SECCIÓN DE POSGRADO DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA ARQUITECTURA
A L A E N D R E A I D C O N M E R N E O I G N C E C U A I R T Cátedra: R T S Dr. Luis Albert Alberto o Benites Gutiérrez Gutiérrez S N E O A C Integrantes: M
Acosta Villanueva Edwin Joel Arangurí Arang urí Castillo Gloria Gloria Yulissa Yulissa Arteaga Edwin Joel Portilla Amaro Edinson
GERENCIA DE PROYECTOS EN LA CONSTRUCCIÓN
DISIPADORES DE ENERGÍA AISLADORES SÍSMICOS
INTRODUCCIÓN El Perú está ubicado dentro del Cinturón de fuego del Pacifico, que no es otra cosa más que estar en la zona de choque y subducción de las placas tectónicas más importantes del mundo y por esta razón es la zona con más actividad sísmica del globo terráqueo. Uno de los objetivos objetivos más importantes importantes de la l a Ingeniería Civil que es la de salva guardar la vida humana sobre las edificaciones que ésta rama de la ingeniería proyecta y ejecuta, podemos decir que este objetivo primario es más importante que el coste económico que supone edificar con seguridad
Durante la Durante l a última década el concepto 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 pioneramente pionerament e los países de Estados Estados unidos y Japón Japón han venido experimentado con esta tecnología incluso al nivel de construir edificios, pues finalmente la naturaleza los ha probado durante los sismos de los Ángeles en 1994 y Kobe en 1995; donde se pudo apreciar las bondades de esta alternativa dado que los edificios construidos con esta tecnología tecno logía han aumentado aumentado considerablemente considerablemente los niveles de seguridad para las personas y la puesta puesta en operat operatividad ividad de los edificios del sismo se visto reducida a un menor tiempo.
1. DISIPADORES
DISIPADORES DE ENERGÍA SÍSMICA
Los disipadores son aditamentos o elementos, traídos del concepto de la ingeniería mecánica y su función es disipar las acumulaciones de energía que ocurren dentro de una edificación asegurándose que elementos de la estructuras no sean sobre exigidos, lo que podría provocar daños severos a la estructura. Las complejas respuestas dinámicas de la estructuras requiere de dispositivos adicionales como el disipador de energía para controlar los desplazamientos horizontales. .
CARACTERISITICAS
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Desempeño bajo todas las cargas de servicio, verticales y horizontales. Deberá ser tan efectiva como la estructura convencional. Provee la flexibilidad horizontal suficiente para alcanzar el periodo natural de la estructura aislada. Capacidad de la estructura de retornar a su estado original sin desplazamientos residuales. Provee un adecuado nivel de disipación de energía, de modo de controlar los desplazamientos que de otra forma pudieran dañar otros elementos estructurales .
TIPOS
DISIPADORES DE ENERGÍA HISTERÉTICOS.
Los dispositivos histeréticos dependen básicamente de los desplaz lazamie mientos de la estructu ctura, son de característ ística ica me mettálic lica pura y se basan en la fluencia de los metales a partir de esfuerzos de flex lexión, corte, torsión o a través del proceso de extrusión.
Disi Disipa pado dore ress Metá Metálilico coss. En esta clase de disipadores el acero ha sido el metal más empleado. Entre sus virtudes están las posibilidades constructivas que ofrece, debido a que es de fácil mecanizado y soldabilidad; además, tiene un bajo cost co sto o y elev elevad ada a duct ductililid idad ad.. Entre
los
más
usados
tenemos
el
DISIPADORES DE ENERGÍA HISTERÉTICOS.
Disipadores Friccionantes. Esta clase de disipadores disipan la energía mediante el rozamiento que se presenta por el desplazamiento relativo entre dos superficies en contacto. Su principal inconveniente inconveniente radica en el coeficiente coeficiente de fricción, el cual depende de la velocidad, la presión entre las l as superficies superficies y las condiciones condiciones de las mismas. Si la l a estructura estructura permanece en rango elástico el ástico,, la variación del coeficiente de fricción no afecta significativamente a la respuesta estructural, pero dicha respuesta llega a ser significativa si esta entra en rango no lineal
DISIPADORES DE ENERGÍA VISCO ELÁSTICOS
Los dispositivos visco elásticos dependen básicamente de la velocidad relativa entre dos puntos de la estructura y se basan en el incremento del amortiguamiento estructural. Su incursión ante solicitaciones solicitaciones sísmicas sísm icas es reciente, reciente, dado que han sido empleados em pleados principalmente para reducir la respuesta de estructuras ante solicitaciones de viento
Disip Disipad ador ores es Visc Visco o elásti elásticos cos Soli Solido doss Esta clase de disipadores están formados por chapas metálicas unidas por una capa de material viscoelástico arriostres
acopladas
que
a
conectan
ext extremo remoss del del en enttrepi repiso so..
