en el diseño de este proyecto son las que
se indican a continuación:
ANSI/AISC 360-10 (Specification for Structural Steel Bulilding)
AISC-LRFD -99
NEC-11 (Norma Ecuatoriana de la Construcción 2011)
4.3.3 Modelamiento de la estructura empotrada
Propiedades de los Materiales
Acero de Refuerzo fy=4200.00 kg/cm2
Acero Estructural A-36 fy=2536.37kg/cm2
Hormigón Simple f’c=210.00 kg/cm2
Propiedades Mecánicas Hormigón A.:
- La Resistencia a la compresión del hormigón de fc’=210 kg/cm²
- Módulo de elasticidad del hormigón es: 12000 √210=173896,52 Kg/cm².
- Módulo de Corte 72456,883 Kg/cm².
- Peso específico hormigón 2400 kg/m³.
- Esfuerzo de tensión 4200 kg/cm2.
Fig. 4.10 Propiedades de hormigón fc=210kg/cm2
109
Propiedades Mecánicas Acero Estructural A-36.:
El acero más común es el A-36 que tiene un contenido máximo de carbono
de 25.00% a 29.00%, dependiendo del espesor y un límite elástico de 36ksi
(2536.30 Kg/cm2). En la normativa ASTM, los aceros al carbono más
empleados son A36, A53, A500, A501, A529, A570, y A709 (grado36). Sus
límites elásticos varían desde 25 a 100ksi (1760 a 7000 Kg/ cm2)
Se muestran las propiedades más utilizadas del acero A-36 que es el que
se utilizara para el diseño en el programa de cálculo estructural Etabs.
Fig.4.11
- Esfuerzo tensión del acero fy=2536,369 kg/cm²
- Módulo de elasticidad del acero es: 2100000 Kg/cm².
- Módulo de Corte 807692,31 Kg/cm².
- Peso específico del acero 7850 kg/m³.
Fig. 4.11 Propiedades de Acero A-36
4.3.4 Estructuración del proyecto (diseño)
Consiste en un edificio de seis plantas sobre rasante y una planta baja, el
edificio está ubicado en Ambato, la altura de entrepiso es de 3,96 m;
presentando una altura sobre rasante de 23,76 metros.
110
El sistema de este edificio se basa en el sistema estructural no arriostrado,
podemos observar que existen 6 pórticos resistentes en dirección X, y 4
pórticos en dirección Y.
Fig. 4.12 Malla de ejes ETABS
COLUMNAS
Están diseñadas bajo las especificaciones ANSI/AISC 341-10 como
elementos a compresión, las columnas son cuadradas de sección hueca
de acero estructural que en los primeros 4 pisos del edifico se colocaron
rellenas de hormigón identificada como C1COMP (fig. 4.13), y en los pisos
restantes las columnas son cajones sin relleno de hormigón identificada
como C2 (fig.4.14).
Están formadas por dos o más perfiles simples, donde la unión de los
elementos es con unión o cordón continuo de soldadura.
COLUMNAS
ID. a
(mm)
b
(mm)
t
(mm)
C2
550
550
12
C1COMP
600
600
18
112
VIGAS I
Están formadas por dos o más perfiles simples, donde la unión de los
elementos es con unión o cordón continuo de soldadura
Las vigas establecidas fueron diseñadas según las especificaciones
ANSI/AISC 341-10, como elementos a flexión considerando que los
elementos cumplen con las condiciones para que sean compactos (ver Fig.
4.15).
VIGAS
ID. h
(mm)
tw
(mm)
b
(mm)
bf
(mm)
V1
650
18
350
20
VS1
350
8
200
12
Fig. 4.15 (V1) y (VS1) Viga I formada por perfiles simples
113
PLACA COLABORANTE
El "metal deck", llamado también como placas de "steel deck” o placa
colaborante es el tipo de placas combinadas, de sección compuesta de
hormigón y acero, utilizados comúnmente para edificios de estructura
metálica.
Las losas que se conforman como entrepiso de los edificios metálicos
tienen los siguientes elementos de constitución:
"Steel Deck" que cumple dos funciones principales:
Servir de formaleta de contacto que además cumple las funciones
para sostener el peso propio, el del hormigón y el de las cargas vivas
durante el proceso de construcción.
Servir de refuerzo positivo de la losa, que forma con el hormigón un
conjunto una vez que éste fragüe para sostener las cargas muertas
y vivas de la edificación.
hs (mm) Sr (mm) wr (mm) tc (mm) hr (mm)
150 300 100 80 50
115
(b)
Fig. 4.17 (a) Vista elevación eje II secciones de los elementos-sentido X
(b)Vista elevación eje 26 secciones de los elementos-sentido Y
(a)
116
(b)
Fig. 4.18 (a) y (b) Vista 3D Estructura total del bloque E
4.3.5 Análisis estático
Las cargas estáticas pueden tener un origen gravitatorio, de viento, de
nieve, etc. Existen procedimientos para el análisis sísmico de edificios en
los que las solicitaciones sísmicas se pueden representar por medio de un
conjunto de cargas estáticas.
El programa ETABS, organiza el Análisis Estático en casos de carga
estática, cada uno de los cuales contiene un conjunto de cargas de origen
semejante y que actúan simultáneamente en los objetos del modelo.
Peso Propio: Lo proporciona y calcula el programa, llevará como nombre
“Peso Propio” y será del Tipo “Dead”; no se asignará carga con este patrón.
Carga Muerta sobreimpuesta: Proporcionado por el peso de
elementos y materiales que forman parte del edificio, tales como
instalaciones, acabados de cielo raso, piso terminado,
117
mamposterías internas como muros de subdivisión, etc. Su nombre
será “CM”
Fig. 4.19 Carga muerta sobreimpuesta
Sobre carga de uso o Carga Viva: Dependen de la ocupación a la
que está destinada la edificación y están conformadas por los pesos
de personas, muebles, equipos y accesorios móviles o temporales,
mercadería en transición y otras.
Las sobrecargas mínimas a considerarse en la NEC-11 son las siguientes:
Tabla 4.1 Sobrecargas mínimas uniformemente distribuidas, Lo y concentradas
(Po)
OCUPACIÓN O USO
C. Uniforme
KN/m2
C. Concentrada
KN
HOSPITALES
Sala de quirófanos, laboratorios
Sala de pacientes
Corredores en pisos superiores a la
planta baja
2.90
2.00
4.00
4.50
4.50
4.50
FUENTE: NEC-11(CAP1 TABLA 1.2)
118
Fig. 4.20 Sobre carga de uso o carga viva
Carga Viva de Cubierta: Generalmente considera el peso de las
personas que intervendrán en la colocación de las luminarias,
acabados, colocación de coberturas e instrumentos.
4.3.5.1 Cargas Sísmicas
Para las cargas sísmicas se utilizará el coeficiente sísmico, tomando los
factores del cortante basal dados en el NEC-11con la siguiente ecuación:
DONDE:
Sa= Aceleración espectral correspondiente al espectro de respuesta
elástico para diseño.
R= Factor de reducción de respuesta estructural
φP,φE= coeficientes de configuración estructural en planta y en elevación,
respectivamente
Z= Factor de zona sísmica, tabla 2.1 NEC-11
W= Peso de la estructura, considerando: 100%D+25%L
119
COEFICIENTE Z:
Tabla N°2.1.NEC-11. Valor del factor Z en función de la zona sísmica
adoptada
Zona sísmica IV
Valor factor Z 0.4
El valor de Z se escoge de acuerdo al lugar donde se realiza el proyecto
Tabla N° 2.2.NEC-11. Poblaciones Ecuatorianas y valor del factor Z
POBLACIÓN PARROQUIA CANTÓN PROVINCIA Z
Ambato Ambato Ambato Riobamba 0,4
Z=0.4
COEFICIENTE I:
En el presente caso: Se ha establecido que es un edificio de hospitalización
en las diferentes áreas que ofrece el Hospital Regional Docente de Ambato
I=1.5
Tabla 2.9. NEC-11. Tipo de uso, destino e importancia de la estructura
COEFICIENTE Φp, Φe:
Tabla 2.10 NEC-11. Configuraciones estructurales recomendadas
ESPECTRO ELÁSTICO DE DISEÑO EN ACELERACIONES Sa:
Sa= n*z*fa si T<Tc
Sa=n*z*Fa (Tc/T) ^r si T>Tc, donde r=1, para tipo de suelo A, B o C
Calculo de T: T=Ct (hn)α
T=1.027
Ct = 0.072 y α = 0.80 (Para estructuras de acero sin arriostramientos).
120
hn= 27.72 (Altura máxima de la edificación de n pisos, medida desde la
base de la estructura, en metros. No se considera la tapa grada como piso
adicional, porque su peso es menor al 25% del valor de la terraza)
Calculo de Tc:
TC = 0.55FS*Fd/Fa
Tc=0.755
Fa= 1.23 (Tabla 2.5. NEC-11)
Fd= 1.35 (Tabla 2.6. NEC-11)
Fs= 1.25 (Tabla 2.7. NEC-11)
Calculo de Sa:
Sa=n*z*Fa (Tc/T)^r si T>Tc, donde r=1, para tipo de suelo A, B o C
n=2.5Provincia Sierra, Esmeraldas y Galápagos
Sa=0.9
COEFICIENTE R:
Tabla 2.14. Coeficiente de reducción de respuesta estructural R
Pórticos espaciales sismo-resistentes, de acero laminado en caliente o con
elementos armados de placas.
R=6
RESUMEN DE FACTORES
Sa= 0.90
I= 1.5
R= 6
Φp= 1
ΦE= 1
CORTANTE BASAL DE DISEÑO
V=0.224W
121
El cortante de piso Vx debe distribuirse entre los diferentes elementos del
sistema resistente a cargas laterales en proporción a sus rigideces,
considerando la rigidez del piso. En el caso de que la estructura presente
un sistema de pisos flexibles, la distribución del cortante de piso hacia los
elementos del sistema resistente se realizara tomando en cuenta aquella
condición.
La masa de cada nivel debe considerarse como concentrada en el centro
de masas del piso, pero desplazada una distancia igual al 5 por ciento de
la máxima dimensión del edificio en ese piso, perpendicular a la dirección
de aplicación de las fuerzas laterales bajo consideración, con el fin de tomar
en cuenta los posibles efectos de torsión accidental, tanto para estructuras
regulares como para estructuras irregulares. El efecto de este
desplazamiento debe incluirse en la distribución del cortante de piso y en
los momentos torsionales.
(a)
(b)
Fig. 4.21 (a) Cortante basal de diseño dado al programa para sismo en X
(b) Cortante basal de diseño dado al programa para sismo en Y
122
4.3.6 Análisis Dinámico Espectral
4.3.6.1 Espectro elástico de diseño en aceleraciones19
El espectro de respuesta elástico de aceleraciones expresado como
fracción de la aceleración de la gravedad Sa, para el nivel del sismo de
diseño, se proporciona en la Figura 4.22, consistente con el factor de zona
sísmica Z, el tipo de suelo del sitio de emplazamiento de la estructura y
considerando los valores de los coeficiente de amplificación o de
amplificación de suelo de las Tablas 2.5, 2.6 y 2.7.de la NEC-11.
Fig. 4.22 Espectro sísmico elástico de aceleraciones que representa el sismo de
diseño
Dicho espectro, que obedece a una fracción de amortiguamiento respecto
al crítico de 0.05, se obtiene mediante las siguientes ecuaciones, válidas
para periodos de vibración estructural T pertenecientes a 2 rangos:
Donde r=1, para tipo de suelo A, B o C y r=1.5, para tipo de suelo D o E.
Asimismo, de los análisis de las ordenadas de los espectros de peligro
uniforme en roca para el 10% de probabilidad de excedencia en 50 años
(Periodo de retorno 475 años), que se obtienen a partir de los valores de
19 Norma Ecuatoriana de la Construcción NEC-11 (PELIGRO SÍSMICO Y REQUISITOS DE DISEÑO SISMO RESISTENTES)
123
aceleraciones espectrales proporcionados por las curvas de peligro sísmico
de la sección 2.5.3 de la NEC-11 y, normalizándolos para la aceleración
máxima en el terreno, Z, se definieron los valores de la relación de
amplificación espectral, (Sa/Z, en roca), que varían dependiendo de la
región del Ecuador, adoptando los siguientes valores:
= 1.8 (Provincias de la Costa, excepto Esmeraldas), 2.48 (Provincias de
la Sierra, Esmeraldas y Galápagos), 2.6 (Provincias del Oriente).
4.3.6.2 Espectro Inelástico 20
Al realizar el análisis sísmico con el espectro elástico de la NEC-11 se
espera que la estructura no sufra daño. Por lo tanto, todo el tiempo trabajará
en el rango elástico pero esto no es adecuado ya que el espectro de la
NEC-11 tiene un período de retorno de 475 años es decir la probabilidad
de que se registre durante la vida útil de la estructura es muy baja. Sería
muy costoso diseñar una estructura con el espectro elástico, además de
ello los elementos estructurales que resultan serían de grandes
dimensiones.
Por consiguiente se diseña las estructuras considerando un espectro
inelástico el mismo que se obtiene dividiendo las ordenadas del espectro
elástico para R*Φp*Φe como lo ilustra la figura 4.23. Donde Res el factor de
reducción de las fuerzas sísmicas debido a comportamiento inelástico de
la estructura; este factor se define en forma muy general en las diferentes
normativas sísmicas y más responde a criterios cualitativos emitidos por
expertos, que a criterios cuantitativos, razón por la cual se dedicará todo un
apartado para su estudio en este capítulo. Φp y Φe son factores con los que
se pretende penalizar las irregularidades tanto en planta como en
elevación.
20ANÁLISIS SÍSMICO DE EDIFICIOS-ROBERTO AGUIAR FALCONI CEINCI-ESPE
124
Se puede realizar una hoja de calculo en excel para poder ayudarse en la
esquematizacion del espectro sísmico elástico e inelástico de
aceleraciones que representa el sismo de diseño
125
Fig. 4.23 Espectro sísmico elástico e inelástico de aceleraciones que representa el
sismo de diseño
126
Fig. 4.24 Espectro sísmico inelástico de aceleraciones que representa el sismo de
diseño importado desde el Excel al programa ETABS
127
4.3.7 Análisis del modelo
4.3.7.1 Requisitos para los modelos estructurales y sus Análisis
Factores de reducción y factor de amplificación
Para el diseño estructural de los elementos metálicos de la superestructura,
se utilizaron los coeficientes del reglamento AISC-LRFD-99, como se
menciona a continuación:
VALOR DE Φ MIEMBRO
0.90
0.90
0.85
0.75
Sección total en tracción
Miembros en flexión
Miembros en compresión axial
Cortante y torsión
Rigidez de cada piso
Se asumirá en el análisis que cada piso es infinitamente rígido, es decir;
todos los nudos se desplazan la misma cantidad, para ello se aplicó en el
programa de elementos finitos.
Es por esto que se crea un diagrama diferente por cada piso del edifico
para de manera simultánea asignar a cada nivel.
El programa Etabs da la siguiente opción:
Fig. 4.25 Creación de diafragmas para cada nivel del edificio
128
Fig. 4.26 Diafragma de entrepiso asignado
En esta asignación hay que considerar en la asignación de masas un
100%de la carga muerta y el 25%de la carga viva.
Fig. 4.27 Asignación de fuente de masas por sus cargas
129
4.3.7.2 Detalles de análisis
Se utilizo combinaciones de cargas utilizando el diseño por resistencia. Las
estructuras, componentes y cimentaciones deberán ser diseñadas de tal
manera que la resistencia de diseño iguale o exceda los efectos de las
cargas incrementadas, de acuerdo a las combinaciones siguientes
combinaciones básicas.
