“UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN CRISTÓBAL DE HUAMANGA “FACULTAD DE INGENIERÍA DE MINAS, GEOLOGÍA Y CIVIL” “ESCUELA DE FORMACIÓN PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL”
“AISLAMIENTOS SÍSMICOS DE BASE EN EDIFICIOS” CURSO:
FISICA II (FS-241)
PROFESOR: JANAMPA QUISPE, Klever ALUMNO: CONTRERAS VENTURA, Samir Chayanne CODIGO: 16115693 CICLO ACADEMICO:
2012-I
AYACUCHO‐PERU
AISLAMIENTOS AISL AMIENTOS SÍSMICOS DE BASE EN EDIFICIOS I.
IDENTIFIC IDENTIFICACIÓN ACIÓN DEL PROBLEMA: Evitar pérdidas de vidas humanas y accidentes, que pudieran originarse por la
ocurrencia de cualquier evento sísmico, protegiendo los servicios y bienes de la población durante el sismo. Evitar daños en la estructura y en los componentes de la construcción en sismos de frecuente ocurrencia, o reducirlos al mínimo en los de mediana intensidad. Evitar que en las construcciones se originen daños y colapsos que pongan en peligro a las vidas de las personas o que inutilicen a esas construcciones en el caso de sismos severos o extraordinarios. Lograr que las construcciones esenciales de servicios de emergencia sigan funcionando, aún en sismos destructivos.
II.
OBJETIVOS: El objetivo general es dar a conocer
esta innovadora técnica de aislamientos
sísmicos en edificios que se está usando recientemente con gran acogida y demanda por los resultados muy óptimos que se tuvieron frente a un sismo. Los objetivos específicos son: 1) Explicar cómo funcionan las bandas elásticas de aislamiento sísmico en una estructura. 2) Comprender los fenómenos físicos que actúan en las bandas elásticas y en la estructura del edificio. 3) Como se comportan las ondas sísmicas, el periodo y la cortante en un edificio sin aislamiento sísmico y otro con aislamiento sísmico. 4) Realizar un cuadro comparativo de ventajas y desventajas de un edificio con aislamiento sísmico. 5) Un pequeño análisis p ara la ciudad de Ayacucho si sería bueno su uso en construcciones.
III. FUNDAMENTO TEÓRICO: A. FUNDAMENTO FISICO:
EL OSCILADOR ARMÓNICO. Movimiento oscilatorio. Es el de un móvil que pasa cada cierto instante por las mismas posiciones. Se dice que el móvil ha efectuado una oscilación cuando se encuentra en la misma posición que la de partida y moviéndose en el mismo sentido. Podemos definir entonces:
Periodo (T): tiempo que tarda en producirse una oscilación. Frecuencia (f): número de oscilaciones que se producen cada segundo.
Movimiento oscilatorio armónico. Si un cuerpo es apartado de su posición de equilibrio estable, comienzan a actuar sobre él fuerzas restauradoras que tienden a devolverlo a su estado original de equilibrio. Si dicha fuerza recuperadora obedece la Ley de Hooke: (es decir: dicha fuerza es proporcional a la posición de la partícula y tiende a llevarla hacia una posición de equilibrio considerada como x=0), entonces la posición de la partícula es una función sinusoidal del tiempo: decimos que dicha partícula está animada de un movimiento armónico simple. Y esta posición se puede escribir: (I) x(t)= elongación: posición de la partícula respecto de la posición de equilibrio (x=0). A: amplitud: máxima elongación: máxima distancia de la partícula a la posición de equilibrio.
: Frecuencia angular: : Fase : Fase inicial A partir de la expresión (I), derivando, podemos obtener las expresiones para la velocidad y aceleración de una partícula sometida a este movimiento:
Además, es evidente comprobar que (I) es la solución para el movimiento de una partícula sometida a una fuerza recuperadora que obedece la Ley de Hooke: y, como acabamos de ver tanto:
, que se cumple siempre que se haya definido
, por .
Relación entre el movimiento armónico simple y el movimiento circular uniforme.
Supongamos un móvil efectuando un movimiento armónico sobre el eje OX con amplitud A, mientras otro describe un movimiento circular de radio A. Los dos parten simultáneamente de la misma posición indicada en la figura y ambos tienen el mismo periodo:
Para el móvil que describe el movimiento armónico simple, obtendremos:
Para el móvil que describe el movimiento circular uniforme, si nos fijamos en un punto cualquiera de su trayectoria, vendrá definido por un vector posición r(t):
Y obtendremos:
Vemos que las componentes X de estas magnitudes coinciden con las propias del movimiento armónico: el movimiento armónico simple puede considerarse como una proyección de un movimiento circular uniforme sobre un diámetro de la misma circunferencia.
Energía del oscilador armónico simple.
Las fuerzas restauradoras que obedecen la Ley de Hooke son conservativas, por lo tanto el trabajo que realizan dichas fuerzas:
.
Por otro lado, el trabajo realizado por la fuerza restauradora al desplazar el cuerpo desde una posición x hasta la posición de equilibrio será:
y tomando referencia de energía potencial 0 en la posición de equilibrio:
Por otro lado, la energía cinética de esa partícula es:
, que si tenemos en
cuenta la expresión de la velocidad en función de la posición ( podremos escribir:
,
Con todo esto, la energía mecánica de un oscilador armónico la podemos obtener como suma de su energía cinética más su energía potencial:
El péndulo simple.