los los
DISIPADORES DE ENERGÍA VISCO ELÁSTICOS
Los dispositivos visco elásticos dependen básicamente de la velocidad relativa entre dos puntos de la estructura y se basan en el incremento del amortiguamiento estructural. Su incursión ante solicitaciones sísmicas es reciente, dado que han sido empleados principalmente para reducir la respuesta de estructuras ante solicitaciones de viento
Disipadores Visco elásticos Solidos Esta clase de disipadores están formados por chapas metálicas unidas por una capa de material viscoelástico arriostres
acopladas
que
a
conectan
extremos del entrepiso.
los los
DISIPADORES DE ENERGÍA VISCO ELÁSTICOS
Disipadores Visco elásticos Líquidos Esta clase de disipadores Por su parte, disipan la energía por medio de movimientos inducidos por un pistón en una sustancia altamente viscosa. Utilizan la acción de la parte sólida para mejorar el desempeño estructural ante acciones externas, mientras que la parte liquida es usada para obtener el control pasivo deseado, La disipación de energía ocurre por intercambio de energía mecánica por calor relacionada a la deformación del pistón y la sustancia viscosa similar a un gel de silicona
DISIPADORES DE ENERGÍA VISCO ELÁSTICOS
Disipadores fluido - viscoso Son mecanismos llenos de líquido viscoso que disipan energía forzando su flujo a través de un orificio. Los disipadores dependen de la velocidad, por lo que no incrementan esfuerzos en la estructura ya que aquellos que ésta desarrolla están fuera de fase con las fuerzas actuantes en los disipadores durante el movimiento. Componentes
Un Disipador de Fluido Viscoso consiste de un cilindro metálico lleno de un líquido viscoso, como aceite o silicona, y una cabeza de pistón con orificios que separa al cilindro en dos cámaras. Una de las cámaras posee un acumulador que compensa el cambio de volumen del fluido debido al posicionamiento del pistón durante el movimiento.
VENTAJAS, DESVENTAJAS, USO Y APLICACIÓN
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Ventajas o Beneficios Los dispositivos de disipación de energía aumentan el nivel de amortiguamiento de las estructuras, reduciendo los esfuerzos y deformaciones en ellas y sus contenidos. Los esfuerzos, aceleraciones y deformaciones inducidos por un sismo en una estructura con sistemas de disipación de energía, pueden ser entre un 15 a 40% menores que los correspondientes a una estructura sin disipadores, logrando reducir el daño producido a elementos estructurales y no estructurales. Beneficio de reducción de daños durante sismos severos. Disminución de los costos de reparación de daños, luego de eventos sísmicos, dado que se reducen: Daños estructurales. Daños de componentes y sistemas no estructurales. Menores daños de contenidos de recintos. Beneficio para el mandante en reputación de marca. Ayuda a vender mejor los atributos del producto. Percepción de mayor seguridad del usuario. Posibilidad de reducción de costos de estructura, condicionado a la normativa de diseño sísmico vigente •
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VENTAJAS, DESVENTAJAS, USO Y APLICACIÓN
Desventajas o Limitaciones Algunos tipos de disipadores pueden requerir ser reemplazados parcial o totalmente luego de sismos excepcionalmente severos. Del mismo modo, algunos tipos de disipadores, que si bien reducen las demandas en la estructura, pueden incrementar la probabilidad de que se produzcan deformaciones residuales permanentes en las estructuras.
