TESIS.docx

UNIVERSIDAD PERUANA LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

TESIS

DR. MAGNO BALDEON ANÁLISIS Y DISEÑO DE

TOVAR

ESTRUCTURAS DE CONCRETO ARMADO CON AISLADORES SÍSMICOS Y DISIPADORES DE PRESENTADO POR: Bach. ROY PERCY MENDOZA CALLUPE

PARA OPTAR EL TITULO PROFESIONAL DE INGENIERO CIVIL HUANCAYO – PERÚ 2015

HOJA DE CONFORMIDAD DE JURADOS 1

________________________ PRESIDENTE

________________________ JURADO

DR. MAGNO BALDEÓN TOVAR

__________________________ JURADO

________________________ JURADO

________________________ SECRETARIO DOCENTE

2

ASESOR: MOHAMED MEDHI HADI MOHAMED

DR. MAGNO BALDEÓN TOVAR

3

DR. MAGNO BALDEÓN DEDICATORIA

TOVAR

A mis padres Francisca y Luciano, por su apoyo

incondicional

profesional.

4

en

mi

formación

ÍNDICE

UNIVERSIDAD PERUANA LOS ANDES INTRODUCCIÓN

I VII

RESUMEN

IX

CAPÍTULO I

10

ASPECTOS GENERALES DE LA INVESTIGACIÓN

10

1.1. TÍTULO DE LA TESIS

10

1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

10

DR. MAGNO BALDEÓN 1.3 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 11 1.3.1. Problema General 11 1.3.2. Problemas Específicos 11

TOVAR

1.4. OBJETIVOS 12 1.4.1. General 12 1.4.2. Específicos 12 1.5. JUSTIFICACIÓN 12 1.6. HIPÓTESIS 1.6.1. General 1.6.2. Específicos

13 13 13

1.7 VARIABLES 14 1.7.1. Variables Independientes 14 1.7.2. Variables Dependientes 14 1.8. METODOLOGÍA DE ESTUDIO 14 1.8.1. Tipo De Investigación 14

5

1.8.2. Diseño De La Investigación 15 1.8.3. Población Y Muestra 1.8.4. Fuentes De Obtención De Información 17 1.8.5. Procesamiento De La Información 17

CAPITULO II 31 MARCO TEÓRICO 31 2.1. ANTECEDENTES 31 2.1.1 Antecedentes Nacionales: 31 2.2.1 Antecedentes Internacionales: 36

DR. MAGNO BALDEÓN 2.2. BASES TEÓRICAS: 45 2.2.1 Sistemas De Protección Sísmica En Las Estructuras 45 2.2.2. Experiencia Nacional E Internacional 47 2.2.3. Aislación Sísmica 49 2.2.4 Disipación De Energía 49 2.2.5 Sistemas De Protección Sísmica. 50

TOVAR

2.3. DEFINICIÓN DE CONCEPTOS CLAVES: 54 2.3.1 Disipadores Metálicos 54 2.3.2 Disipadores Friccionales 54 2.3.3 Disipadores Fluido-Viscosos 54 2.3.4 Disipadores Viscoelásticos Sólidos 55 2.3.5 Aisladores Elastoméricos De Bajo Amortiguamiento (LDRB) 55 2.3.6 Aisladores Elastoméricos Con Núcleo De Plomo (LRB) 55 2.3.7 Aisladores Elastoméricos De Alto Amortiguamiento (HDRB) 56

6

16

2.3.8

Apoyos Deslizantes Planos 56

2.3.9

Péndulos Friccionales (FPS, Friction Pendulum System): 56

DR. MAGNO BALDEÓN TOVAR

7

INTRODUCCIÓN Los terremotos producen una vibración en el suelo que afecta a la cimentación, desplazándola vertical y horizontalmente mientras el edificio, por inercia, intenta permanecer en el mismo lugar. El movimiento vertical se contrarresta con el propio peso del edificio (más o menos y simplificando un poco), pero el horizontal genera acciones sobre él que pueden ser mucho más importantes.

DR. MAGNO BALDEÓN

La respuesta del edificio ante el sismo dependerá de algunos factores; la intensidad del terremoto, su situación: no es lo mismo un edificio aislado que situado entre edificios de la misma altura o de diferentes alturas, el tipo de suelo: sus características geológicas, si

TOVAR

es un suelo blando o resistente, el relieve... Las características del edificio: su geometría, el tipo de estructura, los materiales utilizados en su construcción. Mientras más sencilla sea la forma del edificio en planta y en alzado más estable será su comportamiento. Los edificios más esbeltos también pueden resultar más afectados, para contrarrestarlo deben ser muy flexibles En cuanto a las estructuras, las metálicas y de concreto armado (más ligeras y flexibles) responderán mejor ante un sismo que las de muros de carga. También hay que tener en cuenta la distribución de la rigidez en el edificio: si tenemos una planta baja diáfana y las plantas superiores muy compartimentadas, la planta baja se convertirá en un punto débil si no se ha considerado esta diferencia en el cálculo de la estructura. Por último, es importante que las fachadas, voladizos y elementos de acabado se construyan de manera que no supongan un peligro para los ocupantes del edificio en caso de terremoto, evitando que puedan caer y golpearlos. Las instalaciones, en cambio, deben separarse de los elementos estructurales. Sistemas de Aislación y Disipación Sísmica, son sistemas presentes entre la subestructura y la superestructura de edificios, puentes y también en algunos casos, en la

8

misma superestructura de edificios, que permiten mejorar la respuesta sísmica de ellos, aumentando los periodos y proporcionando amortiguamiento y absorción de energía adicional, reduciendo sus deformaciones según sea el caso. La aislación sísmica consiste en desacoplar la estructura de la sub-estructura por lo que se utilizan los dispositivos llamados aisladores que se ubican estratégicamente en partes específicas de la estructura, los cuales, en un evento sísmico, proveen a la estructura la suficiente flexibilidad para diferenciar la mayor cantidad posible el periodo natural de la estructura con el periodo natural del sismo, evitando que se produzca resonancia, lo cual podría provocar daños severos o el colapso de la estructura Por otra parte la disipación sísmica es una de las partes esenciales en la protección sísmica, los disipadores tienen como función, como su nombre lo expresa, disipar las

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acumulaciones de energía asegurándose que otros elementos de la estructuras no sean sobre exigidos, lo que podría provocar daños severos a la estructura. Las complejas respuestas dinámicas de la estructuras requiere de dispositivos adicionales para controlar

TOVAR

los desplazamientos horizontales. Espero de que la elaboración de la presente tesis constituya un aporte y una alternativa en el diseño de edificaciones.. Bach. JUAN CARLOS GARCIA PEREZ

9

RESUMEN La investigación parte de la problemática: ¿Cuál es la respuesta sísmica de una estructura de concreto armado diseñado con Aisladores Sísmicos y Disipadores de energía en la ciudad de Huancayo? El objetivo general consiste en: Determinar la respuesta sísmica una estructura de concreto armado diseñado

DR. MAGNO BALDEÓN

con Aisladores Sísmicos y Disipadores de energía en la ciudad de Huancayo. Respecto a la metodología, el tipo de investigación utilizado será la

TOVAR

aplicada, de nivel Explicativo y diseño: Muestra – Observación; de muestreo No Probabilístico. Como conclusiones del presente proyecto de investigación, se tiene que

la respuesta sísmica de una estructura de concreto armado diseñado con Aisladores Sísmicos y Disipadores de energía en la ciudad de Huancayo es óptima en comparación con otra de construcción tradicional o con una de las técnicas por separado. Palabras claves: Respuesta sísmica, aisladores sísmicos, y disipadores de energía.

