1. INTRODUCCIÓN La Ingeniería Sísmica es el estudio del comportamiento de los edificios y las estructuras sujetas a carga sísmicas, entre sus prioridades destacan la obtención de altos niveles de seguridad y la mejora del comportamiento de las estructuras ante dichos eventos dinámicos (sismos). Las dificultades con las que ha tenido que lidiar la Ingeniería Sísmica al tener que diseñar estructuras que soporten sismos de distintas magnitudes. Entre sus soluciones, la colección de elementos estructurales para aislar la superestructura del edificio del terreno y así proteger la integridad del edificio. La ingeniería sísmica actual ha desarrollado interesantes tecnologías con el propósito de proteger las estructuras frente a terremotos, como los aisladores sísmicos de base, elementos que admiten deformaciones de más de 1 metro. . El diseño sismo resistente de edificios con aisladores sísmicos consiste en la modificación de las características dinámicas de la edificación reduciendo su demanda sísmica. Los aisladores sísmicos de base consisten en unos elementos elastoméricos colocados en la estructura, cuya flexibilidad permite minimizar los daños por sismo. El elastómero, a su vez está, reforzado interiormente con láminas de acero que evitan el aplastamiento del aislador por el peso de la estructura. Estos sistemas tienen como principio proteger a las estructuras de los sismos, para ello desacoplan a la estructura del movimiento del suelo logrando un incremento en el periodo fundamental de vibración en todo el sistema, incluyendo a los aisladores. La protección a la estructura se consigue a partir de dispositivos flexibles a los movimientos horizontales y rígidos al desplazamiento vertical, situados entre los cimientos y la superestructura.
2. MARCO CONCEPTUAL 2.1.
Definiciones
Dentro de la protección sísmica nos encontramos con distintas variantes, por lo que no hay que confundir aislación sísmica con disipación sísmica. 2.1.1. Aislación sísmica 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.
2.1.1.1.
Aislador sísmico.
Los aisladores sísmicos de base consisten en unos elementos elastoméricos colocados en la estructura, cuya flexibilidad permite minimizar los daños por sismo. El elastómero, a su vez está, reforzado interiormente con láminas de acero que evitan el aplastamiento del aislador por el peso de la estructura.
2.1.2. Disipación sísmica 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
desplazamientos horizontales
adicionales
para
controlar
los
3. MARCO TEORICO 3.1.
Justificación
En los últimos años la ingeniería sísmica en todo el mundo ha enfocado muchos de sus esfuerzos a investigar a implementar métodos para mitigar la amenaza de las comunidades más vulnerables. Entre estos los sistemas pasivos de disiparon de energía para el diseño y el reforzamiento han tomado un gran auge gracias a la ayuda de los procesadores electrónicos y la dinámica estructural hoy en día numerosos ejemplos de estructuras construidas en el mundo. La disipación pasiva de energía es una tecnología de mejora en el desempeño de una edificación añadiendo amortiguación a su estructura, siendo el uso primario de los disipadores de energía, la reducción de los desplazamientos sísmicos de la estructura Los disipadores de energía reducen, igualmente, la fuerza en la estructura, proporcionándole a su vez una respuesta elástica, en algunos casos, sin que deba esperarse la reducción de la fuerza en estructuras que estén respondiendo más allá de la fluencia.
4. OBJETIVOS
Presentar un resumen comparativo del estado del arte en sistemas de protección sísmica.
Mostrar el comportamiento sísmico de los aisladores de base.
Realizar un estudio comparativo económico de un edifico con aisladores y un edificio fijo
5. VENTAJAS
Reduce las fuerzas cortantes y desplazamientos relativos
Las vidas son protegidas y los elementos no estructurales preservados, manteniéndose las estructuras operativas luego de un sismo.
Reduce sección geométrica de las estructuras.
Aminora los costos de siniestralidad.
Evita pérdidas materiales cuantiosas y tiempos en reparaciones.
6. CARACTERÍSTICAS DE UN AISLADOR SÍSMICO EN UN EDIFICIO Una estructura aislada con DIS recibe la cuarta o quinta parte de la aceleración del terreno, mientras que la estructura convencional la amplifica 3 a 4 veces.
Desempeño bajo todas las cargas de servicio, verticales y horizontales. Deberá ser tan efectiva como la estructura convencional.
Provee la flexibilidad horizontal suficiente para alcanzar el periodo natural de la estructura aislada.
Capacidad de la estructura de retornar a su estado original sin desplazamientos residuales. Provee un adecuado nivel de disipación de energía, de modo de controlar los desplazamientos que de otra forma pudieran dañar otros elementos estructurales.