1. 1.4D
2. 1.2D+1.6L+0.5(Lr o S o R)
3. 1.2D+1E+L+0.2S
4. 0.90D+1E
4.3.7.3 Verificación geométrica del modelo.
Se ha establecido un diseño óptimo de secciones puesto que se ha tenido
un buen prediseño en la parte preliminar, del grafico se dice que las
secciones son adecuadas para las solicitaciones verticales y laterales.
Fig. 4.28 Vista general del diseño de los elementos en forma optima
130
Fig. 4.29 Pórtico eje 27 sentido Y (resultado óptimo del diseño de vigas y columnas
principales)
Fig. 4.30 Pórtico eje HH sentido X (resultado óptimo del diseño de vigas y
columnas principales)
131
Fig. 4.31 Planta Nv+3.96m (diseño de vigas secundarias donde se apoya la placa
colaborante “Steel deck”)
4.3.7.4 Derivas de piso.21
Es ampliamente reconocido que el daño estructural se correlaciona mejor
con el desplazamiento que con la resistencia lateral desarrollada.
Excesivas deformaciones han ocasionado ingentes pérdidas por daños a
elementos estructurales y no estructurales. El diseñador debe comprobar
que su estructura presentara deformaciones inelásticas controlables,
mejorando substancialmente el diseño conceptual. Por lo tanto, los límites
a las derivas de entrepiso inelásticas máximas, ΔM, se presentan en la
Tabla 2.8.NEC-11, los cuales deben satisfacerse en todas las columnas del
edificio.
21Norma Ecuatoriana de la Construcción NEC-11 (PELIGRO SÍSMICO Y REQUISITOS DE DISEÑO SISMO RESISTENTES)
132
TABLA 2.8.NEC-11. Valores de M máximos, expresados como fracción de la altura
de piso
Límites de la deriva. El valor de la deriva máxima inelástica M de cada piso
debe calcularse mediante:
Donde:
R= factor de reducción de resistencia.
M = no puede superar los valores establecidos en la Tabla 2.8.NEC-11.
Fig. 4.32 Derivas producidas por el sismo en sentido X, están dentro del margen
las derivas son menores al 0.007
133
Fig. 4.33 Derivas producidas por el sismo en sentido Y, están dentro del margen
las derivas son menores al 0.007
Fig. 4.34 Visualización del diagrama de derivas máximas por piso
134
Fig. 4.35 Cuadro de derivas producidas por el sismo en X y sismo en Y
Se puede demostrar que las derivas están dentro de lo establecido en la
normativa del NEC-11.
Tomamos la deriva elástica máxima teniendo como ejemplo 0.004954 del
piso 3 producida por el espectro X
El valor de la deriva máxima inelástica es igual , teniendo
así un valor de:
ΔM=0.75x6x0.004954
ΔM=0.02 esto es igual al 2% establecido en la normativa; por lo tanto el
diseño es considerado como aceptable dado que los resultados son los
adecuados.
135
Fig. 4.36 Visualización grafica de los máximos desplazamientos en cada piso por
efecto de las fuerza laterales
Fig. 4.37 Visualización gráfica del Cortante Dinámico en todos los pisos
136
Fig. 4.38 Visualización del peso del edificio
Fig. 4.39 Cuadro del cortante Dinámico en cada piso resultante de los efectos
sísmicos en X e Y
137
4.3.7.5 Periodos y modos de vibración.
En la figura 4.41podemos apreciar que el período fundamental de la
estructura corresponde a 1.0334seg, lo que todavía corresponde a una
estructura rígida, de la participación modal observamos que el modo
primero ocurre en X, debido a que Ux es mayor que Uy y Rz. El segundo
período más importante es de 1.01619seg y tiene mayor participación en
Y; finalmente el tercer período es de 0.8836seg y tiene una mayor
participación modal en Z, lo que indica que es un modo torsional. En las
figuras 4.40 se muestran el primer, segundo y tercer modo
respectivamente.
Fig. 4.40 Visualización de los 3 primeros periodos de vibración
Fig. 4.41 Cuadro periodos de vibración del edificio
138
Fig. 4.42 Visualización de los periodos de vibración dentro del espectro de
aceleraciones
Así podemos concluir que los dos primeros periodos de vibración son
traslacionales en X e Y, y el tercero es rotacional en Z. A demás el lugar
donde se encuentran los periodos de vibración en el espectro de
aceleraciones indica que la estructura está en la zona donde el edifico
mantiene un buen comportamiento estructural dentro de una eventualidad
sísmica comprobando que si se cumplen todos los parámetros sismo
resistentes de la Norma Ecuatoriana de la Construcción (NEC-11).
139
CAPÍTULO V
5. AISLAMIENTO BASAL DE LA ESTRUCTURA
5.1 Comportamiento del Sistema Aislado
Las fuerzas sísmicas se reducirán debido a que se flexibiliza la estructura.
Se puede apreciar con facilidad esta propiedad, pues la inclusión de los
aisladores permite modificar el periodo de vibración. En la figura 5.1 se
muestra por qué, cuando la estructura se vuelve más flexible, la aceleración
espectral en el edificio disminuye y también las fuerzas sísmicas sobre la
estructura.
Otra característica a resaltar en una estructura aislada es que los
desplazamientos se incrementan debido a que la base es menos rígida. Es
indispensable controlar este parámetro pues excesivos desplazamientos
relativos de entrepiso ocasionan daños en elementos estructurales y no
estructurales, así, en algunos casos, para optimizar el funcionamiento de
los aisladores, se utiliza un sistema conjunto con disipadores. En la misma
figura se observa también, que el incremento del amortiguamiento permite
limitar este desplazamiento.
Fig. 5.1 Efecto de la aislación en el comportamiento dinámico
5.2 Consideraciones Generales para el Diseño
El diseño convencional de las estructuras en nuestro medio se basa en
añadir rigidez y resistencia en las direcciones principales con el fin de
dificultar el ingreso a la zona inelástica y controlar desplazamientos
excesivos durante los eventos sísmicos; es por ello que comúnmente se
140
utilizan diafragmas adecuadamente distribuidas en toda la planta del
edificio. El incremento de resistencia va permitir que la estructura sea capaz
de tomar mayores fuerzas y se van a necesitar elementos estructurales
capaces de resistir dichas fuerzas.
Un enfoque distinto se le da a las estructuras sísmicamente aisladas pues
la transmisión de las fuerzas se reduce sustancialmente y ya no es
necesario el uso de elementos estructurales con una gran capacidad de
resistencia ni tampoco de una elevada rigidez como en el diseño
convencional. En este caso, el parámetro a controlar es el gran
desplazamiento que se da en el sistema de aislación.
Este desplazamiento del sistema de aisladores es la base para el
procedimiento de diseño pues los parámetros estructurales como el
amortiguamiento equivalente (resultado del incremento que se da en el
amortiguamiento estructural por la adición de la del sistema de aislamiento)
y el periodo efectivo dependen de esta variable.
En la figura 5.2se muestra cómo influye el desplazamiento del sistema de
aislación en los dos parámetros de diseño mencionados. Sin embargo,
deberá encontrarse un balance entre la flexibilización de la estructura y la
disminución del amortiguamiento equivalente debido al incremento de los
desplazamientos en la interfase de aislación.
Entonces, se puede afirmar que el procedimiento será iterativo y el objetivo
en el diseño será optimizar el desempeño de la estructura.
141
Fig. 5.2 Relación entre periodo, amortiguamiento y desplazamiento
5.3 Consideraciones generales para el análisis y diseño con
aisladores sísmicos
Existen una serie de consideraciones que deberán tomarse en cuenta en
el procedimiento de análisis y diseño al utilizar aisladores:
A nivel del sistema de aislamiento
Capacidad de carga: Parámetro muy importante pues tiene un valor
máximo para cada aislador de acuerdo con lo establecido en las
especificaciones técnicas de estos elementos. Por ello, será necesario
repartir uniformemente toda la carga del edificio para impedir que algún
aislador se encuentre sobrecargado.
Uniformar desplazamientos: La opción de flexibilizar a la estructura no
podría ser ejecutada si es que existiesen desplazamientos diferenciales
horizontales en ambas direcciones a nivel del sistema de aisladores, por lo
que se deberá garantizar un diafragma rígido a nivel de la interfase de
aislación.
Efectos de torsión: Habrá que evaluar la separación entre el centro de
masas y el centro de rigidez del sistema de aislamiento dado que si es que
142
presentasen efectos de torsión en este nivel, existirá una mayor
participación en el movimiento de los aisladores en la dirección
perpendicular a la del análisis; y de esta forma el objetivo de independizar
el movimiento en cada dirección se ve reducida.
Tracción en los aisladores: Los aisladores poseen una resistencia a
tracción que es del orden del 10 – 15% de la de compresión, por eso este
parámetro tendrá que ser evaluado constantemente. Valores fuera de este
rango modifican las propiedades de los aisladores y en casos extremos
pueden llegar a dañarse.
Deformaciones verticales: Estas también se deberán tener en cuenta, ya
que podrían generar deformaciones diferenciales entre los distintos
elementos de la superestructura.
A nivel de la estructura
Efectos de segundo orden P-Δ: Los desplazamientos en la interfase de
aislación pueden generar una excentricidad de la carga que resulta en
momentos adicionales que deben ser tomados por la estructura.
Juntas de separación: El desplazamiento de diseño debe contemplar este
parámetro. Puede ser alrededor de 50 cm.
La vida de los aisladores: Como esta tecnología es nueva, no se tiene
mucha información real sobre los cambios mecánicos que ocurren en los
aisladores a lo largo del tiempo. En todo caso, deben instalarse de manera
que pudieran ser intercambiados en un futuro.
Cimentación: El desplazamiento de los aisladores puede producir
momentos (P-Δ) elevados que deben ser tomados por la cimentación.
143
Factor de sitio: Se debe conocer el comportamiento del suelo para
seleccionar la combinación aisladores - estructura más apropiada.
En edificaciones de poca carga, es posible repartir la carga sobre los
aisladores si es que se utiliza un sistema de losas y vigas entre la estructura
y el nivel del sistema de aisladores donde las cargas provenientes de la
estructura se reparten uniformemente sobre la losa y luego estas se
transfieren por medio de las vigas a cada uno de los aisladores, ubicados
debajo de cada intersección de la cuadricula que forman las vigas.
La importancia de este sistema también radica en el hecho de que se
uniformizan los desplazamientos. Además, es necesario evaluar en este
sistema la separación entre el centro de masa y el de rigidez para evitar
que efectos de torsión generen esfuerzos excesivos en los aisladores.
5.4 Algunas consideraciones preliminares para el diseño
Los parámetros a considerar en el diseño se pueden incluir en un análisis
estático o uno dinámico.
El análisis estático es muy restringido pues para su utilización existen
muchas condiciones que limitan su aplicación en todas las estructuras; en
cambio, el análisis dinámico puede ser realizado en cualquier estructura.
5.4.1 Norma Técnica
En este acápite se desea hacer una breve descripción del método y las
recomendaciones presentadas por la norma técnica FEMA, que son
representativas.
144
Federal Emergency Management Agency (FEMA)
La guía del FEMA propone dos métodos para el análisis y diseño de
estructuras aisladas:
El primero es un método estático denominado “procedimiento de la
fuerza lateral equivalente” y está basado en el desplazamiento de un
sistema de un grado de libertad con una rigidez efectiva como
aquella que ofrece el sistema de aislación para el desplazamiento
en cuestión.
El segundo es un método dinámico, subdividido en uno que involucra
un espectro y otro que compromete un análisis tiempo-historia.
El método estático no está recomendado para un diseño final, sólo es para
un diseño preliminar y el método dinámico por combinación espectral sólo
para algunas estructuras regulares rígidas y de pocos pisos. El análisis
tiempo-historia es el recomendado en la mayoría de los casos e involucra
un mínimo de tres pares (en ambas direcciones) de historias reales
escaladas a valores específicos.
5.4.1.1 Método de la Fuerza Lateral Equivalente
Un sistema de aislamiento sísmico debe ser diseñado y construido para
resistir el mínimo desplazamiento lateral de diseño, Dd que se obtiene con
la expresión:
(Ec. 5.1)
(Ec. 5.1) Desplazamiento Lateral de diseño
Donde:
g = Aceleración de la gravedad.
Sd1= Aceleración espectral de diseño con 5% de amortiguamiento para un
periodo de 1 segundo.
145
Td= Periodo efectivo impuesto por los aisladores al edificio para el
desplazamiento de diseño.
Bd= Coeficiente de corrección para el amortiguamiento efectivo del sistema
correspondiente a Dd.
El factor Sd1es equivalente Sa del producto de los coeficientes Fa de la
Norma Ecuatoriana de la Construcción NEC-11. En cuanto al valor de Td,
se calcula con la ecuación:
(Ec. 5.2)
(Ec. 5.2) Periodo efectivo propuesto por los aisladores
Donde:
W= Peso de la superestructura, resultado de la suma total de las cargas
muertas y un porcentaje de las cargas vivas.
Kdmín=Rigidez efectiva mínima del sistema de aislamiento para el
desplazamiento Dd.
Bd se obtiene directamente, o por interpolación lineal, de la Tabla 5.1.
Tabla 5.1 Coeficiente de amortiguamiento Bd.
146
Luego, la mínima fuerza cortante en la base del edificio empleada para el
diseño de su cimentación y que el conjunto de aisladores sísmicos debe
resistir es:
(Ec. 5.3)
(Ec. 5.3) Mínima fuerza cortante en la base del edificio
Donde:
Kdmáx= Rigidez efectiva máxima para Dd Se considera en el caso más crítico
como 1,3 veces Kdmín.
Asimismo, la mínima fuerza cortante usada para el diseño de los elementos
que se encuentren por encima del sistema de aislamiento es:
(Ec. 5.4)
(Ec. 5.4) Mínima fuerza cortante usada para elementos por encima del sistema de aislamiento
Donde:
R = Factor de reducción, que se toma como 3/8 del R para el edificio con
base fija. R debe ser menor o igual a 2, lo que refleja la escasa necesidad
de ductilidad en la superestructura, ya que la disipación de energía estará
a cargo de los aisladores sísmicos. Cabe resaltar que en la Ec. 5.3, el
coeficiente R está implícito con un valor igual a 1, puesto que estos
dispositivos deben ser capaces de soportar los desplazamientos y las
fuerzas sísmicas máximas. En cuanto a Vs, ésta se reparte en la altura del
edificio aislado de forma análoga como si estuviera fijo en el suelo.
La norma tratada también determina otros desplazamientos adicionales al
Dd, de los cuales se hará referencia a dos: Dm, que es el máximo
desplazamiento, y Dtm, que es máximo desplazamiento total, que no debe
ser inferior a 1,1 veces Dm.
147
Entonces:
(Ec. 5.5)
(Ec. 5.5) Desplazamiento máximo aislador
Donde:
Sm1= Aceleración espectral del máximo sismo considerado (MCE) con 5%
de amortiguamiento para un periodo de 1s. Su valor es 1,5 Sd1.
Tm= Periodo efectivo del edificio con aisladores para Dm.
Bm= Corrección del amortiguamiento efectivo del sistema de aislamiento
para Dm.
Y:
(Ec. 5.6)
(Ec. 5.6) Desplazamiento máximo total
Donde:
y= Distancia entre el centro de rigidez del sistema de aislamiento y el
aislador más alejado, medida en la dirección perpendicular a la del sismo.
e= Excentricidad real sumada a la accidental entre el centro de masa del
edificio y el centro de rigidez del conjunto de aisladores, también medida
perpendicularmente a la dirección en que actúa el sismo.
b= Dimensión menor en planta de la edificación.
d= Dimensión mayor en planta de ésta.
