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AGNO BALDEON TOVAR UNIVERSIDAD PERUANA LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL i
| Date post: | 05-Jan-2016 |
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DR. MAGNO BALDEON TOVARUNIVERSIDAD PERUANA LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
i
DR. MAGNO BALDEÓN TOVARTESIS
ii
DR. MAGNO BALDEÓN TOVAR
PRESENTADO POR:
Bach. ROY PERCY MENDOZA CALLUPE
PARA OPTAR EL TITULO PROFESIONAL DE
INGENIERO CIVIL
HUANCAYO – PERÚ
2015
HOJA DE CONFORMIDAD DE JURADOS
________________________
PRESIDENTE
________________________
JURADO
iii
ANÁLISIS Y DISEÑO DE
ESTRUCTURAS DE CONCRETO
ARMADO CON AISLADORES
SÍSMICOS Y DISIPADORES DE
ENERGÍA EN LA CIUDAD DE
DR. MAGNO BALDEÓN TOVAR__________________________
JURADO
________________________
JURADO
________________________
SECRETARIO DOCENTE
iv
ASESOR: MOHAMED MEDHI HADI MOHAMED
DR. MAGNO BALDEÓN TOVAR
v
DR. MAGNO BALDEÓN TOVAR
DEDICATORIA
A mis padres Francisca y Luciano, por su
apoyo incondicional en mi formación
profesional.
vi
DR. MAGNO BALDEÓN TOVARÍNDICE
UNIVERSIDAD PERUANA LOS ANDES I
INTRODUCCIÓN 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
1.3 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 111.3.1. Problema General 111.3.2. Problemas Específicos 11
1.4. OBJETIVOS 121.4.1. General 121.4.2. Específicos 12
1.5. JUSTIFICACIÓN 12
1.6. HIPÓTESIS 131.6.1. General 131.6.2. Específicos 13
1.7 VARIABLES 141.7.1. Variables Independientes 141.7.2. Variables Dependientes 14
1.8. METODOLOGÍA DE ESTUDIO 141.8.1. Tipo De Investigación 141.8.2. Diseño De La Investigación 151.8.3. Población Y Muestra 161.8.4. Fuentes De Obtención De Información 171.8.5. Procesamiento De La Información 17
CAPITULO II 31
MARCO TEÓRICO 31
2.1. ANTECEDENTES 312.1.1 Antecedentes Nacionales: 31
vii
DR. MAGNO BALDEÓN TOVAR2.2.1 Antecedentes Internacionales: 36
2.2. BASES TEÓRICAS: 452.2.1 Sistemas De Protección Sísmica En Las Estructuras 452.2.2. Experiencia Nacional E Internacional 472.2.3. Aislación Sísmica 492.2.4 Disipación De Energía 492.2.5 Sistemas De Protección Sísmica. 50
2.3. DEFINICIÓN DE CONCEPTOS CLAVES: 542.3.1 Disipadores Metálicos 542.3.2 Disipadores Friccionales 542.3.3 Disipadores Fluido-Viscosos 542.3.4 Disipadores Viscoelásticos Sólidos 552.3.5 Aisladores Elastoméricos De Bajo Amortiguamiento (LDRB) 552.3.6 Aisladores Elastoméricos Con Núcleo De Plomo (LRB) 552.3.7 Aisladores Elastoméricos De Alto Amortiguamiento (HDRB) 562.3.8 Apoyos Deslizantes Planos 562.3.9 Péndulos Friccionales (FPS, Friction Pendulum System): 56
viii
DR. MAGNO BALDEÓN TOVAR
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.
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
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
ix
DR. MAGNO BALDEÓN TOVARmisma 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
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
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
x
DR. MAGNO BALDEÓN TOVAR
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
con Aisladores Sísmicos y Disipadores de energía en la ciudad de Huancayo.
Respecto a la metodología, el tipo de investigación utilizado será la
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
xi
DR. MAGNO BALDEON TOVAR
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
1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El Perú, es uno de los países de mayor actividad sísmica en el mundo, 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,
reduciendo la respuesta de la superestructura, “aislando” la estructura de los
movimientos del suelo y proporcionándole mayor amortiguamiento.
12
DR. MAGNO BALDEÓN TOVAREl 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 elementos estructurales y la
minimización de los daños estructurales posibles.
La experiencia nos indica que las estructuras no vibran indefinidamente una 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
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
13
DR. MAGNO BALDEÓN TOVARa) ¿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 Sísmicos y
Disipadores de energía?
c) ¿Cuáles son los costos-beneficios de una estructura de concreto
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.
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.
14
DR. MAGNO BALDEÓN TOVARAhora 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, 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
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.
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 tradicional o cada
técnica usada por separado.
15
DR. MAGNO BALDEÓN TOVARc) 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
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.
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 sepa si
llegará a ser necesario el crear una droga para este fin.
16
DR. MAGNO BALDEÓN TOVARLa 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.
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.
El diseño se diagrama de la siguiente manera:
17
DR. MAGNO BALDEÓN TOVAREn 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 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
Este trabajo de investigación es de enfoque cualitativo dominante, se
trabajó en conjuntos de personas, contextos, eventos o sucesos sobre 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. 18
DR. MAGNO BALDEÓN TOVAR1.8.4. 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 ayuda a descubrir posibles candidatos a
problemas.