Bach. ROY PERCY MENDOZA CALLUPE

10

CAPÍTULO I ASPECTOS GENERALES DE LA INVESTIGACIÓN 1.1. TÍTULO DE LA TESIS Análisis y diseño de estructuras de concreto armado con aisladores sísmicos y disipadores de energía en la ciudad de Huancayo

DR. MAGNO BALDEÓN 1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

El Perú, es uno de los países de mayor actividad sísmica en el mundo,

TOVAR

debido al proceso de subducción de la placa oceánica (Nazca) bajo la placa continental

(Sudamericana).

Este

proceso

genera

una

constante

acumulación de energía que se libera en forma de sismos. Estos movimientos sísmicos amenazan todo tipo de edificación, y en la búsqueda de brindar mayor seguridad a las edificaciones han surgido nuevos e innovadores sistemas de disipación de energía. En el Perú, se ha introducido recientemente algunos de estos sistemas, tales como: el sistema de Aislamiento Sísmico y el Sistema de Disipadores fluido viscoso. Estos sistemas no sólo son estrategias de diseño sino también de reforzamiento de edificaciones, permitiendo aumentar el nivel de desempeño de la edificación durante un sismo. Los costos asociados con el diseño, fabricación e instalación de estos dispositivos son compensados no tanto por minimizar la rigidez de la edificación sino porque se logran mejores desempeños; de esta manera se compensa la inversión. El Sistema De Aislamiento Sísmico es ampliamente usado en muchas partes del mundo, protege a la estructura de los efectos destructivos de un sismo, 11

reduciendo la respuesta de la superestructura, “aislando” la estructura de los movimientos del suelo y proporcionándole mayor amortiguamiento. El aislamiento hace que la estructura sea más flexible y la adición de amortiguamiento permite que la energía sísmica sea absorbida por el sistema de aisladores, reduciendo de esta forma la energía transferida a la estructura. Similar a la tecnología de aislamiento sísmico, la función básica de los disipadores de fluido viscoso cuando se incorporan a la estructura, es la de absorber o consumir una porción de la energía externa debido al sismo; reduciendo así la demanda de disipación de energía primaria en los

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elementos estructurales y la minimización de los daños estructurales posibles.

La experiencia nos indica que las estructuras no vibran indefinidamente una

TOVAR

vez que haya sido excitada por un movimiento. Esto se debe a la presencia de fuerzas de fricción o de amortiguamiento, las cuales siempre están siempre presentes en cualquier sistema en movimiento. Estas fuerzas disipan energía. La presencia inevitable de estas fuerzas de fricción constituye un mecanismo por el cual la energía mecánica del sistema, energía cinética o potencial se transforma en otros tipos de energía, como el calor. En el trabajo de investigación Villareal y Oviedo (2009) manifiestan, “Tres técnica 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 hibrido”. Por tanto es necesario determinar ¿Cuál es la respuesta sísmica de una estructura de concreto armado diseñado con Aisladores Sísmicos y Disipadores de energía en la ciudad de Huancayo?

1.3 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 12

1.3.1. Problema General ¿Cuál es la respuesta sísmica de una estructura de concreto armado diseñado con Aisladores Sísmicos y Disipadores de energía en la ciudad de Huancayo? 1.3.2. Problemas Específicos a) ¿Cuáles son los desplazamientos y distorsiones de una estructura de concreto armado diseñado con Aisladores Sísmicos y Disipadores de energía? b) ¿Cómo se presentan las formas de vibración espacial de una estructura de concreto armado diseñado con Aisladores

DR. MAGNO BALDEÓN Sísmicos y Disipadores de energía?

c) ¿Cuáles son los costos-beneficios de una estructura de concreto

TOVAR

armado diseñado con Aisladores Sísmicos y Disipadores de energía?

1.4. OBJETIVOS 1.4.1. General Determinar la respuesta sísmica una estructura de concreto armado diseñado con Aisladores Sísmicos y Disipadores de energía en la ciudad de Huancayo.

1.4.2. Específicos a) Identificar los máximos desplazamientos y distorsiones de un edificio de concreto armado diseñado con Disipadores de energía y Aisladores Sísmicos. b) Analizar las formas de vibración espacial un edificio de concreto armado diseñado con Disipadores de energía y Aisladores Sísmicos. 13

c) Explicar los costos-beneficios de edificio de concreto armado diseñado con Disipadores de energía y Aisladores Sísmicos. 1.5. JUSTIFICACIÓN El empleo de la metodología blanda de la dinámica de sistemas ayuda entre otros aspectos, establecer alternativas de solución de los desechos de manera sistémica (ver el todo, causas, efectos y consecuencias en el sistema en estudio) y contribuye a tomar estrategias más adecuadas para un manejo

adecuado

de

los

desechos

sólidos,

ayudando

a

que

el

comportamiento frente a este problema mencionado sea más eficiente por parte de los habitantes del distrito de Huancayo.

DR. MAGNO BALDEÓN

Ahora la identificación del factor más importante, como es educación ambiental que al implantar en los habitantes de Huancayo mediante charlas, seminarios, cursos y otros como normas, reglamentos, disposiciones,

TOVAR

ordenanzas permite el manejo adecuado de los desechos desde la generación hasta la disposición final y así mitigar la contaminación a los diferentes ecosistemas dañados por malas decisiones de gestiones anteriores. Además la generación de conciencia social a causa de la educación ambiental en el poblador huancaíno. El poblador será conciente sin necesidad de normas, reglas, ordenanzas o incentivos se logrará el mejor tratamiento de los residuos sólidos y así disminuir el recalentamiento local y personas enfermas por contaminación de desechos. Por ello la construcción de la metodología blanda de la dinámica de sistemas incluyendo los factores como educación ambiental y conciencia social son razones que justifican el presente estudio, motivo por el cual sería positivo para la población de Huancayo.

1.6. HIPÓTESIS 1.6.1. General

14

La respuesta sísmica de una estructura de concreto armado con Aisladores Sísmicos y Disipadores de Energía es óptima en un alto grado en comparación con una edificación tradicional o cada técnica usada por separado. 1.6.2. Específicos a) Los desplazamientos y distorsiones de una estructura de concreto

armado

diseñado

con

Aisladores

Sísmicos

y

Disipadores de energía se reducen de manera significativa en comparación con una edificación tradicional o cada técnica usada por separado.

DR. MAGNO BALDEÓN

b) Las formas de vibración espacial de una estructura de concreto armado diseñado con Aisladores Sísmicos y Disipadores de energía son inferiores en comparación con una edificación

TOVAR

tradicional o cada técnica usada por separado. c) Los costos de una estructura de concreto armado diseñado con Aisladores Sísmicos y Disipadores de energía son superiores en comparación con una edificación tradicional o cada técnica usada por separado, pero sus beneficios en infraestructura y seguridad son significativos.

1.7 VARIABLES 1.7.1. Variables Independientes a)

Aisladores sísmicos.

b)

Disipadores de energía

1.7.2. Variables Dependientes a) Respuesta sísmica.

1.8. METODOLOGÍA DE ESTUDIO 1.8.1. Tipo De Investigación 15

La investigación científica aplicada se propone transformar el conocimiento 'puro' en conocimiento útil. Tiene por finalidad la búsqueda y consolidación del saber y la aplicación de los conocimientos para el enriquecimiento del acervo cultural y científico, así como la producción de tecnología al servicio del desarrollo integral de las naciones. La investigación aplicada puede ser Fundamental o Tecnológica. La aplicada fundamental, se entiende como aquella investigación relacionada con la generación de conocimientos en forma de teoría o métodos que se estima que en un período mediato podrían desembocar en aplicaciones al sector productivo.