El desplazamiento Dtm, pese a que no aparece en las Ec. (5.3) y (5.4), es
fundamental puesto que los aisladores sísmicos se diseñan para resistirlo,
ya que se tiene la convicción que no basta que soporten Dd si ocurren
grandes terremotos como el MCE, cuya probabilidad de ser excedido en 50
años es 2%.
148
5.4.1.2 Métodos Dinámicos
Combinación Espectral
Las únicas sugerencias especiales del FEMA para este método se refieren
al correcto modelamiento y atención a los siguientes puntos:
Modelar la distribución de los aisladores,
Considerar los efectos de excentricidad accidental,
Verificar que no exista tracción, o que los aisladores no estén
resistiendo tracción en el modelo,
Verificar los efectos P-Δ,
Modelar la posible variabilidad en las propiedades de los aisladores
(por envejecimiento o uso).
Además, la combinación deberá realizarse con 100% del espectro en una
dirección y 30% en la otra al mismo tiempo. El amortiguamiento no podrá
ser nunca mayor al 30% del crítico y las fuerzas obtenidas deberán respetar
un porcentaje mínimo de aquellas obtenidas con el método estático.
Tabla 5.2 Criterios mínimos para el análisis dinámico
FUENTE: FEMA
Nótese que para un diseño con sistema de aislación, el FEMA también
contempla un desplazamiento debido al evento máximo creíble DTM.
149
Análisis Tiempo-Historia
No presenta recomendaciones adicionales más que utilizar siete pares de
historias reales escaladas y certificadas (existe una base de datos de
historias que se pueden utilizar) y un mínimo de tres pares. Al igual que el
método del espectro, el análisis deberá realizarse 100% en una dirección y
30% en la otra en simultáneo.
Este método es el recomendado en todas las situaciones. El FEMA
presenta una metodología muy sencilla y bastante similar al método
estático provisto por la norma peruana para estructuras convencionales,
aunque como era de esperarse, este no puede ser usado para un diseño
definitivo, para lo que será necesario un modelo.
Los requerimientos del modelo tampoco presentan serias novedades frente
a lo ya mencionado en los capítulos anteriores.
5.5 Análisis del Modelo de Estructura Aislada
Con el fin de evaluar el desempeño de la estructura aislada se analiza el
edificio del Hospital Regional Docente Ambato “Bloque E” y se hacen
comparaciones entre los comportamientos del sistema convencional
empotrado en la base y el sistema aislado. Esta comparación se realiza con
los resultados obtenidos a nivel de desplazamientos, fuerzas y modos de
vibración.
5.5.1 Criterios para la elección de estructuras
Se buscó modelar una edificación que dentro de los requerimientos de
mayor importancia en nuestro medio sean las edificaciones peligrosas y/o
esenciales en las que indican que los hospitales son unos de ellos, por lo
que en este caso se toma como referencia al Hospital Regional Docente
Ambato “BLOQUE E”, buscando que dentro de una eventualidad sísmica
deba mantenerse en operatividad, tanto en equipamiento como en
servicios.
150
Este edificio está conformado por un sistema aporticado no arriostrado de
estructura de acero, el cual tiene una altura de 30.72m la cual está formada
por 7 losas de entrepiso de 3.96m y una losa de cubierta o tapa gradas de
3.00m, al edifico se le puede considerar por su altura como un edificio de
altura mediana.
También, este edifico no presenta ninguna peculiaridad como las
irregularidades en altura (piso blando, discontinuidad de los sistemas
resistentes, etc.) o las irregularidades en planta (esquinas entrantes,
discontinuidad en los diafragmas, etc.) para que se valore su influencia en
el sistema aislado.
Como se quiere evaluar la influencia del sistema de aislamiento de una
edificación con un rango grande de importancia como las que se construyen
en nuestro medio, este edificio examinado existe y no es un modelo
idealizado. En la tabla 5.3se muestran las características del edificio
analizado.
Tabla 5.3 Características del edificio analizado
Edificio
Sistema
Estructural
Área
por
planta
(m2)
Altura
Pisos
Tipos
de
pisos
h(m)
Clasificación
HOSPITAL
REGIONAL
DOCENTE
AMBATO
“BLOQUE E”
Pórticos
estructura de
Acero
980.28
7 y 1
Tapa
grada
7 de
3.96m, y
1 de
3.00m
27.72
MEDIANO
151
5.6 Consideraciones y criterios de modelamiento.
En la etapa del modelamiento se controlan los parámetros de capacidad de
carga, rigidez lateral y los desplazamientos máximos que se van a
desarrollar en los aisladores.
5.6.1 Capacidad de carga y tracción
El peso del edificio define la cantidad y tipo de aisladores a utilizar de tal
forma que no se exceda la capacidad de carga de cada aislador. Este
análisis es sólo preliminar dado que existirán diferencias entre las cargas
permanentes y cuando ocurren los sismos.
Ante un evento sísmico, los momentos generados van a esforzar
verticalmente a unos aisladores más que otros; es por ello que también se
hace un control de la capacidad de carga cuando se utiliza una combinación
que incluya el sismo y las cargas muerta y viva amplificadas por 1.25. Esta
se ha tomado como la combinación que otorga valores máximos de carga
en la mayoría de los aisladores.
Cuando un lado se sobrecarga más existe la tendencia de que en el otro
lado algunos aisladores no trabajen a compresión y se encuentren en
tracción. Este parámetro se controla con una combinación del sismo más
el peso del edificio que trata de estabilizar el momento volcante producido.
5.6.2 Rigidez lateral y desplazamiento máximo
En el modelo se busca compensar la rigidez de ambos lados para que
puedan recibir una cantidad similar de fuerza lateral y también para
controlar que no haya efectos de torsión en el sistema de aislamiento, en
donde la región menos rígida rotaría alrededor de la otra; este efecto es
desfavorable pues dificulta la posibilidad de flexibilizar a la estructura.
Para controlar este parámetro en el modelo se busca equilibrar la rigidez
de los bordes equidistantes al centro de rigidez del sistema de aislamiento.
152
Los desplazamientos dependerán de la rigidez del sistema de aislación y
deberán tenerse en cuenta. Estos desplazamientos se deberán calcular
inicialmente (ver 5.7) y verificar con un análisis dinámico.
5.6.3 Diafragma rígido
Con la finalidad de que todo el sistema se mueva como un solo elemento
se utiliza un diafragma rígido que se logra mediante el uso de un sistema
de losas o vigas con rigidizadores diagonales.
En el modelo se utiliza una losa que permite amarrar a las columnas para
que existan momentos en su base; y vigas capaces de resistir las cargas
últimas para que puedan transmitirlas hacia los aisladores.
El criterio que se sigue para la disposición de la losa y vigas es crear un
enmallado de tal forma que los aisladores se encuentren ubicados debajo
de cada punto de intersección de la malla; para ello también se debe
controlar las dos consideraciones anteriores.
Para que se logre el comportamiento de diafragma rígido de la losa, en el
modelo se le asigna una gran rigidez a la deformación ante cargas
contenidas en su plano.
Por último, la interfase de aislación se ubica en la base del primer nivel; por
lo tanto, la presencia de los subsuelos no influye significativamente en su
comportamiento (los sub suelos se mueven con el terreno y así no hay
amplificación sísmica).
153
5.7 Procedimientos de Diseño de los Aisladores
5.7.1 Consideraciones Iniciales
Para dimensionar los aisladores se considera el Sismo Máximo
Creíble (MCE) o sismo que tiene el 2% de probabilidad de ser
excedido en 50 años. Por lo tanto, el factor Z (MCE) = 1.5x0.4g=0.6g
(Zona IV).
Para diseñar la superestructura se considera el Sismo de Diseño
(DBE) o sismo que tiene el 10% de probabilidad de ser excedido en
50 años. Por lo tanto, el factor Z (MCE) = 0.4g.
Se asume inicialmente que el periodo de la estructura aislada en el
máximo desplazamiento es igual a 2.5 ó 3 veces el periodo de la
estructura empotrada.
Se considera un amortiguamiento efectivo para el máximo
desplazamiento igual a 15%.
5.7.2 Procedimiento para diseño de aisladores elastoméricos con
núcleo de plomo (LRB)
Este procedimiento se basa en que el comportamiento de un aislador de
este tipo se modela como un elemento histerético bilineal, tal como lo
muestra la Figura.5.3.
Fig. 5.3 Modelo usado para representar el comportamiento de los aisladores LRB
154
El proceso de diseño es el que se describe a continuación:
1. Cálculo de la aceleración espectral de diseño (SD1(DBE)) y la
aceleración espectral máxima creíble (SM1(MCE)):
Fig. 5.4 Esquema de espectros a considerados en el diseño de aisladores
Se calculan a partir de los factores de zona sísmica (Z), amplificación
espectral (η), factores de sitio (Fa), y la relación del periodo de vibración
(Tc) con el periodo fundamental (T):
Donde r=1, para tipo de suelo A, B o C
SM1(MCE) y SD1(DBE) corresponde a la ecuación de (Sa) con el respectivo
valor de Z.
(Ec. 5.7)
(Ec. 5.7) Aceleración
𝑆𝐷1(𝐷𝐵𝐸) = 𝜂𝑍𝐷𝐵𝐸𝐹𝑎 (𝑇𝑐
𝑇)
𝑟
(Ec. 5.8)
(Ec. 5.8) Aceleración espectral de diseño (Sismo de Diseño)
ZDBE=0.4g
SD1(DBE)=0.897
𝑆𝑀1(𝑀𝐶𝐸) = 𝜂𝑍𝑀𝐶𝐸𝐹𝑎 (𝑇𝑐
𝑇)
𝑟
(Ec. 5.9)
(Ec. 5.9) Aceleración espectral de diseño (Sismo máximo de Diseño)
ZMCE=0.6g
155
SM1(MCE)= 1.345
En el caso de las estructuras aisladas el factor de uso será 1.0, dado que
al dimensionar los aisladores no se utiliza un factor de reducción R. Para el
análisis de la superestructura sí se deberá utilizar las combinaciones de R
y U adecuadas. Si se desea considerar la importancia de la estructura
deberá modificarse la aceleración espectral de acuerdo con el tiempo de
exposición y con el periodo de retorno del evento considerado. El
coeficiente de amplificación sísmica deberá ser también igual a 1.0, debido
a que para los periodos propios de la aislación, no existe amplificación de
la aceleración máxima.
2. Cálculo del desplazamiento máximo y desplazamiento máximo total:
El desplazamiento máximo del sistema de aislamiento se obtiene a partir
de la aceleración espectral máxima creíble, el periodo de la estructura
aislada en el máximo desplazamiento (TM) y el coeficiente referido al
amortiguamiento efectivo en el máximo desplazamiento (BM). Este último
coeficiente se obtiene de la tabla de 13.3-1 del FEMA mostrada en la tabla
5.4.
Tabla 5.4 Valor numérico relacionado con el amortiguamiento efectivo
(Ec. 5.5)
Tm=2.5
156
Bm=1.35
Dm=0.618m= 618mm
El desplazamiento máximo total del sistema de aislamiento se obtiene a
partir del desplazamiento máximo (DM), las dimensiones en planta de la
estructura (b y d), la distancia hacia al aislador más alejado (y) y la
excentricidad accidental (e). Esta última se obtiene como el 5% de la
dimensión más grande de la planta.
(Ec. 5.6)
y=10.80m
e=0.20m
b=21.60m
d= 44.00m
Dtm=0.625m= 625mm
3. Dimensionamiento de los aisladores:
El dimensionamiento se hace a partir del desplazamiento máximo total de
los aisladores y la capacidad de carga máxima. Se escoge la más crítica.
La carga máxima en cada aislador es la que se obtiene a partir de la
combinación“1.25CM+1.25CV+CS”. También, por experiencia de
diseñadores y calculistas, se puede considerar inicialmente que la “CS” es
el 30% de la “CM” y así usar la combinación “1.55CM + 1.25CV”. El esfuerzo
axial permisible debe ser especificado en las características del aislador
ose toma como valor referencial en 815 ton/m2.
Opción 1:
(Ec. 5.10)
(Ec. 5.10) Dimensionamiento de aislador – diámetro / Opción 1
157
Di=0.94m
Di=940mm
Opción 2:
(Ec. 5.11)
(Ec. 5.11) Dimensionamiento de aislador – diámetro / Opción 2
Pumax= Carga máxima que soporta el aislador central más crítico, utilizando
la combinación de carga 1.55CM+1.25CV, dado que al momento de
prediseño no se tiene la valoración del sismo aun.
Pumax=589.06 ton
σmax perm=815 t/m2
Di=0.96m
Di=960mm
Una vez dimensionado, se escogen algunos tipos de aisladores en el
catálogo del fabricante de acuerdo con la similitud del diámetro del aislador
disponible (Di).
De acuerdo a nuestros países vecinos Perú, Colombia y Chile entre otros
la construcción de edificios con aisladores sísmicos los realizan bajo la
importación de productos de EE.UU. o Chile que se proveen de aisladores
presentes en su propio mercado como son los productos de su fabricante
VULCO y por otro lado los fabricantes de DIS (DYNAMIC ISOLATION
SYSTEM) en EE.UU. que son los que abastecen al resto de países que
confían en este producto.
Para este proyecto se tomara en cuenta la gran trayectoria de los productos
DIS en el mundo, sin antes mencionar la gran acogida que en Chile los
productos de VULCO están teniendo en estos últimos años, ya que se ha
puesto en evidencia el buen comportamiento de sus productos ante los
sismos producidos en el 2010.
158
Para este caso en particular se tomaran en cuenta los productos de DIS22
(DYNAMIC ISOLATION SYSTEM), que bajo la línea de su catálogo nos
muestra todas las características físicas y mecánicas de su producto al
servicio del cliente.
Tabla 5.5 Características físicas y mecánicas de los aisladores DIS
22www.dis-inc.com
159
4. Cálculo del diámetro de núcleo de plomo:
Con la carga “W” que recibe cada aislador según condiciones de servicio
(CM+0.25CV), se verifica que la relación Qd/W se encuentre en el rango de
(3% a10%).
Qd es la fuerza histerética y es utilizado para el control de la amortiguación
y la rigidez efectiva del sistema de aislamiento.
El diámetro del núcleo de plomo se calcula a partir de la relación entre la
fuerza de fluencia y el esfuerzo axial permisible en el núcleo de plomo (1020
ton/m2). La fuerza de fluencia es 10% mayor que la fuerza histerética.
Entonces, el diámetro del núcleo de plomo se calcula:
(Ec. 5.12)
(Ec. 5.12) Diámetro del núcleo de plomo del aislador
Qd=7%
Qd= 24.36 ton
σy=1020 t/m2
Dl=0.18m
Dl=180mm
5. Cálculo de la altura del aislador:
Se calcula a partir del desplazamiento máximo total y la deformación de
corte de diseño. Esta última es equivalente a 250% según
recomendaciones de los fabricantes. Para el diseño se toma el 150%.
(Ec. 5.13)
(Ec. 5.13) Altura del aislador
Hl=0.42m
Hl=420mm
160
6. Cálculo de Kd ó k2:
Esta es la rigidez secundaria o rigidez de recuperación la cual depende del
área neta de caucho, la altura del aislador y el módulo de corte, el cual está
comprendido entre 38 y 71 ton/m2.