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
trabajo:
a) HARDWARE (computadoras de última generación)
b) SOFTWARE (Microsoft Excel y Sap2000)
19
DR. MAGNO BALDEON 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 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 profesional de Ingeniero
Civil sostienen.
Los objetivos principales de esta tesis consisten en elaborar una
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,
31
DR. MAGNO BALDEÓN TOVARdesarrollar 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.
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.
La uniformización de desplazamientos y la concentración de los
modos de vibración en sólo un modo independiente por 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
32
DR. MAGNO BALDEÓN TOVARque 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 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
amortiguamiento efectivo del orden del 25% en edificaciones
educativas de poca altura proyectada sin criterios efectivos de diseño
sismorresistente.
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.
33
DR. MAGNO BALDEÓN TOVARc) 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 ocasionados
por un sismo.
El amortiguamiento de la estructura calculado a partir de la 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 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.
34
DR. MAGNO BALDEÓN TOVARd) Marco Díaz La Rosa en su tesis (2014): EVALUACIÓN DEL
PROYECTO ESTRUCTURAL Y OPTIMIZACIÓN DEL DISEÑO CON
DISIPADORES DE ENERGÍA VISCOSOS TAYLOR PARA 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 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 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 %
empleándose en el diseño un total 27 disipadores y considerando
como sismo de diseño el de Moquegua 2001, demostrándose así que
35
DR. MAGNO BALDEÓN TOVARcon 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:
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 voladizos y amplios vanos.
Un resultado importante del análisis del edificio Vanguardia
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
36
DR. MAGNO BALDEÓN TOVARposibles 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 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 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 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
37
DR. MAGNO BALDEÓN TOVARpropiedades 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 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 elementos estructurales de lo que típicamente
se podría esperar, manteniéndose dentro del rango elástico, y
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
38
DR. MAGNO BALDEÓN TOVARelegido), 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 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 de
análisis fue de 15, siendo una diferencia importante entre los dos tipos
de estructuras, además en el caso Vanguardia aislado 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 modelos
39
DR. MAGNO BALDEÓN TOVARutilizados, 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 sismo de Llolleo de tamaño de paso menor (0.005 seg.), existieron
algunos errores de aproximación debido a que al 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 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
40
DR. MAGNO BALDEÓN TOVARfundamental, 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 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 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 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.
41
DR. MAGNO BALDEÓN TOVAREn definitiva, la validación del método simplificado planteada en
nuestro estudio para un movimiento plano de edificios de varios 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 el punto de vista del comportamiento
sismorresistente de edificios aislados. 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 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 edificio se opone a
ser desplazada dinámicamente y a seguir el movimiento de su base.
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
42
DR. MAGNO BALDEÓN TOVARflexible 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 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 modelo
con aislador de base es notoriamente mejor, incluso acelerándose
menos que el suelo.
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
43
DR. MAGNO BALDEÓN TOVARprimer 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.
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
excitación cercanas a la frecuencia natural de vibrar del modelo en
estado empotrado.
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
44
DR. MAGNO BALDEÓN TOVARse consideró un evento sísmico, empleando el registro sísmico
acontecido en la Ciudad de México en el año 1985.
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.
Al tener menores demandas de diseño, se logran menores secciones
de los elementos estructurales, lo que redunda en 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 requisitos de detallamiento sísmico
indicados en las normativas correspondientes a cada material.
45
DR. MAGNO BALDEÓN TOVARSi 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 las demandas sísmicas,
las estructuras deben cumplir con los requisitos de detallamiento sísmico
indicados en las normativas correspondientes a cada material.
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 del
comportamiento de un edificio sin dispositivos de disipación de energía y
un edificio con disipadores de energía.
46
DR. MAGNO BALDEÓN TOVAR
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 detallada
historia y resumen de los procedimientos usados para el diseño sísmico de
edificios se puede encontrar en el documento ATC-34 (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
47
DR. MAGNO BALDEÓN TOVARdiseño 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 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 3 muestra
el aumento del uso de sistemas de aislación sísmica en Japón después del
terremoto de Kobe de 1995.
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
48
DR. MAGNO BALDEÓN TOVAREstados 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. 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 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.
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 ubicados
49
DR. MAGNO BALDEÓN TOVARpor 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.
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 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 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
50
DR. MAGNO BALDEÓN TOVARestructura 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 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.
51
DR. MAGNO BALDEÓN TOVAR
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 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.
52
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 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.
53
DR. MAGNO BALDEÓN TOVAR2.3. DEFINICIÓN DE CONCEPTOS CLAVES:
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
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 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.
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 54
DR. MAGNO BALDEÓN TOVARespecialmente 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 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 un corte de un aislador elastoFigura 26. Aislador
tipo LDRB. mérico tipo LDRB.
2.3.6 Aisladores Elastoméricos 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 27 muestra los componentes de un aislador elastomérico tipo LRB.
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DR. MAGNO BALDEÓN TOVAR2.3.7 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 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 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 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 ser
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DR. MAGNO BALDEÓN TOVARautocentrantes. 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.
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