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Por ejemplo, en el sector médico, se emprenden investigaciones para tratar de conocer el mecanismo o los orígenes de cierta enfermedad o dolencia con el fin de poder combatirla posteriormente, aunque no se

TOVAR

sepa si llegará a ser necesario el crear una droga para este fin.

La investigación aplicada fundamental puede ser, a su vez, teórica, experimental, o una mezcla de ambas; dependiente de la naturaleza de su trabajo y sus productos pueden ser artículos científicos publicables, sobre todo si en su desarrollo no está involucrado el interés de una empresa. La investigación aplicada tecnológica, se entiende como aquella que genera conocimientos o métodos dirigidos al sector productivo de bienes y servicios, ya sea con el fin de mejorarlo y hacerlo más eficiente, o con el fin de obtener productos nuevos y competitivos en dicho sector. Sus productos pueden ser prototipos y hasta eventualmente artículos científicos publicables. En el caso de la investigación médica del ejemplo anterior, la investigación tecnológica se realizaría alrededor del desarrollo de una droga específica para la cura de una determinada dolencia y se pretendería, que la droga fuera a dar al mercado. 16

1.8.2. Diseño De La Investigación Diseño con posprueba únicamente y grupo de control Este

diseño

incluye

dos

grupos:

uno

recibe

el

tratamiento

experimental y el otro no (grupo de control). Es decir, la manipulación de la variable independiente alcanza solo dos niveles: presencia y ausencia. Los sujetos se asignan a los grupos de manera aleatoria. Cuando concluye la manipulación, a ambos grupos se les administra una medición sobre la variable dependiente en estudio.

DR. MAGNO BALDEÓN El diseño se diagrama de la siguiente manera:

TOVAR En este diseño, la única diferencia entre los grupos debe ser la presencia-ausencia de la variable independiente. Inicialmente son equivalentes y para asegurarse de que durante el experimento continúen siéndolo (salvo por la presencia o ausencia de dicha manipulación) el experimentador debe observar que no ocurra algo que solo afecte a un grupo. La hora en que se efectúa el experimento debe ser la misma para ambos grupos (o ir mezclando un sujeto de un grupo con un sujeto del otro grupo, cuando la participación es individual), al igual que las condiciones ambientales y demás factores mencionados al hablar sobre la equivalencia de los grupos. Según Sampieri, Wiersma y Jurs (2008) comentan que, de preferencia,

la

posprueba 17

debe

administrarse

inmediatamente

después de que concluya el experimento, en especial si la variable dependiente tiende a cambiar con el paso del tiempo. La posprueba se aplica de manera simultánea a ambos grupos. La comparación entre las pospruebas de ambos grupos (01 y 02) nos indica si hubo o no efecto de la manipulación. Si ambas difieren significativamente (01 ≠ 02), esto nos indica que el tratamiento experimental tuvo un efecto a considerar. Por tanto, se acepta la hipótesis de diferencia de grupos. Si no hay diferencias (01 = 02), ello

indica que no hubo un efecto significativo del tratamiento experimental (X). 1.8.3. Población Y Muestra

DR. MAGNO BALDEÓN

Este trabajo de investigación es de enfoque cualitativo dominante, se trabajó en conjuntos de personas, contextos, eventos o sucesos sobre

TOVAR

el cual se recolectan los datos (muestras dirigidas), de acuerdo a la bibliografía, metodología de la investigación tercera edición Pg. 326 cuyo autor es Roberto Hernández Sampieri, MC Graw Hill Interamericana, México – 2003, fundamentado en ello se obtiene los datos en juntas vecinales, barrios, instituciones educativas y culturales, gobierno local como también instituciones comerciales, industriales, hospitalarios que no sean necesariamente representativo del universo en la ciudad de Huancayo.

1.8.4. Fuentes De Obtención De Información Como analista de sistemas

o sistema solucionador del problema

(SSP) y el sistema contenedor del problema(SCP) se involucran en la situación problema, donde el analista actúa como sensor humano y así diagnosticar, describir y obtener información resaltante, con respecto al manejo de los desechos, como también descubrir posibles candidatos a problemas.

18

ayuda a

Así mismo las instituciones que apoyaron con información relacionado a la contaminación por residuos sólidos en el distrito de Huancayo son: a)

Colegio de Ingenieros de Junín

b)

Oficina Departamental del Instituto nacional de estadística e informática (INEI).

c)

Biblioteca de la UPLA

1.8.5. Procesamiento De La Información Para procesar la información, se tuvo en cuenta como herramienta de

DR. MAGNO BALDEÓN trabajo: a)

HARDWARE (computadoras de última generación)

b)

SOFTWARE (Microsoft Excel y Sap2000)

TOVAR

CAPITULO II MARCO TEÓRICO En este segundo capítulo presentamos un análisis de la realidad problemática local que existe en las técnicas constructivas de en Huancayo utilizándose el concreto ya que no se toman en cuenta varios factores importantes en el diseño como resistencia del material al envejecimiento y por ello el pavimento no cumple 19

con un buen desempeño, incumpliendo con su tiempo de servicio proyectado lo que es la señal principal de que hay deficiencias en el proceso de diseño y constructivo de pavimentos flexibles. 2.1. ANTECEDENTES 2.1.1 Antecedentes Nacionales: a) Los Bachilleres Paul Korswagen, Julio Arias y Pamela Huaringa sustentaron su tesis (2012):

ANÁLISIS Y DISEÑO DE

ESTRUCTURAS CON AISLADORES SÍSMICOS EN EL PERÚ, en la facultad de Ciencias e Ingeniería de la Pontificia Universidad Católica Del Perú, con la finalidad de optar el título

DR. MAGNO BALDEÓN profesional de Ingeniero Civil sostienen.

Los objetivos principales de esta tesis consisten en elaborar una

TOVAR

investigación bibliográfica comprensiva acerca de los tipos, comportamientos y consideraciones en el uso de aisladores sísmicos; comparar el comportamiento de varios modelos para determinar la influencia de los aisladores; rediseñar una estructura con el sistema de aisladores sísmicos y evaluar las diferencias en el diseño final y, desarrollar pautas simplificadoras para determinar la factibilidad estructural de inclusión de aisladores sísmicos en estructuras en el Perú. Como resultados comparativos se han obtenido los modos de vibración y su importancia, los desplazamientos, la fuerza cortante basal, las fuerzas máximas de compresión, tracción y cortante en los aisladores y una fuerza representativa para cada edificio (momentos o cortantes en alguna placa principal). Como ya se ha comentado, el uso de aisladores concentra la vibración de los edificios prácticamente en un sólo modo por dirección.

32

Además de reducir las fuerzas, los aisladores también se pueden utilizar para reducir significativamente los problemas de torsión que podría tener una edificación irregular; el centro de rigidez de los aisladores se puede ubicar por diseño de forma que coincida con el centro de masas del edificio. Si bien la superestructura puede sufrir torsión, el hecho de que los elementos estén “libres” en la base puede aliviar algo de esta torsión. Por otro lado, la frecuencia de vibración por encima del SA es aproximadamente 0.5 Hz, lo que reduce los fenómenos de aleteo local, que usualmente se presentan en extremos de muros libres que vibran con una frecuencia alta.