Aplicación disipador metálico en apoyo de puente
VENTAJAS, DESVENTAJAS, USO Y APLICACIÓN
Usos y Aplicaciones El objetivo primordial de la instalación y uso de técnicas de control de respuesta sísmica es la disminución del daño mediante la reducción de la demanda de ductilidad local en la estructura principal. En estructuras de concreto reforzado, la capacidad de los elementos de ofrecer más o menos ductilidad está directamente relacionada con el detallado de refuerzo que tenga el elemento. Una de las aplicaciones es el control de vibraciones en sistemas aeroespaciales y de defensa en los Estados Unidos, donde fue evaluado con éxito durante muchas décadas Otra aplicación seria Cuando un edificio ha estado sometido por varios años a sismos intensos, posiblemente hay cierto grado de daño (no siempre visible) en la estructura. Si se necesita rehabilitarlo deberá proporcionarse la resistencia exigida en el reglamento vigente.
VENTAJAS, DESVENTAJAS, USO Y APLICACIÓN
VENTAJAS, DESVENTAJAS, USO Y APLICACIÓN
Aplicación disipador metálico en base a flexión.
Aplicación en el WOODLAND HOTEL, localizado en la ciudad de Woodland, California- USA donde Se colocaron 16 disipadores F = 45t
VENTAJAS, DESVENTAJAS, USO Y APLICACIÓN
Aplicación en el SAN FRANCISCO CIVIC CENTER, Edificio de pórtico de acero de 14 pisos Se colocaron 292 disipadores, F = 100t y 55t
Aplicación en el edificio “Servicios de Comunicación de emergencia PACIFIC BELL”, Sacramento – California – USA. Se colocaron 62 disipadores
Chevron, F = 13t
VENTAJAS, DESVENTAJAS, USO Y APLICACIÓN
Aplicación en el SAN FRANCISCO CIVIC CENTER, Edificio de pórtico de acero de 14 pisos Se colocaron 292 disipadores, F = 100t y 55t
Aplicación en el edificio “Servicios de Comunicación de emergencia PACIFIC BELL”, Sacramento – California – USA. Se colocaron 62 disipadores
Chevron, F = 13t
FORMAS DE COLOCACIÓN DE LOS DISIPADORES
Para las instalaciones típicas de los disipadores, estos son colocados como diagonales de arrostramiento, logrando así unos elementos prácticamente independientes de las acciones verticales y que resultan muy fáciles de instalar. El pistón es fijado al piso superior, mientras que el acumulador es fijado al piso inferior. Las dos disposiciones más comunes de colocación son chevron, diagonal y Scissor Jack.
FORMAS DE COLOCACIÓN DE LOS DISIPADORES
La configuración Chevron Brace. Puede lograr una eficiencia de 1, es decir toda la capacidad del disipador sirve para controlar el movimiento lateral de la estructura. Para lograrlo es necesario que los arriostres que lo sostienen tengan una alta resistencia lateral
Disipador en disposición Chevron
FORMAS DE COLOCACIÓN DE LOS DISIPADORES
Configuración Chevron Brace
Configuración Chevron Brace Invertida
FORMAS DE COLOCACIÓN DE LOS DISIPADORES
La configuración Diagonal. Esta es la
más económica, debido a que sólo requiere de tubos metálicos para la instalación
de
los
disipadores.
Sin
embargo es la que tiene la menor eficiencia. La componente horizontal de la fuerza que se genere es la que brindará amortiguamiento. La eficiencia depende del ángulo de inclinación del brazo metálico que va a sostener al disipador, mediante la expresión f=cos (θ).
Configuración Diagonal
FORMAS DE COLOCACIÓN DE LOS DISIPADORES
Configuración Scissor Jack. La
configuración Scissor Jack aumenta el desplazamiento del pistón para un desplazamiento de entrepiso, razón por la cual tiene una eficiencia mayor a la unidad. La eficiencia depende del ángulo de inclinación del disipador (Ψ) y del ángulo de la armadura (θ) según la relación f=cos(ψ)/tg(θ).
Otra ventaja de esta configuración es que ocupa un menor espacio, lo que no impide colocar una puerta o una ventana en su lado. Esta configuración tiene un mayor precio, por lo que para tomar una decisión Configuración Scissor Jack de cuál de las tres configuraciones utilizar será necesario comparar el costo asociado a la instalación y el costo de los disipadores a utilizarse.
