DISEÑO SISMICO EDIFICIO, AISLACION SISMICA

ING. CIVIL OBRAS CIVILES

DISEÑO SISMICO ESTRUCTURAL EN EDIFICIO OFICINAS EN ACERO METODO ESTATICO - DINAMICO MODAL ESPECTRAL AISLADORES SISMICOS

PROYECTO DE TITULO PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIERO CIVIL EN OBRAS CIVILES

ENRIQUE ROMERO MARTINEZ OMAR DARIO MÜLLER FIGUEROA

PROFESOR GUIA VICTOR POBLETE

SANTIAGO – CHILE 2012

INGENIRIA CIVIL EN OBRAS CIVILES

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INDICE CAPITULO 1 INTRODUCCION ........................................................................................................ 3 CAPITULO 2 OBJETIVOS ................................................................................................................ 4 CAPITULO 3 DESCRIPCION DE PROYECTO ..................................................................................... 6 CAPITULO 4 MATERIALES ........................................................................................................... 14 CAPITULO 5 TRATAMIENTOS DE PARTES METALICAS Y TORQUEADO DE PERNOS ..................... 15 CAPITULO 6 MOVIMIENTO DE TIERRA........................................................................................ 16 CAPITULO 7 SOLICITACIONES ..................................................................................................... 19 7.1-CALCULO DE SOBRECARGAS EN COSTANERAS ................................................................... 21 7.2.-SOBRECARGAS .................................................................................................................. 23 7.2.1-CARGAS EN CERCHAS ................................................................................................... 23 7.2.2- CALCULO DE SOBRECARGA DE TECHOS ....................................................................... 24 7.2.3-SOBRECARGA EN LOSAS ............................................................................................... 25 7.3.-CALCULO DEL VIENTO ....................................................................................................... 25 7.3.1.- ACCION DEL VIENTO LATERAL .................................................................................... 25 7.3.2.- ACCION DEL VIENTO EN CUBIERTA ............................................................................. 26 7.4- CALCULO DE SOBRECARGA DE NIEVE ................................................................................ 27 7.5-DISEÑO SISMICO................................................................................................................ 28 7.5.1.-CALCULO ESTATICO .................................................................................................... 28 7.5.2.-CALCULO DINAMICO MODAL ESPECTRAL.................................................................... 35 CAPITULO 8 COMBINACIONES DE CARGA .................................................................................. 41 CAPITULO 9 ESFUERZOS EN ESTRUCTURA .................................................................................. 42 9.1.-ESFUERZOS POR SISMO ESTATICO .................................................................................... 45 9.2.-ESFUERZOS POR SISMO MODAL ESPECTRAL ..................................................................... 47 CAPITULO 10 DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES ............................................................ 49 10.1 RESULTADO DE DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES................................................ 53 CAPITULO 11 DEFORMACIONES y DESPLAZAMIENTOS MAXIMOS ............................................. 55 CAPITULO 12 ANALISIS DE RESULTADOS DISEÑO ESTATICO Y MODAL ESPECTRAL .................... 57 12.1 ANALISIS ESTRUCTURAL ................................................................................................... 57 12.2 ANALISIS DE ESFUERZOS INTERNOS.................................................................................. 58 12.3 ANALISIS DE DESPLAZAMIENTOS ...................................................................................... 61 CAPITULO 13 AISLADORES SISMICOS ......................................................................................... 63 13.1 SISTEMAS DE PROTECCIÓN SÍSMICA................................................................................. 65 13.2 MODELACION GENERICA DE AISLADORES SISMICOS ........................................................ 80 13.3 CALCULO Y DISEÑO DE AISLADORES SISMICOS ................................................................. 89 13.4 EVALUACION DE IMPLEMENTACION DE AISLADORES SISMICOS ....................................... 95 CAPITULO 14 CONCLUSIONES ..................................................................................................... 99 BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................................... 102 ANEXOS .................................................................................................................................... 103 ANEXO A EXTRACTO INFORMEN TECNICO SISMO 27 FEBRERO 2010 ....................................... 104 ANEXO B TABLA PARA SELECCIÓN DE AISLADORES SISMICOS ................................................. 109


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CAPITULO 1 INTRODUCCION

El presente documento corresponde al diseño sísmico de un edificio en acero para la construcción de un edificio destino de uso, Oficinas Privadas, en estructura metálica.

El estudio tiene por finalidad realizar una comparación del comportamiento e impacto en la estructura, al aplicar un análisis sísmico Estático y otro Modal Espectral al edificio. No obstante se incorporan las acciones de otros agentes como sobrecargas de uso, viento y nieve, aplicando las solicitaciones conforme a la normativa nacional vigente.

Para ello se realiza la modelación estructural de un edificio por medio de un software especializado denominado Ram Elements v8 de Bentley.


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CAPITULO 2 OBJETIVOS 2.1.-OBJETIVOS GENERALES

Al modelo se le colocaran las cargas que indican las normas chilenas NCH debido al uso, como sobrecargas de uso y a las acciones de la naturaleza sobre la edificación durante su vida útil, siendo estas de viento, nieve y sísmicas.

Por tratarse de un país sísmico y su importancia en el impacto en las estructuras, se visualizara el comportamiento de los elementos estructurales principales, tal como columnas y arriostramientos ante las cargas sísmicas por medio del análisis estático y modal espectral descrito en nuestra norma NCH 433 of 96 modificada el 2009 con decreto DS 61 de diciembre del 2011. Además se evaluara la estructura implementando aisladores sísmicos basales.

Con ello se pretende en líneas generales comparar las tensiones de trabajo y estabilidad local de los elementos estructurales, aplicando ambos métodos mencionados para solicitaciones sísmicas.

2.2.-OBJETIVOS ESPECIFICOS

Reconocer las solicitaciones tanto de peso propio de materiales, como de personas por uso, como efectos de la naturaleza sobre una edificación.

Saber aplicar las cargas a un modelo teniendo presente áreas tributarias de influencia sobre elementos estructurales utilizando las siguientes normas:

NCH 431 of. 77

“Construcción – Sobrecargas de nieves”.

NCH 432 of. 71

“Calculo de la acción del viento sobre las construcciones”.

NCH 433 of. 96

“Diseño sísmico de edificios”.

NCH 1537 of. 86

“Diseño estructural de edificios – Cargas permanentes y sobrecarga de uso”.


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Aplicar cálculo de solicitación sísmica estática sobre el modelo.

Aplicar cálculo de solicitación sísmica dinámica modal espectral sobre el modelo.

Comparar esfuerzos internos, tensiones de trabajo y factores de utilización de los elementos estructurales debido a las solicitaciones sísmica provenientes de un diseño sísmico estático y dinámico.

Aplicar aisladores sísmicos basales al edificio y visualizar su comportamiento comparativamente con el edificio sin aisladores sísmicos.


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CAPITULO 3 DESCRIPCION DE PROYECTO

El presente proyecto trata de una construcción de un Edificio de oficinas en 2 pisos, el cual se estructura en columnas con perfiles tipo HEB 260 y Vigas IPE 300. El ancho en planta es de 12,6 m por 30 m de largo. Las alturas de elevación son de +1.2 m a losa de primer piso sobre nivel de terreno, +4.55 para nivel losa 2 piso, y de +7.55 m nivel tope superior vigas cubierta.

Para ello se desarrollo

modelos en 3D de la estructura e introdujeron los esfuerzos de

sobrecargas, acción del viento y análisis sísmico. Todo esto con el objeto de diseñar de una optima forma la estructura.

Los cálculos del proyecto, cumplen con la Ley y Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones y la Normativa Chilena vigente.

NORMAS. Diseño antisísmico

Nch 433

Zona Sísmica: 2 Suelo tipo: D R=7 I=1,2 aglomeración de personas Sobrecarga de nieve Nch 431 Scn 25 kg/m2 Latitud sur 33,27°, Altitud 558 m Sobrecarga de uso

Nch 1537 of 86

Sc techo 100 kg/m2, Acción Viento

Nch 432 of. 71

Considerado a rugosidad similar a Campo Abierto

Hormigón Armado

ACI 318, 05

Hormigones Requisitos Generales

Nch 170 of 85


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PORTICOS

La estructura se diseña en perfiles HEB 260 para pilares e IPE 300 para vigas primarias, para cada pórtico. Los marcos se emplazan cada 3 m entre sí, los más típicos. Las conexiones serán del tipo corte + momento por medio de conexiones diseñadas según indicación en planos.

LOSAS

Se proyectan placas colaborantes tipo Instadeck de Instapanel en 0.8 mm de espesor montadas sobre las vigas de soporte, fijadas por medio de pernos tipo Nelson Stud de ¾” @ 25 cm en 2 filas. Sobre las placas se hormigona con concreto calidad H25 en 10 cm de espesor, además se deben contemplar armaduras suples de apoyo fe Ø 12@15 cm, momento negativo, según detalles en planos.

ARRIOSTRAMIENTOS LATERALES

Para mejorar la estabilidad se proyectan arriostras laterales por medio de perfiles tipo cañerías 6” SCH 40 e=7.1 mm, formando cruces en vanos señalados en elevaciones estructurales. Las conexiones serán soldadas.

ARRIOSTRAMIENTOS PLANTA NIVEL CUBIERTA

Para mejorar la estabilidad se proyectan arriostras en planta en nivel cubierta por medio de perfiles tipo cañerías 6” SCH 40 e=7.1 mm, formando cruces en vanos señalados planos estructurales. Las conexiones serán del tipo articulado por medio de 4 pernos de ¾” calidad A325.


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CUBIERTA

Sobre las vigas del nivel cubierta se proyectan cuerdas superiores en perfiles cajón 100x100x3 mm, para recibir las costaneras de cubierta.

Las costaneras de cubierta serán del tipo Z 150x50x15x3 mm de Cintac dispuestas @ 1.5 m. Cabe señalar que al contar con cubiertas nervadas como PV4 e=0,5 mm de Instapanel funciona como cubierta rígida, mejorando más sus propiedades de resistencia al trabajar en conjunto, por tanto se deberá asegurar la cantidad y calidad de auto perforantes por tramo indicado por el fabricante.

Las costaneras serán instaladas mediante 2 pernos de 1/2” calidad A325 en cada extremo.

ANCLAJES

El edificio de acero se ancla a pedestales de fundaciones de hormigón armado mediante pernos de anclaje 3+3 Ø1” SAE 1045, diseño según plano.