DR. MAGNO BALDEÓN

La uniformización de desplazamientos y la concentración de los modos de vibración en sólo un modo independiente por

TOVAR

dirección, reduce la incertidumbre sobre el comportamiento de los diafragmas. b) Los bachilleres Luisa Morales y Juan Contreras en su tesis (2012): PROTECCIÓN DE UN EDIFICIO EXISTENTE CON DISIPADORES DE ENERGÍA, en la facultad de Ciencias e Ingeniería de la Pontificia Universidad Católica Del Perú, con la finalidad de optar el título profesional de Ingeniero Civil de Ingeniero Civil establecen. El objetivo es lograr que la estructura sólo alcance daño moderado ante la acción de un evento de 500 años de periodo de retorno. Dado que se trata de un edificio antiguo, construido sin criterios de diseño sismorresistente, para la dirección de pórticos la deriva asociada al daño moderado se estimó en 5.3‰. Se define como deriva objetivo de esta intervención el valor de 5‰. Para el desarrollo del análisis se utiliza un modelo elástico con el objetivo de obtener un aproximado de las fuerzas que se 33

generarían en los elementos estructurales del edificio. Se usaron los registros de los sismos ocurridos en Octubre de 1966 en Lima, en Mayo de 1970 en Ancash y en Octubre de 1974 en Lima, los cuales se escalaron a 0.4 g. El edificio sin reforzar alcanzaría una deriva del 12‰ ante el sismo de diseño de 500 años de periodo de retorno. Dadas las características estructurales propias de la época en la que se construyó el edificio, la estructura quedaría seriamente dañada de alcanzar esta deriva. Los resultados de este trabajo muestran que es posible lograr un

DR. MAGNO BALDEÓN

amortiguamiento efectivo del orden del 25% en edificaciones educativas de poca altura proyectada sin criterios efectivos de diseño sismorresistente.

TOVAR

Utilizando dispositivos de fluido viscoso la deriva máxima se mantendría por debajo de 5‰ y por tanto es de esperar que el daño en un terremoto severo se mantenga controlado y el edificio pueda ser luego reparado. Las demandas de resistencia por parte del espectro reducido por amortiguamiento añadido son mayores que las obtenidas por el análisis tiempo historia. El costo de cada uno de los dispositivos para esta estructura está en $6000.00, por lo cual, para los 16 disipadores requeridos el precio es de $96,000.00 sin incluir el reforzamiento localizado ni los elementos de fijación y transferencia de cargas. Se recomienda que, dadas las condiciones del Pabellón B, su importancia, y su posibilidad de daño severo ante un evento sísmico, éste sea reforzado a la brevedad posible.

34

c) Los bachilleres Himler Cano y Ener Zumaeta en su tesis (2012): DISEÑO

ESTRUCTURAL

DE

UNA

EDIFICACIÓN

CON

DISIPADORES DE ENERGÍA Y ANÁLISIS COMPARATIVO SÍSMICO ENTRE EL EDIFICIO CONVENCIONAL Y EL EDIFICIO CON DISIPADORES DE ENERGÍA PARA UN SISMO SEVERO, en la facultad de Ingeniería de la Universidad Peruana de Ciencias aplicadas, con la finalidad de optar el título profesional de Ingeniero Civil señalan: A partir de la metodología de diseño publicado por el comité Visión 2000 – SEAOC, se obtiene una deriva objetivo que nos permite controlar los posibles daños estructurales moderados

DR. MAGNO BALDEÓN ocasionados por un sismo.

El amortiguamiento de la estructura calculado a partir de la

TOVAR

deriva objetivo de 23% , esto refleja el 18% del disipador más el 5% de amortiguamiento inherente a la estructura, estos datos fueron comprobados en el SAP 2000 teniendo los siguientes resultados: Disipador Visco-Elástico: 25% Disipador Viscoso: 30%. Para los disipadores Viscosos después de una serie de iteraciones se diseñó con un Coeficiente de amortiguamiento, “C” de 100 TN-s/m; y para disipadores viscoelásticos se tiene “C” de 200 TN-s/m. Se puede notar en el Balance de Energía que los disipadores absorben alrededor de casi 84.5% para disipadores Viscosos y 83% para disipadores Visco Elásticos, verificando que con el uso de disipadores se incrementa la capacidad de disipación de energía ente la presencia de un sismo. Se puede verificar que con el uso de disipadores viscosos se reducen los desplazamientos entre pisos en un rango de 60 a

35

67% y con un disipadores viscoelásticos en un rango de 53 al 59%. El primer modo de vibración SD es 0.76 y con Disipadores Viscosos es 0.71 (Variación mínima). Con lo que se corrobora que con el uso de VD no se genera ningún efecto en la rigidez de la estructura por lo cual el periodo de la misma debe mantenerse intacto. d) Marco Díaz La Rosa en su tesis (2014): EVALUACIÓN DEL PROYECTO ESTRUCTURAL Y OPTIMIZACIÓN DEL DISEÑO CON DISIPADORES DE ENERGÍA VISCOSOS TAYLOR PARA

DR. MAGNO BALDEÓN

UNA EDIFICACIÓN ESENCIAL DE 6 PISOS, en la Escuela Profesional De Ingeniería Civil de la facultad de Ingeniería de la Universidad Privada Antenor Orrego, con la finalidad de obtener

TOVAR

el título profesional mencionan: El primer modo de vibración (modo fundamental) de la edificación se mantiene intacto al implementarla con los disipadores de energía viscosos con lo que se comprueba que el uso de estos dispositivos no altera la rigidez de la estructura; la misma que estaría controlada por el sistema de muros estructurales. En estructuras con un diseño tradicional como la expuesta en este trabajo, la estructura se encarga de tomar el 100% de la energía de entrada, pero al adicionar disipadores de energía dentro de la misma, la disipación de energía sísmica la realizan los disipadores y reducen la energía sísmica absorbida por la estructura, es decir una reducción de la energía inelástica a través del incremento de la energía de amortiguamiento, lo que deriva en menos daño estructural. La implementación de estos disipadores a la estructura, ha producido una disminución de los desplazamientos máximos 36

presentados en el sexto nivel en un 41.81%. Así como la reducción de las derivas de entrepiso desde un 38.57% hasta un 51.10%. Se pudo observar una reducción significativa en las fuerzas cortantes de los muros de corte en el eje Y (donde están presentes los dispositivos) desde un 32.04 % hasta un 48.58%, así mismo en las columnas esta reducción es de hasta 35.31%. También se pudo observar una reducción de los momentos de hasta 47.93% para placas y 35.30% para columnas. La disipación de energía con los disipadores viscosos es del 55

DR. MAGNO BALDEÓN

% empleándose en el diseño un total 27 disipadores y considerando como sismo de diseño el de Moquegua 2001,

TOVAR

demostrándose así que con el uso de estos dispositivos se incrementa la capacidad de disipación de energía ante la acción de un sismo. Se demostró que es posible optimizar el diseño del sistema de disipación verificando el desempeño de cada dispositivo (fuerza axial y curva histérica) y realizando a su vez variaciones en la disposición, propiedades, número de disipadores, etc.

2.2.1

Antecedentes Internacionales: a) Jaime Arriaga, sustentó su tesis profesional (2005): AISLACIÓN SÍSMICA DE UN EDIFICIO DE OFICINAS DE SIETE PISOS (ANÁLISIS COMPARATIVO Y COSTOS CON UN EDIFICIO TRADICIONAL); en la facultad de Ciencias de la Ingeniería de la Universidad Austral de Chile, con la finalidad de optar el título de Ingeniero Civil afirma:

37

El resultado del análisis modal tridimensional y diseño del edificio Vanguardia Convencional, aplicado la norma NCh 433 con su respectivo espectro y el código ACI 318-02 fueron satisfactorios.