DISEÑO ARQUITECTÓNICO Y ESTRUCTURAL
El primer paso en el diseño de los amortiguadores es la selección de la localización y distribución de los dispositivos dentro de la estructura. La ubicación de los dispositivos, debe realizarse en conjunto con el arquitecto, de tal forma que estos no interfieran en la estética de la edificación y no bloquee los accesos a esta. Los aspectos arquitectónicos dependen del tipo de disipador de energía que se instale en la estructura. En general, los dispositivos de disipación se distribuyen en toda la altura de las estructuras, para tomar ventaja de las deformaciones y velocidades de entrepiso a que se ven sometidas las estructuras durante eventos sísmicos. En estructuras donde las deformaciones y velocidades de entrepiso son bajas, es común utilizar dispositivos que abarcan dos, tres e incluso más pisos. Del mismo modo, los dispositivos suelen colocarse en puntos alejados de los centros de gravedad de las plantas del edificio, típicamente fachadas, a fin de mitigar efectos de torsión en las estructuras. Los disipadores de energía se encuentran disponibles en gran variedad de tamaños. Los disipadores viscosos, viscoelásticos, o friccionales pueden estar ocultos dentro de muros o tabiques.
DISEÑO ARQUITECTÓNICO Y ESTRUCTURAL
Los amortiguadores de masa sintonizada por su parte, que típicamente se colocan a nivel de techo de las estructuras, requieren de recintos de mayor tamaño especialmente habilitados para ellos, dimensionados considerando los desplazamientos máximos de los dispositivos en caso de sismo severo. Los disipadores de energía, independientemente de su tipología, deben ser instalados en puntos de la estructura donde puedan ser inspeccionados con posterioridad a sismos severos, y donde se les pueda dar mantención en los casos en que se requiera. En todas las estructuras donde se utilizan dispositivos de disipación de energía, se recomienda considerar su uso desde las etapas iniciales del proyecto, a fin de mitigar el impacto en arquitectura de su incorporación.
COSTOS Y PRESUPUESTOS Al evaluar económicamente la instalación de disipadores de energía se deben considerar los siguientes aspectos: Costos: Costo de los dispositivos. Costos de proyecto. Costo de instalación. Costos directos y gastos generales. Costo de ensayos y certificación. Costos de los refuerzos locales de la estructura requeridos para la instalación de disipadores. En algunos casos el costo de los dispositivos puede ser menor al de los elementos de sujeción del dispositivo a la estructura. Costos generales por aumento de plazos. Costos de mantención y/o reposición. Costo de posibles recintos que dejan de utilizarse para instalar los disipadores. •
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2. AISLADORES
INTRODUCCION
Muchos diseños de construcción sismorresistente y diversas tecnologías se han desarrollado a lo largo de los años en un intento de mitigar los efectos de los sismos en los edificios. El atenuar los efectos de un sismo en los edificios, ha sido siempre uno de los temas más populares en el área de ingeniería estructural y atrae la atención de muchos investigadores e ingenieros de todo el mundo. A continuación se procederá a describir algunos de los sismos más importantes registrados en el Perú, y la problemática en la filosofía del diseño sismorresistente convencional relacionadas.
INTRODUCCION
SISMOS EN EL PERU El Perú está situado en una zona de frecuente actividad sísmica debido a que se ubica sobre una zona de colisión entre dos placas tectónicas. La placa de Nazca, que ocupa gran parte del subsuelo del océano Pacífico teniendo un borde de colisión que se extiende desde Panamá surcando la costa del Ecuador y Perú hasta el sur de Chile, se desplaza en la dirección N 80 E, llegando a tener una °
velocidad promedio de 11cm/año (Fernandez, 2008)
INTRODUCCION
A continuación se expone algunos de los sismos más graves que ha ocurrido en el Perú debido a los movimientos de la placa de Nazca.
Pisco 2007 Ocurrió en la costa central de Perú, en 15 de agosto del 2007 a las 18:40 horario local. De acuerdo a Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS), el sismo tuvo una magnitud momento de 8.0 y una duración de 3 minutos con 30 segundos
INTRODUCCION
Moquegua 2005 Registrado el 1 de octubre del 2005 a las 12:19 hora local. Tuvo su epicentro en la provincia de Sánchez Cerro (Moquegua) y una magnitud de 5.4 en la escala de Richter Nazca 1996 Registrado el 12 de noviembre de 1996 a las 11:59 hora local. Afectó las ciudades de Ica, Pisco Nazca y Palca donde tuvo una magnitud de 6.4 en la escala de Richter. Lima 1974 Registrado el 3 de octubre de 1974 a las 09:21 hora local. El epicentro fue a 90 km al suroeste de Lima, tuvo una magnitud momento de 6.6, con una duración de 90 segundos
Cercado de Lima, sismo del 1974.