Todas las uniones soldadas serán mediante filete de 5 mm como mínimo o igual al elemento de menor espesor. El largo mínimo de soldado continuo será de 5 cm y para todos los casos se utilizara soldadura 60XX y para remate y terminación en soldadura 70XX. Las soldaduras deberán ser realizadas por personal calificado, por lo que no se permitirán porosidades o fisuras.

Esta memoria de cálculo, arrojó resultados positivos de la verificación de los elementos diseñados, por lo que el profesional competente a cargo de la obra se hace responsable de la correcta práctica constructiva, asegurando estabilidad estructural, aplicando las dimensiones y materiales adecuados finalmente adoptados para la construcción.


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ESQUEMA DE DISEÑO


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ELEV EJE B, G

ELEV EJE 2 y 11


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ELEV EJE 3 @ 10


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PLANTA LOSA NIVEL +1.2 m



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CAPITULO 4 MATERIALES A continuación se mencionan los materiales adoptamos para el diseño estructural de la edificación.

4.1.-FUNDACIONES Hormigón H30 general, 95% nivel de confianza Emplantillado H5 o superior, e=50 mm Mallas fe 16 @ 15 cm A63-42H, ambos sentidos

4.2.-LOSAS Se consulta losa en hormigón H25 sobre placa colaborante, con malla acma C92.

4.3.-VIGA FUNDACION Hormigón H30, 95% nivel de confianza general, VF 20x40 cm 2+2 fe 12 principales A63-42 H Estribos fe 8 @ 15 cm.

4.4.-ACERO ESTRUCTURAL A42 – 27 ES, general A36 planchas y laminados

Previo al montaje de la estructura se debe verificar nivelación de los apoyos con Sika grout 212 con la finalidad de asegurar la verticalidad o aplomado de esta.


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CAPITULO 5 TRATAMIENTOS DE PARTES METALICAS Y TORQUEADO DE PERNOS

Es de vital importancia el tratamiento superficial que tendrá una estructura de acero, ya que en su vida útil podría estar expuesta a incendios o simplemente a la corrosión. Es por ello que es fundamental la calidad del procedimiento de aplicación de pinturas tanto anticorrosivas como de retardadores del fuego.

Por otro lado las construcciones con uniones apernadas deben tener los torques de apriete necesarios o elementos que ayuden a evitar que se suelten durante su vida útil debido a constantes vibraciones sísmicas.

Por lo expuesto se define dar 2 manos de pintura anticorrosiva de distinto color, además del esmalte de terminación, color a definir por propietario, pintura intumescente a definir F-XX de elementos por arquitecto.

El torqueado de los pernos debe asegurar el funcionamiento en conjunto de los elementos estructurales apernados, debido a ello utilizar golillas DTI para control de apriete de pernos, además se recomienda utilizar Loctite 242 o similar especial para uniones sometidas a vibraciones.


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CAPITULO 6 MOVIMIENTO DE TIERRA

El movimiento de tierra es una de las partidas fundamentales, ya que debe retirar todo material inadecuado, como vegetales, orgánico, limos, arcillas expansivas, de tal forma de dejar una plataforma nivelada y adecuada para emplazar los trazados de la construcción. Además según sea el caso se debe hacer reemplazos por estabilizado u hormigones pobres cuando las bases de las fundaciones cuentan con capas de soporte inadecuadas como lo son las arcillas expansivas.

Para el movimiento de tierra se estima un escarpe de la capa vegetal de 10 cm.

Con la finalidad de lograr un buen nivel de terreno en donde se emplazara el pavimento y las cargas que en este será afectado durante su vida útil, se debe cubrir con relleno compacto en 2 capas, la primera capa con material bajo 3”, libre de arcillas y otros elementos o materiales no apropiados para ser utilizados como relleno estructural (materiales orgánicos, productos de desechos, etc.) con 15 cm de espesor.

Luego la segunda capa con relleno bajo 1 ½” con 15 cm de espesor, la cuál deberá ser compactada, como mínimo, hasta que su densidad alcance el 90% del Proctor Modificado o el 75% de la Densidad Relativa, según sea el caso.

Para la compactación se podrá utilizar, compactadotas tipo rodillo vibratorio de 10 Ton.

La compactación se deberá realizar en ambas capas según las exigencias ya mencionadas, asegurando una densidad máxima a una humedad óptima, siendo este aprobado por el I.T.O de la obra o un representante del propietario, este dará paso a la construcción del pavimento.


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Sin embargo lo señalado, primara, las indicaciones del especialista mecánico de suelos y las recomendaciones de cota de fundación, mejoramientos, que indique su informe técnico, tal como indica el siguiente extracto:


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NO OBSTANTE EL MANDANTE DEBE REALIZAR MECANICA DE SUELOS ACTUALIZADA, SEGÚN VERSION DE ARQUITECTURA FINAL DE CONSTRUCCION Y DE ACUERDO A LO ESTIPULADO EN DS 61 DEL 13 DE DICIEMBRE 2011, QUE MODIFICA LA NORMA SISMICA NCH 433 DISEÑO DE EDIFICIOS.


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CAPITULO 7 SOLICITACIONES A continuación se presentan los cálculos de las solicitaciones tanto por pesos propios de materiales como de sobrecargas de uso de personas como el impacto de la naturaleza sobre la edificación, siendo estas las del viento, nieve y sísmicas.

Las sobrecargas de uso, en su magnitud, tienen que ver con el uso que se dará a la construcción, pudiendo ser carga habitacional, oficinas, centros comerciales, bibliotecas y estacionamientos entre otro, diseñando vigas y losas de acuerdo a su acción tributaria.

Para el impacto de viento es de importancia conocer la altura de la edificación y su emplazamiento, ya que la presión del viento crece con la altura y su impacto es mayor en zonas denominadas a campo abierto como construcciones situadas frente al mar que construcciones ubicadas en la ciudad, donde la rugosidad del entorno aminora su incidencia.

La carga de nieve guarda relación con la latitud

y altitud del proyecto, por ende las

construcciones costeras no aplica esta condición y en algunas zonas centrales aplica en alguna medida y ya en zonas de la pre cordillera y alta montaña ya su contemplación es de gran importancia, controlando muchas veces el diseño, ya que las construcciones deben soportar la acumulación de nieve sobre la cubierta de la edificación.

Las solicitaciones sísmicas, en nuestro país es la de más importancia, ya que la estructura debe tener la capacidad de absolver y discipar energía, y en su proceso las columnas y muros de corte deben tener un adecuado diseño a flexo compresión biaxial y deben tener mayor resistencia que las vigas, por tanto teóricamente deben cumplir columna fuerte y viga débil. Técnicamente no podría fallar primero una columna que las vigas, no obstante las vigas son diseñadas correctamente a flexión según sus cargas tanto para vigas continuas como para vigas simplemente apoyadas en su diseño, solo se indica mayor capacidad para columnas.


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El nivel de la aceleración sísmica del suelo en el lugar del proyecto, guarda relación con la ubicación geográfica del emplazamiento, siendo mayores en zonas costeras (0,4g) donde frecuentemente se producen los hipocentros de liberación de energía por ruptura de placas. A medida que nos alejamos de la costa, como por ejemplo el valle central (0,3g) estas aceleraciones van disminuyendo y más aun ya en zona cordillerana (0,2g).

No obstante, es difícil predecir el comportamiento de la naturaleza y a veces ocurren eventos inesperados como por ejemplo para el terremoto del 27 de febrero del 2010 en la zona de San José de Maipo se registraron aceleraciones del orden de 0.48g y en Melipilla 0.78g, siendo estos registros de acelerógrafos mucho mayores que lo previsto por nuestra norma para esas zonas. (Según Informes U. de Chile, ver anexo A).


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7.1-CALCULO DE SOBRECARGAS EN COSTANERAS


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Según Tabla de catalogo Cintac, costanera Z150x50x15x3 mm simplemente apoyada con cubierta rígida, y luz de 5 m se tiene una capacidad de 174 kg/ml, controlando tensiones, deformaciones.

Para el cálculo de las costaneras se considero un aumento de las tensiones admisibles en un 33% para las cargas del tipo eventual, tales como el viento y la nieve.


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7.2.-SOBRECARGAS Según Nch 1537 7.2.1-CARGAS EN CERCHAS Se procede a la descarga por metro lineal del peso propio de la cubierta a viga estructural

Peso propio cubierta, costaneras, cielo falso, iluminación descritas en 5.1 Cubierta planchas PV4 e=0,5 mm Aislacion Aislapol 50 mm D=20 kg/m3 Peso propio costanera Z 150x50x15x3.0 Peso propio OSB 11mm Peso cielo falso Acustrong Luminarias Ductos de clima suma

4.60

kg/m2

1.00

kg/m2

6.21 6.60 2.60 1.00 8.00

kg/ml kg/m2 kg/m2 kg/m2 kg/m2

23.41

kg/ml

Descarga en cercha Pp =23,4 kg/m2 x 3 =70 kg/ml Además se contempla peso de quiebra vista en alero de 62 kg/ml descargado.


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7.2.2- CALCULO DE SOBRECARGA DE TECHOS

Para el cálculo de la cubierta se considero una sobrecarga de 100 kg/m2 con reducciones según Nch 1537. =3,58º Pendiente = 6% Área tributaria At=6.9x3 m= 20.7 m2 (de una viga tributaria)

qk red=C x Ca x qn

Sin embargo en tabla N°1, en función de la pendiente y área tributaria se obtiene el factor de reducción, siendo este valor de 0,88.

Luego Qk= 100*0.88 qk= 88 kg/m2

Descargando en nudos de cerchas tendremos Cerchas @ 3 m P=88x3=264 kg/ml


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7.2.3-SOBRECARGA EN LOSAS

Para oficinas privadas sin equipos, la sobre carga de uso para losas es de 250 kg/m2, de tabla Nº3 Nch 1537.