Existió

un

buen

desempeño

del

edificio

cumpliendo con las disposiciones de corte basal y presentando aceptables valores de desplazamiento relativo que estuvieron dentro de los rangos establecidos, todo esto bajo el marco conceptual y filosofía de diseño tradicional establecido en la NCh 433. Con respecto a los resultados del diseño la principal característica es que existe una importante relación de armadura (kg/m3) debido a los esfuerzos que tienen que soportar los elementos estructurales, como a la arquitectura con zonas de

DR. MAGNO BALDEÓN voladizos y amplios vanos.

Un resultado importante del análisis del edificio Vanguardia

TOVAR

convencional fue su período principal de 0.574 seg, que la hace una estructura que se puede considerar rígida, esta condición unido a la búsqueda de un mejor comportamiento del edificio Vanguardia tanto del punto de vista estructural como económico, fundamentan la idea de implementar un sistema de aislación basal. Se analizaron tres posibles sistemas, (i) conformados por aisladores HDR, (ii) un sistema mixto de aisladores LRB y HDR, (iii) aisladores FPS, elegidos por su nivel de conocimiento y sus buenos resultados a nivel nacional como internacional. Para el edificio Vanguardia se fijó el período aislado de diseño en 2.5 seg, valor que asegura buenos niveles de respuesta porque aleja a la estructura de las zonas de mayor energía de los sismos chilenos y la cantidad de 27 aisladores. Se implementa un proceso iterativo de diseño para cada sistema de aislación en estudio, con el que se define las características mecánicas y geométricas de los dispositivos, verificando niveles de seguridad adecuados. El resultado del diseño fue satisfactorio ya que se obtuvieron dimensiones adecuadas y factibles de 38

realizar, y con propiedades de los elastómeros y de los elementos friccionales disponibles en el mercado. Para el sistema HDR se obtuvieron aisladores con un diámetro exterior de 60 cm, una altura total de 29.8 cm, que corresponden a 29 capas de goma de 6 mm y 28 láminas de acero de 3 mm, con una rigidez horizontal promedio de 1.16 ton/cm; para el sistema mixto los resultados fueron para el aislador LRB de un diámetro exterior de 60 cm, un diámetro interior de plomo de 10 cm, una altura total de 27.1 cm que corresponde a 26 capas de goma de 6 mm y 25 láminas de acero de 3 mm, con una rigidez de postfluencia de 0.97 ton/cm, para los aisladores HDR dentro

DR. MAGNO BALDEÓN

de este sistema presentó un diámetro exterior de 60 cm, una altura total de 29.8 cm, que corresponden a 29 capas de goma de 6 mm y 28 láminas de acero de 3 mm, con una rigidez

TOVAR

horizontal promedio de 1.15 ton/cm; para el sistema FPS el radio de curvatura es de 155 cm, con un coeficiente de fricción, μ, de 0.6, el diámetro del slider resultó ser 25.5 cm, una altura total de 26.53 cm, y una dimensión horizontal representativa de 52 cm. Se aplicó un análisis dinámico no lineal según lo establecido en la norma NCh 2745, con dos registros, el de Melipilla y el de Llolleo, resultando ser más exigente el primero; para la implementación

de

las

propiedades

en

el

programa

computacional SAP2000 se calculó las propiedades biliniales de cada dispositivo. Los resultados del ADNL fueron los esperados, con un período principal muy cercano a los 2.5 seg, siendo los tres primeros modos muy cercanos entre sí (período aislados traslacionales y el período aislado torsional). Los resultados de los cuatro parámetros escogidos para la evaluación fueron satisfactorios para los tres sistemas en estudio, tanto para el registro de Melipilla como de Llolleo, obteniéndose valores menores

que

los

que

se

presentan

en

estructuras

convencionales, es así que los desplazamientos del sistema de 39

aislación fueron muy cercanos entre si y menores que los desplazamientos de diseño calculados según la NCh 2745, para los drift y las aceleraciones absolutas los tres sistemas se comportaron bien, entregando valores beneficiosos para el edificio, además de presentar, muy poca amplificación en altura, lo de los drift positivo porque está relacionado con menos daños estructurales y lo de la aceleraciones porque produce menores momentos volcantes y daños en los contenidos, siendo el sistema que HDR es que presenta mejores comportamientos globales de los parámetros; para los esfuerzos de corte la situación fue semejante, los tres sistemas entregaron valores beneficiosos porque generan una menor demanda en los

DR. MAGNO BALDEÓN

elementos estructurales de lo que típicamente se podría esperar, manteniéndose dentro del rango elástico, y

TOVAR

nuevamente el

sistema HDR más positivo. Como resultado de la evaluación comparativa y bajo un contexto global del edificio Vanguardia el sistema HDR fue el que presentó las mayores ventajas, tanto en los registros de Melipilla y Llolleo, por lo cual fue el elegido como el sistema aislante, seguido por el sistema mixto y el FPS. Para el sistema FPS se contaba con menos antecedentes y experiencia, y es un hecho que se puede pulir tanto el proceso iterativo de diseño como la modelación computacional, para incluir de mejor manera características propias del sistema, como ser la variabilidad del coeficiente de roce con la velocidad y la presión o el levantamiento del dispositivo, que pueden influir en un posible mejor comportamiento. Al someter al edificio Vanguardia convencional al registro y comparar con el edificio Vanguardia asilado con el sistema HDR (que fue el elegido), con los mismos parámetros, los resultados fueron claros y concluyentes, el comportamiento del edificio Vanguardia aislado fue muy superior a su similar convencional, en lo que se refiere a los desplazamientos laterales estos están 40

marcados por el desplazamiento del sistema de aislación para el caso aislado, pero sobre la interfaz de aislación se comporta prácticamente como un cuerpo rígido a diferencia de lo que sucede en el edificio base fija en donde los desplazamientos se presentan en todos los niveles y con importantes amplificaciones en altura, dentro de esto mismo y como consecuencia de lo anterior la magnitud de los drift presentó una importante disminución, con factores de reducción de 7.4 en la dirección X y de 5.8 en la dirección Y; para la aceleración absoluta se tiene que el factor “filtro” que tiene la aislación sobre la aceleración del suelo es altamente efectivo con un valor de 94%, el factor de reducción característico que se presentó en ambas direcciones

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de análisis fue de 15, siendo una diferencia importante entre los dos tipos de estructuras, además en el caso Vanguardia aislado

TOVAR

las amplificaciones en altura fueron bastantes discretas, lo que no sucede en el caso convencional, que es un indicador que los momentos volcantes serán menores para la situación aislada; los valores del esfuerzo de corte sólo vienen a corroborar lo anterior, el registro de Melipilla genera una importante exigencia sobre este parámetro y el sistema de aislación respondió correctamente produciendo factores de reducción sobre la estructura convencional de 7.15 en la dirección X y de 13.2 en la dirección Y, valores que incluso resultaron ser superiores a lo que se esperaba.

b) Marcelo Saavedra, sustento su tesis profesional (2005): ANÁLISIS DE EDIFICIOS CON AISLADORES SÍSMICOS MEDIANTE PROCEDIMIENTOS SIMPLIFICADOS, en la facultad de Ciencias de la Ingeniería de la Universidad Austral de Chile, con la finalidad de optar el título de Ingeniero Civil menciona: En general, analizando los principales resultados del problema con respecto a los desplazamientos calculados para los distintos 41

modelos utilizados, se puede apreciar que las aproximaciones obtenidas mediante el procedimiento simplificado no presentaron diferencias muy significativas en relación a los resultados obtenidos con ETABS Nonlinear, es decir, la magnitud del error es de un orden razonable para una etapa de prediseño. Los mayores errores de aproximación se obtuvieron en el análisis del edificio Nº1 de 4 y 10 pisos con base aislada para los registros sísmicos de Kobe, Northridge y Loma Prieta (tamaño de paso 0.02 seg.). El método de Runge Kutta de 4º orden disminuye su precisión para tamaño de pasos mayores debido a que aumenta el error de truncamiento del paso y más aún si resuelve sistemas donde existen ecuaciones que son no lineales. Con relación al