(Ec. 5.14)
(Ec. 5.14) Calculo rigidez secundaria o rigidez de recuperación
G=70.00 t/m2
Kd=111.66 t/m
7. Cálculo de la rigidez efectiva y el amortiguamiento efectivo:
La rigidez efectiva y el amortiguamiento efectivo se calculan a partir:
(Ec. 5.15)
(Ec. 5.15) Rigidez efectiva
keff= 150.65t/m
(Ec. 5.16)
(Ec. 5.16) Amortiguamiento efectivo
βeff=15.69%
Igual a la estimada, por lo que se estima que se tiene un buen prediseño
que nos facilitara seleccionar el aislador adecuado.
Cuando el βeff es diferente al estimado βm. El procedimiento iterativo se
empieza a partir de la relación Qd/W en donde se le asigna un valor entre
el rango recomendado y a partir de este se determinan los diámetros de
plomo y los parámetros de amortiguamiento y rigidez efectiva.
161
El prediseño termina cuando se han seleccionado los aisladores con
características similares a las calculadas por medio de las fórmulas, donde
los desplazamientos, periodos, amortiguamiento y capacidad de carga son
los adecuados.
Para la realización del análisis no lineal en el programa ETABS, es
necesario introducir, aparte de la rigidez lateral Kmmín, el dato de la rigidez
vertical Kv de cada aislador. Ésta se calcula con la siguiente fórmula:
(Ec. 5.17)
(Ec. 5.17) Rigidez Vertical
Donde:
A = Área transversal del aislador.
Ec= Módulo de elasticidad del conjunto de las láminas de caucho y acero.
(Ec. 5.18)
(Ec. 5.18) Modulo Elasticidad (Conjunto láminas de caucho y acero)
Donde:
G = Módulo de corte del caucho. Se supone entre 0,38 MPa a 0,70 MPa o
que es lo mismo (38t/m2 a 70t/m2)
S = Factor de forma, que resulta de dividir el diámetro del aislador D entre
cuatro veces el espesor de una lámina de caucho t.
K = Módulo de compresibilidad del caucho, el cual se considera igual a 2000
MPa=200000t/m2.
S=37.86
Ec=150133.188t/m2
A=0.66m2
Kv=239494.28t/m
162
Rigidez elástica (ke)
Ke=10*kd
Ke=116.65t/m
Se entiende entonces que se tiene todos los parámetros de prediseño del
aislador, por lo que se puede presentar un resumen de los valores
calculados.
El sistema consiste en veinte y cuatro aisladores calculados y se ha
uniformizado en un tipo. Esto último con el fin de reducir la torsión sobre un
centro más rígido y de proveer de mayor capacidad a los aisladores que
sufren de tracción (precisamente las cuatro esquinas).
Tabla 5.6 Resumen características físicas y mecánicas del aislador calculado
TIPO A
Di 0.94
Hi 0.42
keff 150.65
βeff 0.16
kelastica 1116.65
fy 33.00
kd/ke 0.10
Pn 589.06
kv 239494.28
Dadas las condiciones de prediseño mediante las especificaciones FEMA,
y de acorde a los parámetros físicos y mecánicos calculados el aislador
escogemos del catálogo de DIS (DYNAMIC ISOLATION SYSTEMS) el
siguiente:
(a)
163
(b)
(c)
Fig. 5.5 Esquemas del aislador elegido del catálogo DIS
5.7.3 Detalle del Modelamiento en Software
Se desea mencionar brevemente el método utilizado para realizar el
análisis no lineal en el programa de modelamiento utilizado (ETABS) con
los aisladores elastoméricos.
Una vez modelada la estructura de la forma convencional se retiran los
apoyos en la base y se colocan vigas de suficiente peralte para unir los
elementos como columnas con adecuada rigidez a momento. Ver figura 5.7
(a) y (b).
Luego se deben definir los elementos tipo “link” e introducir sus
características de acuerdo con lo calculado. En las figuras 5.8a, b, c y d. se
observa cómo se deben ingresar estas propiedades. Los valores en las
164
figuras corresponden al aislador de 950 mm de diámetro, calculado en el
capítulo 5.7.2.
Después, habiendo seleccionado los puntos en la base donde se colocarán
los aisladores, se les asigna el elemento link correspondiente. Finalmente,
se seleccionan todos los puntos en la base y se les asigna un diafragma
rígido.
Fig. 5.6 Panta de asignación de elementos link LRB
(a)
166
(b)
(c) (d)
Fig. 5.8 (a) Pantalla de ingreso de propiedades para un aislador, (b) Pantalla de
ingreso de propiedades en la dirección vertical, (c) y (d) pantalla de ingreso de
propiedades en la dirección lateral
168
CAPITULO VI
6. ANÁLISIS DE LA ESTRUCTURA AISLADA
En este capítulo se realizará un análisis de la estructura aislada
considerando los parámetros de diseño que se han aplicado en los
capítulos anteriores, dejando en claro que las normativas aplicadas están
acordes a los requerimientos que la Norma Ecuatoriana de la Construcción
NEC-11 establece en su sección 2.10.2. REQUISITOS DE DISEÑO DE
SISTEMAS DE AISLAMIENTO SÍSMICO.
6.1 Análisis Dinámico No Lineal de la Estructura
Los análisis no-lineales paso a paso en el tiempo deberán cumplir con los
principios establecidos por la dinámica estructural, y los acelerogramas a
utilizar deberán cumplir con los mismos requisitos especificados en
2.7.7.7.1 de la NEC-11. Las capacidades y las características de los
elementos estructurales no-lineales deberán modelarse de manera
consistente con datos experimentales o mediante análisis adecuadamente
sustentados. La respuesta máxima inelástica en desplazamientos no
deberá ser reducida y cumplirá con los límites establecidos anteriormente.
Dentro de los parámetros que establece la norma ecuatoriana en su
sección 2.7.7.7.1 Registros de aceleración menciona que:
Los análisis paso a paso en el tiempo deben realizarse utilizando las dos
componentes horizontales de registros de acelerogramas apropiadamente
seleccionados y escalados a partir de los registros de no menos de 3
eventos sísmicos. Cuando no se disponga de al menos 3 eventos sísmicos,
pueden utilizarse acelerogramas apropiadamente simulados para generar
el número de registros y de componentes requeridos. Para cada par de
componentes horizontales de los acelerogramas, debe construirse la raíz
cuadrada de la suma de los cuadrados de los espectros característicos del
sitio, para una fracción del amortiguamiento respecto al crítico de 0.05. Los
acelerogramas deben ser escalados de tal forma que el valor promedio de
169
los espectros provenientes de la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados
de los espectros de los registros no se encuentre por debajo del espectro
de aceleraciones amortiguado al 5% del sismo de diseño para periodos
entre 0.2 T y 1.5 T, siendo T el periodo fundamental de la estructura, medido
en segundos. Ambas componentes de los acelerogramas deben aplicarse
simultáneamente al modelo, a fin de considerar efectos torsionales. Los
parámetros de interés deben calcularse para cada paso de tiempo del
registro dato. Si se realizan los análisis para los 3 pares de registros, se
tomaran para el diseño la respuesta máxima de los parámetros de interés.
Si se realizan 7 o más análisis paso a paso en el tiempo, se utilizara para
el diseño el valor promedio de los parámetros de respuesta de interés23.
El compromiso es dar a conocer el comportamiento no lineal de la
estructura pero por la falta de información de registros que nos ayuden a
tener un historial de sismos en el tiempo, me permitió hacer referencia a la
parte teórica, donde a breves rasgos se puede entender cómo funciona el
sistema no lineal del sistema aislado.
El incremento del período fundamental de un edificio lejos del período
predominante de un sismo no garantiza plenamente la protección de la
estructura debido a una posible resonancia con otras frecuencias naturales
más altas. Además, diversos terremotos no muestran un período
predominante claramente definido y varios picos espectrales pueden
inducir amplificaciones dinámicas. Por estos motivos se necesitan
elastómeros con alto amortiguamiento los cuales disipen energía (BOZZO,
1996). Un sistema que considerablemente incrementa el amortiguamiento
de las conexiones es el elastómero reforzado con núcleo de plomo Figura
6.1:
23 Norma Ecuatoriana de la Construcción NEC-11. Cap. 2.7.7.7.1.
170
Fig. 6.1 Esquema de aislador elastómero reforzado con núcleo de plomo
En lo referente a los modelos dinámicos que representan el
comportamiento no lineal de este dispositivo, existen dos que son
utilizados, pero se tomara en cuenta al que tiene aplicación en el software
de diseño estructural ETABS para representar este tipo de comportamiento
Figura 6.2:
Fig. 6.2 Modelo dinámico No lineal
6.1.1 Modelo Histerético de Wen
El modelo histerético de Wen (BOZZO, 1996; ORDOÑEZ, 1996;
WEN,1976) se utiliza para una representación más precisa de un aislador
de comportamiento no lineal en el cual se descompone la reacción
elastoplástica en una componente directamente proporcional al
desplazamiento y otra dependiente de la variable Z, donde la fuerza de
restauración f :
(Ec. 6.1)
(Ec. 6.1) Fuerza de restauración – Modelo Histerético WEN
171
Donde:
Es un parámetro que indica el grado de no linealidad del
sistema (por ejemplo α= 1 representa un sistema lineal) y Z es un
parámetro histerético que satisface a la ecuación diferencial no lineal de
primer orden (BOZZO, 1996; ORDOÑEZ, 1996; WEN, 1976):
(Ec. 6.2)
(Ec. 6.2) Parámetro Histerético – Ecuación diferencial no lineal
Los parámetros A,α,β,γ, n que aparecen en la Ec. 6.2 son números
adimensionales que regulan cada una de las características del
comportamiento del modelo y que en definitiva, representan los diferentes
tipos de reacciones no lineales (BOZZO, 1996; ORDOÑEZ, 1996;
PELDOZA, 2002; WEN, 1976):
A: Factor de escala general.
α: Razón de proporción entre la fuerza lineal y la fuerza no lineal.
β,γ: Determinan la forma de la curva.
n : Regula la suavidad de la transición entre la región lineal y la no lineal.
La influencia que tienen los parámetros β, γen la variable Z se puede
visualizar al trazar la gráfica de dicha variable versus el desplazamiento,
con una solicitación externa de tipo periódica (sinusoidal a través del
tiempo) que afecta a un oscilador de un grado de libertad, en el cual se
incluye la fuerza restauradora representada por el modelo de Wen.
(ORDOÑEZ, 1996; PELDOZA, 2002).
A modo de ejemplo en la figura 6.3 se puede visualizar el comportamiento
histerético que representan los parámetros β= 0.5 y γ= 0.5.
172
Fig. 6.3 Curva histerética de Z versus X con β = 0.5 y γ = 0.5
Con relación al parámetro n ∈[1,+∞[ este controla la suavidad de las
curvas entre la zona inicial y la de influencia, entre más alto sea el valor
utilizado, más dura es la curva de transición y más cercano a 1 es el valor
de Z, como se observa en la figura 6.3 (ORDÓÑEZ, 1996; WEN, 1976).
Dado lo anterior, para eliminar completamente la porción curva, se entiende
que n → +∞y que esto representa al modelo bilineal, aunque en la práctica
se ha observado que solo es suficiente tomar valores del orden n >20
(COMPUTER AND STRUCTURES .CSI, 1997).
Fig. 6.4 Comportamiento de la variable Z con A = 1, α= 0.6, β=γ= 0.5, y distintos
valores de n
173
Con respecto a los valores más comunes de los parámetros utilizados para
la modelación de aisladores los autores recomiendan A=1 (BOZZO, 1996;
CSl, 1997; ORDÓÑEZ, 1996). En relación a los parámetros βy γ, BOZZO
(1996) propone β= -0.54 y γ= 1.4. Para la mayoría de los autores el valor
más representativo para estimar la curva de transición es n= 1 aunque en
los programas SAP2000 No linear y ETABS No linear se utiliza una variante
bidireccional del modelo, la cual fue propuesta por PARK en (1986) y que
es equivalente a la fórmula de Wen pero con n = 2 (CSI, 1997; PELDOZA,
2002).
Los Programas SAP2000 Nonlinear y ETABS Nonlinear tienen incorporado
el modelo de Wen como elemento no lineal.
Los procedimientos Dinámicos No Lineales implican respuestas
estructurales que son muy sensibles a los parámetros que sirven para
modelar los distintos tipos de comportamiento histerético de los diversos
elementos estructurales, constituidos por los diferentes materiales que se
encuentran disponibles.
Asimismo, son estos procedimientos los que representan mejor el
comportamiento estructural y permiten predecir sus respuestas ante
eventos sísmicos que hacen incursionar a las estructuras en el rango
inelástico y hacen que se comporten no linealmente, con niveles de
incertidumbre aceptables.
6.1.2 Definición de Registros
Los acelerogramas son diagramas que relacionan la magnitud de las
aceleraciones que se van registrando en el suelo con el tiempo transcurrido
desde el inicio del evento.
La práctica común para el análisis en el dominio temporal de estructuras
sometidas a acciones sísmicas utiliza como entrada los registros de sismos
174
cercanos al lugar de interés. No obstante esta información no siempre está
disponible, esto induce a una alta incertidumbre en la respuesta estructural
debido a que tales registros no cubren todos los máximos en la banda de
frecuencias de interés. Así mismo las aceleraciones registradas no suelen
cumplir los rangos de amplitudes y frecuencias establecidos en los códigos
de diseño.
Si bien es cierto el análisis paso a paso en el tiempo de una estructura es
más real que el espectral o el estático, este es muy sensible, es decir, si se
introduce mal un valor los resultados pueden cambiar drásticamente hasta
el punto de ser ilógicos, generando gran incertidumbre en los resultados
obtenidos.
Por lo anteriormente expuesto el presente estudio considerará que la mejor
alternativa para el análisis de la estructura aislada es el espectral (espectro
de respuesta de nuestra estructura) calculado, analizado en el capítulo
4.3.6.2 y dado como opción válida para el análisis de estructuras.
6.2 Resultados Sistema Aislado.
Para mayor estimación de los resultados obtenidos en este proceso de
diseño del sistema de protección sísmica como es la aplicación de
aisladores LBR, en esta sección se dividirá el estudio en partes para tener
un mejor entendimiento de lo que sucede con la superestructura y el
sistema de aisladores aplicado que se estudió en el capítulo anterior y
poder interpretar todos los resultados que este novedoso sistema proyecta
en beneficio de la superestructura.
Dadas estas interpretaciones en este capítulo se podrá finalmente realizar
un análisis comparativo del edificio convencional con el edificio aislado.
175
6.2.1 Criterios de Verificación y Elección del Sistema de Aislación
El objetivo del diseño es presentar de forma práctica las diferencias entre
un diseño convencional y un diseño con sistema aislado. Con este
propósito se buscó una estructura que fuera regular de forma y así no
pueda complicar innecesariamente el diseño.
Además, se eligió una estructura para la cual los beneficios de la aislación
fueran evidentes en la etapa de análisis. Por otro lado, se deseaba que la
estructura fuera de cierta importancia.
Con estas características se eligió uno de los bloques del Hospital Regional
Docente Ambato que recientemente fue intervenido con la ampliación y
remodelación.
El edificio original forma parte de un complejo y está rodeado de otros
bloques. Sin embargo, una estructura aislada requiere de desplazamientos
importantes para funcionar, lo que hace muy difícil la interconexión entre
varios bloques. El diseño convencional prefiere separar plantas
arquitectónicas irregulares en bloques regulares, dado que esto disminuye
la incertidumbre de su comportamiento y mejora la regularidad.
Dentro de las características o parámetros de verificación en una
edificación con un sistema de aislación, se debe confirmar que siempre el
lugar de implantación debe contar con un suelo rígido y no flexible así como
la funcionalidad exterior que necesita el edifico para sus desplazamientos,
considerando que para este tipo de sistemas hay que considerar un margen
de desplazamientos cercanos a los 50cm a 75cm, el periodo de edificación
con sistemas de protección sísmica deben estar alrededor de 2,5seg a 3seg
de acuerdo al valor estimado en el prediseño.