INTRODUCCION
Ancash 1970 Registrado 31 de mayo de 1970 a las 15:23 hora local. Tuvo una magnitud de 7.8 en la escala de Richter y fue el evento más mortífero del siglo XX, el número de víctimas asciende a 67,000 personas
San Pedro, Chimbote 1970.
INTRODUCCION
Ante esta problemática, en las últimas décadas han surgido nuevas ideas respecto a la protección ante el peligro sísmico; se ha propuesto reducir los efectos del sismo acoplando sistemas mecánicos a la estructura, con el propósito de que absorba parte de la energía que llega al conjunto. De esta manera la energía sísmica que le corresponde a la estructura se reduce notablemente.
Esquema de estructura sin Aislación basal y con aislación.
MARCO TEORICO
AISLADOR: Es un elemento estructural horizontalmente flexible y verticalmente rígido del sistema de aislamiento que permite grandes deformaciones laterales menores diseño carga sísmica.
MARCO TEORICO
TIPOS DE SISTEMAS DE AISLACIÓN Hay muchos tipos de sistemas de aislación que están disponibles en la práctica. Sin embargo los más usados comúnmente son los siguientes: 1. AISLADORES ELASTOMÉRICOS Estos aisladores son apoyos elastoméricos laminados, intercalando capas de caucho con delgadas placas de acero unidas por un proceso de vulcanización; las láminas alternadas de caucho pueden deformarse en un plano horizontal entregando la flexibilidad que permite al edificio moverse lateralmente bajo el movimiento producido por un sismo 1.1 AISLADOR ELASTOMÉRICO DE BAJO AMORTIGUAMIENTO (LDR) Se utiliza caucho natural de baja capacidad de amortiguación
Comportamiento histerético
MARCO TEORICO
1.2 AISLADOR ELASTOMÉRICO DE ALTO AMORTIGUAMIENTO (HDR) La diferencia radica en que el caucho ha sido modificado con aditivos (tales como aceites, carbón en polvo, resinas, polímeros u otros elementos), que le permiten alcanzar un mayor amortiguamiento.
Comportamiento histerético
1.4 AISLADOR ELASTOMÉRICO CON NÚCLEO DE PLOMO (LRB) Este aislador presenta las mismas características que el LDR de intercalar láminas de caucho natural y delgadas capas de acero, pero con la inserción de un núcleo de plomo en el centro, que entrega mayor amortiguamiento al sistema de aislamiento
Comportamiento histerético
MARCO TEORICO
2. AISLADORES DESLIZANTE 2.1 AISLADOR DE PÉNDULO FRICCIONAL (FPS) Es un sistema de aislamiento que combina el efecto de deslizamiento con una fuerza restitutiva generada por las cargas de gravedad y la geometría. Consiste en un deslizador conectado a la superestructura que se mueve sobre una superficie cóncava.