Supongamo Supongamoss que de un un hilo de de longitud longitud suspendemo suspendemoss una bolita bolita de masa masa m, lo colgamos del techo y lo hacemos oscilar ligeramente respecto a su posición de equilibrio:
La fuerza recuperadora (que en cada punto empuja a la bolita hacia la posición de equilibrio) es la componente tangencial del peso:
Si el ángulo que forma el hilo con la vertical es muy pequeño:
En este caso podremos escribir:
de donde:
, y como
, y obtenemos:
MOVIMIENTO ARMONICO FORZADO Ecuación de Movimiento.
Consideremos un sistema Masa-Resorte en el que además de la fuerza de restitución del resorte se tiene la presencia de una fuerza Ff (t) (t) que trata de forzar el movimiento de la masa. Si la fuerza de forzamiento es una función armónica en el tiempo, con frecuencia angular f , y amplitud F 0, de la forma:
Ff t F0 cos f t ,
La ecuación de movimiento de la masa, de acuerdo con la Segunda Ley de Newton, es: kx F0 cos f t ma,
Donde m es la masa; a es la aceleración; k es la constante de elasticidad; y, x la posición, considerando que la posición de equilibrio equilibrio es el origen de referencia. Sea 0 la frecuencia natural, con puede escribir como: 2
d x dt
2
2
0 x
F0 m
2 0
= k/m, entonces la ecuación de movimiento se
cos f t .
Solución de la Ecuación de Movimiento. Sabemos que la posición en función del tiempo dada por x 1 t C cos 0 t ,
donde donde C y constantes constantes que se se determinan determinan con con las condicio condiciones nes iniciales, iniciales, es es solución solución general de la ecuación del Movimiento Armónico Simple, 2
d x dt
2
2
0 x 0,
por lo que es parte de la solución de la ecuación de movimiento con forzamiento (ec. 2). La otra parte de la solución debe ser tal que al sustituirla en los términos de la izquierda en la ecuación de movimiento (ec. 2), resulte la función armónica de la derecha de la igualdad; por lo que de manera natural podemos proponer que la segunda parte de la solución sea de la forma:
x 2 t B cos f t ,
donde B es la constante. Para determinar a la constante B sustituimos la solución 5 en la ecuación 2, obteniendo:
2 f
2
0 B cosf t
F0
cosf t ,
m
de donde se tiene que el valor de la constante B, para
B
F0 2
2
m 0 f
f
0,
es:
.
Entonces la solución general completa de la ecuación de movimiento resulta: x t x 1 t x 2 t
xt C cos0 t
F0
2
m 0
2 f
cosf t .
Por lo tanto el movimiento en general corresponde a una superposición de dos movimientos armónicos que tienen diferente amplitud y diferente frecuencia. Dependiendo de las condiciones iniciales serán los valores de las constantes C y La velocidad del movimiento de la masa es: v t C0 sen0 t
F0 f
2
2
m 0 f
senf t ;
y la aceleración es: 2
2
at C0 cos0 t
F0 f 2
2
m 0 f
cos f t .
Supongamos que las condiciones iniciales son x(0) = x 0, y v(0) = v 0, entonces al aplicarlas a las ecuaciones 7 y 8, obtenemos las relaciones:
x 0 C cos
F0 2
2
m 0 f
v 0 C 0 sen ;
,
de donde se determina el valor de las constantes C y D. Dependiendo de la frecuencia del forzamiento respecto a la frecuencia natural será la importancia del valor del segundo término en la relación 10 comparado con el valor de la posición inicial x 0 para determinar el valor de la constante C; y, de ahí su importancia al comparar los dos términos de la solución 7.
Las figuras 1 a 4 muestran las gráficas de la posición (ec. 7) en función del tiempo para distintos valoras de la frecuencia de forzamiento. Los parámetros que son iguales en todas las gráficas son: w0 = 10.0 rad/s; F0 = 10.0 N; m = 1.0 kg; x 0 = 1.0 m; y, v 0 = 0.0 m/s. Dependiendo de la frecuencia de forzamiento es la forma en que se “modula” la amplitud. Si la frecuencia de forzamiento es cercana a la frecuencia natural (figuras 2 y 3), es decir que w02 − wf2 es grande, la amplitud del movimiento resultante de lugar a “pulsos” o “paquetes” de oscilaciones, es decir que la amplitud al inicio de estos paquetes comienza en su valor menor (prácticamente nula en la figura 2), para luego alcanzar su máximo, y de nuevo volver a su valor menor. Si la frecuencia de forzamiento no es cercana a la frecuencia natural, es decir que 02 - f 2 es pequeña, entonces la variación en la amplitud se manifiesta en una forma diferente, como se ilustra en las figuras 1 y 4.
Resonancia. Para fijar algunas ideas respecto a la amplitud y la importancia relativa de los dos términos de la solución general (ec. 7), consideremos que la velocidad inicial es nula, por lo que la fase inicial resulta nula (ec. 11), obteniéndose a la posición en e n función del tiempo, ecuación 7 con el valor de la constante C dada por la ecuación 10, como:
x t x 0
F0 2
2
m 0 f
F0 cos t cos f t . 0 2 2 m 0 f
Si la diferencia 02 - f 2 es grande, la amplitud del primer término de la ecuación 12 tiende a ser igual a x0, y el segundo término tenderá a ser solo una pequeña perturbación. Por otra parte, si la diferencia 02 - f 2 es pequeña, entonces x 0 es despreciable en el primer término de tal forma que la ecuación 12 se puede escribir de la siguiente manera:
F0 2 2 m 0 f
x t
cos0 t cos f t .
Utilizando la identidad trigonométrica de la diferencia del coseno de dos ángulos diferentes, se puede transformar la ecuación para que quede de la forma:
2F0 f f sen 0 t sen 0 t . 2 2 m 2 2 0 f
x t
En la ecuación 13, la constante por la primera de las funciones armónicas tiene una frecuencia angular muy pequeña, por lo que constituye la “envolvente” o amplitud de la segunda función armónica que tiene una frecuencia aproximadamente igual a w0. La figura 5 muestra la gráfica de la función de la posición en el tiempo (ec. 13), en las regiones oscuras en realidad se tiene una gran cantidad de oscilaciones (ver las escalas de tiempo y de posición).