Por otro lado, también facilita el proceso constructivo. Sin embargo, si los
edificios se hubiesen diseñado con aislación en mente, se habría preferido
bloques más grandes de forma que se reduzca la esbeltez. En
176
consecuencia, el diseño se realizará obviando la presencia de los bloques
cercanos y con los cambios estructurales que se detallarán más adelante.
La verificación del comportamiento del aislador se la debe realizar en un
laboratorio especializado para estimar que las propiedades que el
fabricante menciona sean las correctas, esto se debe realizar con el fin de
asegurar que los dispositivos colocados en obra sean los indicados y así
cumplir con una garantía del producto, por enfatizar este tipo de
procedimiento, se mostrara un ensayo de laboratorio aplicado en la
Pontificia Universidad Católica de Chile a los aisladores LBR que nos
demuestra su cumplimiento con la teoría de las curvas histeréticas para los
diferentes niveles de deformación. Ver figura 6.6.
Por todo lo expuesto anteriormente podríamos deducir que el sistema de
aislación más recomendado por su comportamiento ante el fenómeno
sísmico es el aislador elastomérico con núcleo de plomo por las siguientes
razones:
a. Presenta menores desplazamientos reales y relativos de la
superestructura
b. Presenta menores aceleraciones de piso
c. Presenta el menor valor de cortante basal
Fig. 6.5 Verificación del comportamiento del aislador
178
Fig. 6.6 Ejemplo: Curvas histeréticas de un aislador LRB, de diámetro exterior 90
cm, diámetro de plomo 15 cm, de 20 capas de goma de 8 mm, analizados para el
proyecto del Hospital Militar - Chile
179
6.2.2 Modos de vibración sistema aislado.
De acuerdo a las condiciones de diseño se debe verificar que el sistema de
aislación cumpla con el periodo deseado de 2,5seg que fue el que se estimó
con anterioridad en el prediseño, para cual en la figuras 6.8 se puede
apreciar de manera clara sus modos de vibración, además para poder
observar que los parámetros se cumplen se tiene los siguientes valores en
la tabla 6.1:
Tabla 6.1 Resultados del análisis modal del Edificio BLOQUE DE
HOSPITALIZACIÓN E con el sistema LRB
Modo Periodo UX UY RZ
1 2.5439 15.1885 83.2067 0.7063
2 2.5433 83.9048 15.1186 0.0760
3 2.2728 0.0057 0.7741 98.4008
4 0.5852 0.0001 0.8183 0.0006
5 0.5839 0.8174 0.0001 0.0000
6 0.5087 0.0000 0.0018 0.7373
7 0.2996 0.0670 0.0000 0.0000
8 0.2974 0.0000 0.0633 0.0024
9 0.2633 0.0000 0.0012 0.0621
10 0.1911 0.0112 0.0000 0.0000
11 0.1899 0.0000 0.0106 0.0000
12 0.1686 0.0000 0.0001 0.0102
13 0.1388 0.0033 0.0000 0.0000
14 0.1386 0.0000 0.0032 0.0000
15 0.1231 0.0000 0.0000 0.0028
16 0.1111 0.0000 0.0012 0.0000
17 0.1100 0.0013 0.0000 0.0000
18 0.0996 0.0000 0.0000 0.0008
19 0.0972 0.0000 0.0003 0.0000
20 0.0948 0.0003 0.0000 0.0000
21 0.0917 0.0000 0.0000 0.0003
En la tabla 6.1 podemos identificar que el período fundamental de la
estructura el 2.5439seg aproximado a 2.50seg que es el período objetivo
considerado, en este caso el primer modo fundamental provoca una
traslación en Y, el segundo período más importante que es de
2.5433segtiene mayor participación de X produciendo de las misma
180
manera un efecto traslacional, y finalmente el tercer periodo de 2.27seg que
tiene una mayor participación modal en Z produciendo un efecto rotacional.
Como se puede observar en la tabla los 3 primeros periodos corresponden
casi a la totalidad de la respuesta estructural del sistema. En la siguiente
fig. 6.8., se muestra el primer, segundo y tercer modo de vibración de la
estructura.
Fig. 6.7 Modos de vibración Edifico Aislado con aplicación del Sistema LRB
6.2.3 Desplazamiento del Sistema de Aislación
Dado que el desplazamiento importante se da en la interfase de aislación,
no es necesario contar con tanta rigidez como en una estructura
convencional (la rigidez es importante para conseguir diferenciación entre
los periodos), las derivas de entrepiso resultan menores que en la
estructura convencional.
Luego, al repartir los efectos sísmicos entre todos los aisladores, se
consigue un diseño más eficiente que resulta en un sistema más flexible y
en una reducción de las fuerzas incluso mayor.
181
Fig. 6.8 Forma de desplazarse del edifico producto de la aplicación del sistema de
protección sísmica
El desplazamiento en la base de la superestructura en conjunto con los
aisladores es importante conocer para comparar que los desplazamientos
están cumpliendo con el rango de diseño y también nos permite conocer o
estimar una situación real del sistema de aislación ante el espectro sísmico
de respuesta, en la tabla 6.2 y las Figs. 6.9 y 6.10 se podrán apreciar estos
desplazamientos:
Tabla 6.2 Deformación en la base del sistema de aislación Edificio “BLOQUE E” DE
HOSPITALIZACIÓN con el sistema LRB
Tipo de Sistema
Aislación
LRB
Deformación con el Análisis Espectral
Ciudad Ambato según la NEC-11
(cm)
Sismo X Sismo Y
BASE Nv+/-0.00 10.03 11.76
PISO 7 Nv+27.72 13.74 16.06
182
Fig. 6.9 Deformación en la base producida en el sistema por efecto del espectro
símico en X
Fig. 6.10 Deformación en la base producida en el sistema por efecto del espectro
símico en Y
183
6.2.4 Desplazamiento Relativo de la Superestructura
En la tabla 6.3 se detallan las derivas totales (sin incremento por 0.75·R)
de la estructura para cada señal. Es evidente que, incluso con la
disminución de la rigidez, el edificio aislado tiene menores desplazamientos
relativos. Debe notarse, que las derivas de entrepiso son en realidad
incluso menores, dado que parte del valor mostrado incluye el
desplazamiento inducido por el giro (respecto a los ejes horizontales) del
sistema de aislación; los aisladores se deforman verticalmente, en
contraste con la deformación vertical despreciable de la estructura, lo que
provoca un descenso cuando la fuerza sísmica es de compresión, esto
inclina el edificio lo que resulta en un mayor desplazamiento en la terraza;
este efecto puede representar hasta 0.5 cm.
Si esta nueva estructuración fuese una estructura convencional tendría
derivas (inelásticas, calculadas con el espectro convencional I=1.5, R=6 o
lo que es también aceptable reducir el factor R de 6 a 4.5 así se tiene un
margen más grande ante cualquier desperfecto en obra al momento de
construir) de hasta 5x10-3, lo que sería mayor, pero aceptable. La
participación de la masa se reduce a 70%. Sin embargo, muchos de los
elementos estarían sobre esforzados incluso para las fuerzas reducidas,
por lo que su construcción no sería factible dentro del margen económico.
Se puede apreciar en la Figura 6.11 los desplazamientos que toda la
estructura sufre en cada uno de sus entrepisos, mostrándonos una clara
demostración de cómo está funcionando el sistema de aislación desde la
base del edifico hasta su más alto nivel de entrepiso.
184
Tabla 6.3 Derivas totales de entrepiso para el sistema aislado producto del
espectro sísmico X e Y
PISO CARGA DERIVA-X DERIVA-Y
TAPAGRADA SPECX 0,000199
TAPAGRADA SPECY 0,000292
PISO7 SPECX 0,000488
PISO7 SPECY 0,000551
PISO6 SPECX 0,000834
PISO6 SPECY 0,000950
PISO5 SPECX 0,001172
PISO5 SPECY 0,001337
PISO4 SPECX 0,001518
PISO4 SPECY 0,001738
PISO3 SPECX 0,001808
PISO3 SPECY 0,002104
PISO2 SPECX 0,002021
PISO2 SPECY 0,002346
PISO1 SPECX 0,001813
PISO1 SPECY 0,002102
(a)
185
(b)
Fig. 6.11 (a) y (b) Diagrama de máximos desplazamientos en X e Y de entrepisos en
cm
6.2.5 Aceleraciones Absolutas en la Superestructura
Este parámetro es importante ya que tiene relación directa con los daños
que pueda ocurrir ante una eventualidad sísmica y más aún para este
edificio que está destinado a la hospitalización de pacientes y por
consiguiente posee equipos costosos que no se los puede remplazar
fácilmente refiriéndose al costo elevado que tienen si alguno fallara o
presentaría averías causadas por un sismo.
Para poder estimar las aceleraciones que cada nivel de piso o entrepiso
experimenta en la acción de un sismo y a la vez para podernos dar cuenta
de cómo es su comportamiento, nos ayudaremos de figuras que a
continuación se presentan figs. 6.12 y 6.13 y en la tabla 6.4.
186
Tabla 6.4 Aceleraciones producidas por el espectro sísmico X e Y
ESPECTRO X ESPECTRO Y
PISO X Y X Y
TAPAGRADA 0.9344 0.0028 0.0643 0.9512
PISO7 0.9121 0.0117 0.0637 0.9687
PISO6 0.8593 0.0114 0.0596 0.9115
PISO5 0.8023 0.011 0.0575 0.8503
PISO4 0.7638 0.0107 0.0709 0.8093
PISO3 0.75 0.0103 0.0677 0.7928
PISO2 0.7536 0.0098 0.0505 0.7939
PISO1 0.7573 0.0086 0.0492 0.7972
BASE 0.7435 0.0082 0.048 0.783
Fig. 6.12 Diagrama de aceleraciones X e Y de entrepisos
Fig. 6.13 Diagrama de aceleraciones X e Y de entrepisos
0
2
4
6
8
10
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Nu
mer
o d
e P
iso
s
Aceleraciones
Aceleraciones Absolutas Segun Espectro X
Sentido X Sentido Y
0
2
4
6
8
10
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
Nu
mer
o d
e P
iso
s
Aceleraciones
Aceleraciones Absolutas Segun Espectro Y
Sentido X Sentido Y
187
6.2.6 Corte Basal de la Superestructura
El cortante basal nos permite valorar los esfuerzos de los elementos
estructurales, las plastificaciones de dichos elementos y por lo tanto el nivel
de daño que pueden sufrir.
Se puede apreciar muy claramente en la fig. 6.14 como disminuye en gran
porcentaje el valor de la aceleración espectral y por ende el cortante basal
de una estructura aislada frente a una estructura fija, ratificando el buen
desempeño y la gran ayuda que este sistema de protección sísmica
proporciona a las edificaciones que la poseen.
Fig. 6.14 Esquema disminución de Aceleración espectral en una estructura aislada
y una sin aislar
La mayoría de aisladores elastoméricos aumentan su eficiencia según
aumenta su capacidad de carga, es decir, aisladores con un diámetro
mayor tienen una capacidad mucho mayor, pero su rigidez lateral aumenta
sólo en una fracción de la proporción.
Así, es preferible utilizar aisladores con mayor diámetro, en vez de varios
de menor diámetro, para conseguir una interfase de aislación más flexible
188
y así una elevación del periodo de la estructura aislada junto con la
disminución de la fuerza que actúa en la base de la estructura.
Tabla 6.5 Respuesta de corte basal en edifico aislado con el sistema LRB
Tipo de Sistema
Aislación
LRB
Corte Basal Análisis Espectral Ciudad
Ambato según la NEC-11
Vx (T) Vy (T)
BASE Nv+/-0.00 329.09 327.83
Fig. 6.15 Esquema fuerza de piso en Y por efecto de cargas laterales
189
Fig. 6.16 Esquema fuerza de piso en X por efecto de cargas laterales
6.3 Comparación de Comportamiento de Edificio en Estructura
Metálica vs. Estructura Aislada
Bajo muchos parámetros físicos y mecánicos que el aislador LRB brinda en
la protección sísmica podemos realizar una aplicación de amortiguamiento
al edificio “Bloque E del hospital Regional Docente Ambato” de base fija.
Durante este proceso de diseño e interpretación que se le ha dado a la
edificación protegida con el sistema LRB, nos permite ahora comparar este
sistema de protección con el análisis de una edificación de base fija o
convencional adicionando amortiguamiento y permitiendo que la energía
sísmica sea absorbida por el sistema de aisladores.
Todas las comparaciones que en este capítulo se hagan, se espera que
nos lleven a concluir que tan factible puede ser la construcción del edifico
tanto estructuralmente como económicamente.
190
Fig. 6.17 Esquema Estructura sin aislar vs. Estructura aislada
6.3.1 Desplazamientos Relativos de la Estructura Aislada y Base
Fija
La reducción de las distorsiones de entrepiso que se evidencian en la
estructura aislada protege a los elementos estructurales tanto como a los
elementos no estructurales sensibles a los daños inducidos por las
distorsiones o derivas.
Es muy notoria la reducción de derivas que se produce en el sistema
aislado que están dentro un margen del 70% significativamente esto
demuestra el buen funcionamiento del sistema que se puede ver en la tabla
6.7.
Tabla 6.6 Comparación desplazamientos máximos de piso entre el sistema Aislado
y el Sistema sin Aislar
DESPLAZAMIENTOS MÁXIMOS (cm)
PISO SIN AISLAR AISLADA
# X Y X Y
TAPAGRADA 10.93 10.92 13.79 13.81
PISO7 10.67 12.17 13.74 16.06
PISO6 9.90 11.34 13.56 15.86
PISO5 8.58 9.85 13.26 15.51
PISO4 6.80 7.76 12.95 15.00
PISO3 5.03 5.76 12.38 14.34
PISO2 3.02 3.52 11.54 13.52
PISO 1 1.11 1.30 10.75 12.60
BASE 0.00 0.00 10.03 11.76
191
Fig. 6.18 Diagrama desplazamientos máximos entre la estructura aislada y sin
aislar
Tabla 6.7 Comparación de derivas entre el sistema Aislado y el Sistema sin Aislar
AISLADA SIN AISLAR % REDUCCIÓN SIST. AISLADO
PISO CARGA DERIVA
X DERIVA
Y DERIVA
X DERIVA
Y DERIVA
X DERIVA
Y
TAPAGRADA SPECX 0.00020 0.00094 78.78%
TAPAGRADA SPECY 0.00029 0.00105 72.16%
PISO7 SPECX 0.00049 0.00208 76.57%
PISO7 SPECY 0.00055 0.00223 75.34%
PISO6 SPECX 0.00083 0.00350 76.15%
PISO6 SPECY 0.00095 0.00393 75.80%
PISO5 SPECX 0.00117 0.00476 75.39%
PISO5 SPECY 0.00134 0.00540 75.24%
PISO4 SPECX 0.00152 0.00451 66.32%
PISO4 SPECY 0.00174 0.00509 65.83%
PISO3 SPECX 0.00181 0.00495 63.44%
PISO3 SPECY 0.00210 0.00569 63.02%
PISO2 SPECX 0.00202 0.00483 58.19%
PISO2 SPECY 0.00235 0.00560 58.11%
PISO1 SPECX 0.00181 0.00280 35.32%
PISO1 SPECY 0.00210 0.00328 35.99%
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00
Nu
mer
o d
e P
iso
s
Desplazamientos (cm)
COMPARACION DESPLAZAMIENTOS MAXIMOS POR PISO
SIN AISL. X
SIN ASISL. Y
AISL. X
AISL. Y
192
Fig. 6.19 Diagrama derivas máximas entre la estructura aislada y sin aislar
6.3.2 Aceleración Absoluta de la Estructura Aislada y Base Fija
La reducción de las aceleraciones protege a los elementos no estructurales
que son sensibles a los daños inducidos por la aceleración. Después de
ocurrido un sismo, la estructura es funcional con poco o ningún daño. En
el edifico aislado bajo condiciones favorables, las distorsiones de entrepiso
y aceleraciones se reducen hasta un 70% en comparación de una
estructura fija en la base.