7.3.-CALCULO DEL VIENTO Según Nch 432

Se considero, construcción ubicada en campo abierto para la acción del viento lateral como en cubierta (succión y presión). P= u^2/16 ; si P=98 kg/m2 => u= 140 km/hr (velocidad del viento para presión de 98 kg/m2)

7.3.1.- ACCION DEL VIENTO LATERAL

Luego determinación de la presión del viento con altura de menor a mayor 2x Px= Ph * (x/h) =0.16, para campo abierto =0.28, rugosidad de ciudad X=altura donde se calcula la presión Px H=altura donde se midio presión Ph Tabla 1 Nch 432

Según Tabla 1, presiones básica =>70 kg/m2, para primer nivel =>98.98 kg/m2, para segundo nivel +7.55 m


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VIENTO LATERAL Presión Básica Pbi 70 kg/m2 Pbf 98.98 kg/m2 Dirección Viento

H (m) 1.75 7.55 DISTRIBUCION DEL VIENTO LATERAL

Presiones básicas (kg/m2) Pbi Pbf

VX

70

98.98

VZ

70

98.98

Coeficiente de Forma C frente opuesto 0.8 0.4 0.8

0.4

Ancho Tributario (m) 2.5

Descarga ml en Columna Kg/ml FRENTE OPUESTO Inicio Final Inicio Final 140 198 70 99

3

168

238

84

7.3.2.- ACCION DEL VIENTO EN CUBIERTA

VIENTO CUBIERTA

α

3.58 °

seno

0.062 DESCARGA DEL VIENTO CUBIERTA

Presión Nivel cubierta Pb 98.98

Presión Succión (1,2*sen ( α ) - 0.4 ) -0.33 -0.4


Ancho Tributario (m) 3

Descarga cercha kg/ml Lado izq Laso Derecho -97

-119

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7.4- CALCULO DE SOBRECARGA DE NIEVE Según Nch 431

Para la zona en estudio corresponde una sobrecarga de nieve de 25 kg/m2, según Nch 431. Ubicación: Santiago Latitud Longuitud Altitud

33°27' 70°40' 558 m

Descarga Pn=25 x 3=75 kg/ml


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7.5-DISEÑO SISMICO 7.5.1.-CALCULO ESTATICO


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Calculo de fuerzas sísmica horizontales

en que


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El sismo afecta a los elementos soportantes de acuerdo a su rigidez y como todas las columnas son geométricamente iguales, tienen la misma rigidez, por tanto absorben la misma solicitación.

Distribución Solicitación sísmica por nivel

Nivel 3

4179/4

=1045 kg

Nivel 2

2165/4

=541 kg

Nivel 1

1481/4

=370 kg

Sismo Z (Elevación eje típico intermedio)


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7.5.2.-CALCULO DINAMICO MODAL ESPECTRAL

Para el cálculo de desplazamientos, cortes basal y toda superposición modal, se utilizo método SRSS (Square Root of the Sum of the Squares) para combinar los resultados modales por la técnica de la Raíz Cuadrada de la Suma de los Cuadrados.


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Según nuestra norma el corte basal de la superposición modal no necesita ser mayor al corte Qmax calculado con el coeficiente sísmico Cmax, por tanto al ingresar el espectro de respuesta al programa de cálculo, se le debe aplicar el factor de ajuste correspondiente señalado.

Anexamente si el corte basal determinado por la superposición modal resultase menor a I*A0*P/6g, el espectro de respuesta se debe multiplicar por un factor para que el corte calculado alcance al menos dicho valor.

A continuación se presentan los periodos del edificio, siendo 3 periodos por cada nivel de acuerdo a los grados de libertad, siendo estos 2 debido a desplazamiento en cada dirección del análisis más uno por rotación.

Calculo de la frecuencia W=√(K/M)

Calculo del periodo T=2*π/W, T=1/W

Donde: W

: frecuencia de la estructura para cada modo de vibrar (rad/seg).

M

: masa del sistema, según diafragma rígido (losa) de cada nivel en matriz de masa del edificio, en matriz de masa (Ton*seg^2/cm).

K

: rigidez del sistema, según aporte de columnas y muros del edificio, en matriz de rigidez del edifico, K=12E*I/L^3 (ton/cm).

T

: periodo de la estructura para cada modo de vibrar (seg).


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Cabe señalar que el periodo fundamental de la estructura es aquel en donde exista mayor participación de masa en la dirección del análisis, siendo este normalmente el primero calculado. Además podemos señalar que el primer periodo la estructura requiere menor energía para poder vibrar libremente.

Para este caso se tiene un periodo de 0.16 seg en dirección Z y 0.13 seg en dirección X. Tabla Nº7.1 Periodos del edificio MODO 1 2 3 4 5 6 7 8 9

W (frecuencia) Rad/seg 39.360 49.350 50.500 106.280 129.480 130.850 515.170 719.25 731.50

T seg 0.1596 0.1273 0.1244 0.0591 0.0485 0.0480 0.0122 0.0087 0.0086

PERIODOS PARA MAXIMA PARTICIPACION DE MASA T*= 0.1273 X seg T*= 0.1596 Z seg

ACELERACION ESPECTRO DISEÑO

FACTOR DE AMPLIFICACION PARA CADA MODO DE VIBRAR

VARIA SEGÚN LOS PERIODOS

FACTOR DE REDUCCION

2.8 2.5


en Z en X

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Según nuestra norma Nch 433, se debe incluir en el análisis todo los modos normales ordenados según valores crecientes de las frecuencias propias, que sean necesarios para que la suma de las masas equivalentes para cada una de las dos acciones sísmicas sea mayor o igual al 90% de la masa total.

Tabla Nº7.2 Porcentaje De Participación De Masas

MODO 1 2 3 4 5 6 7 8 9 TOTAL:

Part.X

Participación Modal Part.Y Part.Z

Rot.X

Rot.Y

Rot.Z

0.00 49.02 0.06 0.00 1.21 0.30 0.00 49.40 0.00

0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

48.68 0.00 0.00 2.89 0.00 0.00 48.43 0.00 0.00

0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

0.00 0.05 49.76 0.00 1.34 3.10 0.00 0.00 45.75

0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

100.00

0.00

100.00

0.00

100.00

0.00


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Luego se procede a realizar una tabla con las aceleraciones del espectro de diseño para cada periodo contemplado y el cálculo del factor de amplificación para cada modo de vibrar, además de la determinación del factor de reducción que depende de la dirección del análisis.

Tabla Nº7.3 Parámetros Espectrales


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A continuación se presenta el espectro de respuesta graficando las aceleraciones v/s periodos calculados. De ella podemos visualizar que para nuestro edificio de periodo 0,16 seg tenemos una aceleración cercana a Sa= 0,3*g.

Grafico Nº7.1 Espectro de Respuesta

Luego los datos del espectro de respuesta deben ser ingresados al programa de cálculo para generar un estado de carga sísmico modal espectral a usar de base, en las combinaciones de carga respectivas y así solicitar a la estructura por medio de esta función.


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CAPITULO 8 COMBINACIONES DE CARGA Las combinaciones de carga son la posibilidades que tiene una estructura a estar expuesta a mas de una solicitación a la vez durante su vida útil, para este proyecto se contemplo para diseño en Acero y suelo, tensiones admisibles, para elementos de hormigón armado se debe realizar por el método de rotura ACI.

Combinaciones de Carga Estados de carga considerados Servicio: C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10 C11: C12 C13 C14 C15

:CM :CM+SCL :CM+Vx :CM+Vz+VCZ :CM+SZ :CM+SX :CM+SCL+SZ+STZ :CM+SCL+SX+STX :CM+SCL-SZ-STZ :CM+SCL-SX-STX CM+SCL+SCN :CM+SCL+SCT :CM+EspX :CM+EspZ :CM+SCL+STX+EspX

Peso propio (pp) Sobrecarga Techo (sct) Sobrecarga de Uso losa (sc) Sobrecarga de Nieve (Scn) Viento (x,z) Sismo Estático (Sx, Sz) Sismo Espectral (EspX, Esp Z)


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CAPITULO 9 ESFUERZOS EN ESTRUCTURA Con la finalidad de poder comparar el efecto que provoca un diseño sísmico estático y dinámico modal espectral en un edificio, se procederá a exponer las tensiones de trabajo generados en las columnas y en arriostramientos, además de mostrar los esfuerzos internos de dichos elementos estructurales, quienes deben tener la capacidad de absorber y discipar la energía de la modelación sísmica.

Solo se muestran la tensión de trabajo, no implica necesariamente que estas controlen el diseño. Las verificaciones de estabilidad local de cada elemento y diseño de elementos estructurales deben cumplir con la norma de diseño aplicada correspondiente, pudiendo ser la norma nacional Nch 427 o la norteamericana AISC (American Institute of Steel Construction) , aplicando método de tensiones admisibles (ASD) o de rotura (LFRD). Para el diseño de la estructura analizada se utilizo ASD (Allowable Stress Desing) y Nch 427 la cual fue chequeada con resultados satisfactorios, y el resumen de diseño se muestra más adelante.

En el chequeo del modelo, se debe verificar en el análisis estructural, que la sumatoria de momentos que convergen a un nudo sea igual a cero, la cual daría cuenta del equilibrio de fuerzas en el nudo.

Si se realiza un modelo sin losas (diafragma rígido), verificando equilibrio de momentos en nudos aplicando análisis estático, esto se cumple en su totalidad. Ahora al incorporar las losas, este equilibrio no se cumple, ya que la losa estaría aportando su rigidez y por ende absorbiendo parte de la solicitación, sumándose como elemento, en el equilibrio total. Análogamente, si se realiza un modelo sin losa, al verificar equilibrio de momentos en nudos aplicando análisis modal espectral, esto no se cumple del todo, quedando magnitudes residuales la que hacen el no cumplimiento del equilibrio de fuerzas en nudos. Al incorporar losas, estas diferencias se ven más ocultas, sin posibilidad de evaluar fácilmente su magnitud.


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Las diferencias de fuerzas residuales que hacen el no equilibrio total de los nudos, es mencionado en nuestra norma, por lo que se recomienda evaluar la incidencia de su magnitud y considerar este tema al momento de realizar el diseño estructural, recomendando la norma que este quede siempre por el lado de la seguridad. Es posible que en algunos modelos estos diferenciales no sean considerables y sería posible utilizar con calma estos resultados.

Para modelaciones utilizando análisis modal espectral, es recomendable al usar superposición cuadrática método SRSS, hacer que el programa contemple el signo al correr el modelo, con esto darán resultados de esfuerzos mas lógicos desde el puntos de vista de lo que se esperaría en signos de los esfuerzos internos, pareciéndose más en resultados, al análisis sísmico estático. Si no se contemplan aplicación de signos o al aplicar resultados en valores absolutos, el modal espectral, dará como resultados también valores absolutos, de interpretación menos lógica desde la lógica del análisis estructural, con esto se quiere dar a conocer la necesidad de interpretar correctamente los resultados de las modelaciones, realizando verificaciones lógicas del comportamiento del modelo.

Por otra parte en las modelaciones estructurales, se deben visualizar en comportamiento lógico de los esfuerzos internos, como por ejemplo, si se aplican cargas sísmicas horizontales a marcos de edificios, se observaran tracciones en unas columnas y compresiones en otras, al tratar de equilibrar las fuerzas solicitantes.