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sismo de Llolleo de tamaño de paso menor (0.005 seg.), existieron algunos errores de aproximación debido a que al

TOVAR

utilizar un tamaño de paso muy pequeño (lo que sabemos, mejora la precisión del algoritmo), aumenta el error de redondeo del método numérico, por este motivo se alcanzó una solución óptima del paso de integración que minimiza los efectos combinados de ambos errores con el sismo de Hachinoe de tamaño de paso 0.01 seg. Por lo dicho anteriormente y en referencia a la exactitud de los modelos utilizados en los aisladores sísmicos, se puede decir que debido a la solución numérica simple del modelo lineal, en los pasos de tiempo definidos, se obtuvieron resultados de mejor calidad con este modelo, pero esto no resta importancia a la buena calidad de las aproximaciones que se obtuvieron con el modelo no lineal de Wen. Además, al comparar las respuestas de los aisladores sísmicos de comportamiento lineal y no lineal en el tiempo (para un factor de amortiguamiento 10%) son considerablemente distintas aunque con algunos registros sísmicos los valores máximos son muy cercanos, esto

42

concuerda con lo planteado por Molinares y Barbat (BOZZO, 1996). En relación a las aproximaciones de los parámetros dinámicos (modo y frecuencia fundamental) de los modelos con base fija mediante métodos aproximados, son de buena calidad solo en el modo fundamental, alcanzando una mayor exactitud con el método de Rayleigh Ritz, con respecto al periodo y frecuencia fundamental se presentó una magnitud de error mayor, esto es debido a que la estimación, mediante relaciones de flexibilidad, de la rigidez de los edificios que se utilizó no es muy precisa para los modelos tridimensionales analizados, esto se puede

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observar al comparar los resultados de los dos edificios analizados,

alcanzando

una

mayor

precisión

en

las

aproximaciones para el edificio Nº2 con un análisis en la

TOVAR

dirección Y, debido a que los muros están mayormente orientados en esta dirección. Por lo anterior, las aproximaciones del método obtenidas utilizando los parámetros dinámicos (modo y frecuencia fundamental) de los modelos con base fija mediante métodos aproximados presentaron un aumento en la magnitud del error en la respuesta de los edificios con base aislada, esto es debido a que la influencia del periodo y frecuencia fundamental es importante, pero no así el modo o la forma fundamental, incluso, si

se

considera

el

primer

modo

de

forma

lineal,

las

aproximaciones del procedimiento numérico simplificado no se alteran demasiado . Por lo mismo, se obtuvieron resultados con menos errores con el método de Cruz y Chopra debido a que el periodo y frecuencia fundamental obtenida con este método fue más cercano al exacto. Por lo tanto, los parámetros dinámicos no inciden en el modelo de tal forma de perder el orden de magnitud con relación a los resultados exactos, sino que

43

solamente hacen perder precisión al modelo al momento de utilizar métodos aproximados. Entonces, el procedimiento simplificado es válido para los distintos comportamientos no lineales que a través del tiempo representan los aisladores sísmicos mediante el uso de la ecuación de Wen y para el modelo lineal que además representa la ecuación de Wen (α =1), esto es por la buena calidad de las aproximaciones que se obtuvieron, incluso utilizando métodos aproximados para la obtención de parámetros dinámicos (modo y frecuencia fundamental) necesarios para la aplicación del modelo.

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En definitiva, la validación del método simplificado planteada en nuestro estudio para un movimiento plano de edificios de varios

TOVAR

pisos es prueba suficiente para analizar y resolver estructuras con aisladores sísmicos. El modelo es eficiente debido a que no requiere de una gran cantidad de datos de entrada, esto tiene efectos positivos en el sentido que la posibilidad de cometer errores en el proceso de ingreso de datos disminuye, así como se permite, en poco tiempo, probar diferentes soluciones de estructuración del edificio y ver cuáles serán las propiedades mecánicas más efectivas para el dispositivo de aislación sísmica a utilizar, todo esto con el fin de determinar la solución más óptima

desde

sismorresistente

el de

punto

de

edificios

vista

del

aislados.

comportamiento Por

lo

dicho

anteriormente, el procedimiento de predimensionamiento pasa a ser entonces un proceso bastante simple y muy importante, especialmente para el profesional que no cuenta con mucha experiencia. Por lo tanto, los resultados de este procedimiento simplificado deben ser usados solo para controlar y verificar los resultados de

44

los "análisis exactos", pues solamente son indicadores del orden de magnitud de los resultados exactos. c) Ariel Izaguirre en su tesis profesional (2007): SISTEMA DE AISLADORES SÍSMICOS DE BASE PARA EDIFICIOS, de la escuela superior de ingeniería y arquitectura del instituto politécnico nacional de México, con la finalidad de optar el título de Ingeniero Civil manifiesta: El movimiento sísmico del suelo se transmite a los edificios que se apoyan sobre este. La base del edificio tiende a seguir el movimiento del suelo, mientras que, por inercia, la masa del

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edificio se opone a ser desplazada dinámicamente y a seguir el movimiento de su base.

TOVAR

El aislador de base separa o desacopla al edificio del movimiento del suelo, originando que el edificio disminuya su movimiento respecto al suelo y por lo tanto la masa del edificio que se opone a ser desplazada dinámicamente disminuya. Comportándose un modelo flexible como un cuerpo semirrígido, disminuyendo sus deformaciones y desplazamiento en cada nivel. El modelo del edificio con aislador de base friccionante, disminuye su eficacia con movimientos del suelo a frecuencias bajas, originando que el modelo se acelere más, que en el caso de estar empotrado al suelo. Es importante mencionar que el movimiento de todo el conjunto del edificio es mayor en el caso de estar aislado pero con menores deformaciones en la estructura, a comparación del edificio empotrado que se acelera menos pero con mayores deformaciones. El comportamiento se puede explicar debido a la transición de fricción estática a fricción dinámica, el cual durante un movimiento de frecuencia baja, la fricción estática es suficiente 45

como para considerar que se transmite el 100% de la energía o movimiento del suelo, al rebasar la resistencia de la fricción estática se da un cambio brusco a fricción dinámica originando aceleraciones adicionales. Aunque las aceleraciones de un edificio aislado en frecuencias bajas, se han mayores a las de un edificio empotrado al suelo, no se generan deformaciones mayores a las que se generan en estado empotrado. Los resultados obtenidos con frecuencias mayores, similares a las que se origina en los suelos rígidos, el comportamiento del

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modelo con aislador de base es notoriamente mejor, incluso acelerándose menos que el suelo.

TOVAR

Al variar la masa de una estructura en cada nivel, esta modifica su periodo natural de vibrar, por lo tanto al disminuir la masa en el modelo, este aumento su frecuencia natural de vibrar, por lo tanto al disminuir la masa en el modelo, este aumento frecuencia natural de vibrara, observándose un comportamiento distinto a las mismas frecuencia de excitación ensayadas (2, 3, 3.5 y 4 Hz). Al rebasar la excitación la frecuencia natural de vibrar del modelo, este se comporta vibrando en su segundo modo, a diferencia del primer modo de vibrar de la estructura con una excitación menor a la frecuencia natural de vibrar. También se puede observar la eficiencia del aislador de base en un segundo modo de vibrar, teniendo el modelo una diferencia menor de aceleraciones en cada nivel en contraste de tener el modelo sin aislador, cabe mencionar que se obtuvo una mayor eficiencia del aislador para este caso, disminuyendo la cantidad de balines entre las superficies deslizantes.