Tabla 6.8 Comparación de derivas entre el sistema Aislado y el Sistema sin Aislar
AISLADA SIN AISLAR % REDUCCIÓN ESTRUCTURA AISL. ESPECTRO X ESPECTRO X
PISO X Y X Y X Y
TAPAGRADA 0.9344 0.9512 4.9089 5.1285 81% 81%
PISO7 0.9121 0.9687 4.2236 4.6205 78% 79%
PISO6 0.8593 0.9115 3.7532 4.0947 77% 78%
PISO5 0.8023 0.8503 3.3321 3.5929 76% 76%
PISO4 0.7638 0.8093 2.9082 3.1297 74% 74%
PISO3 0.7500 0.7928 2.4445 2.6403 69% 70%
PISO2 0.7536 0.7939 1.9358 2.0726 61% 62%
PISO1 0.7573 0.7972 1.2570 1.3205 40% 40%
BASE 0.7435 0.783 0.0000 0.0000
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0,000 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007
Nu
mer
o d
e P
iso
s
DERIVAS (m)
COMPARACION DE DERIVAS
AISL. X
AISL. Y
SIN AISL. X
SIN AISL. Y
193
Fig. 6.20 Diagrama derivas máximas entre la estructura aislada y sin aislar
6.3.3 Corte Basal de la Estructura Aislada y Base Fija
De la esquematización de la figura 6.14 se puede corroborar el fenómeno
de disminución de cortante basal con los valores obtenidos de los dos
sistemas en comparación que se presentan en la tabla 6.9, donde se ve
una disminución en la estructura aislada de alrededor de un 75% frente a
la estructura sin aislar.
Tabla 6.9 Comparación de fuerzas de corte basal entre el sistema Aislado y el
Sistema sin Aislar
PISO
SIN AISLAR AISLADO REDUCCIÓN EST. AISL.
TON TON
VX VY VX VY X Y
TAPAGRADA 43.20 44.43 8.23 8.29 81% 81%
PISO7 290.95 295.99 62.52 62.46 79% 79%
PISO6 500.92 510.20 113.97 113.64 77% 78%
PISO5 673.83 686.58 161.00 160.36 76% 77%
PISO4 833.39 849.64 208.67 207.86 75% 76%
PISO3 966.94 985.86 252.99 252.04 74% 74%
PISO2 1048.63 1068.76 290.95 289.81 72% 73%
PISO1 1084.96 1105.61 329.09 327.83 70% 70%
PROMEDIO 75% 76%
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0 1 2 3 4 5 6
Nu
mer
o d
e P
iso
s
Aceleracion (g)
COMPARACION DE ACELERACIONES EN LOS ENTREPISOS
SIN AISL. X
AISL. X
SIN AISL. Y
ASIL. Y
194
Al disminuir de forma gigantesca el valor de cortante basal en la estructura
aislada esto puede acreditar que los elementos estructurales considerados
en el sistema de base fija o sistema sin aislamiento se encuentren sobre
dimensionadas ya que las fuerzas laterales que hacen que la estructura sea
más rígida ahora son menores dejando así un margen de disminución en
sus elementos estructurales considerados en la estructura de base fija.
Fig. 6.21 Diagrama cortante basal estructura sin aislar
Fig. 6.22 Diagrama cortante basal estructura aislada
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0,00 200,00 400,00 600,00 800,00 1000,00 1200,00
Nu
mer
o d
e P
iso
s
Fuerza Corte Basal (Ton)
CORTE BASAL ESTRUCTURA SIN AISLAMIENTO
SIN AISL. X
SIN AISL. Y
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00 300,00 350,00
Nu
mer
o d
e P
iso
s
Fuerza Corte Basal (Ton)
CORTE BASAL ESTRUCTURA CON AISLAMIENTO
AISL. X
AISL. Y
195
6.4 Rediseño de la Subestructura
La cimentación de un edifico convencional o de base fija en relación a la
cimentación de la estructura aislada enfrenta cambios de estructuración
donde la cimentación de la estructura aislada será más compleja, pues se
trata de asimilar de una manera sencilla este complejo sistema de
cimentación que se divide en dos, en la figura 6.23 se puede observar las
partes que conforman la estructuración del sistema aislado, una superior a
los aisladores de base colocados y otra parte que está por debajo de la
misma. La estructuración que está por encima de los aisladores está
formada por una losa que trabajara como un diafragma rígido en el sentido
horizontal, la losa se complementa con un conjunto de vigas peraltadas lo
suficientemente rígidas. La estructuración por debajo de los aisladores
serán zapatas que se diseñan manteniendo el margen de capacidad
portante del suelo lo cual nos permite que la subestructura no sufra
asentamientos diferenciales mayores a los requeridos por la norma.
Fig. 6.23 Cimentación Sistema de aislación
196
Los cambios en la estructuración se hicieron también con el fin de mejorar
el comportamiento aislado de la estructura. Dado que el desplazamiento
importante se da en la interfase de aislación, no es necesario contar con
tanta rigidez como en una estructura convencional (la rigidez es importante
para conseguir diferenciación entre los periodos), las derivas de entrepiso
resultan menores que en la estructura convencional.
Luego, al repartir los efectos sísmicos entre todos los aisladores, se
consigue un diseño más eficiente que resulta en un sistema más flexible y
en una reducción de las fuerzas incluso mayor.
6.4.1 Losa Nv+/-0.00 y vigas del sistema de aislación
Para que no existan peligrosos desplazamientos diferenciales entre
columnas y elementos no estructurales del primer piso, en las direcciones
perpendiculares o en las direcciones diagonales, se requiere de una losa
con una rigidez adecuada.
Si bien en este caso las luz más crítica es de 8.95m frente a la luz de
7.20mindican que se podría construir una losa maciza de alrededor de 27
cm la cual sería suficiente, valor que se estima de un prediseño
considerando el 3%de su luz, dada la sobrecarga del hospital y la cantidad
de distribuciones arquitectónicas que se realizaran con mampostería se
prefiere una losa maciza de 30 cm.
En contraste con un aligerado que comúnmente se dispone en nuestro
medio en la que dispone de una loseta de 5 cm para resistirlas
deformaciones, una loseta maciza puede resistir estas deformaciones
empleando toda su sección.
Comparando las inercias que una losa aligerada de 30cm y la inercia de
una losa maciza de 30cm por el prediseño, se puede demostrar que las
inercias no son equitativas a la sección que la losa necesita, dejando en
197
evidencia que la rigidez de la losa aligerada de 30cm no es suficiente para
resistir las solicitaciones de la luz critica en diseño.
Fig. 6.24 Esquema corte de una losa aligerada
Ayudados de una hoja de cálculo en el Excel se puede hacer la
demostración de las diferencias que existen entre inercias de las diferentes
secciones propuestas.
Tabla 6.10 Calculo inercia de una losa aligerada de 30cm de altura
LOSA NERVADA NERVIO 10cm
t 30 cm
cc 5 cm
t-cc 25 cm
bw(nervio) 10 cm
b 100 cm
INERCIA
LOSA (cm4)
ÁREAS Y A*Y I d I+A*d^2
1 500 22.5 11250 1041.67 5.00 13541.67
2 250 12.5 3125 13020.83 5.00 19270.83
3 250 12.5 3125 13020.83 5.00 19270.83
SUMA 1000 17500 52083.33
Tabla 6.11 Calculo inercia de una losa maciza de 30cm de altura
I 225000.00 cm4
b 100 cm
h 30.00 cm
INERCIA EQUIVALENTE LOSA MACIZA b=100
t=30.00
198
Observando la inercia de la losa maciza frente la inercia de la losa aligerada
demostramos que la rigidez de la losa aligerada de 30cm no es suficiente
frente a una rigidez de losa maciza de 30cm.
Para evitar esta situación y remediar el problema que se puede presentar
por el pandeo y alabeo de las losas se puede atiesar la luz de 8.95m y la
de 7.20m a la mitad con una viga intermedia, demostrando así que la
sección de losa aligerada de 30 cm está sobredimensionada, por ende se
debe realizar un reajuste de altura de losa, quedando definida una losa
bidireccional de 20cm de altura que aun así quedaría sobredimensionada,
pero bajo las requerimientos de la importancia del edificio mantenemos la
sección de losa adoptada de 20cm.
(a)
199
(b)
Fig. 6.25 (a) y (b) Esquematización 3D losa de piso Nv+/-0.00 en la superestructura
De acuerdo a los requerimientos de la ACI 318-08 la relación entre luces
es de 0.62 indicando que la losa puede ser bidireccional, valor que resulta
de la siguiente interpretación:
m=s/l >0.5 LOSA BIDIRECCIONAL
m=s/l <0.5 LOSA UNIDIRECCIONAL
Donde:
s= luz critica menor
L= luz critica mayor
Luego, las vigas funcionan como tensores de cimentación que ayudan a
controlar los desplazamientos diferenciales. Además, cumplen la función
de restringir el giro de los elementos verticales que llegan a la interfase y,
por último, deben tomar los momentos que se generan por la excentricidad
de la carga cuando los aisladores experimentan un desplazamiento.
Los momentos por sismo deben determinarse sin reducción efectiva, es
decir, directamente con las fuerzas obtenidas de la máxima de las tres
señales; luego, los momentos por excentricidad deben determinarse con la
capacidad de carga del aislador y el desplazamiento máximo creíble (la
mitad del momento lo toma el podio superior).
200
Finalmente, los momentos por cargas de gravedad se dan por el apoyo de
la losa. En resumen, las vigas del sistema de aislación se diseñaron para
soportar las cargas de sismo, gravedad y las provenientes de la
excentricidad de la carga axial en los aisladores.
(a) (b)
Fig. 6.26 (a) viga intermedia o atiesadora, (b) viga principal de losa para el sistema
de aislación de losa de piso Nv+/-0.00 en la superestructura
Considerando las condiciones de diseño de la NEC-11 se utilizo
combinaciones de cargas utilizando el diseño por resistencia. Las
estructuras, componentes y cimentaciones deberán ser diseñadas de tal
manera que la resistencia de diseño iguale o exceda los efectos de las
cargas incrementadas, de acuerdo a las combinaciones siguientes
combinaciones básicas.
1. 1.4D
2. 1.2D+1.6L+0.5(Lr o S o R)
3. 1.2D+1E+L+0.2S
4. 0.90D+1E
Previo a conocer el resultado del porcentaje de acero longitudinal que se
colocara en cada una de las vigas diseñadas, también el programa realiza
un analisis de donde podemos apreciar que estima como combinacion
201
critica para el diseño de las vigas a las combinaciones que se muestra en
la figura 6.27.
(a)
(b)
Fig. 6.27 (a) Combinación NEC-11 estimando el sismo en Y (b) combinación
estimando sismo en X
En la figura 6.28 se tiene el resultado del porcentaje de acero de refuerzo
que cada viga debe tener en su sección bajo las condiciones del código
ACI318-08 que el programa ETABS tiene predeterminado, normativas que
son acogidas por la NEC-11 en su capítulo 1 (CARGAS Y MATERIALES
sección 1.1.5.3.2).
202
(a)
(b)
Fig. 6.28 (a) Refuerzo longitudinal en cm y (b) porcentaje de cuantía requerido en
las vigas del sistema de aislación de la superestructura Nv+/-0.00
Las secciones y el armado de los elementos estructurales en el Nv+/-0.00
sobre los aisladores como son la losa de piso, las vigas y apoyos, se
mostraran en los planos que se adjuntaran en los anexos.
Además, no se puede olvidar el confinamiento de las vigas de acuerdo a la
NEC-11 en su capítulo 4 (Hormigón Armado sección 4.2.7) confinamiento
203
que la norma requiere con la finalidad de asegurar la ductilidad de los
elementos.
6.4.2 Diseño Cimentación
La cimentación será a base de zapatas, que soportarán los esfuerzos
transmitidos por los apoyos que están sobre los aisladores. La cimentación
o subestructura, en consideración de la principal función de transferir
adecuadamente las cargas de las edificaciones al subsuelo, debe ubicarse
y desplantarse sobre materiales que dispongan de características
geomecánicas suficientes para garantizar tanto la resistencia al corte así
como un idóneo desempeño de los asentamientos que se generen.
Fig. 6.29 Sistema de aislación sísmica LRB
El diseño de todo lo que esté por debajo de los aisladores debe cumplir con
dos requerimientos importantes: debe ser diseñado para resistir la fuerza
sísmica sin reducción y debe garantizar el acceso a los aisladores para su
inspección o mantenimiento.
La subestructura y las vigas que forman parte del sistema de aislación
deberían diseñarse sin reducir las fuerzas, con la finalidad de que sea la
204
superestructura la que entre en régimen inelástico si se excedieran las
aceleraciones asumidas.
Fig. 6.30 Sistema de aislación sísmica LRB
El diseño de las zapatas para los aisladores resulta sencillo cuando no
existe la posibilidad de que se presente tracción en los aisladores, ya que
sólo consiste de una carga vertical y un momento que sólo depende del
desplazamiento del sistema y que se genera por la excentricidad de la
carga y la fuerza cortante en el aislador. Para el diseño de la cimentación
se ha considerado la combinación máxima obtenida con la capacidad de
carga del aislador y el desplazamiento máximo creíble.
205
Fig. 6.31 Sistema de aislación sísmica LRB para Bloque E Hospital Regional
Docente Ambato
Al observar la figura 6.31adjunta, se verá que:
Los aisladores se ubican sobre podios que se dimensionan de acuerdo a la
plancha de anclaje de los aisladores, por lo que su diseño y armado de
flexo-compresión se basa a los requerimientos de la NEC-11 que estipula
en su capítulo 4 (Hormigón Armado sección 4.3).
La cimentación debe contar con un acceso necesario el cual debe
garantizar una altura prudente entre las vigas de conexión y la zapata, en
esta caso se estima necesario 1 metro más de altura el que garantiza que
se pueda apoyar el edificio directamente sobre la zapata con gatas y
reemplazar el aislador si fuese necesario. Todas las zapatas se han
diseñado para la misma fuerza vertical de 589.06 toneladas, se estima que
se puede tomar el 50% de la carga ya que el otro 50% será absorbido por
el apoyo superior, pero para efectos de prediseño y ver el comportamiento
que se espera consideramos el 100% de la carga máxima.
206
Esto resulta en un diseño muy conservador por el incremento que se
considera en las estimaciones de secciones, pero lo que si estamos
asegurando es que el sistema cree un conjunto de protección sísmica
idóneo al edificio. Se han considerado zapatas excéntricas, dado que el
edificio forma parte de un complejo hospitalario muy importante de la
región.
Fig. 6.32 Nivelación plancha de anclaje previo al hormigonado del apoyo del
aislador LRB
207
CAPÍTULO VII
7. ESTUDIO COMPARATIVO DE COSTOS DEL EDIFICIO
7.1 Antecedentes Generales
Bajo un estudio preliminar del comportamiento que tiene el sistema de
protección sísmica en edificaciones, se puede hablar de un entorno físico y
mecánico de las cualidades que el sistema ofrece a las edificaciones
importantes de nuestro medio, ahora en consecuencia de esos beneficios
que el sistema ofrece nos adentramos a ver en este capítulo las ventajas y
desventajas que ofrece en el aspecto económico donde existe ya un
mercado amplio que ofrece mucho para las nuevas tendencias en
construcción sobre todo en países de alto riesgo sísmico, en los cuales
nuestro país Ecuador no puede quedar desmerecido puesto que nuestra
región muestra que tiene un alto porcentaje de vulnerabilidad a estas
eventualidades.