Con respecto a la verificación de reacciones, es recomendable chequear que la sumatoria de fuerzas horizontales en nudos de la base del edificio sea igual al corte sísmico basal calculado al aplicar fuerzas sísmicas estáticas (Fk) en los distintos niveles. Con ello se verifica la correcta aplicación de cargas de las solicitaciones al modelo estructural.


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Por otra parte se debe tener presente que la sumatoria de fuerzas horizontales en nudos basales utilizando método modal espectral no representaría el corte basal, esto debe ser verificado del reporte dinámico, en el cual se realiza la superposición cuadrática considerando todos los modos de vibrar del edificio, considerando el aporte de corte de cada modo.


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9.1.-ESFUERZOS POR SISMO ESTATICO A continuación se muestran los esfuerzos internos y tensiones de trabajo de elementos sismos resistentes, obtenidos del análisis estructural para columnas y arriostramientos mediante análisis sísmico estático. Estado de Carga Sismo Estático en Z

Esfuerzo de Corte

Axial INGENIRIA CIVIL EN OBRAS CIVILES

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Diagrama de Momentos

Tensión de trabajo elementos sismo resistentes


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9.2.-ESFUERZOS POR SISMO MODAL ESPECTRAL Estado de Carga Sismo Modal Espectral en Z

Esfuerzo de Corte

Axial INGENIRIA CIVIL EN OBRAS CIVILES

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Diagrama de Momentos

Tensión de trabajo elementos sismo resistentes


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CAPITULO 10 DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES

Los esfuerzos de los elementos en acero sometidos a flexión compuesta, a los que están sometidas las columnas, es originada debido principalmente a cargas axiales de descarga de losas y a flexión debido a cargas laterales sísmicas y está dada por la siguiente expresión general de resistencia de materiales: Fórmula para flexión compuesta (biaxial)

σ= (P/A) + (Mx/Wx ) + ( My/Wy) donde: P A M W

: carga axial (kgf) : área sometida a compresión axial (cm2) : momento generado en dirección del eje señalado (Kgf*m) : modulo de flexión, W= I/(h/2) (cm3)

No obstante la compresión máxima que podrá soportar la columna será la señalada por Euler y el código de diseño a usar.

donde: E K

: Modulo de elasticidad del material 2,1x10^6 kg/cm2 para acero : coeficientes de longitud efectiva según tabla adjunta.

L i

: longitud efectiva : radio de giro del perfil

I A

: Inercia del perfil : Área de la sección transversal

Sin embargo, por pandeo local, se debe cumplir el límite K*L/r < 200.


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A continuación se presenta tabla de valores de K para cálculo de columnas Tabla Nº10.1 Coeficientes de longitud efectiva K

En forma general se debe cumplir que las tensiones de trabajo debido a las solicitaciones deben ser menores a la tensión admisible de diseño.

Ecuación B3-2 AISC Donde: Ra : fuerza necesaria (tensión de trabajo) Rn : fuerza nominal (tensión de fluencia) Ώ : factor de seguridad (1.67, 1/ Ώ=0.6) Rn/ Ώ : tensión admisible


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A su vez la sumatoria de los cuocientes entre las tensiones de trabajo por compresión, flexión en ambos ejes y sus tensiones admisibles correspondientes, no deben ser mayor o igual al valor unitario, donde se debe cumplir en diseño:

Factor de Utilización debe ser 0 @ 1 fc : P/A, fmcx : Mx/Wx fmcy : My/Wy

Fc : tensión admisible compresión Fmcx : tensión admisible flexión Fmcy : tensión admisible flexión

Además las tensiones de trabajo de los perfiles no deben exceder las establecidas en la Nch 427 para diseño en tensiones admisibles:

Tabla Nº10.2 Tensiones Admisibles


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Formula de flexión simple (Navier)

σ= M/W , Mn Zx

Ecuación F2-1 AISC

: momento nominal : modulo de flexión (Wx)

Para diseño en flexión ver norma AISC, capitulo F

Formula de compresión simple

σ= P/A,

Ecuación E3-1 AISC

Pn : compresión nominal Ag : área bruta Para diseño en compresión ver norma AISC, capitulo E


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10.1 RESULTADO DE DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES Para el diseño de elementos estructurales se utilizo norma americana AISC-ASD para tensiones admisibles. Norma de diseño: AISC 360-05 ASD Tabla Nº10.3 Diseño de Elementos Estructurales


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CAPITULO 11 DEFORMACIONES y DESPLAZAMIENTOS MAXIMOS En el presente capitulo se exponen los desplazamientos de columnas y deflexiones de vigas, las cuales deben cumplir con lo establecido por la normativa. Deflexión máxima admisible L/500 según Nch 427 para Columnas Desplazamiento máximo Estado de carga pp+Sz

L/500=755/500=1.51 cm Se observan deflexiones menores a L/500, para columnas.


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Deflexión máxima admisible según Nch 427 L/700 para vigas de Cubierta L/300 para vigas de piso Deformación de cálculo de elementos Estado de carga pp+scl

Se observan deformaciones inferiores a L/300 en vigas de piso.


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CAPITULO 12 ANALISIS DE RESULTADOS DISEÑO ESTATICO Y MODAL ESPECTRAL

12.1 ANALISIS ESTRUCTURAL ANALISIS AXIAL DE RESULTADOS

En esfuerzos internos de columnas izquierdas con referencia al sentido aplicado del sismo estático, se observan columnas en tracción y las derechas en compresión en primer nivel, lo que resulta lógico desde el punto de vista del análisis estructural al tener fuerzas horizontales. Las axiales de las columnas izquierdas y derechas en modal espectral se observan también en tracción las izquierdas y en compresión las derechas con algunas diferencias en magnitud con respecto al método estático, esto se puede deber a la participación de todos los modos de vibrar a diferencia del método estático que solo participa solo un grado de libertad.

Por otra parte los arriostramientos del primer nivel se observan las diagonales opuestas al sentido del sismo estático en compresión y las en sentido del sismo en tracción, lo que resulta lógico desde el punto de vista del análisis estructural. En modal espectral se observan barras en con la misma deposición de signos, dado el sentido del análisis, lo que no resultaría lógico dado que el sismo va en un sentido, no obstante estaría reflejando la participación de todos los modos de vibrar.

ANALISIS DE CORTE DE RESULTADOS Del análisis estático, se observan cortes de magnitudes homogéneas en todas las columnas, tanto en primer como en según nivel. En modal espectral se observan magnitudes similares al sismo estático.


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ANALISIS DE MOMENTOS DE RESULTADOS En análisis estático, se observan diagramas de momentos en columnas con magnitudes homogéneas en todas las columnas con valores negativos y positivos, lo que reflejaría la igualdad de rigideces de las columnas, absorbiendo por igual la carga sísmica. En sismo modal espectral se observan momentos similares en columnas tanto en primer nivel como en el segundo nivel, con valores similares al análisis sísmico estático en primer nivel.

12.2 ANALISIS DE ESFUERZOS INTERNOS

A continuación se muestran cuadros comparativos de los esfuerzos internos en columnas y arriostramiento, aplicando al modelo cargas sísmicas estáticas y dinámicas del modal espectral. Tabla Nº12.1 Esfuerzos Elementos Sismo Resistentes Se muestran valores maximos por elemento Se comparan esfuerzos internos para distinta solicitacion sismica para el mismo elemento

CUADRO ESFUERZOS POR SISMO ESTATICO V/S MODAL ESPECTRAL ESTADO DE CARGA SISMO ESTATICO MODAL ESPECTRAL ESFUERZOS CORTE AXIAL MOMENTO CORTE AXIAL MOMENTO kgf kgf kgf*m kgf kgf kgf*m

TENSION DE TRABAJO ESTATICO ESPECTRAL kg/cm2 kg/cm2

ELEMENTO

CONEXIÓN NUDOS

3

COLUMNA ARRIOSTRAMIENTO

EMPOTRADA ARTICULADA

513

5167 6690

887

191

2171 3034

402

128 215

60 101

2

COLUMNA ARRIOSTRAMIENTO

EMPOTRADA ARTICULADA

888

19578 10390

1795

969

13931 10922

1836

328 327

280 339

NIVEL


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Grafico Nº12.1 Tensión Columnas (kg/cm2) 350 300 250 200 ESTATICO 150

MODAL

100 50 0 NIVEL 3

NIVEL 2

Grafico Nº12.2 Tensión Arriostramiento (kg/cm2) 400 350 300 250 200

ESTATICO

150

MODAL

100 50 0 NIVEL 3


NIVEL 2

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Tabla Nº12.2 Diferencia de Esfuerzos NIVEL

ELEMENTO

3 2

COL

NIVEL

ELEMENTO

3 2

ARRIOST.

DIFERENCIA DE ESFUERZOS EN MODULO CORTE AXIAL MOMENTO 322 2996 485 81 5647 41

DIFERENCIA DE ESFUERZOS EN MODULO CORTE AXIAL MOMENTO n/a 3656 n/a n/a 532 n/a

C. 63 9

% DIFERENCIA REF ESTATICO A. 58 29

M. 55 2

% DIFERENCIA REF ESTATICO 55 5

Se observan esfuerzos y tensiones de trabajo similares en primer nivel, tanto para columnas como para arriostramientos sismo resistentes, ya sea utilizando análisis sísmico estático como para el modal espectral en la modelación estructural. La diferencia de magnitudes en nivel superior se debería a la participación de todos los modos de vibrar en modal espectral a diferencia del diseño estático que solo utiliza un solo grado de libertad.


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12.3 ANALISIS DE DESPLAZAMIENTOS Según nuestra norma Nch 433, el desplazamiento relativo entre dos pisos consecutivos, medido en al centro de masa en cada una de las direcciones de análisis, no debe ser mayor que la altura de entrepiso multiplicada por 0,002.