7. ESPECTRO GENERAL DE DISEÑO Reducción de aceleración mediante aislación sísmica Los aisladores sísmicos actúan modificando el periodo natural de la estructura no aislada de modo de reducir la aceleración sobre la estructura aislada
8. TIPOS DE AISLADORES SISMICOS La aislación sísmica consiste en desacoplar horizontalmente a la estructura del suelo. El sistema de aislación usado y los dispositivos de aislación para lograr dicho objetivo pueden variar de acuerdo con las necesidades o preferencias del diseñador. Los dispositivos de aislación, también llamados aisladores, son elementos estructurales muy flexibles en la dirección horizontal y sumamente rígidos en la vertical que permiten grandes deformaciones horizontales ante las solicitaciones sísmicas. El sistema de aislación es el conjunto de elementos estructurales que incluye a todos los aisladores, sus conexiones y a los elementos estructurales que transmiten fuerza entre el sistema de aislación y la superestructura y subestructura. Existen dos tipos de sistemas de aislamiento: 8.1.
LOS APOYOS ELASTOMÉRICOS Hay tres tipos de apoyos elastoméricos ampliamente usados:
8.1.1. APOYOS DE CAUCHO NATURAL O GOMA (NRB) Este dispositivo en muy flexible en su dirección horizontal, pero verticalmente posee una gran rigidez. Su objetivo fundamental es flexibilizar lateralmente a la estructural. Comúnmente son utilizados en puentes.
8.1.1.1.
VENTAJAS La aislación sísmica utilizando goma permite lo siguiente:
Debido a la gran flexibilidad de la interface de aislación ubica el período fundamental de la estructura en una banda de períodos donde la energía del sismo es menor.
Limita la participación de modos superiores en la respuesta, debido a la ortogonal dad de estos con la acción, que se asemeja en forma al primer modo de vibrar, es decir generar un bajo factor de participación sísmica para los modos superiores.
Si el sistema de aislación posee amortiguamiento, como es el caso de aisladores con goma de alto amortiguamiento o aisladores con núcleo de plomo, es posible reducir aun más las aceleraciones.
Al no participar en mayor medida los modos superiores, la respuesta está controlada por el modo fundamental que posee una forma lineal en la estructura y una amplitud importante en la aislación. Esto significa que el sistema se puede modelar como de 1 grado de libertad lo que simplifica considerablemente su análisis y pre diseño.
La libertad de ubicación y características en el diseño de los aisladores permite eliminar los problemas de excentricidades en planta, controlar la torsión y la retracción en caso de que la estructura sea de hormigón.
Al existir una capa de baja rigidez en la estructura, la aceleración disminuye y el período asociada a ellas también, produciéndose una baja distorsión de entrepiso y una baja aceleración de piso. Esto contribuye a limitar el daño estructural y no estructural del sistema.
La fuerza en el sistema o superestructura se reduce considerablemente permitiendo en algunos casos su diseño elástico y por tanto una mejor predicción con las herramientas de análisis actuales y la capacidad de generar sistemas con protección de función e inversión.
Debido a su dimensión y proceso de elaboración de los aisladores en fábricas con ambiente controlado, es posible garantizar sus propiedades mecánicas y establecer su estabilidad en el tiempo.
8.1.1.2.
Reduce los costos de reparaciones en terremotos futuros DESVENTAJAS La ubicación del primer modo de la estructura en la zona de demanda asociada a períodos largos genera desplazamientos considerablemente mayores. En la Figura 2 se presenta el espectro de respuesta de desplazamiento para el mismo caso anterior, de esta se observa que los desplazamientos debido a la aislación se aumentan en un 500%. Esto sin embargo puede ser controlado parcialmente con el amortiguamiento.
Requiere de la generación de un piso adicional donde se ubicaran los aisladores.
Requiere de cambios importantes arquitectónicos y de servicios.
8.1.1.3.
Aumenta los costos constructivos. COMPONENTES
8.1.2. APOYOS DE CAUCHO CON NÚCLEO DE PLOMO (LRB), Lateralmente, estos aisladores son muy flexibles pero verticalmente son muy rígidos. La alta rigidez vertical es alcanzada teniendo delgadas capas de caucho reforzadas por platinas de acero. El núcleo de plomo proporciona amortiguamiento
deformando
plásticamente cuando el aislador se mueve lateralmente en un sismo
8.1.2.1.
Características
8.1.2.2.
Propiedades y parámetros máximos.
8.1.2.3.
Ventajas Reduce hasta el 80% la energía sísmica Adaptación aislación sísmica a edición existentes
8.1.2.4.
Usos Aislamiento sísmico especialmente adecuado para hospitales, puentes, fábricas centro educacionales museos edificios de oficina y habitaciones estanques de combustibles
8.1.2.5.
PROCESO CONSTRUCTIVO AISLADORES DE CAUCHO CON NÚCLEO DE PLOMO Fabricación de los aisladores
8.1.2.5.1
Delgadas capas de caucho son cortados a medida para el aislador
Se colocan capas delgadas de caucho intercalado con platinas de acero para darle rigidez verticalmente pero muy flexibles en el sentido horizontal. El objetivo es lograr que resista el peso de la estructura y a la ves disipar la energía en caso de un movimiento sísmico
8.1.2.5.2.