La figura 6 muestra la amplitud de las oscilaciones, F 0/m(w0 2−wf2), en función de la frecuencia angular f considerando que x 0 = 0.0 m, y v 0 = 0.0 m/s.
2
1.75
1.5
1.25 m m B d d u t u 1 t i i l l p p m m A A0.75
0.5
0.25
0
5
10
HL 15
20
Frecuencia Frecuencia wf rad rad s
. Grafica de la amplitud en función de la frecuencia angular f . Superposición de dos (MAS) de la misma dirección y de distinta frecuencia. Ahora vamos a aplicar el mismo procedimiento para obtener la amplitud amplitud resultante de la composición de dos (MAS) de la misma dirección pero de distinta frecuencia.
Descripción Supongamos dos MAS de distinta frecuencia angular y con la misma fase inicial x1=A1·sen(w1·t)
x2=A2·sen(w2·t)
De acuerdo con la interpretación geométrica de un MAS.
El primer (MAS) es la proyección sobre el eje X de un vector de longitud A 1 que gira con velocidad angular w 1. El segundo (MAS) es la proyección sobre el eje X de un vector de longitud A 2 que gira con velocidad angular w 2. El MAS resultante es la proyección sobre el eje X del vector suma vectorial de los dos vectores.
De forma vectorial lo expresamos como
El módulo del vector resultante no tiene una longitud constante
su valor máximo es A 1+A2 y su su val valor or míni mínimo mo es amplitud es modulada
A1-A2
. Se dice entonces que la
Cuando las amplitudes A1=A2 podemos expresar de forma más simple el MAS resultante x= x1+ x2=A1·sen(
1·t)+A1·sen(
2·t)
Esta ecuación nos dice que se trata de un MAS de frecuencia angular (
1+
2)/2
y de amplitud
En la figura, en color rojo se muestra la amplitud modulada A y en color azul el resultado x de la composición de los dos (MA).
B. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE APLICACIÓN A LA INGENIERÍA AISLAMIENTOS AISL AMIENTOS SÍSMICOS DE BASE EN EDIFICIOS
¿Qué es un sismo, o terremoto? Los sismos son vibraciones de la tierra, causadas por el fractura miento en profundidad de las rocas sometidas a permanentes y continuos esfuerzos, que se acumulan más allá de su límite elástico, hasta romperse y causar un desplazamiento súbito de la roca que la vuelve elásticamente a su forma original (el salto atrás de las rocas fue denominado "rebote elástico"). El término sismo viene del griego “seísmos “(= agitación), y el término terremoto, de los vocablos latinos “tierra “y “motus” (= movimiento de tierra).
¿Que son las ondas sísmicas? El “golpe” terrestre, provocado por la ruptura y movimiento súbito de las rocas, genera ondas sísmicas en todas direcciones, que transmiten el movimiento o temblor de tierra. El punto dónde se inicia la ruptura se denomina foco o hipocentro, y el punto en la superficie terrestre, directamente encima del foco, es el epicentro del sismo. Las ondas sísmicas son de tres tipos: (1) Ondas
primarias o longitudinales (ondas
“p”), (2) ondas secundarias o
transversales (ondas “s”), y (3) ondas superficiales o largas (ondas “l”). En las ondas longitudinales las partículas se mueven en la misma dirección de propagación de la onda, comprimiendo y expandiendo sucesivamente la roca. Las ondas transversales en cambio, “sacuden" las partículas en ángulos rectos a la dirección en que viajan. Finalmente, en las ondas superficiales el movimiento de las partículas es algo más complejo (circular), y a medida que viajan a lo largo del suelo,
hacen que se mueva éste y todo lo que está sobre él, de manera parecida a como el oleaje oceánico empuja un barco. Los tres tipos de ondas sísmicas viajan a velocidades diferentes, incluso en el mismo medio. Las más veloces en propagarse son las ondas longitudinales, y las más lentas son las ondas superficiales.
Resonancia Los movimientos, y por lo tanto los esfuerzos a que se ven sometidas las distintas partes, dependen, entre otras, de las características de la onda sísmica, y de las frecuencias naturales de oscilación del edificio. El edificio tenderá a oscilar según sus frecuencias propias de oscilación, que si no coinciden con algún armónico de los principales que forman la onda sísmica no aumentará en cada oscilación, pero en el caso de que coincidan, se produce el fenómeno de resonancia. Cuando el seísmo posee un armónico de amplitud considerable que coincide con una frecuencia de oscilación natural de edificio (o período fundamental), éste entra en resonancia, y la aceleración crece en cada periodo, por lo que irremediablemente será destruido, a menos que el seísmo cese rápidamente, o que la ruptura de algunas de las partes del edificio varíen su frecuencia natural de oscilación, o que el rozamiento interno de los materiales sea suficiente como para disipar la energía. En teoría es posible estudiar la respuesta de un edificio ante un seísmo, a partir de un acelerograma (esquema teórico del seísmo). La construcción resistirá si todas sus partes consiguen responder a los movimientos coherentemente, ya sea trasladándose juntas, o girando alrededor de los mismos ejes en cada instante. Para esto se supone que los distintos nudos no pueden variar su distancia, pues los elementos que forman la estructura no pueden ni alargarse ni acortarse. Cuando se quiere que una construcción resista sismos fuertes, se diseña especialmente para ello. Por ejemplo es necesario que los hospitales sigan en pie después de un terremoto. Suele dar la impresión de que los edificios altos, sobre todo si son de similar construcción van a sucumbir antes en un seísmo. Esto suele ser cierto, pues además los edificios altos tienen mayor periodo de oscilación. Sin embargo esto depende de los armónicos de resonancia del seísmo y del edificio, por lo que en general puede ser bastante arbitrario.