46

Se puede apreciar que las aceleraciones del modelo en estado aislado son menores a la aceleración de excitación de la base, teniendo valores más cercanos a cero, disminuyendo su comportamiento como segundo modo de vibrar. El modelo en su primer modo de vibrar a las distintas frecuencias

de

excitación

ensayadas

observándose

el

incremento de la eficiencia del aislador al aumentar la frecuencia de excitación. Se puede comprobar la eficiencia de los aisladores de base para evitar la resonancia ensayando el modelo con frecuencias de

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excitación cercanas a la frecuencia natural de vibrar del modelo en estado empotrado.

TOVAR

d) Lily Bonilla en su tesis profesional (2012): TEORÍA DEL AISLAMIENTO

SÍSMICO

PARA EDIFICACIONES,

en

la

Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de México, con la finalidad de optar el título de Ingeniero Civil establece: En este trabajo se hizo un análisis comparativo de una estructura de 8 niveles y 3 líneas de columnas, apoyada sobre aisladores de base en un caso y en el otro sobre apoyos convencionales. Para este análisis se consideró un evento sísmico, empleando el registro sísmico acontecido en la Ciudad de México en el año 1985. En este trabajo se hizo un análisis comparativo de una estructura de 8 niveles y 3 líneas de columnas, apoyada sobre aisladores de base en un caso y en el otro sobre apoyos convencionales. Para este análisis se consideró un evento sísmico, empleando el registro sísmico acontecido en la Ciudad de México en el año 1985.

47

Según los resultados obtenidos del análisis de las estructuras con apoyos convencionales y de aislamiento sísmico, se tomará como parámetros de comparación el período de la estructura y los desplazamientos relativos de entrepiso. De acuerdo al estudio realizado, se puede concluir que: Al utilizar los aisladores de base, se obtienen mayores periodos de la estructura, y por lo tanto, menores aceleraciones, provocando que las fuerzas símicas disminuyan. Esto trae como beneficio menores acciones sobre la estructura y en consecuencia menores elementos mecánicos, lo que contribuye a menores demandas de diseño.

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Al tener menores demandas de diseño, se logran menores secciones de los elementos estructurales, lo que redunda en

TOVAR

menor costo y peso total de la estructura. Se obtienen menores desplazamientos horizontales relativos de entrepiso, ayudando a un mejor comportamiento de la estructura (distorsiones). Con la inclusión de apoyos de aislamiento sísmico, se logra disipar mucho mejor la energía sísmica, ante este tipo de eventos naturales.

2.2. BASES TEÓRICAS: 2.2.1 Sistemas De Protección Sísmica En Las Estructuras El diseño sismorresistente convencional se fundamenta en la capacidad de las estructuras para disipar la energía que le entrega el sismo por medio de deformaciones inelásticas, tales como aislación sísmica y disipación de energía,

implican un daño controlado de la

estructura. Para alcanzar niveles de deformación compatibles con las demandas sísmicas, las estructuras deben cumplir con los

48

requisitos de detallamiento sísmico indicados en las normativas correspondientes a cada material. Si bien los sistemas de protección sísmica no son esenciales para que las estructuras resistan movimientos sísmicos, proveen una mejora considerable al comportamiento dinámico de las estructuras. El diseño sismorresistente convencional se fundamenta en la capacidad de las estructuras para disipar la energía que le entrega el sismo por medio de deformaciones inelásticas, las que como se ha mencionado anteriormente, implican un daño controlado de la estructura. Para alcanzar niveles de deformación compatibles con

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las demandas sísmicas, las estructuras deben cumplir con los requisitos de detallamiento sísmico indicados en las normativas correspondientes a cada material.

TOVAR

En las últimas dos décadas ha ganado aceptación entre la comunidad profesional el uso de sistemas de protección sísmica en estructuras. Entre ellos, los sistemas de aislación sísmica y de disipación de energía han sido los más utilizados. En términos generales, los sistemas de aislación sísmica limitan la energía que el sismo trasfiere a la superestructura, reduciendo considerablemente los esfuerzos y deformaciones de la estructura aislada, previniendo el daño estructural y no estructural. La Figura 1 muestra una comparación del comportamiento, ante la acción de un sismo, de un edificio sin aislación y un edificio con aislación sísmica. Por su parte, los sistemas de disipación de energía, si bien no evitan el ingreso de energía a la estructura, permiten que la disipación de energía se concentre en dispositivos especialmente diseñados para esos fines, reduciendo sustancialmente la porción de la energía que debe ser disipada por la estructura. El uso de disipadores de energía reduce la respuesta estructural, disminuyendo el daño de componentes estructurales y no estructurales. La Figura 2 muestra la comparación

49

del comportamiento de un edificio sin dispositivos de disipación de energía y un edificio con disipadores de energía.

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2.2.2. Experiencia Nacional E Internacional Procedimientos para el análisis y diseño de edificios y puentes para cargas sísmicas existen en el mundo desde la década de 1920. Una 50

detallada historia y resumen de los procedimientos usados para el diseño sísmico de edificios se puede encontrar en el documento ATC34 (ATC, 1995). 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. El primer documento para el diseño de estructuras con aislación sísmica de base fue publicado en 1986 por el SEAOC (Structural

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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

TOVAR

auge luego de los terremotos de Northridge (EEUU) en 1994 y Kobe (Japón) en 1995. La Figura 3 muestra el aumento del uso de sistemas de aislación sísmica en Japón después del terremoto de Kobe de 1995.

51

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

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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

TOVAR

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. En el Perú las universidades UNI y UPC han apostado por diseñar estructuras de investigación pero los primeros en construir una edificación multifamiliar es el grupo inmobiliario Labok a través del proyecto Atlantik Ocean Tower.

2.2.3. Aislación Sísmica Los disipadores de energía, a diferencia de los aisladores sísmicos, no evitan que las fuerzas y movimientos sísmicos se transfieran desde el suelo a la estructura. Estos dispositivos son diseñados para disipar la energía entregada por sismos, fenómenos de viento fuerte u otras solicitaciones de origen dinámico, protegiendo y reduciendo los 52

daños en

elementos estructurales y no

estructurales. Estos

dispositivos permiten aumentar el nivel de amortiguamiento de la estructura. Un caso particular de dispositivo de disipación de energía, que ha comenzado recientemente a ser utilizado en Chile para la protección sísmica de estructuras, corresponde a los amortiguadores de masa sintonizada. Estos dispositivos, ubicados en puntos estratégicos de las estructuras, permiten reducir la respuesta estructural. Al igual que los sistemas de aislación sísmica de base, los dispositivos de disipación de energía, han sido ampliamente utilizados a nivel mundial en el diseño de estructuras nuevas y en el refuerzo de estructuras existentes.