A continuación se muestran cuadros comparativos de los desplazamientos de los niveles del edificio, aplicando al modelo cargas sísmicas estáticas y dinámicas del modal espectral. Tabla Nº 12.3 Desplazamientos del Edificio CALCULO DE DESPLAZAMIENTOS Y DRIFT NIVEL

ESTADO DE CARGA ALTURA ENTRE PISO H (cm)

3 2 1

Sz

3 2 1

Espec Z

3 2 1

CM+Sz

3 2 1

CM+Espec Z

3 2 1

CM+SCL+SZ+STZ

3 2 1

CM+SCL+EspZ+STZ


DESP. Z Δ

325 325 120

0.343 0.165 0.003

DRIFT (cm) Δn - Δ(n-1) H 0.00055 0.00050 0.00002

DRIFT MAX NCH 433

CHECK drift

0.002*H

Δcal < Δmax

0.65

OK

0.65

OK

0.24

OK

325 325 120

0.262 0.157 0.002

0.00032 0.00048 0.00002

0.65

OK

0.65

OK

0.24

OK

325 325 120

0.339 0.164 0.002

0.00054 0.00050 0.00002

0.65

OK

0.65

OK

0.24

OK

325 325 120

0.257 0.156 0.002

0.00031 0.00047 0.00002

0.65

OK

0.65

OK

0.24

OK

325 325 120

0.266 0.130 0.002

0.00042 0.00039 0.00002

0.65

OK

0.65

OK

0.24

OK

325 325 120

0.184 0.121 0.002

0.00019 0.00037 0.00002

0.65

OK

0.65

OK

0.24

OK

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Grafico Nº12.3 Desplazamientos Absolutos

Se observa que los desplazamientos máximos del edificio cumplen los máximos permitidos por norma.


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CAPITULO 13 AISLADORES SISMICOS

El presente capitulo tiene por finalidad, dar a conocer los principales métodos de aislación sísmica, sus ventajas y aportes al diseño sismo resistente, además de entregar herramientas básicas para realizar una modelación y evaluación al edificio incorporando aisladores de base elastomericos.

En los últimos años la ingeniería sísmica en todo el mundo ha enfocado muchos de sus esfuerzos a investigar e implementar métodos para mitigar la amenaza de las comunidades más vulnerables. Entre estos, los sistemas pasivos de disipación de energía para el diseño y reforzamiento de estructuras han tomado gran auge, gracias a la ayuda de los procesadores electrónicos y la dinámica estructural hoy en día existen numerosos ejemplos de estructuras construidas o reforzadas en algunos de los países del mundo más propensos a la amenaza sísmica.

La disipación pasiva de energía es una tecnología que mejora 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.


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En muchos casos la disipación de energía se ha constituido en una alternativa para los esquemas convencionales de rigidización y reforzamiento y se debe esperar que alcancen un nivel de desempeño comparable. En general, estos dispositivos pueden ser una buena opción a considerar en los casos en los cuales se espera un buen nivel de desempeño en cuanto a la protección de la vida de las personas o, quizás, respecto de la ocupación inmediata, pero con aplicabilidad limitada en proyectos con un nivel de desempeño de prevención de colapso.

Los sistemas de protección 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.


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13.1 SISTEMAS DE PROTECCIÓN SÍSMICA

13.1.1 SISTEMAS PASIVOS

Los sistemas de control pasivo emplean dispositivos bastante simples que reducen la respuesta dinámica por medios totalmente mecánicos. Los sistemas pasivos más comunes son los aisladores sísmicos, los disipadores de energía y los osciladores resonantes (TMD). Cada sistema emplea diferentes enfoques para el control de la respuesta estructural y son más efectivos para diferentes tipos de estructuras


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AISLADORES ELASTOMERICOS BASALES

El aislamiento sísmico es una estrategia de diseño basada en la premisa de que es posible separar una estructura de los movimientos del suelo mediante la introducción de elementos flexibles entre la estructura y su fundación. Los aisladores reducen notablemente la rigidez del sistema estructural, haciendo que el periodo fundamental de la estructura aislada sea mucho mayor que el de la misma estructura con base fija. Existen básicamente dos tipos de sistemas de aislamiento: los apoyos elastoméricos y los apoyos deslizantes. Los apoyos elastoméricos emplean un elastómero de caucho natural o neopreno reforzado con finas láminas de acero. La notable flexibilidad lateral en el elastómero permite el desplazamiento lateral de los extremos del aislador, mientras que las láminas de refuerzo evitan el abultamiento del elastómero y le proporcionan una gran rigidez vertical. Existen tres tipos de apoyos elastoméricos ampliamente usados: apoyos de caucho natural (NRB), apoyos de caucho con núcleo de plomo (LRB), y apoyos de caucho de alta disipación de energía (HDR). Los apoyos deslizantes poseen una superficie de deslizamiento que permite la disipación de energía por medio de las fuerzas de rozamiento. Uno de los dispositivos más innovadores es el sistema pendular friccionante que combina la acción del deslizamiento con la generación de una fuerza restitutiva debido a la geometría del deslizador. Foto 13.1 Aislador de base elastomerico


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Esquema Nº13.1 Funcionamiento Histerético del aislador

Esquema Nº13.2 Deslizador frIccional


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El aislamiento sísmico es un sistema ampliamente usado para la protección sísmica de diversos tipos de estructuras. Numerosos estudios teóricos, análisis numéricos y ensayos de laboratorio demuestran el excelente comportamiento que puede lograr este sistema en la protección de estructuras sometidas a eventos sísmicos moderados y severos. Adicionalmente, la efectividad de este sistema fue evidenciada por los registros de la respuesta dinámica de los edificios con aislamiento de base sacudidos por los sismos de Northridge en 1994 y Kobe en 1995.

Actualmente existen numerosas aplicaciones de sistemas de aislamiento de base en países como Japón, Estados Unidos, Nueva Zelanda e Italia. Estas aplicaciones corresponden principalmente a la construcción de nuevos edificios y el mejoramiento sísmico de estructuras existentes. Uno de los edificios en los que se demostró la factibilidad de los sistemas de aislamiento sísmico es el Fire Command and Control Facility en Los Angeles. Este edificio es una central de emergencias que debe permanecer en operación incluso después de un sismo extremo. Para su construcción se realizó una comparación entre los esquemas de diseño convencional y de aislamiento sísmico para proveer el mismo grado de protección. En estos términos se estimó que el costo del edificio con aislamiento sísmico era un 6% menor que el correspondiente al edificio con un diseño convencional.

La prueba más severa a la que fue sometido un edificio con aislamiento sísmico hasta la fecha corresponde al hospital de docencia de la Universidad de Southern California. El edificio está ubicado a 36 km del epicentro del terremoto de Northridge, ocurrido en 1994 con una magnitud de 6.8 M . Durante el terremoto el terreno bajo el edificio alcanzó una aceleración máxima de W

0.49 g, mientras que las aceleraciones en el interior del edificio estuvieron entre 0.10 g y 0.13 g. Esto significa que la estructura fue aislada en forma efectiva de los movimientos del suelo, teniendo en cuenta que estos movimientos fueron lo suficientemente intensos como para provocar daños importantes en edificios adyacentes.


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A diferencia de las técnicas convencionales de reforzamiento de edificios existentes, con el aislamiento sísmico se busca reducir la demanda a niveles en los que la capacidad existente en la estructura sea suficiente para resistir las cargas. Esta técnica es particularmente apropiada para la protección de edificios con valor histórico.

Los aisladores de base se basan en el concepto de la reducción de la demanda sísmica. Estos sistemas tienen como finalidad aislar la cimentación de la superestructura. Al colocarlos se alarga considerablemente el período fundamental de vibración de la estructura llevándolo a zonas en donde las aceleraciones espectrales son reducidas y, consecuentemente, las fuerzas que producen resultan de menor cuantía. Como la frecuencia disminuye, las aceleraciones introducidas disminuyen al igual que los efectos dañinos del movimiento del suelo en la estructura. El mayor beneficio se encuentra en estructuras con períodos del orden de un segundo o un poco menor, o edificios con ciertas características en donde se acentúa la torsión.

Esquema Nº12.3 Composición de aislador con núcleo de plomo

Los aisladores de base consisten en una serie de “paquetes” colocados entre la cimentación y el edificio.


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Esquema 12.4 Ubicación de los aisladores

Algunos dispositivos modifican la frecuencia natural del sistema, y otros reducen la transmisibilidad de fuerzas sísmicas de la cimentación a la estructura. Un elastómero está formado por varias capas de caucho intercaladas con placas de acero, a las cuales se les coloca un corazón de plomo en el centro. En la tapa y base del aislador, se colocan placas de acero que permiten realizar las conexiones del aislador con el edificio y la fundación. El aislador es muy rígido y fuerte en la dirección vertical, pero flexible en la dirección horizontal.


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Esquema 12.5 Comportamiento durante un sismo

Los desplazamientos a la derecha en el edificio sin aislador muestran un cambio de forma de un rectángulo a un paralelogramo, lo cual indica que el edificio se está deformando. El edificio aislado en la base mantiene su forma original, forma rectangular, siendo los aisladores los que se deforman. Experimentos y observaciones de edificios con aislamiento en la base en terremotos muestran una reducción en la aceleración del edificio a una cuarta parte de la aceleración de edificios empotrados en la base. La aceleración disminuye porque el sistema de aislamiento en la base alarga el período de vibración del edificio, el tiempo que toma al edificio desplazarse de un lado a otro. En general, estructuras con períodos largos de vibración tienden a reducir la aceleración, y viceversa.

Al ser la estructura más flexible, su Ti es mucho mayor que su Tf cuando está fija a la base.

Aumento del T y al aumento de b, hay reducción de aceleración espectral y por tanto las fuerzas sísmicas, sin embargo la deformación a través del sistema de aislamiento es incrementada.


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Esquema 12.6 Grafica cambio de periodo por Aislación sísmica

En edificios sin aislación sísmica existen altas aceleraciones lo que causa más altos esfuerzos de cortes en sus niveles, lo que demanda columnas y muros sismo resistentes de mayor capacidad para poder absorber y disipar la energía, por otra parte a veces los sismos producen una fuerte percepción de las personas que los habitan.

Las estructuras con aislaciones sísmicas producen bajas aceleraciones en las edificaciones y distorsiones de entrepiso (drift) hasta en un 75% si la base estuviera fija, ya que el aislador es quien absorbe en gran medida la solicitación sísmicas por sus deformaciones, esto disminuye los esfuerzos de corte generados en sus elementos basales resistentes, optimizando así el diseño.

Fuerza o Desplazamiento

Esquema 12.7 Grafica periodo v/s Fuerza o desplazamiento Por cambio de periodo fundamental Fuerza de estructura

Desplazamiento de estructura

Cambio de Periodo


Periodo de Vibración 72/110


La reducción de las distorsiones de entrepiso protege a los elementos estructurales tanto como a los elementos no estructurales sensibles a los daños inducidos por las distorsiones o drifts.

La reducción de las aceleraciones protege a los elementos no estructurales que son sensibles a los daños inducidos por la aceleración.

Después de ocurrido el sismo, la estructura es funcional con poco o ningún daño.