Sin duda se tiene presente el objetivo de estudio que el proyecto quiere
alcanzar y que menciona en su primer capítulo donde se pondrá en
comparación el comportamiento estructural y costos, ante la
implementación de aisladores sísmicos a la cimentación del edificio
diseñado en acero o estructura metálica versus un edificio tradicional.
7.2 Estimación de Costos Totales del Edificio en Estructura Metálica
vs. Edificio en Estructura Metálica Aislado
Los costos directos e indirectos de la protección sísmica dependen del
sistema que se instale, de las características y requisitos del proyecto, y de
los costos de los servicios que puedan verse afectados por los sistemas de
protección símica, entre otros factores. Son muchas las variables a
considerar y deben ser estudiadas para cada proyecto en particular.
En sí, ninguna normativa vigente está orientada a reducir los costos
iniciales de las estructuras con sistemas de protección sísmica, aunque
208
especialmente en el caso de aislamiento sísmico es posible generar algún
grado de aligeramiento de la estructura sismo resistente. De todas formas,
el objetivo principal de los dispositivos de protección sísmica es mejorar la
respuesta y seguridad sísmica de las estructuras.
En general la inversión inicial en una estructura con sistemas de protección
sísmica suele ser mayor que una estructura convencional. No obstante, la
reducción de la probabilidad de daño estructural y no estructural durante un
evento sísmico severo durante la vida útil de la estructura compensa la
inversión inicial.
Los sismos producen anualmente daños económicos y sociales inmensos
en diferentes regiones del planeta. Los técnicos en el área han tratado de
encontrar una solución mediante la implementación de sistemas reductores
de fuerzas sísmicas, que busca disminuir los daños provocados por
eventos sísmicos.
A continuación se presenta una serie de costos que deben ser
considerados al evaluar económicamente la instalación de aisladores
sísmicos. Cabe recalcar nuevamente lo que ya se mencionó en el primer
capítulo donde se considera que estos aspectos varían dependiendo del
tipo de aislación que se instale y las características de cada proyecto.
Costos de mantención e inspección.
Costo de proveer un espacio físico adicional para la instalación de
los aisladores.
- Costo de los dispositivos.
- Costos del proyecto de aislación.
- Costos de fabricación y ensayo de prototipos y aisladores de obra.
- Costos de instalación.
- Costos directos como anclajes y gastos generales por aumento de plazos.
- Costo de protección al fuego de los dispositivos en caso que se requiera.
209
- Costo del sistema de conectores flexibles en las instalaciones y juntas de
dilatación.
- Costo del diafragma (losa de piso Nv+/-0.00) adicional requerido por sobre
el nivel de aislación y columnas de gran dimensión o envigados por debajo
del sistema de aislación.
- Costos de la superestructura y subestructuras requeridas para alcanzar
objetivos de desempeño compatibles con los provistos por el sistema de
aislación.
Otro punto de igual importancia, como se dijo anteriormente, es que se
siguen diseñando las estructuras aisladas en la mayoría de los países sin
considerar la disminución real de los esfuerzos sobre la superestructura,
incluso se opta por un diseño convencional para ésta, pero se espera que
con el tiempo se termine con esta práctica.
Los parámetros que se deben considerar al evaluar el costo global al
edificar una estructura aislada sísmicamente son de diversa gama, muchos
de ellos difíciles de evaluar debido a sus características poco tangibles.
En resumen por mencionar la variación en el diseño de los elementos
estructurales entre el diseño convencional y el diseño con aislación sísmica,
costos directos e indirectos propios del sistema aislante ( aisladores,
pedestales de apoyo, sistemas de conexión, costos de reparación por
daños estructurales después de un movimiento sísmico, daños psicológicos
y físicos en los residentes de la estructura, daños materiales en el contenido
de ésta, prolongación de la vida útil del edificio aislado, tipo y función de la
edificación, etc.).Los costos tanto para un edificio aislado como uno fijo se
desglosan en costos directos e indirectos.
7.2.1 Estimación de Costos Directos
Los costos directos, son aquellos que se deben a las erogaciones que se
hacen por: materiales, mano de obra, equipos y herramientas para realizar
210
un trabajo. Generalmente las estructuras aisladas tienen un costo directo
más alto que las estructuras fijas, aproximadamente entre un 1% y un 10%
más del costo directo de las de base fija, dependiendo esto del dispositivo
utilizado y del tipo de edificación ya sea esta vivienda social, pública,
comercial, etc.
Sin embargo, se debe mencionar que en algunos casos, aunque menos
frecuentes, el costo directo al edificar una estructura aislada puede ser de
alrededor de un 5% más barato que su par fijo. Algunos países como China
han evolucionado en cuanto a la disminución de los costos directos, esto
debido principalmente al hecho de diseñar las estructuras aisladas con los
verdaderos esfuerzos que actúan sobre ella.
De manera objetiva se podrá citar los costos más redundantes de la parte
estructural de la obra que conforma la subestructura del edificio
considerando así:
1. Costos directos de la cimentación del edificio tanto para estructura
aislada como para la fija.
2. Costos del sistema aislante (aisladores, pedestales de apoyo, instalación
de redes flexibles, instalación del sistema aislante, etc.), sólo para
estructura aislada.
De acuerdo a los objetivos planteados se ha realizado una estimación
volumétrica de obra de la parte estructural de la cimentación del edifico con
lo cual se podrá hacer un comparativo de costos entre el edificio original y
la estructura aislada, la estimación de costos esta referenciada al boletín
técnico de la Cámara de la Industria de la Construcción de Quito.
211
Tabla 7.1 Comparación de costos según volúmenes de obra entre estructura
original y asilada
COSTOS DIRECTOS
INSTITUCIÓN:
UNIVERSIDAD CENTRAL
DEL ECUADOR ESC. INGENIERÍA CIVIL
ELABORADO: ANRANGO CAÑAREJO MARCO RAMIRO
PROYECTO: CIMENTACIÓN - HOSPITAL
REGIONAL DOCENTE
AMBATO BLOQUE E
FECHA: 27/08/2014
UBICACIÓN: CIUDAD AMBATO
CÓD. DESCRIPCIÓN UNID. CANTIDAD
P. UNIT. P. FINAL
CONV. AISL. CONV. AISLADO
MOVIMIENTO DE TIERRAS
1.1 Limpieza y desbroce m2 1221.45 1221.45 1.02 1245.88 1245.88
1.2 Replanteo y nivelación con equipo topográfico
m2 1221.45 1221.45 1.91 2332.97 2332.97
1.3 Desbanque manual m3 38.40 8.56 328.70 0.00
1.4 Excavación manual en cimientos y
plintos m3 34.52 8.56 295.49 0.00
1.5 Excavación, H=3 a 4m. A máquina (excavadora)
m3 960.00 4885.80 5.00 4800.00 24429.00
1.6 Relleno compactado con suelo natural m3 430.94 4500.02 7.30 3145.86 32850.18
1.7 Desalojo a máquina. Equipo: Cargadora frontal y volqueta
m3 494.54 385.78 6.28 3105.71 2422.67
ESTRUCTURA
2.1 Replantillo H.S.140kg/cm2. Equipo:
Concretera 1 saco m3 46.76 36.50 100.06 4678.81 3652.19
2.2 Hormigón ciclópeo 60%H:S: y 40% piedra f'c=210kg/cm2
m3 0.00 0.00 0.00
2.3 Plinto de hormigón simple f'c=210kg/cm2
m3 328.54 365.04 118.07 38790.25 43100.27
2.4 Hormigón simple cadenas
f'c=210kg/cm2 (incluye encofrados) m3 34.16 242.96 8299.03 0.00
2.5 Hormigón simple columnas/podios f'c=210kg/cm2 (incluye encofrados)
m3 16.22 76.03 187.60 3043.62 14263.60
2.6 Hormigón en vigas f'c=210kg/cm2
(incluye encofrado) m3 124.49 237.35 0.00 29547.70
2.7 Hormigón en losa 20cm f'c=210kg/cm2 (incluye encofrado)
m3 82.73 311.20 0.00 25744.95
2.8 Bloque de alivianamiento 15*20*40*cm timbrado + estibaje
u 5964.00 0.73 0.00 4353.72
2.9 Acero de refuerzo fy=4200kg/cm2 (con alambre galv. N°18)
kg 31586.32 118998.30 1.80 56855.38 214196.94
SISTEMA DE PROTECCIÓN SÍSMICA
3.1 Aislador LRB φ=95cm (D.I.S) u 24.00 7500.00 180000.00
COSTO DIRECTO TOTAL: 126921.69 578140.08
212
Este proyecto tomara en cuenta la parte estructural de la cimentación o
subestructura para el diseño de zapatas, además de lo añadido se tomara
la losa aligerada que se asignó como diafragma rígido en el primer piso en
conjunto con el diseño de las vigas portantes de la misma. Así, se elabora
la siguiente tabla resumen:
Tabla 7.2 Comparación de volúmenes de obra entre estructura original y asilada
ELEMENTOS HORMIGÓN 210(M3) ACERO (kg)
ORIGINAL AISLADA ORIGINAL AISLADA
Cimentación (zapatas) 328.54 365.04 21527.48 16145.61
Col. Plinto 16.22 4769.90
Cadenas 34.16 5288.94
Contrapiso 98.33
Podios aislación 76.03 25841.09
Losa y vigas de aislación 207.22 77011.60
Suma Total 477.24 648.29 31586.32 118998.30
Incremento (%) 35.84 276.74
De la tabla 7.2 se pueden establecer las siguientes comparaciones:
El volumen de hormigón de resistencia característica de 210 kg/cm2se
aumenta en un 35.84%. Así, se observa que el aumento en el acero es
considerable en un 276.74%, que por el hecho implica tener una
subestructura más costosa que la cimentación del edificio original. Este es
un costo directo de los materiales, sin embargo, también se debe
mencionar que el sistema de aislación es un piso adicional, lo que
incrementa el costo de la mano de obra y el tiempo de construcción. Luego,
se debe agregar el costo de los aisladores que se estima según la figura
7.1 la que muestra sus costos entre los 5 mil a los 60 mil dólares según los
tamaños. El costo en Chile donde ya se han introducido al mercado, es
aproximadamente de 7500 dólares por aislador ó 180000 dólares por todo
el sistema de aisladores.
213
Fig. 7.1 Estimación de costos para los aisladores según su tamaño
Dada la comparación realizada para el caso la cimentación propuesta en la
tabla 7.1 se puede evidenciar que el sistema de protección sísmica a una
edificación incrementa sus costos directos en un gran porcentaje,
estimación que muestra un incremento de precios del 400%. Lo que
demuestra que la cimentación de una estructura convencional es 4 veces
menor de lo que podría llegar a costar una cimentación aislada. A demás
se puede apreciar el alto costo de cada uno de los elementos que
conforman el sistema de protección sísmica, valor que bordea el 30% del
presupuesto total estimado en los precios directos.
7.2.2 Estimación de Costos Indirectos
Por otro lado, también se deben notar los puntos a favor del uso de
aisladores y si bien esta tesis no contempla el análisis de costos a largo
plazo, especialmente por lo difícil que es cuantificar muchos de ellos, se
tiene que mencionar que durante la vida útil del edificio ocurrirán sismos
frecuentes y quizás sismos importantes. Sin duda al tratarse de una
estructura esencial, deberían analizarse los costos que se podrían
producirse si en el peor de los casos la estructura dejara de funcionar, estos
costos no se los podría cuantificar si se la observa desde una perspectiva
social.
214
También se pueden mencionar costos como aseguramiento de la
estructura y de sus componentes que también se dañarán durante un
sismo; edificaciones que alberguen equipos costosos (servidores de bases
de datos, equipos médicos, maquinaría industrial de precisión, etc.), se
verán más beneficiadas por la aislación.
A diferencia de los costos directos, todos estos últimos son costos
probables; pero deberán tenerse en cuenta al realizar un análisis
exhaustivo de las ventajas económicas de utilizar un sistema de aislación.
Por otro lado, no hay comparación alguna entre los costos indirectos de una
estructura aislada con una estructura de base fija, ya que una estructura
aislada disminuye notoriamente sus respuestas frente a una excitación
sísmica, como ser aceleraciones sobre la superestructura,
desplazamientos relativos entre pisos, esfuerzos, etc., lo que implica que
no tendrá daños cuando se vea afectada por un sismo de gran intensidad,
tendrá una vida útil mucho mayor, los contenidos y las personas no sufrirán
daño debido a la notable disminución de las aceleraciones, por lo que todo
esto hace de la aislación sísmica una alternativa extremadamente
ventajosa en el diseño sismo resistente de estructuras.
De lo acotado anteriormente se puede estipular que existen estudios que
avalan el aumento de los porcentajes económicos en una estructura aislada
sobre la convencional, puesto que los daños sufridos en porcentajes de la
estructura convencional aumentarían en aproximadamente un 17% y en la
estructura aislada en 3%, para ello a continuación se hace referencia a los
daños que puede estar expuesta la estructura de base fija:
1. Reparación del edificio por sufrir daños estructurales y no estructurales
luego de un sismo.
2. Daños y pérdidas en el contenido del edificio.
215
3. Devaluación del edificio por el hecho de haber sufrido daño frente a un
sismo.
4. Daños emocionales y físicos en las personas que ocupaban el edificio
durante un sismo.
Dado nuestro caso de análisis lo importante es destacar que el campo de
referencia es la parte estructural de la cimentación del sistema de aislación
por lo cual no hay mucho que cuantificar dentro del rango de daños
estructurales como ocurre en la superestructura, dado que ahí sí se pueden
cuantificar los costos indirectos por los efectos causados en los que
involucran parámetros representativos y cuantificables como son: los
costos por daño y reparación de la estructura, los costos y pérdidas en los
contenidos del edificio y el lucro cesante, para dicho fin se utiliza una curva
de vulnerabilidad o fragilidad.
Es importante conocer cómo se maneja la interpretación de resultados de
las curvas de fragilidad las que hacen referencia al porcentaje de daños
que la estructura puede sufrir después de una eventualidad sísmica.
Para la realización de estudios de vulnerabilidad sísmica es necesario tener
las curvas de fragilidad, para la cual existen varias formas de obtenerlas,
las mismas que se indican a continuación:
1) Mediante observaciones de campo, luego de haberse registrado un
sismo.
2) De forma experimental en un laboratorio
3) En forma analítica mediante simulación y.
4) Métodos basados en la opinión de expertos.
216
Las curvas de fragilidad dan una idea muy clara del comportamiento de una
estructura ante una acción sísmica, representa la probabilidad de que la
respuesta exceda una determinada distorsión de piso.
Ghobarat et al (1997) define cinco niveles de desempeño, en función de la
deriva máxima de piso o distorsión máxima de piso ال, los mismos que se
indican en la tabla 7.3, esta clasificación es muy útil para utilizar en los
casos de estudio por lo que además indica de forma general el nivel de
daño en cada clasificación y desempeño24.
Tabla 7.3 Niveles de daño propuestos por Ghobarah et al (1997)
Distorsión de Piso Daño Descripción del Daño Desempeño
Sin daño Sin daño Sin daño 0.002>ال
Leve Grietas ligeramente visibles Agrietamiento 0.005>ال≥0..0.
Moderado Grietas menores de 1mm Fluencia del acero 0.011>ال≥0..0.