Figura 2. Este edificio, tenia dos zonas con dos alturas distintas, como puede apreciarse en las ventanas de la última planta. Curiosamente, la zona más elevada ha resistido, aunque esto no suele ser así. Quizás su frecuencia de resonancia no haya coincidido con la del seísmo, mientras que en la otra parte sí.
ACCIONES SISMICAS La acción de los sismos sobre los edificios y el comportamiento de éstos frente a una solicitación de tal naturaleza es compleja. Aunque se ha adelantado mucho al respecto, especialmente en algunos países, aún queda mucho por estudiar y experimentar. Además existen diferencias en los recursos tecnológicos, económicos y naturales entre las diferentes naciones, y aún entre distintas regiones de un mismo estado. En los últimos 10 años en ciudades importantes a nivel mundial se han dado sismos catastróficos que han provocado la muerte de más de 100,000 personas. En la mayoría de los casos las fallas se han debido a problemas de mala calidad de los materiales utilizados en la construcción, ausencia o deficiencias en el diseño estructural o composición arquitectónica inadecuada. Gran parte de las construcciones existentes en zonas sísmicas no se ciñen a un criterio de diseño adecuado que las haga razonablemente seguras en caso de terremotos. Contando sólo con conocimientos rudimentarios y el deseo de aumentar la seguridad sísmica, muchas veces las obras se han encarecido exageradamente y hasta se han sobredimensionado elementos que con su excesivo peso contribuyen al derrumbe de la estructura.‐ O bien a la inversa, haciendo caso omiso del efecto sísmico, se construyen edificios incapaces de mantenerse en pie aún ante la presencia de sismos débiles. Por lo tanto, para evitar que los terremotos devengan en catástrofes, es necesario disminuir la vulnerabilidad de las construcciones, lo que se logra mediante el desarrollo, actualización permanente y aplicación efectiva de reglamentos para construcciones sismo resistentes. Es por esto que en 1972 se crea el Instituto Nacional de Prevención Sísmica (INPRES), que en 1983 crea el Reglamento Argentino para Construcciones Sismo resistentes (CIRSOC 103).
Interesa fundamentalmente el aspecto preventivo de esta norma, que tiene los siguientes objetivos: Evitar pérdidas de vidas humanas y accidentes, que pudieran originarse por la ocurrencia de cualquier evento sísmico, protegiendo los servicios y bienes de la población durante el sismo. Evitar daños en la estructura y en los componentes de la construcción en sismos de frecuente ocurrencia, o reducirlos al mínimo en los de mediana intensidad. Evitar que en las construcciones se originen daños y colapsos que pongan en peligro a las vidas de las personas o que inutilicen a esas construcciones en el caso de sismos severos o extraordinarios. Lograr que las construcciones esenciales de servicios de emergencia sigan funcionando, aún en sismos destructivos.
SISTEMAS DE CONTROL ESTRUCTURAL ANTE SISMO Durante la última década el concepto de aislación sísmica ha comenzado a ser considerado seriamente como una alternativa en el diseño sismo resistente de estructuras, especialmente en aquellos casos en que se busca un mejor desempeño sísmico para las estructuras y sus contenidos . El excelente desempeño que las estructuras aisladas han tenido durante los Sismos de Northridge (Los Angeles, 1994) y Kobe (Kobe, 1995), avalan las bondades de esta alternativa en cuanto a aumentar considerablemente el nivel de seguridad para las personas y la operabilidad de la estructura después de un sismo. Actualmente, los conceptos de aislación sísmica se enseñan como parte del currículo de Ingeniería Civil en la mayoría de las Universidades mundialmente reconocidas, Innumerables investigaciones se han desarrollado para demostrar la eficiencia de la aislación sísmica como una técnica sismo resistente, y numerosos dispositivos de aislación están comercialmente disponibles para su implementación en la práctica. Consecuentemente, se ha desarrollado una creciente necesidad de suplementar los
códigos sísmicos actualmente vigentes con requerimientos específicos para estructuras aisladas. Esta necesidad es compartida por los organismos encargados de la construcción y el público en general, quienes requieren que esta tecnología sea implementada adecuadamente, y por los ingenieros proyectistas, los que requieren un estándar mínimo para el diseño y construcción de estructuras con esta tecnología. Las primeras aplicaciones de los aisladores de base actuales fueron en puentes debido a que estas estructuras normalmente se apoyan sobre placas de neopreno para permitir el libre desplazamiento ocasionado por los cambios de temperatura. Esto permitió la sustitución de las placas de neopreno por aisladores de base. El primer intento moderno por utilizar un sistema de aislamiento en edificaciones se dio en la Escuela Heinrich Pestalozzi, en Skopje, Yugoslavia, en 1969, mediante un método suizo denominado “Aislamiento total de la base en tres direcciones” utilizando vigas de caucho natural sin reforzar. A partir de este edifico empezó la experimentación, implementación y patentado de sistemas en los Estados Unidos, Japón y Nueva Zelanda principalmente. sísmica empleados en la actualidad comprenden desde relativamente simples dispositivos de control pasivo hasta avanzados sistemas completamente activos. Los sistemas pasivos son tal vez los más conocidos e incluyen los sistemas de aislamiento sísmico y los sistemas mecánicos de disipación de energía. El aislamiento sísmico es el sistema más desarrollado de la familia, con continuos avances en dispositivos, aplicaciones y especificaciones de diseño. Los sistemas de protección sísmica pueden ser clasificados en cuatro categorías: sistemas pasivos, activos, híbridos y semi-activos. Las primeras aplicaciones de los aisladores de base actuales fueron en puentes debido a que estas estructuras normalmente se apoyan sobre placas de neopreno para permitir el libre desplazamiento ocasionado por los cambios de temperatura. Esto permitió la sustitución de las placas de neopreno por aisladores de base. El primer intento moderno por utilizar un sistema de aislamiento en edificaciones se dio en la Escuela Heinrich Pestalozzi, en Skopje, Yugoslavia, en 1969, mediante un método suizo denominado “Aislamiento total de la base en tres direcciones” utilizando vigas de caucho natural sin reforzar. A partir de este edifico empezó la experimentación, implementación y patentado de sistemas en los Estados Unidos, Japón y Nueva Zelanda principalmente.