DISIPADORES DE ENERGÍA

Los disipadores de energía son dispositivos diseñados para absorber la mayoría de la energía sísmica, evitando así que ésta sea disipada mediante deformaciones inelásticas en los elementos estructurales. Pueden ser clasificados como histeréticos o viscoelásticos.

Los disipadores histeréticos incluyen los disipadores metálicos y los disipadores friccionantes, y dependen esencialmente de los desplazamientos de la estructura. Los disipadores metálicos están basados en la fluencia de los metales debido a flexión, corte, torsión, o extrusión. Uno de los dispositivos metálicos más reconocidos es el ADAS, que está compuesto por placas de acero con sección transversal en forma de X instaladas en paralelo sobre los arriostres. Los disipadores friccionantes son dispositivos que disipan la energía mediante las fuerzas de fricción que se presentan por el desplazamiento relativo entre dos placas en contacto. Son diseñados para deslizar a una carga predeterminada, y permanecen inactivos mientras no existe una demanda sísmica importante sobre el edificio.


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Foto Nº13.2 Disipador histerético viscoso

Los disipadores viscoelásticos incluyen los sistemas de sólidos viscoelásticos, fluidos viscoelásticos, y los disipadores fluido-viscosos. Los dispositivos viscoelásticos dependen esencialmente de la velocidad. Los disipadores viscoelásticos sólidos están constituidos por una capa de material viscoelástico ubicada entre dos placas de acero, usualmente acopladas a los arriostres que conectan los extremos del entrepiso. Los dispositivos viscoelásticos líquidos disipan la energía por medio de las deformaciones inducidas por un pistón en una sustancia altamente viscosa. Los disipadores fluido-viscosos son dispositivos que disipan energía forzando el flujo de un fluido a través de un orificio. Estos dispositivos son similares a los amortiguadores de un automóvil, pero operan con un mayor nivel de fuerzas y son fabricados con materiales más durables para lograr un mayor tiempo de vida útil. Fotos Nº12.3 Disipador Visco elástico


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Esquema Nº13.7 Disipador Viscoso Histerético


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13.1.2 SISTEMAS ACTIVOS

Estos sistemas son dispositivos que generan fuerzas de control para modificar la respuesta dinámica de la estructura. Las fuerzas de control son aplicadas mediante actuadores integrados a un conjunto de sensores, controladores y procesadores de información en tiempo real. El esquema describe esquemáticamente el proceso. Los sensores instalados en la estructura miden las excitaciones externas y la respuesta dinámica de la estructura; los dispositivos de procesamiento en tiempo real procesan la información proveniente de los sensores y calculan las fuerzas de control necesarias para estabilizar la estructura; finalmente los actuadores generan las fuerzas necesarias para contrarrestar los movimientos sísmicos.

Las fuerzas de control pueden ser aplicadas a la estructura mediante una masa activa (AMD), arriostres activos (ABS), o tendones activos. Los osciladores de masa activa (AMD) proporcionan la forma más simple y compacta de aplicar las fuerzas de control a una estructura. Los arriostres y tendones activos requieren un diseño más complicado y se encuentran actualmente en nivel experimental.


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El edificio Kyobashi Seiwa es la primera aplicación a escala natural de la tecnología del control activo. Este edificio ubicado en Tokio, Japón, se terminó de construir en 1989. El sistema activo está conformado por dos osciladores AMD, uno principal para controlar el movimiento transversal, y otro secundario para reducir los movimientos torsionales. El objetivo del sistema instalado en el edificio es reducir las vibraciones producidas por vientos fuertes y solicitaciones sísmicas moderadas, con el fin de incrementar el confort de sus ocupantes.

Foto Nº13.6 Edificio Kyobashi Seiwa


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13.1.3 SISTEMAS HÍBRIDOS

Los sistemas híbridos emplean una combinación de dispositivos pasivos y activos con el fin de incrementar la confiabilidad y eficiencia del control estructural. Algunas de las restricciones que presenta un sistema completamente activo pueden ser superadas por los sistemas de control híbrido debido a que estos operan múltiples dispositivos de control, logrando mayores niveles de rendimiento. Las investigaciones en el campo de los sistemas de control híbrido han sido enfocadas principalmente en dos tipos de sistemas: osciladores híbridos (HMD) y aislamiento activo. Todos los sistemas híbridos funcionan según la configuración mostrada en el esquema mostrado.

El oscilador híbrido HMD (Hybrid Mass Damper) es el resultado de la combinación de un oscilador resonante (TMD) y un actuador de control activo. La capacidad de este dispositivo para reducir la respuesta estructural radica principalmente en el movimiento natural del oscilador resonante. Las fuerzas de control generadas por el actuador son empleadas sólo para mejorar el desempeño del oscilador resonante, incrementando la eficiencia del sistema y permitiendo su adaptabilidad a los cambios en las características dinámicas de la estructura.


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13.1.4 SISTEMAS SEMI-ACTIVOS

Los sistemas semi-activos no aplican fuerzas de control en el sistema estructural, pero poseen propiedades variables que pueden ser controladas para reducir óptimamente la respuesta del sistema estructural. Se muestra la configuración de estos sistemas.

La atención recibida por estos sistemas en los últimos años puede ser atribuida al hecho de que los dispositivos de control semi-activo ofrecen la adaptabilidad de los sistemas de control activo sin la demanda de grandes fuentes de energía.


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13.2 MODELACION GENERICA DE AISLADORES SISMICOS Para considerar la implementación de aisladores sísmicos, el diseñador en conjunto con el cliente debe evaluar:

Ocupación Importancia de las funciones dentro de la estructura Costo de la interrupción de las actividades Costo de reparación Importancia de la estructura para el propietario

Como criterio de diseño sísmico se debe considerar los niveles de sismo a considerar en tanto en aislador como en la estructura tal como sigue:

 Para el dimensionar los aisladores se considera el SISMO MAXIMO (MCE) o sismo que tiene el 2% de probabilidad de ser excedido en 50 años. Z(MCE) = 1.5x0.4g = 0.6 g  Para diseñar la estructura encima del sistema de aisladores se considera el SISMO DE DISEÑO (DBE) o sismo de 10% de probabilidad de ser excedido en 50 años. Z(DBE) = 0.4g


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MODELACION DE AISLADORES

Para la modelación de aisladores sísmicos elastoméricos basales, se plantean procedimientos de cálculos fundamentales, los cuales son parte de la norma Nch 2745 “Análisis y diseño de edificios con aislación sísmica”.

MODELACION PRELIMINAR

 Para saber el comportamiento preliminar del edificio al implementar aisladores sísmicos elastoméricos, se puede tomar dimensiones de un aislador elastomerico comercial y calcular la rigidez vertical y horizontal, o ingresarlo como elemento estructural introduciendo las propiedades mecánicas de este, verificando luego desplazamientos máximos del aislador del modelo, fuerzas de corte en el y su presión de contacto, comparando estos resultados con las cualidades técnicas del aislador.



Cálculo del factor de forma (S)

S= φ / ( 4 * t ) Φ

: diámetro del aislador elastomerico

t

: espesor de cada capa de goma

 Cálculo del módulo de elasticidad de compresión (Ec) Ec= ( 1 / ( 6 *Gef * S^2) + 4/( 3* k ) ) ^-1

Gef

: módulo de corte básico elastomero (0.9 Mpa)

K

: módulo elástico bruto (2000 MPa)

S

: factor de forma


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

Sección transversal del Aislador (A)

A= π * φ^2 /4  Cálculo de rigidez vertical (Kv) Kv = ( Ec * A / Σ t ) Ec

: módulo de elasticidad de compresión

A

: Área del Aislador

Σt

: Altura total del elastómero

 Cálculo de rigidez horizontal (Kef) Kef = ( Gef * A / Σt ) Una vez obtenidas las rigideces horizontales y verticales de los aisladores se pueden ingresar estos datos como resortes a los apoyos del edificio.

MODELACION NORMATIVA

 Se debe obtener la reacción de los apoyos clasificados por nivel de carga, a modo de elegir uno o más tipos de aisladores según solicitaciones, para ello se debe calcular la carga axial ultima según: Pu max  1.25CM  1.25CV  SISMO  Obtension de la rigidez efectiva del aislador (Kef)

F Δ

: fuerza horizontal resultante en un aislador durante un ciclo de ensayo : desplazamiento de un aislador durante un ciclo de ensayo

Este valor se puede obtener del grafico del ciclo histerético fuerza desplazamiento del aislador.


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 Calcular periodo fundamental aislado del modelo preliminar o por la siguiente ecuación:

Donde Td : periodo efectivo de la estructura aislada Kd : rigidez efectiva del sistema de aislacion al desplazamiento de diseño (del modelo) W : peso sismico de la estructura (pp+0.5sc) g : aceleracion de gravedad (9.81 m/seg^2) Sin embargo el periodo se puede obtener del analisis dinamico del modelo aislado, al igual que el desplazamiento de diseño esperado en los aisladores, de la modelacion estructural.  Calculo del desplazamiento de diseño del aislador (Dd) Este desplazamiento de diseño es el mínimo que debe poder realizar el aislador en su ficha técnica.

Calculo de coeficiente de modificación de respuesta (Bd) es mediante la expresión:

Donde Bo : coeficiente numérico en razón al amortiguamiento a : coeficiente de tabla C.1 usando razón amortiguamiento β y tipo de suelo βd : amortiguamiento efectivo del sistema de aislación Td : periodo estructura aislada


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Calculo Bo Para razones de amortiguamiento mayores β=0.05, se debe utilizar

Para razones de amortiguamiento β=0.05 se debe usar Bo=1.54, a=400, 300 y 200 para suelos tipo I, II, III respectivamente. Obtención del coeficiente “a” de tabla C.1, los valores de los aisladores son entre β=0.10 @ 0.20, según indicación del fabricante.

para el calculo del amortiguamiento efectivo βd, se debe utilizar

donde ΣEd :energia total disipada por todos los aisladores durante un ciclo (Fza * Δ / ciclo) Dd :desplazamiento de diseño en el centro de rigidez del sistema de aislacion, en la direccion bajo consideracion Kdmax :rigidez efectiva maxima del sistema de aislacion, al desplazamiento de diseño (Dd).


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Como Dd, es una incognita, se recomienda iterar este valor o usar desplazamianto del aislador del modelo Estructural o directamente usar la tabla 2 para obtener Bd o Bd

 Calculo del desplazamiento máximo del aislador (Dm) Este desplazamiento es el máximo en un sentido del análisis, que debe poder realizar el aislador, sin embargo no incluye desplazamiento total considerando posibles torsiones accidentales.