DR. MAGNO BALDEÓN 2.2.4 Disipación De Energía

El diseño de estructuras con aislación sísmica se fundamenta en el principio de separar la superestructura (componentes del edificio

TOVAR

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 fundación o a nivel del cielo del subterráneo (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 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 y patrimoniales. 53

2.2.5 Sistemas De Protección Sísmica. Los sistemas de protección sísmica de estructuras utilizados en la actualidad incluyen diseños relativamente simples hasta avanzados sistemas totalmente automatizados. Los sistemas de protección sísmica se pueden clasificar en tres categorías: Sistemas activos, sistemas semi-activos y sistemas pasivos. El presente documento se concentra fundamentalmente en los sistemas pasivos de protección sísmica Sistemas activos Los sistemas activos de protección sísmica son sistemas complejos

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que incluyen sensores de movimiento, sistemas de control y procesamiento de datos, y actuadores dinámicos. La Figura 4 muestra el diagrama de flujo del mecanismo de operación de los sistemas de

TOVAR

protección sísmica activos. Estos sistemas monitorean la respuesta sísmica de la estructura en tiempo real, detectando movimientos y aplicando las fuerzas necesarias para contrarrestar los efectos sísmicos. El actuar de los sistemas activos se resume de la siguiente forma: las excitaciones externas y la respuesta de la estructura son medidas mediante sensores, principalmente acelerómetros, instalados en puntos estratégicos de la estructura. Un algoritmo de control procesa, también en tiempo real, la información obtenida por los instrumentos, y determina las fuerzas necesarias que deben aplicar los actuadores para estabilizar la estructura. Las fuerzas que estos sistemas utilizan son, generalmente, aplicadas por actuadores que actúan sobre masas, elementos de arriostre o tendones activos. Una de las principales desventajas de los sistemas activos de protección sísmica, además de su costo, es que necesitan de una fuente de alimentación externa continua para su funcionamiento durante un sismo. No obstante, constituyen la mejor alternativa de protección sísmica de estructuras, ya que permiten ir modificando la respuesta de los dispositivos en tiempo real, lo que implica un mejor 54

comportamiento de la estructura durante el sismo. Los sistemas de protección sísmica activos han sido desarrollados en Estados Unidos y en Japón. Estos sistemas han sido aplicados principalmente en Japón, donde las restricciones de espacio de las grandes urbes, han detonado la construcción de estructuras de gran esbeltez. La Figura 5 muestra esquemáticamente una estructura protegida con sistemas activos.

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Sistemas semi-activos Los sistemas semi-activos de protección sísmica, al igual que los activos, cuentan con un mecanismo de monitoreo en tiempo real de la 55

respuesta estructural. Sin embargo, a diferencia de los sistemas activos no aplican fuerzas de control directamente sobre la estructura. Los sistemas semi-activos actúan modificando, en tiempo real, las propiedades mecánicas de los dispositivos de disipación de energía. Ejemplos de estos sistemas son los amortiguadores de masa semiactivos, los dispositivos de fricción con fricción controlable, y los disipadores con fluidos electro- o magneto-reológicos. La Figura 6 muestra esquemáticamente una estructura protegida con sistema semi-activo.

DR. MAGNO BALDEÓN TOVAR

Sistemas pasivos Los sistemas pasivos son los dispositivos de protección sísmica más comúnmente

utilizados

en

la

actualidad.

A

esta

categoría

corresponden los sistemas de aislación sísmica de base y los disipadores de energía. 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 56

tratados con mayor detalle en los próximos capítulos. La Figura 7 muestra el diagrama de flujo del mecanismo de operación de los sistemas de protección sísmica pasivos.

DR. MAGNO BALDEÓN 2.3. DEFINICIÓN DE CONCEPTOS CLAVES:

TOVAR

2.3.1 Disipadores Metálicos Estos dispositivos disipan energía por medio de la fluencia de metales sometidos a esfuerzos de flexión, corte, torsión, o una combinación de ellos.

Los

disipadores

metálicos

presentan,

en

general,

un

comportamiento predecible, estable, y confiable a largo plazo. En general, estos dispositivos poseen buena resistencia ante factores ambientales y temperatura. La Figura 9 muestra, a modo de ejemplo, un disipador metálico tipo ADAS, acrónimo del concepto Added Damping/Added Stiffness. Este tipo de dispositivo permite añadir, simultáneamente, rigidez y amortiguamiento a la estructura. Los disipadores metálicos tipo ADAS pueden ser fabricados con materiales de uso frecuente en construcción. La geometría de estos dispositivos está especialmente definida para permitir la disipación de energía mediante la deformación plástica uniforme de las placas de acero. 2.3.2 Disipadores Friccionales 57

Estos dispositivos disipan energía por medio de la fricción que se produce durante el desplazamiento relativo entre dos o más superficies en contacto. Estos disipadores son diseñados para activarse una vez que se alcanza un determinado nivel de carga en el dispositivo. Mientras la solicitación no alcance dicha carga, el mecanismo de disipación se mantiene inactivo. La Figura 10 muestra un esquema de un disipador friccional. Estos disipadores pueden ser materializados de varias maneras, incluyendo conexiones deslizantes con orificios ovalados o SBC (Slotted Bolted Connection), como el que se muestra en la figura, dispositivos con superficies en contacto sometidas a cargas de precompresión, etc. La Figura 11 muestra un esquema del disipador friccional tipo Pall. Una desventaja importante

DR. MAGNO BALDEÓN

de este tipo de dispositivo radica en la incertidumbre de la activación de los dispositivos durante un sismo y en el aumento de la probabilidad de observar deformaciones residuales en la estructura.

TOVAR

2.3.3 Disipadores Fluido-Viscosos Este tipo de dispositivo disipa energía forzando un fluido altamente viscoso a pasar a través de orificios con diámetros, longitudes e inclinación especialmente determinados para controlar el paso del fluido. Estos dispositivos son similares a los amortiguadores de un automóvil, pero con capacidades para resistir las fuerzas inducidas por terremotos. La Figura 14 muestra el aspecto de disipadores del tipo fluido-viscoso. 2.3.4 Disipadores Viscoelásticos Sólidos Estos dispositivos están formados por material viscoelástico ubicado entre placas de acero. Disipan energía a través de la deformación del material viscoelástico producida por el desplazamiento relativo de las placas. Estos dispositivos se ubican generalmente acoplados en arriostres que conectan distintos pisos de la estructura. El comportamiento de los amortiguadores viscoelásticos sólidos puede 58

variar según la frecuencia y amplitud del movimiento, del número de ciclos de carga, y de la temperatura de trabajo. La Figura 17 muestra esquemáticamente un disipador sólido viscoelásticos. 2.3.5 Aisladores Elastoméricos 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 26 muestra una vista de

DR. MAGNO BALDEÓN

un corte de un aislador elastoFigura 26. Aislador tipo LDRB. mérico tipo LDRB.

2.3.6 Aisladores Elastoméricos Con Núcleo De Plomo (LRB)

TOVAR

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 27 muestra los componentes de un aislador elastomérico tipo LRB.

2.3.7 Aisladores Elastoméricos 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%. Los aisladores tipo HDRB 59

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. 2.3.8 Apoyos Deslizantes Planos Los apoyos deslizantes planos son los aisladores deslizantes más simples. Consisten básicamente en dos superficies, una adherida a la

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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

estastomérico con el fin de facilitar el movimiento del deslizador en

TOVAR

caso de sismos. Por lo general, las 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 restituidos (típicamente aisladores elastoméricos o con núcleo de plomo) que restituyan la estructura a su posición original. La Figura 28 muestra un esquema de un apoyo deslizante plano. La combinación de estos sistemas con aisladores elastómericos o con núcleo de plomo permite, en general, ahorros de costos del sistema de aislación. La Figura 29 muestra la combinación de un apoyo deslizante con un aislador elastomérico.

2.3.9 Péndulos Friccionales (FPS, Friction Pendulum System): 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 60

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 30 muestra un esquema de un péndulo friccional. .

DR. MAGNO BALDEÓN TOVAR

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