AISLAMIENTO SÍSMICO DE BASE EN EDIFICIOS: El objetivo del aislamiento símico es desacoplar la estructura de los movimientos de suelo frente a la ocurrencia de terremotos. En consecuencia se evita que la Superestructura sea la responsable de disipar la energía entregada por el terremoto. La totalidad de la estructura debe ser soportada en puntos discretos por dispositivos especiales llamados aisladores, los cuales poseen características dinámicas especiales para desacoplar la estructura de los movimientos del terreno. Los desplazamientos máximos y las no linealidades se concentran a nivel del sistema de aislamiento, mientras que la superestructura se comporta como un bloque rígido por encima del mismo. Los aisladores pueden ser diseñados y construidos con un control de calidad que supera ampliamente los estándares habituales de la construcción civil, con la ventaja que pueden ser inspeccionados y eventualmente reemplazados como un dispositivo de repuesto. Por el contrario la reparación de los elementos dañados de una estructura no resulta una tarea tan simple. La aceptable experiencia lograda en edificios con aislamiento de base frente a terremotos importantes, como fue Northridge (1994) y Kobe (1995), pusieron de manifiesto la posibilidad de implementarse con éxito en zonas de elevado riesgo sísmico 1. La densidad de instrumental sísmico, fundamentalmente en la costa oeste de los Estados Unidos, ha permitido en los últimos años contar con un número importantes de registros en emplazamientos cercanos a la falla. Estos registros han puesto en duda la eficiencia de los sistemas de aislamiento para construcciones emplazadas en zonas próximas a la falla.
OBJETIVOS DE AISLAMIENTO SISMICO: Reducir las distorsiones de entrepiso y por lo tanto el daño en los componentes
estructurales y no estructurales. Reducir la aceleración de entrepiso en la estructura, para minimizar el daño en
los componentes de la estructura (Equipo eléctrico, computadoras, archivos, etc.) El Aislamiento Sísmico busca limitar el efecto negativo del sismo interponiendo
elementos especiales en la base de la estructura tales que puedan absorber la acción del sismo y al mismo soportar el peso de la estructura.
PARTES DE UN AISLADOR SÍSMICO: Relleno de plomo Láminas de goma Láminas de acero Perno de anclaje superior Placa de anclaje superior Placa de anclaje inferior
Elastómero
ELEMENTOS DEL SISTEMA DE AISLAMIENTO Un elemento que desacople la estructura de su base. Flexibilidad lateral que permita elevar el periodo de la estructura ante niveles
altos de cargas laterales. Rigidez ante niveles de carga pequeños tales como viento o sismos menores. Suficiente amortiguamiento para reducir el desplazamiento del nivel de
aislamiento. Rigidez ante cargas verticales. Mecanismo de restauración de la posición original del sistema.
ESQUEMA DE UN EDIFICIO AISLADO
QUE PROPORCIONA UN EDIFCIO CON AISLAMIENTOS SISMICO Un sistema de aislamiento en la base para una edificación debe de dotar a esta de:
. Flexibilidad para aumentar período de vibración y por tanto, reducir la fuerza de respuesta sísmica. . Capacidad de disipación de energía para reducir los desplazamientos producidos por sismo los cuales están directamente relacionados con el daño en un edificio. . Rigidez para niveles bajos de carga, como lo son las fuerzas de viento y sismos de menor importancia. La estrategia de diseño de una edificación con un sistema de aislamiento en la base tiene por objetivo aumentar el periodo fundamental de vibración de la estructura y disipar la energía de deformación de forma pasiva a través del amortiguamiento con la finalidad de: . Reducir de las aceleraciones sísmicas y por ende las fuerzas sísmicas de diseño. . Reducir las deformaciones de entrepiso en el edificio debido a sismo.
CÓMO FUNCIONA EL AISLAMIENTO SÍSMICO DE BASE: La estrategia de diseño de una edificación con un sistema de aislamiento en la base tiene por objetivo aumentar el periodo fundamental de vibración de la estructura y disipar la energía de deformación de forma pasiva a través del amortiguamiento con la finalidad de: Reducir de las aceleraciones sísmicas y por ende las fuerzas sísmicas de diseño. Reducir las deformaciones de entrepiso en el edificio debido a sismo.
El aislamiento sísmico separa mediante una interfaz flexible la estructura del suelo. Desacoplar la estructura de los movimientos del terreno. Estos elementos estructurales son dispositivos que absorben mediante deformaciones elevadas la energía que un terremoto transmite a una estructura.
Al deformarse las bandas elásticas absorben la mayor cantidad posible de energía. Las bandas elásticas hacen que se amplíen el periodo de oscilación disminuyendo así la intensidad del sismo. Las bandas elásticas están diseñadas para aguantar de forma rígida para pequeños sismos.