Obtencio de Bm de tabla 2 Obtencion de Mm de tabla 3 INGENIRIA CIVIL EN OBRAS CIVILES

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Obtencion del factor Z de tabla 5



Calculo del desplazamiento total

El desplazaminto Dtd, corresponde al desplazamianto total de diseño, considerando la componente torsional, anexamente el desplazamiento Dtm, corresponde al desplazamiento total máximo, considerando la componente torsional del edificio, siendo esta ultima utilizada para la selección del aislador en su ficha técnica.

Dtd Dtm e

: desplazamiento total de diseño : desplazamiento total máximo : exentricidad real en planta desde el centro de masa y el centro de rigidez, mas el 5% de la dimension máxima de la planta perpendicular a la direccion de la solicitacion sismica considerada. b : dimension en planta mas corta d : dimension en planta mas larga Y : entre centro de regidez aisladores y aislador mas lejano Limites minimos de los desplazamientos maximos de diseño y total Dtd min Dtm min

=1,1 Dd =1,1 Dm


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 Calculo del diametro del aislador Criterio A Di =1.5 Dtm Criterio B Di = Pumax/Esfuerzo axial permisible (8 MPa, 80 kgf/cm2) Usar el mas desfaborable para seleccionar el aislador

 Calculo de capacidad del núcleo de plomo Esta capacidad debería ser capaz de absorber el núcleo en el diseño del aislador por el fabricante. Q = Ap * τ y τy Ap

: tensión de corte de fluencia de nucleo 10 (Mpa), para ciclos histereticos estables. : area del nucleo de plomo



Fl G Hr

Calculo de rigidez del nucleo de plomo (kp)

: factor 1,1 según norma Nch 2745 : módulo de corte del elastomero (0,9 MPa, según naturaleza) : altura total de goma en el aislador

Este valor de rigidez sirve para calcular la fuerza de fluencia del aislador.

 Calculo de fuerza de fluencia


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Dy Fy

:desplazamianto horizontal de fluencia : fuerza máxima de corte que puede absorver el aislador

 Calculo de frecuencias

Fh Fv Gef Ec S K

: frecuencia horizontal (1/Td) : frecuencia vertical : módulo de corte básico elastomero (0.9 Mpa) : módulo de elasticidad de compresion : Factor de forma : módulo elastico bruto (2000 MPa)

Se debe verificar que la frecuencia vertical de la estructura sea mayor a 10 Hz osea de bajo periodo de oscilacion.


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13.3 CALCULO Y DISEÑO DE AISLADORES SISMICOS

Para tomar la decisión de implementar aisladores sismicos, se deben realizar 2 modelos, uno sin aisladores sismicos, y otro con aisladores sismicos, de tal forma de poder realizar una comparacion técnica de los siguientes puntos:

 Visualizar cambios del periodo fundamental de la estructura, este aumenta con los aisladores.

 Las aceleraciones sismicas, para cada periodo calculado deberian bajar.

 Los desplazamientos entre niveles deberia disminuir al incorporar aisladores sismicos.

 Los esfuerzos internos, corte, axial, momento deberian bajar.

 Con estas premisas generales de comparacion, se procedera a evaluar la estructura en estudio.

A continuacion se realiza la exposicion del procedimiento matematico necesario, para la selección de los aisladores sismicos


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DISEÑO DE AISLADORES PESO SISMICO TOTAL W

466 Ton

Numero de aisladores

40

CALCULO DESPLAZAMIENTO MAXIMO (DTM)

OBS

DTM Dmax

0.507 m

50.7 cm 51 cm

para selección del aislador de catalogo

CARGA AXIAL Pu

Pu max  1.25CM 1.25CV  SISMO Reaccion apoyo (Pu) Pmax

verificar reaccion axial ente esta combinacion de carga en el apoyo 22000 kg 216 KN 4000 KN

(1KN=102 kgf)

para selección del aislador de catalogo

DIAMETRO DE AISLADOR (Di) CRITERIO A Con DTM : DI = 1.5 DTM

0.76 m

CRITERIO B - Con Pumax : DI = Pumax/Esfuerzo axial permisible (8MPa) Pumax 22000 kg σc 80 kg/cm2 Area 275 cm2 OBS Di 19 cm 0.19 m Di maximo Di comercial

0.76 m 0.8 m

CALCULO CAPACIDAD DEL AISLADOR (Qd)

Q = Ap * τ y

para selección del aislador

de catalogo caracteristica del aislador

265 KN

de catalogo, Capacidad máxima de Corte elástico del nucleo

27030 kgf

φ

PLOMO (DL)

A plomo (Ap)

τ y CENTRO PLOMO Q = Ap * τ y

23 cm

65 kgf/cm2 para ciclos histeréticos estables (<10 Mpa) 27006 kgf

φ AISLADOR (Di)

80 cm

A elastomero (Ae)

4611 cm2


de catalogo

415 cm2

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ING. CIVIL OBRAS CIVILES ALTURA DEL AISLADOR HI = DTM /2.50 0.20 m 0.46 m

Hi Calculo Hi catalogo

CALCULO RIGIDEZ DEL FLUENCIA (Kd)

Kd 



2

2



 D I  DL * G * 4 HI

Di DL G Hi

80 23 9 46

caracteristica del aislador

902 kg/cm Rango de catalogo 0.902 Ton/cm KN/mm kd 0.7 kd 1.6

Qd Dtm Kd

kg/cm 714 1632

Ton/cm 0.714 1.632

cm cm kg/cm2 cm

CALCULO DE RIGIDEZ EFECTIVA (Keff) LINEAL

K eff 

altura minima del aislador sin planchas calculado de catalogo (H-2*t)

Qd  Kd DTM

caracteristica del aislador Ton/cm 1.432

1432 kg/cm

27030 kg 51 cm 902 kg/cm

CALCULO DE AMORTIGUACION EFECTIVA (βeff)

caracteristica del aislador

Energíadisipada  eff  4 * Energía de deformación máxima

 eff   eff 

Area de lazo histerético 2 2 * K eff maxDTM 4Qd DTM  Dy  2 * K eff max DTM

2



4Qd DTM  Fy 10K d  2 * K eff m axDTM

2

0.21

RIGIDEZ AISLADOR CON NUCLEO DE PLOMO

fL Hi G

1.15 factor según nch 2745 46 cm 9 kg/cm2

Kp horizontal


calculado de catalogo (H-2*t)

1037 kg/cm

Ton/cm 1.04

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FUERZA DE FLUENCIA

OBS

Dy Fy Qd Dtm Keff

4.74 cm

Dy=0.05*Hr 2.30 cm

31945 kg

Desplazamiento de fluencia Fuerza maxima de Corte que puede absorver el aislador

27030 kg 51 cm 1432

kg/cm

RIGIDEZ NO LINEAL (Ke) Ke

6744 kg/cm

Ton/cm 6.74

Fy / Dy

CALCULO RIGIDEZ VERTICAL (Kv) OBS DUREZA SHORE DIAMETRO Di (φ) AREA (A) Jcaucho Altura del Aislador (H) Espesor placas acero (t) Numero de Capas ALTURA CAPAS CAUCHO (t) ALTURA TOTAL CAUCHO (Σt) REACCION APOYO (Pu) PRESION DE APOYO (Ry/A) AMORTIGUAMIENTO (βeff) MODULO ELASTICO BRUTO (K) MODULO DE CORTE BASICO (Gef)

60 0.80 m 80 cm 5027 cm2 1500 kgf/m3 1.15 @ 1.88 gr/cm3 0.51 m 51 cm 2.5 cm 33 0.014 m 1.39 cm 0.46 m 46 cm 22000 kg 4.38 kg/cm2 0.214 2000 Mpa 20000 kg/cm2 0.9 MPa 9 kg/cm2 90 Ton/m2

de catalogo calculado de catalogo de catalogo de catalogo calculado de catalogo del modelo calculado NCH 2745 según AASHTO 14.7.6

FACTOR DE FORMA S= φ / ( 4 * t )

14.3

MODULO DE ELASTICIDAD DE COMPRESION Ec= ( 1 / ( 6 *Gef * S^2) + 4/( 3* k ) ) ^-1 638.47 Mpa

6384.7 kg/cm2

63847 T/m2

SECCION TRANSVERSAL A= π * φ^2 /4


0.503 m2

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RIGIDEZ VERTICAL Kv = ( Ec * A / Σ t )

698 T/m RIGIDEZ VERTICAL RESORTE MODELO 0.698 Ton/cmproducir vibracion superior a 10 hz

Kv aislador

1000 KN/mm mayor a este valor 1020000 kg/cm 1020 Ton/cm

VERIFICACION RIGIDEZ VERTICAL Kv calculo

< OK

kv aislador

Tabla Nº13.1 Resumen Dimensionamiento Aislador CUADRO RESUMEN DIMENSIONAMIENTO DEL AISLADOR

Dtm (cm) Dmax (cm) Hi (cm) Calculado Aislador Calculado 50.7

51

20

Hi (cm) Q=0.10*W (kg) Qd (kg) Aislador Calculado Aislador 46

1165

27030

Normalmemte, el aislador toma como corte, un porcentaje del peso de la estructura (Q solicitante), con el que se debe comparar con la capacidad del aislador.


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Tabla Nº13.2 Resumen Propiedades Aisilador CUADRO RESUMEN PROPIEDADES AISLADOR PARA MODELACION ESTRUCTURAL Rigidez Lineal Amortiguamiento Rigidez efectiva Efectivo Effective Stiffness Effective Damping Kd Keff βeff kg/cm kg/cm 902

1432

0.21

Rigidez Vertical

Kv Ton/cm 1020

Rigidez no Lineal Fuerza de Fluencia Rigidez Yield Strenght Stiffness Dy (cm) Fy (kg) Ke kg/cm 4.74

Linear properties

31945

6744

No Linear properties

Diagrama Nº13.1 Ciclo Histerético de funcionamiento del Aislador

El ciclo de funciomanieno de un aislador sismico tiene un comportamiento no lineal y lineal, presentando mayor rigidez en su partida (Ke) no lineal, para luego tener menor rigidez durante su deformacion de ciclo Keff lineal, retornardo a su origen por su capacidad de restitucion de rigidez Kd.


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Se debe considerar que se deben ingresar las caracteristicas de rigideces lineales y no lineales a los programas como el Sap 2000 o el Etabs, en link properties.