Colocación en la estructura
Se construye la base que donde ira fijado el aislador, esta base está conectado con la cimentación de la estructura.
Sera necesario una grúa para levantar y colocar el aislamiento
8.1.3.
El aislador es colocado y fijado con pernos en su base. Luego se podrá seguir la construcción de la estructura sobre el aislador.
apoyos de caucho de alta disipación de energía (HDR) Los aisladores de neopreno zunchado intercalan placas delgadas de acero en un bloque cúbico o cilíndrico de neopreno, una imagen y un esquema de un aislador HDRB se muestran en la Figura. La rigidez vertical del HDRB aumenta considerablemente, manteniendo su flexibilidad lateral [9]. Los aisladores de alto amortiguamiento están hechos de un compuesto especial de goma, obtenido con la adición de carbono extra fino, aceite negro, o resinas, que permite alcanzar valores más altos de amortiguamiento. El espesor de las capas de caucho varía, normalmente, entre los 8 mm y 20 mm, y el espesor de la capa de acero oscila entre los 2 mm y los 4 mm.
8.1.4.
Características En su proceso de fabricación, es necesario que el hueco realizado en el caucho sea más pequeño que el diámetro del elemento de plomo, para que éste sea forzado a entrar. Esta característica garantiza la uniformidad del bloque y la consiguiente deformación por cortante de todo el volumen del núcleo de plomo. La plastificación del núcleo de plomo garantiza elevados valores de amortiguamiento, que originan, no sólo menores desplazamientos de la superestructura, sino también mayor rigidez lateral del tablero para niveles bajos de acciones horizontales. La tensión de cedencia a cortante del núcleo de plomo es de, aproximadamente, 10MPa sobrepasado este valor, la rigidez del dispositivo es la rigidez del caucho, lo que proporciona al dispositivo una rigidez bi-lineal. Este comportamiento es excelente, incluso a bajas temperaturas, pues el caucho presenta buenas características de resistencia a fatiga bajo estas condiciones. La rigidez inicial del aparato LRB es cerca de 10 veces superior a la rigidez poselástica, resultante de la cadencia del núcleo de plomo. Este tipo de sistema de aislamiento sísmico es
la
solución
más
utilizada
comportamiento y bajo costo.
en
puentes,
dada
su
simplicidad,
9.
CLASES DE AISLADORES SISMICOS 9.1.
Aisladores sísmicos con centro de plomo. Mantiene una rigidez inicial y una amortiguación de 30%
9.2.
Aisladores sísmicos sin núcleo de plomo Están compuestas de mixtura especial de caucho placas de acero que permiten otorgar una amortiguación hasta 16%
9.3.
Aisladores de péndulo o superficie curva con roboslide Superficie controlada por sensores, permitiendo una amortiguación sobre el 30%. Estos transmiten el esfuerzo vertical a la cimentación registrando rotaciones de una esfera contra una superficie cóncava. La superficie permite movimientos longitudinales como transversales con la posibilidad de controlar los sentidos de los movimientos mediante una barra de control
10.
EMPRESAS QUE IMPULSAN EN EL MERCADO PERUANO
Empresa CDV Representaciones
A través de la empresa CDV Representaciones se ha introducido en el mercado peruano los aisladores sísmicos elastoméricos DIS (Dynamic Isolation System), empresa líder y pionera del sistema de aislamiento sísmico fundada en 1982 en Nevada (USA). DIS tiene una experiencia en más de 300 proyectos completos en
15 países como USA, Japón, Turquía, India, México, etc. En la actualidad se han instalado más de 15000 aisladores en diferentes partes del mundo. 11.
PORTAFOLIO DE AISLADORES EN EDIFICACIONES En el Perú se ha reforzado la Torre Central de 10 pisos del Aeropuerto Jorge Chávez – Lima- PERU (2006) con disipadores fluido viscoso TAYLOR. Se colocaron 42 disipadores, F = 49t y 71.2 t.
CONCLUSIONES
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.
Bibliografía
Tecnologías Estructurales Avanzadas S.A (TECNOAV S.A) http://www.tecnoav.cl/
Atlantik Ocean Tower http://www.atlantik.pe/aisladores-sismicos.html
CDV – Tecnología e Innovación para la Construcción http://cdvrepresentaciones.com/empresa/
“Teoría del aislamiento sísmico para edificaciones” M.I. miguel ángel rodríguez vega http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/132.248.52.100/2521/TESIS.pd f?sequence=1
Dynamic Isolation Systems ( empresa productora de aisladores sísmicos) http://www.dis-inc.com/company.html
Ashner, J, Volkinburg, D, Mayes, R., Kelly, T., Sveinsson, B., y Hussain, S. "Seismic isolation design of the USC University Hospital". Proceedings of the Fourth National Conference on Earthquake Engineering, USA, 1990.