Extensivo Grietas entre 1 y 2mm Inicio de mecanismo 0.023>ال≥0.00.
Completo Grietas mayores a 2mm Mecanismo global 0.023≤ال
Cabe acotar también que la Agencia Federal para el Manejo de
Emergencias (FEMA) por sus siglas en inglés, publico en 1999 el programa
HAZUS que proviene de Hazards U.S. en que indica una metodología para
la estimación de las perdidas por sismos y más que eso presenta
información muy práctica, la misma que puede ser utilizada en la evaluación
de la vulnerabilidad sísmica de una ciudad en forma bastante rápida.
Entre la información, se tienen las curvas de fragilidad que Hazus 99,
presenta estas curvas para cuatro niveles de diseño denominados: pre-
norma, bajo, moderado y alto; para cada uno de estos niveles de diseño,
se tiene un límite de la deriva máxima de piso ال, los mismos que se indican
en la tabla 7.4 y 7.5 para los cuatro niveles de daño, denominados: leve,
moderado, extensivo y completo.
24 Monografías de Ingeniería Sísmica. Evaluación rápida de la deriva máxima de piso para calcular la vulnerabilidad sísmica de estructuras. Roberto Aguiar F. CEINCI. ESPE
217
Tabla 7.4 Valores deالen el umbral del nivel de daño para estructuras C1L
Niveles de daño Niveles de diseño
Pre-norma Bajo Moderado Alto
Leve 0.0040 0.0050 0.0050 0.0050
Moderado 0.0064 0.0080 0.0087 0.0100
Extensivo 0.0160 0.0020 0.0233 0.0300
Completo 0.0400 0.0500 0.0600 0.0800
Tabla 7.5 Valores deالen el umbral del nivel de daño para estructuras C1M
Niveles de daño Niveles de diseño
Pre-norma Bajo Moderado Alto
Leve 0.0027 0.0033 0.0033 0.0033
Moderado 0.0043 0.0053 0.0058 0.0067
Extensivo 0.0107 0.0133 0.0156 0.0200
Completo 0.0267 0.0333 0.0400 0.0533
Los valores de las derivas máximas de piso, en el umbral del nivel de daño
indicadas en las tablas 7.4 y 7.5 corresponden a estructuras de hormigón
armado, sin muros de corte, de 1 a 3 pisos y de 4 a 7 pisos, respectivamente
que Hazus 99 las denomina C1L y C1M.
Consecuentemente de forma resumida y de acuerdo a los resultados
obtenidos en las derivas del edificio tradicional de base fija donde se tiene
las mayores derivas, hacemos una comparación a breves rasgos de donde
podemos apreciar que los daños en la estructura serán leves y/o
moderados, demostrando que los diseños de los edificio tradicional de base
fija como el edificio aislado son óptimos y que no sufrirán daños
consecuentes después de ocurrido un sismo severo.
218
CAPITULO VIII
8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
La aislación sísmica de edificaciones en nuestro País resulta
beneficiosa, debido a que la geografía misma nos ubica en un sector de
alta peligrosidad sísmica donde las frecuencias predominantes de los
sismos podrían llegar a ser altas, lo que implica que su utilidad
sobretodo en edificaciones de gran importancia entre ellos los
hospitales, brinden un buen funcionamiento de la estructura antes,
durante y después de ocurrido un evento sísmico lo cual también
ahorraría gastos de reparación de equipos y herramientas de uso propio
de un hospital.
El objetivo de un diseño con aislación, es que el edificio no resulte
dañado durante un sismo severo. Esto puede representar un costo
directo adicional, dado que la reducción de las fuerzas en la
superestructura no compensa el incremento de los costos de la
cimentación y el sistema de aislación en sí. Sin embargo, el incremento
de los costos no es sustancial y podría ser despreciable si la obra es de
gran envergadura.
El aislamiento basal es una técnica de diseño sismo resistente que
consiste en introducir un elemento de apoyo de alta flexibilidad o baja
resistencia que independiza a la estructura del movimiento que se
propaga por el suelo donde ésta se asienta. Esta técnica constituye uno
de los procedimientos de diseño sismo resistente más promisorio como
ha quedado demostrado por vastas investigaciones en la última década
y por el buen comportamiento de estructuras aisladas sísmicamente
durante recientes terremotos en el mundo y sobre todo en nuestro país
vecino Chile.
219
A las técnicas de aislamiento sísmico o protección sísmica, se puede
agregar que no tan solo pueden ser utilizadas en estructuras nuevas,
sino también para el mejoramiento o rehabilitación de estructuras ya
existentes. Además ambas técnicas de diseño sismo resistente reducen
de manera muy satisfactoria la respuesta horizontal frente a
solicitaciones sísmicas, no así la respuesta frente a solicitaciones
provocadas por el viento, motivo por el cual estos sistemas se utilizan
principalmente en estructuras pequeñas y medianas.
Los beneficios que se consiguen con la implementación de un sistema
aislante en la base son: una reducción de las aceleraciones en el edificio
a aproximadamente la tercera parte, con la consiguiente reducción de
los esfuerzos sobre la estructura. La reducción es aún más importante
en los momentos volcantes en los pisos bajos, pues la distribución de
aceleraciones con la altura resulta casi uniforme, en vez de aumentar
éstas con la altura, como sucede en un edificio sin aislación.
Los inconvenientes más importantes que se presentan son: los grandes
desplazamientos a nivel basal, que obligan a desarrollar detalles
especiales para la conexión de las instalaciones eléctricas, de agua
potable, alcantarillado y gas, los accesos y las escaleras, la necesidad
de poder cambiar aisladores durante la vida útil del edificio para
someterlos a prueba.
Chile es un claro indicativo de cómo funcionan los aspectos económicos
ante un cambio o implementación de sistema de protección sísmica en
una edificación de base fija, generalmente las estructuras aisladas
tienen un costo directo entre un 1% y un 10% más del costo directo de
las de base fija. Sin embargo, no hay comparación en la disminución del
costo indirecto en una estructura aislada debido principalmente a que
ésta no sufrirá daños cuando sea sometida a un sismo de gran
intensidad, evitándose así los costos de reparación y/o costo total de la
estructura fija si ésta ha colapsado.
220
Actualmente existen numerosas aplicaciones de sistemas de
aislamiento de base con apoyos elastoméricos en varios países tales
como Japón, Estados Unidos, Nueva Zelanda, Italia y en varios países
latinoamericanos como Brasil, Chile y Colombia. En el Ecuador no se
cuenta aún con ninguna estructura con aislamiento sísmico de base, sin
embargo la construcción del puente Bahía de Caráquez-San Vicente,
en el cual se implementaron aisladores de base del tipo FPS, sienta un
precedente importante en la Ingeniería Sísmica del país, lo que nos
hace pensar que un futuro cercano en nuestro país ya se pueda tener
edificaciones con este sistema de protección bajo un amplio
conocimiento del comportamiento de estos sistemas en las
edificaciones de nuestros países vecinos.
Los beneficios de la implementación de sistemas de aislación sísmica
en un mundo globalizado son ahora una alternativa muy eficiente para
contrarrestar los daños que causan los desastres naturales, donde la
implementación de sistemas de protección en edificaciones de
importancia han llegado a ser investigados para comparar el
rendimiento del aislador de base instalado en una edificación
convencional de estructura metálica aporticada y otra de base fija. Con
esta inclusión de dispositivos de aislación de base, se busca dar
seguridad a una estructura cuya finalidad es salvaguardar la integridad
de sus ocupantes ante un evento sísmico.
En contraste con la filosofía de diseño convencional, las estructuras con
aislamiento de base vibran como un cuerpo rígido, con grandes
deformaciones de desplazamiento que son soportadas por los
aisladores. En una estructura sin aislamiento de base, se ve como la
aceleración del suelo es transmitida en gran medida a la
superestructura, lo que opuestamente ocurre en una estructura aislada
son que las fuerzas laterales no solamente que se han reducido en
magnitud, sino que se han redistribuido sobre los pisos, mitigando el
momento que tiende a volcar la estructura.
221
Un aspecto muy importante a considerar son los costos a largo plazo,
especialmente en proyectos de inversión para la sociedad, por lo que
se puede afirmar que las edificaciones más beneficiadas serán edificios
de vital importancia durante emergencias (hospitales, estaciones de
bomberos, cuarteles de policía, posibles refugios, etc.) y de contenido
valioso o peligroso (museos, almacenes industriales, etc.). Por ende se
puede convencer a aquellos usuarios que valoren la seguridad propia o
de su inversión: como oficinas de corporaciones o viviendas de lujo, que
el costo adicional es justificable. En un futuro, se espera que los
sistemas de aislación sísmica y otras alternativas que eleven el factor
de seguridad de las estructuras se conviertan en un estándar. Dadas
las circunstancias finales en la construcción de un hospital en este caso,
si bien existe un costo directo adicional, éste es porcentualmente
mediano y resulta en un beneficio a largo plazo.
Los aisladores de base se basan en el concepto de la reducción de la
demanda sísmica donde estos sistemas tienen como finalidad aislar la
cimentación de la superestructura. Al colocarlos se alarga
considerablemente el período fundamental de vibración de la estructura
llevándolo a zonas en donde las aceleraciones espectrales son
reducidas y, consecuentemente, las fuerzas que producen resultan de
menor cuantía. Como la frecuencia disminuye, las aceleraciones
introducidas disminuyen al igual que los efectos dañinos del movimiento
del suelo en la estructura. El mayor beneficio se encuentra en
estructuras con períodos del orden de un segundo o un poco menor, o
edificios con ciertas características en donde se acentúa la torsión.
De acuerdo con las observaciones realizadas a partir del análisis del
edificio aislado, se concluye que tanto la altura como la esbeltez de la
edificación son parámetros limitantes para el aislamiento eficiente de
una estructura. La esbeltez y la altura están directamente vinculadas
con la capacidad de carga de los aisladores elastoméricos, que es el
factor que controla la eficiencia del diseño en estos casos. Asimismo, el
222
periodo natural de la superestructura es un indicador de la eficiencia
posible en la aislación. Un periodo muy alto impide conseguir una
diferenciación con el periodo del conjunto aislado, de forma que resulta
difícil concentrar los desplazamientos en la interfase de aislación. Una
forma sencilla de determinar si la aislación de una estructura es
recomendable, es verificar que la máxima esbeltez sea menor a 1.5, la
altura del edificio menor a 35 metros u 8 pisos, exista la posibilidad de
colocar una junta sísmica de aproximadamente 50 cm y un periodo
natural menor a un décimo del número de pisos.
Es preferible utilizar aisladores de mayor área transversal, debido a que
estos son más eficientes: para obtener una capacidad de carga dada,
con una misma altura de aislador, será más eficiente, es decir, se
logrará una menor rigidez lateral y por ende una mayor reducción de la
fuerza sísmica, al utilizar un aislador de mayor diámetro que varios de
diámetro menor de forma similar, es recomendable utilizar un menor
número de aisladores y de características similares, es por eso que en
este estudio de ocupo un solo tipo de aislador para permitirnos así
reducir la incertidumbre del comportamiento.
Se ha concluido que el espectro de la Norma no está optimizado para
periodos mayores a 2 segundos, como es el caso de las estructuras
aisladas. Así, se recomienda hacer uso de un análisis tiempo historia
considerando la máxima fuerza resultante de tres acelerogramas
representativos como lo sugiere la Norma Ecuatoriana de la
Construcción NEC-11.
Se concluye que el procedimiento de diseño de los aisladores y de la
estructura no es un análisis complicado, pero puede resultar tedioso al
ser iterativo. El diseño estructural es el mismo que para una edificación
convencional, con la salvedad que se debe prestar más atención a los
efectos P-Δ para el diseño de las columnas del primer piso, las vigas de
223
la interfase de aislación y la cimentación, debido a que el mayor
desplazamiento incrementa la importancia de este efecto.
Con respecto al costo directo de los dispositivos es necesario agregar
que en el futuro deberán disminuir, esto principalmente por el hecho de
diseñar las estructuras aisladas con los verdaderos esfuerzos que
actúan sobre ella, lo que permitirá reducir el costo directo de la
edificación. Además, si los aisladores se construyeran en gran cantidad,
habría también un abaratamiento importante, pues las matrices se
podrían amortizar en un mayor número de usos.
Por otro lado, en Ecuador, todavía no se cuenta con ningún tipo de
norma o regulación sobre aislación sísmica (excepto por las
recomendaciones que la NEC-11 menciona en su capítulo 2.10), hecho
que provoca un estancamiento en el desarrollo de ésta área de la
ingeniería estructural, pues para fomentar el uso de aisladores se debe
comenzar por desarrollar recomendaciones y normas de diseño; que en
el caso de nuestro país éstas deberían ser prácticas y dar un nivel de
seguridad satisfactorio tomando en cuenta la sismicidad regional.
Es necesario mencionar que más allá de los objetivos explícitos de la
presente Memoria, su real importancia es de motivar a las autoridades,
docentes y estudiantes afines a la materia puedan continuar
investigando sobre el diseño sismo resistente mediante sistemas de
control de vibraciones, con el objeto de abrir una senda hacia el
desarrollo de estos sistemas en nuestro país. Se espera además, que
la presente Memoria se transforme en el punto de referencia para
cualquier tipo de investigación sobre ésta alternativa factible de diseño
sismo resistente.
224
Dentro de la gama de aisladores elastoméricos sin duda el aislador LRB
por la incorporación de un núcleo de plomo nos permite llegar a niveles
de amortiguamiento mayores (20% a40%), el núcleo de plomo cumple
dos funciones principales. La primera es la de aumentar el
amortiguamiento del aislador, pues el plomo puede fluir bajo
deformación lateral, y la segunda, es la de proveer mayor rigidez lateral
a la estructura, tanto para cargas de servicio como para cargas
eventuales como por ejemplo las provenientes de viento. En conclusión
al incorporar al aislador un núcleo de plomo, se tiene un elemento que
combina en una unidad física un elemento flexible y un disipador de
energía.
Un aspecto muy relevante que hay que considerar al momento de ver si
puede aplicar el sistema de aislación a una estructura, es tener claro
que la conveniencia de usar aisladores de base depende de las formas
de los espectros. Pero no solamente la forma del espectro determina la
aplicabilidad del aislamiento sísmico. Este sistema tiene mayor
efectividad en estructuras asentadas en suelos rígidos, y que tengan
periodos fundamentales bajos. Por otra parte, no es efectivo en
estructuras asentadas en suelos blandos y con periodos fundamentales
altos.
En el caso de estructuras críticas, esenciales, y/o peligrosas con
contenidos de gran valor, tales como hospitales, colegios, edificios
públicos e industriales, museos, puertos, puentes y aeropuertos, entre
otros, el objetivo de desempeño de la normativa de la FEMA de prevenir
el colapso estructural no es suficiente, ya que se requiere proteger los
contenidos y/o que la estructura continúe operando durante o
inmediatamente después de ocurrido un sismo severo. En algunos
casos, puede ser un requerimiento del propietario o inversionista
alcanzar objetivos de desempeño superiores al de la normativa, tales
como protección de la inversión y/o protección de la operación.
225
Debemos tener presente que vivimos en un país sísmico, quizás dentro
de los más propensos a recibir una actividad telúrica, y no podemos
abstraernos de las posibilidades que nos presentan los sistemas de
protección sísmica que son abordados en este documento. Es nuestra
responsabilidad prepararnos para enfrentar el futuro y los próximos
eventos de forma adecuada y, asimismo, como profesionales de la
construcción, tener presente las nuevas demandas del mercado, que
indican que los sistemas de protección sísmica tendrán cada día un rol
más protagónico dentro de la industria.
226
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