13.4 EVALUACION DE IMPLEMENTACION DE AISLADORES SISMICOS Una vez asigandas las propiedades de rigideces en las bases del edificio, representando asi la capacidad de deformacion del aislador sismico, de tal forma de disipar energia por su ciclo histeretico, se debe verificar en el modelo aislado, los periodos, aceleraciones, desplazamientos y distorsiones (Drift) entre los niveles, esfuerzos de corte de los muros o culumnas sismoresistentes, ademas de verificar los desplazamientos reales del modelo y las reacciones de corte en el aislador con el objeto de chequear que este tenga una demanda de funcionamiento menor a su capacidad.

Ademas, al evaluar su implementacion se debe cuantificar las reducciones de persepcion de las personas que habitaran la edificacion y de la disminucion de posibles daños en la edificacion tanto estructural como elementos secundarios como tabiques y sus juntas de encuentros, que normalmente presentan fisuras y se deben volver a sellar y muchas veces volver a pintar.

Tambien al presentar menores deformaciones, y aceleraciones en los niveles se aminora la posibilidada de desplome de los cielos falsos, pudiendo dañar a las personas, obtaculisando los las salidas y retardando la nueva puesta en marcha del edificio en su produccion, dado que se requiere de tiempo para poder realizar las labores de reparaciones ante eventos sismicos de cierta magnitud.


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Cabe señalar que se debe realizar un espectro de aceleracion considerando los periodos de la estructura aislada. Tabla Nº13.3 Periodos sin y con aislación en Edificio

PERIODOS CALCULADOS DEL EDIFICIO SIN AISLADORES W (frecuencia) T seg Rad/seg

MODO 1

39.360

0.1596

2

49.350

0.1273

3

50.500

0.1244

4

106.280

0.0591

5

129.480

0.0485

6

130.850

0.0480

7

515.170

0.0122

8

719.25

0.0087

9

731.50

0.0086

CON AISLADORES W (frecuencia) T seg

10.82 11.09 11.54 51.92 65.83 66.97 108.23 131.65 136.98

0.58 0.57 0.54 0.12 0.10 0.09 0.06 0.05 0.05

Tabla Nº13.4 Aceleraciones modales, edifico sin y con aislación

ACELERACIONES MODALES MODO

SIN AISLACION CON AISLACION [m/Sec2]

1 2 3 4 5 6 7 8 9

3.03 2.74 2.71 2.11 2.01 2.01 1.68 1.64 1.64

1.57 1.57 1.58 0.88 0.81 0.8 0.69 0.66 0.65

Como ya se ha mensionado, se observan claramente aumento de los periodos y diminución de las aceleraciones de los distintos modos posibles de vibrar del edificio contemplando sus tres grados de libertad en cada nivel.


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Tabla Nº13.5 Desplazamientos entre pisos CON SIN AISLACIO AISLACION ESTADO NIVEL DE CARGA ALTURA ENTRE DESP. PISOZ H (cm) Δ 3 2 1 BASE

Espec Z

325 325 120 0

1.46 1.4 1.27 1.2

CON AISLACION

SIN AISLACION

DRIFT (cm) Δn - Δ(n-1) H 0.00018 0.00040 0.00058

% REDUCCION DRIFT (cm) DRIFT MAX CHECK MENOR DISTORSION DISTORSION POR Δn - Δ(n-1) NCH 433 drift ENTRE PISOS AISLADORES 0.002*H H Δcal < Δmax SI 43 0.00032 0.65 OK SI 16 0.00048 0.65 OK NO 0.00002 0.24 OK

DESP. Z Δ 0.262 0.157 0.002 0

OBS PERCEPCION

Gráfico Nº13.1 Desplazamientos Estructura sin y con Aislación ALTURA (m) 3ºNIVEL

7,7

2ºNIVEL

4,45

1ºNIVEL

SIN AISLACION

CON AISLACION

1,20

BASAL

0 DEFORMACIONES ENTRE NIVELES (mm)

Se obaservan desplazamientos entre niveles menores en los niveles superiores al utilizar aisladores sismicos.


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Tabla Nº13.6 Comparacion de factores de utilización Elementos sismo resistentes

CON AISLADOR Descripción

Sección

Miembro

Ec. ctrl

Ratio

Estatus

Referencia

ARRIOSTRA E2 CAÑ 6"

750 C9 en 0.00%

0.39 Bien

(H1-1a)

COLMET 101_EB HEB 260

364 C8 en 0.00%

0.28 Bien

(H1-1b)

SIN AISLADOR Descripción Sección

Miembro

Ec. ctrl

Ratio

Estatus

Referencia

ARRIOSTRA E2 CAÑ 6"

749 C16 en 0.00%

0.35 Bien

(H1-1a)

COLMET 101_ED HEB 260

402 C9 en 100.00%

0.31 Bien

(H1-1a)

De acuerdo al diseño estructural se observan del modelo menores esfuerzos en columnas y por ende menores relaciones demanda capacidad. No obstante, cabe señalar que esta disminución es del orden del 10%.

Con los antecedentes expuestos, se recomienda la implementacion de aisladores sismicos en la medida se sea posible su inversion considerando costo beneficio a largo plazo, contemplando que sera mayor la inversion inicial, pero la reutilización de la edificacion posterior, ante un evento sismico severo, con lo que respecta a lo productivo, será inmediata, al no incurrir en tiempos muertos en posibles arreglos de cielos falsos, sellos y pinturas de elementos secundarios y retoques de terminaciones.

Anexamente la persepción de los usuarios será de mayor seguridad al ver el buen desempeño sismico del edificio y al no visulaizar grandes impactos en elementos estructurales secundarios o en sus terminaciones. Sin embargo en nombre de la rigurosidad, en este caso la estructura sin aisladores sismicos presenta de igual forma un buen desempeño.


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CAPITULO 14 CONCLUSIONES En el diseño de edificios, se deben estudiar las plantas y elevaciones de arquitectura, de tal forma de poder diseñar los ejes resistentes mediante columnas y muros de corte y verificar la verticalidad de estos, asegurando una adecuada transmisión de carga al terreno y evitando excentricidades de los mismos.

Anexamente se debe proponer en edificaciones en acero los ejes en que son estrictamente necesarios implementar los arriostramientos, para colaborar al buen desempeño sismo resistente. La cantidad mucha veces de estos elementos, se ve restringido por la arquitectura del edificio.

En el diseño de las estructuras se deben utilizar dimensiones de elementos estructurales, lo más liviano posible, ya que las fuerzas sísmicas van en directa proporción al peso del edificio.

Por otra parte en el diseño del edificio, se debe tener en cuenta la ubicación geográfica del proyecto para visualizar aceleraciones sísmicas, exposición al viento y posibles cargas de nieve, además, de conocer en el estrato a fundar, según recomendación del especialista en mecánica de suelos.

En el análisis de resultados se debe verificar que las columnas y arriostramientos u otros elementos sismo resistentes tengan ductibilidad disponible, para que el edificio cuente con capacidad de absorber solicitaciones que excedan las mínimas señaladas por norma, apelando a lo establecido en la norma sísmica que menciona los principios e hipótesis básicas de diseño para que las edificaciones:

a) Resistan sin daños movimientos sísmicos de intensidad moderada; b) limiten los daños en elementos no estructurales durante sismos de mediana intensidad; c) aunque presenten daños, eviten el colapso durante sismos de intensidad excepcionalmente severa. INGENIRIA CIVIL EN OBRAS CIVILES

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El método estático de diseño sísmico, se debe utilizar para edificaciones con las restricciones que estable la norma sísmica siendo una de ellas en edificaciones de no más de 5 pisos y de 20 m de altura. El método modal espectral se puede utilizar para cualquier tipo de edificio y de cualquier altura.

Se debe entender que en el diseño modal espectral, se debe cuidar, que el diseño de elementos se realice por el lado de la seguridad del edificio atendiendo a posibles incompatibilizaciones de equilibrio en nudos en la superposición cuadrática de los modos de vibrar considerados.

En la modelación del edificio, se obtuvieron resultados de esfuerzos internos de elementos sismo resistentes, similares en primer nivel, al utilizar tanto solicitación sísmica por método estático, como método dinámico modal espectral.

En cuanto a las deformaciones sísmicas calculadas se obtuvieron desplazamientos relativos muy similares en ambos métodos sísmicos para todos los estados de carga y sus combinaciones.

Se debe tener presente que el corte basal obtenido del análisis modal espectral por la superposición cuadrática de todos los modos de vibrar, debe ser mayor al mínimo y menor al máximo establecido por norma. Por lo cual se debe aplicar un factor al espectro de respuesta si esto ocurriese, aplicando este factor al espectro introducido al programa de modelación hasta que alcance los límites señalados por nuestra norma.

Por otra parte se hace necesario estudiar la posibilidad de implementar aisladores sísmicos a todo tipo de construcción, dado a la fuerte componente sísmica de nuestro país, buscando soluciones técnicas y económicas viables con posibles fuentes de fomentación fiscal. En edificios en altura de periodos importantes, es de vital importancia su implementación, puesto que disminuye las deformaciones en los pisos superiores y por ende aminora la percepción de las personas que lo habitan, mejorando sustantivamente la calidad de vida y confianza en este tipo de edificaciones.


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En las modelaciones, en ingeniería civil, es de suma importancia entender que estas, solo pretenden interpretar o simular lo más cercano posible el comportamiento de los sismos sobre las edificaciones, siendo esto de mucha complejidad, el poder modelar el comportamiento sísmico exacto en edificaciones provocado por la ruptura de placas tectónicas.

Por último, atendiendo además, que en algunas localidades de nuestro país, se registraron aceleraciones sísmicas mayores a las establecidas por nuestra norma, se hace de mucha importancia realizar un buen diseño sismo resistente con elementos con ductibilidad disponible con capacidad excedente para absorber y disipar energía por deformación.

ENRIQUE ROMERO MARTINEZ OMAR MÜLLER FIGUEROA INGENIEROS CIVILES UNIVERSIDAD TECNOLOGICA METROPOLITANA


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BIBLIOGRAFIA

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NCH 2369 of 03

“Diseño sísmico de estructuras e instalaciones industriales”.

NCH 2745 of 03

“Analisis y diseño de edificios con aislación sísmica – Requisitos”

AISC 360-05

“Specification for Structural Steel Buildings”.

Servicio Sismológico de la Universidad de Chile


http://ssn.dgf.uchile.cl/ Informes técnicos.

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ANEXOS


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ANEXO A EXTRACTO INFORMEN TECNICO SISMO 27 FEBRERO 2010 SERVICIO SISMOLOGICO UNIVERSIDAD DE CHILE


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ANEXO B TABLA PARA SELECCIÓN DE AISLADORES SISMICOS


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DISEÑO SISMICO EDIFICIO, AISLACION SISMICA

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