Comportamiento histerético
2.2 AISLADOR DE PÉNDULO FRICCIONAL DOBLE (FPS-D) Este sistema presenta dos superficies cóncavas en las que el deslizador superior e inferior podrá moverse, lo cual, permite que el desplazamiento de este aislador sea mayor al del sistema FPS
MARCO TEORICO Articulacion deslizante superior
Superficie Cóncava de deslizamiento superior
Superficie Cóncava de deslizamiento inferior
Articulacion deslizante inferior
2.3 AISLADOR DE TRIPLE PÉNDULO FRICCIONAL El aislador de triple péndulo ofrece mejor desempeño sísmico y reduce los costos, en comparación de otras tecnologías convencionales de aislamiento sísmico Concavidad Principal de deslizamiento superior
Deslizador Concavo superior
Deslizador Interno
Concavidad Principal de deslizamiento inferior
Deslizador cóncavo inferior
ANALISIS Y DISEÑO
DESCRIPCIÓN ESTRUCTURAL DEL EDIFICIO El edificio de laboratorios especializados de la escuela académico profesional de ingeniería en energía (EAPIE), está conformado por dos bloques típicos destinados a laboratorios de diferentes especialidades, por lo que el análisis y diseño estructural se reduce a un solo bloque. Para referirnos a estos bloques los llamaremos simplemente como “bloque de laboratorios” DATOS: El bloque de laboratorios consta de tres pisos con una altura máxima de 11.10m, altura típica de entrepiso 3.40m, tiene un voladizo de 2 m. El área a construir en el primer nivel es de 8.70 x 23.00 m2 y para los demás niveles un área típica de 10.70 x 23.00 m2. Placas 4 esquinas en forma de L con espesor de 0.30m y longitudes exteriores de 1.8m x 2.00m. pórticos centrales compuestos por columnas de 0.40m x 0.70m y vigas de 0.30m de ancho con 0.70m de peralte en la dirección X, y 0.60m de peralte en la dirección Y. La losa de entrepiso típica, tiene un espesor de 0.20m, con ladrillo hueco de 0.30m x 30, y viguetas de 0.10m. concreto, una de resistencia a la compresión f’c =210kg/cm2 para cimentación, columnas y placas, y otro de f’c =245kg/cm2 para vigas y losas. Para el acero se tiene una resistencia a la tensión de f’y= 4200kg/cm2.
ANALISIS Y DISEÑO
ANALISIS Y DISEÑO
MODELACIÓN COMPUTACIONAL EN EL PROGRAMA ETABS v.2013
ANALISIS Y DISEÑO
RESULTADOS DEL ANÁLISIS ESTÁTICO: Cortante basal en X e Y. NIVEL
DIRECCIÓN
Ba s e
SI SMO XX
VX (ton)
193.55
NIVEL
DIRECCIÓN
Ba s e
SISMO YY
VX (ton)
193.55
Distribución cortantes en altura, dirección X e Y. VX
NIVEL
DIRECCIÓN
3
SISMO XX
2
SISMO XX
1
SISMO XX
193.55
VY
NIVEL
DIRECCIÓN
70.79
3
SISMO YY
70.79
147.03
2
SISMO YY
147.03
1
SISMO YY
193.55
tonf
tonf
Cortante absorbida por los muros en la dirección X Story
Pier
Load Case/Combo
VX (ton)
Story1
MX1
SISMO XX
40.04
Story1
MX2
SISMO XX
40.22
Story1
MX3
SISMO XX
47.35
Story1
MX4
SISMO XX
47.55
175.16 % VBASAL/VMUROS =
90%
Cortante absorbida por los muros en la dirección Y Story
Pier
Load Case/Combo
VY (ton)
Story1
MY1
SISMO YY
41.96
Story1
MY2
SISMO YY
41.96
Story1
MY3
SISMO YY
48.85
Story1
MY4
SISMO YY
48.85
ANALISIS Y DISEÑO
Fuerzas cortantes en dirección X e Y NIVEL
DIRECCIÓN
VX
NIVEL
VY
DIRECCIÓN
tonf
tonf
3
SX DINAMICO Max
68.67
3
SY DINAMICO Max
67.88
2
SX DINAMICO Max
128.03
2
SY DINAMICO Max
126.11
1
SX DINAMICO Max
159.00
1
SY DINAMICO Max
156.65
% VDINAMICO/VESTATICO
82%
% VDINAMICO/VESTATICO
81%
Modos de vibración y Masa Participativas Modo
Período (seg)
UX
UY
RZ
1
0.304 0.282 0.206
0.802
0.000
0.000
2 3
0.000
0.789
0.013
0.780
0.000
0.012
4
0.068
0.166
0.000
0.000
5
0.063
0.000
0.167
0.002
6
0.045
0.000
0.002
0.176
7
0.028
0.032
0.000
0.000
8
0.027
0.000
0.030
0.000
9
0.020
0.000
0.000
0.028
ANALISIS Y DISEÑO
Primer modo de Vibración Traslación X
Primer modo de Vibración Traslación Y
ANALISIS Y DISEÑO
Primer modo de Vibración Rotacional RZ
ANALISIS Y DISEÑO
ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL DEL SISTEMA AISLADO PLACAS: Se decidió quitar las placas y reemplazarlas por columnas, iguales a las centrales, de 0.40m x 0.70m. COLUMNAS: Se mantuvo las misma existente VIGAS: Todas las vigas se mantienen iguales, sólo se agregaron las vigas sobre el sistema de aislación. Estas se diseñaron con 0.30m x 0.70m, de forma que proveyera rigidez suficiente en la base de las columnas y soporten los momentos por excentricidad de carga de los aisladores. Además de asegurar un diafragma rígido. PISO TÉCNICO: El sistema de aislación consta de 10 aisladores elastoméricos tipo LRB, anclados sobre podios de 0.80m x 0.80m con una altura de 1.80m. Sobre los aisladores va un capitel o dado de concreto de 0.80m x 0.80m x 0.70m.