COMPORTAMIENTO DE UN EDIFICIO SIN AISLAMIENTO SÍSMICO DE BASE Y OTRO CON AISLAMIENTO:
Como se puede observar en la imagen el edificio que no cuenta con aislamiento sísmico es el que más daños estructurales recibe pues la vibración a medida que aumentan los pisos también aumenta esta; pero sin embargo podemos apreciar que el edificio que esta con el sistema de aislamiento sísmico no se ve afectado por que lo único que va moviendo o que absorbe las ondas son las bandas elásticas sin sufrir daños notorios en su estructura ni las personas que se hallan dentro del edificio.
ANÁLISIS DE VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE UN EDIFICIO AISLADO:
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
VENTAJAS Evita que haya daños en la estructura del edificio así como de las personas que hallan en su interior. Las construcciones son más seguras y menos m enos vulnerables a sismos o terremotos. t erremotos. Posibilita que los hospitales colegios y otras entidades no paralicen sus labores cuando estén frente a un sismo y que solo se detengan para hacer un cambio de energía de la alimentación de los servicios eléctricos y otros. Posibilita que la estructura del edificio tenga un mayor ma yor periodo de vida útil. Las bandas elásticas son fáciles de ser cambiadas y tienen un buen periodo de vida ú til. A largo plazo el edificio resulta ser más económico y seguro pues no habrá necesidad de hacer reparaciones por problemas sísmicos. Hace que los suelos blandos se vuelvan más fuertes.
DESVENTAJAS 1. Su alta efectividad es para edificios menores de 15 pisos. Pues para edificios más altos ya necesita de otros sistemas como los disipadores de energía. 2. En país emergente o subdesarrollado es muy difícil su aplicabilidad porque no hay muchos profesionales capacitados en el tema así como los materiales para poder realizarlo. 3. Para su realización los profesionales devén ser con un alto grado de instrucción en el tema.
Como podemos ver el sistema de aislamientos sísmicos resulta muy beneficioso las
desventajas son básicamente de instrucción o capacitación así como así como la adquisición de materiales.
APLICACIONES DEL AISLAMIENTO SISMICO Y RESULTADOS
Primera aplicación en Nueva Zelanda en 1974. Primera aplicación en EEUU en 1984. Primera aplicación Japonesa en 1985. EEUU ‐ 80 edificios y 150 puentes. Japón – Japón – más de1300 edificios y 500 puentes. 80 edificios y 150 puentes. Japón – Japón – más de1300 edificios y 500 puentes.
La aceptable experiencia lograda en edificios con aislamiento de base frente a terremotos importantes, como fue Northridge (1994) y Kobe (1995), pusieron de manifiesto la posibilidad de implementarse con éxito en zonas de elevado riesgo sísmico 1.
BREVE RESUMEN HISTÓRICO DE LA AISLACIÓN SÍSMICA EN EL MUNDO • Era moderna comienza en Nueva Zelanda en 1970. • Primera aplicación en Japón es de 1982 (casa pequeña). • Primera aplicación en EEUU es de 1985 (San Bernardino). • Antes de 1995 existían 85 edificios aislados en Japón, 35 de los cuales eran de propiedad de constructoras, centros de investigación, o de fabricantes de aisladores. • Durante Kobe (1995), dos estructuras aisladas soportaron el movimiento sísmico sin problemas (Matsumura‐Gumi, WJPSCC). • Durante Northridge (1994), cinco estructuras fueron sometidas a movimientos significativos (p.e., USC, FCC).
PREGUNTAS FRECUENTES SOBRE AISLACIÓN SÍSMICA 1. ¿Qué se entiende por aislación sísmica? Aislación sísmica es una técnica de diseño sismo resistente que busca reducir la energía que entra a una estructura durante un sismo a través de colocar dispositivos muy flexibles horizontalmente (aisladores) entre las fundaciones de un edificio o puente, y la estructura arriba de ellos. El efecto que se busca es que el suelo se mueva y la estructura permanezca esencialmente quieta. 2. ¿Cuál es el objetivo del aislamiento sísmico? Los objetivos principales son dos: (a) mayor seguridad sísmica de la estructura (y por ende de las personas) a través de la minimización o incluso eliminación de daños en ella, y (b) salvaguardar los contenidos de la estructura manteniendo el funcionamiento de ella después del sismo.
3. ¿Cuánto más segura es una estructura aislada sísmicamente? En general una estructura aislada es al menos 5 veces más segura que una estructura convencional fija al suelo. De hecho, los esfuerzos producidos por el sismo en la estructura con aislación sísmica son del orden de 10 veces más pequeños que los de una estructura análoga fija al suelo. Esta reducción de esfuerzos es la que implica que la estructura permanecerá sin daño incluso durante un sismo de grandes proporciones.
4. ¿En qué se diferencia esta nueva técnica del diseño actual de estructuras “antisísmicas”? El concepto de estructura antisísmica no es correcto porque cualquier edificio en Chile (y cualquier otro país sísmico) está diseñado por razones de costo para que sufra daño ante un sismo severo. La filosofía de diseño dice que no debe colapsar, pero puede quedar seriamente dañado. Para comprobar que los daños son extensos, y que además la seguridad no queda en realidad garantizada, basta observar lo ocurrido con los edificios de Los Angeles (Northridge, 1994), Japón (Kobe 1995), Turquía (1999), Grecia (1999), y Taiwán (1999). Un edificio convencional no compite en seguridad con uno aislado, y mucho menos en costo de siniestralidad.
6. ¿Por qué no existen más edificio en países subdesarrollado con aislamiento sísmica si la técnica están atractiva? La razón principal es un retraso en el desarrollo tecnológico. Edificios con aislamiento Sísmica son comunes en países desarrollados y experimentaron un comportamiento muy exitoso durante los devastadores terremotos de Kobe y Northridge. Sólo en Japón se construyeron más de 80 hospitales y 400 edificios con aislamiento sísmica entre 1997 y 1998. Sin embargo, el diseño de estructuras con aislamiento sísmica requiere de. También incide el desconocimiento y el temor al cambio por parte de los potenciales usuarios.
7. ¿Dónde se fabrican los dispositivos de aislación? Existen numerosos proveedores de aisladores sísmicos en el mundo entre los que se encuentran Bridgestone (Japón), André (Inglaterra), Skellerup‐Oiles (Nueva Zelandia), DIS (Estados Unidos), y VULCO (Chile).
8. ¿Cuál es el costo del sistema de aislamiento sísmico? El costo del sistema de aislamiento es típicamente del orden de 0.5 a 1.0 UF/m2, dependiendo de la solución adoptada. Este costo se compensa varias veces si en el análisis económico se considera que en la alternativa sin aislación la estructura, los elementos no estructurales (las terminaciones), y los contenidos, afrontarán elevados costos de reparación o sustitución cuando ocurra sismo de gran intensidad que con casi certeza van a experimentar. Es importante recordar que en los edificios el costo las terminaciones supera al de la estructura, y que en muchos casos el valor de los contenidos es muy superior al de la estructura. Por otra parte, el hecho que la estructura tenga esfuerzos 10 veces menores puede llegar a permitir ahorro en costos directos de construcción; lograrlo depende en gran medida de una coordinación oportuna entre la Arquitectura e Ingeniería del proyecto.
9. ¿Qué ocurre con los ductos de instalaciones que cruzan el nivel de aislación? Existen numerosas soluciones de conexiones flexibles (muy sencillas y baratas tales como un doble codo) que permiten acomodar las deformaciones entre el suelo y el edificio.
10. ¿Cuál es la duración de los sistemas de aislación? Los aisladores están garantizados por una vida útil de 50 años mínimos. El diseño se hace proveyendo a los aisladores de una fijación que les permite ser fácilmente removidos y cambiados en cualquier momento sin interrumpir el funcionamiento del edificio.
11. ¿Cómo se verifica la calidad de los aisladores? Los aisladores son ensayados en forma dinámica uno a uno antes de ser colocados en el edificio. Estos ensayos son extraordinariamente exigentes y permiten garantizar las propiedades de rigidez y amortiguamiento de los aisladores.
IV.
ANÁLISIS INTERPRETACIÓN FÍSICA DEL FENÓMENO PLANTEADO:
1) ¿Cómo funcionan las bandas elásticas de aislamiento sísmico en una estructura al producirse un sismo? La estrategia de diseño de una edificación con un sistema de aislamiento en la base tiene por objetivo aumentar el periodo fundamental de vibración de la estructura y disipar la energía de deformación de forma pasiva a través del amortiguamiento con la finalidad de:
Reducir de las aceleraciones sísmicas y por ende las fuerzas sísmicas de diseño. Reducir las deformaciones de entrepiso en el edificio debido a sismo. El aislamiento sísmico separa mediante una interfaz flexible la estructura del suelo. Desacoplar la estructura de los movimientos del terreno. Estos elementos estructurales son dispositivos que absorben mediante deformaciones elevadas la energía que un terremoto transmite a una estructura.
Al deformarse las bandas elásticas absorben la mayor cantidad posible de energía. Las bandas elásticas hacen que se amplíen el periodo de oscilación disminuyendo así la intensidad del sismo. Las bandas elásticas están diseñadas para aguantar de forma rígida para pequeños sismos.
2) Comprender los fenómenos físicos que actúan en las bandas elásticas y
en la estructura del edificio.
Los aisladores quedan identificados por distintos parámetros mecánicos. La rigidez horizontal del mismo puede estimarse con la expresión.
El periodo del sistema aislado está en función de la rigidez lateral total del Conjunto.
La rigidez vertical del aislador puede estimarse con:
Conocida la rigidez vertical del aislador puede estimarse las tensiones normales
(c) y deformaciones ( c) del aislador las cuales deben encontrarse debajo de límites fijados por los reglamentos. Las tensiones en las placas de acero se verifican con la ecuación:
Para las deformaciones ultimas se aceptan valores entre (500 ‐ 600 %) Para controlar la esbeltez del aislador se realizan dos verificaciones. La primera es la verificación al vuelco del aislador que se realiza a través de un desplazamiento lateral (ro):
3) Como se comportan las ondas sísmicas, el periodo y la cortante en un edificio sin aislamiento sísmico y otro con aislamiento sísmico.
Podemos apreciar que las ondas sísmicas a medida que va aumentando los pisos estas también aumentan de forma proporcional en un edificio sin aislamiento sísmico; pero en el otro edificio con aislamiento sísmico las ondas transmitidas a la estructura son mínimas y ni se dejan sentir.
Las bandas elásticas hacen que se amplíen el periodo de oscilación disminuyendo así la intensidad del sismo.
Estos elementos estructurales son dispositivos que absorben mediante deformaciones elevadas la energía que un terremoto transmite a una estructura de este modo disminuyendo su cortante.
Reducir las deformaciones de entrepiso en el edificio debido a sismo.
El aislamiento sísmico separa mediante una interfaz flexible la estructura del suelo. Desacoplar la estructura de los movimientos del terreno haciendo que los terrenos blandos sean más estables.
4) Cuadro de ventajas y desventajas con aislamiento sísmico 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7)
VENTAJAS Evita que haya daños en la estructura del edificio así como de las personas que hallan en su interior. Las construcciones son más seguras y menos m enos vulnerables a sismos o terremotos. t erremotos. Posibilita que los hospitales colegios y otras entidades no paralicen sus labores cuando estén frente a un sismo y que solo se detengan para hacer un cambio de energía de la alimentación de los servicios eléctricos y otros. Posibilita que la estructura del edificio tenga un mayor ma yor periodo de vida útil. Las bandas elásticas son fáciles de ser cambiadas y tienen un buen periodo de vida ú til. A largo plazo el edificio resulta ser más económico y seguro pues no habrá necesidad de hacer reparaciones por problemas sísmicos. Hace que los suelos blandos se vuelvan más fuertes.
DESVENTAJAS 1) Su alta efectividad es para edificios menores de 15 pisos. Pues para edificios más altos ya necesita de otros sistemas como los disipadores de energía. 2) En país emergente o subdesarrollado es muy difícil su aplicabilidad porque no hay muchos profesionales capacitados en el tema así como los materiales para poder realizarlo. 3) Para su realización los profesionales devén ser con un alto grado de instrucción en el tema.
5) ¿Sería posible aplicar este sistema en Ayacucho? Por el momento aplicar este sistema en Ayacucho no sería posible pues recién se está aplicando en la capital (lima), y no contamos con muchos profesionales capacitados en el tema así como tampoco tenemos los suficientes recursos para poder traer profesionales que conozcan del tema; también no se podría justificar el presupuesto para alguna construcción resultaría ser muy costoso por el momento.
V.
CONCLUSIONES: La técnica de aislamiento sísmico de base es la más recomendada en la
VI.
ingeniería sísmica y una de las más efectivas frente a un sismo o terremoto. En edificaciones esenciales que deben de seguir operando después de la ocurrencia de un sismo, tales como hospitales, colegios, tanques con contenidos de alto peligro, etc. Evitan pérdidas de vidas humanas y accidentes, que pudieran originarse por la ocurrencia de cualquier evento sísmico, protegiendo los servicios y bienes de la población durante el sismo. Evitan que en las construcciones se originen daños y colapsos que pongan en peligro a las vidas de las personas o que inutilicen a esas construcciones en el caso de sismos severos o extraordinarios. Una estructura que está sometida a un sismo se podría explicar su movimiento de su base como un (MAS). Las ecuaciones del (MAS) son aplicables a estructuras afectadas por los sismos pudiendo comprender así a que se debe el efecto devastador y a que parámetros esta sujeta.
APRECIACIONES CRÍTICA:
Es una maravillosa técnica que se debería prestar mayor interés por los estudiantes de
carreras de la ingeniería relacionadas a estos temas como lo es la ing. Civil y que los profesionales ingenieros de verían capacitarse en esta técnica para que en un futuro no muy lejano se pueda aplicar en nuestro país. Que se deben crear normas para que los servicios indispensables como lo son los
hospitales sean construidos con este sistema para que no dejen de funcionar en caso de ocurrir un terremoto pues es allí donde allí donde los hospitales tienen un papel muy importante para poder atender a los heridos producto del terremoto. Aquí podemos Aquí podemos ver que la física va de la mano con la ingeniería pues el fenómeno que
ocurre en los edificios cuando ocurre un terremoto se puede explicar a partir del movimiento armónico simple (MAS).
¿Sería posible aplicar este sistema en Ayacucho? Por el momento aplicar este sistema en Ayacucho no sería posible pues recién se está aplicando en la capital (lima), y no contamos con muchos profesionales capacitados en el tema así como tampoco tenemos los suficientes recursos para poder traer profesionales que conozcan del tema; también no se podría justificar el presupuesto para alguna construcción resultaría ser muy costoso por el momento.
VII.
IMPACTO AMBIENTAL:
Las preocupaciones actuales, acerca del cambio climático han supuesto que, hoy en
día, exista una demanda creciente de consumo de productos y servicios que cumplan con los criterios medioambientales, sociales y económicos de la sostenibilidad. Actualmente, en Europa, tanto las viviendas como los edificios públicos son los
mayores consumidores de energía (un 40%) y, por tanto, los mayores emisores de CO2 (36%). Esto significa que el sector de la construcción tiene un papel fundamental que jugar en el ahorro de energía y, en consecuencia, en la reducción de las emisiones del dióxido de carbono. De hecho, la Unión Europea lo considera como un sector clave para contribuir positivamente a que se cumplan los objetivos de 2020 con los que se pretende reducir las emisiones de gases de efecto invernadero con respecto a 1990 en un 20%, alcanzar un 20% de uso de energías renovables, y mejorar la eficiencia energética en un 20%. Es por ello con los edificios de aislación sísmica se van poder realizar el bajo consumo de energía y los problemas de fallas energéticas por sismos serán mínimas de este modo contribuyendo a la disminución de CO2 así mismo su propia vibración de las bandas elásticas adaptados a un sistema pueden convertir las oscilaciones en energía eléctrica. El impacto ambiental que tiene este sistema es las más sofisticados y mejorado que los anteriores se podría decir que es un paso más en el desarrollo.
VIII.
BIBLIOGRAFÍA:
Física II, Humberto Leyva Naveros, Editorial Moshera, Moshera, segunda edición.
Fisica I, Serway Raymond, Editorial Mc Graw Hill,Quinta edición.
Física Aplicada y Experimental, Guillén Calderón Edder, Editorial América, Tercera edición
Aislación Sísmica.www.cec.uchile.cl
www.monografías.com Aislamiento sísmico - Wikipedia, la enciclopedia libre
[email protected]
estado del arte en el aislamiento sísmico y sus principales aplicaciones
soluciones-de-aislamiento-acustico-andimat-jun09
Diseñan viviendas antisísmicas con material reciclado El Informador Informador
Estudio comparativo de edificios con aislamiento sísmico en la base