ANALISIS Y DISEÑO
CIMENTACIÓN: Consta de zapatas aisladas de dimensiones suficientes para distribuir uniformemente las presiones generadas por el peso de la estructura al suelo de fundación, en una profundidad de fondo de zapata de - 3.40m, medido desde el nivel de terreno natural 0.30m.
ANALISIS Y DISEÑO
DISEÑO DE AISLADORES LRB
TIPO A TIPO B TIPO C
ANALISIS Y DISEÑO DATOS DE LA ESTRUCTURA APORTICADA: b (m)= 8.4 d (m)= 22.7 y (m)= 11.35 e (m)= 1.135 Ty (seg) = 0.725 Tx (seg) = 0.538 DATOS DE FABRICANTES: σmax rubber (ton/m2)=
Datos Datos Datos Datos Datos Datos
de de de de de de
la la la la la la
estructura estructura estructura estructura estructura estructura
815 250% 41 1020
Esfuerzo Admis ibl e caucho Deformación Máxi ma por Corte Módulo Corte Caucho Esfuerzo fluencia Plomo
g (m/s²)=
2.00 15% 1.38 9.81
Período Inicial Amortiguamiento Efectivo Factor amortiguamiento Ec. (4.3.5.a) aceleración de la gravedad
PASO 2 Dm (m) = Dtm (m)=
0.39 0.49
ɣ max=
G (ton/m2)= fy (ton/m2)= PASO 1 Tm (seg) βm eff = Bm=
Despl azami ento Máxi mo Ec. (4.3.5.b) Despl azami ento Total Máxi mo Ec. (4.3.5.c)
PASO 3 N° Ai sl adores P D+0.25L (ton) Km eff (ton/m) PASO 4, 5, 6,7 y 8: 1° Iteración WD Q (ton) K2 o Kd (ton/m) K1 (ton/m) Dy(m) Fy WD βm eff
TIPO A 3 108.37 109.069
TIPO B 5 74.57 75.052
TIPO C 2 47.90 48.214
TIPO A 24.79 12.6 83 834 0.017 14.024 23.95 0.14
TIPO B 17.06 8.7 57 574 0.017 9.650 16.48 0.14
TIPO C 10.96 5.6 37 369 0.017 6.199 10.59 0.14
RECALCULAMOS
Km eff si st (ton/m) Tm (seg) WD si st βm eff si st Bm
Dm (m)
798.90 1.95 175.4 0.145 1.36 0.38
Carga axial de servicio Pmin Rigidez efectiva Ec. (4.3.5.d)
Energía disipada Ec. (4.3.5.e) Fuerza fluencia de plomo Ec. (4.3.5.i) Rigidez secundari a Ec. (4.3.5.j) Rigidez elastica K1 ≈ 10K2 Desplazamiento de fluencia Ec. (4.3.5.k) Fuerza de fluencia Ec. (4.3.5.q) Energía disi pada Ec. (4.3.5.g) Amortigua miento Efectivo Ec. (4.3.5.e)
ANALISIS Y DISEÑO 2° iteraci ón N° Aisladores K min (ton/m) WD Q (ton) Apb (m2) Dpb (m) Dpb min (m)
TIPO A 3 109.069 23.43 12.1 0.0118 0.12 0.10
TIPO B 5 92.785 19.93 10.3 0.0101 0.11 0.10
TIPO C 2 85.971 18.47 9.5 0.0093 0.11 0.10
Corrección ri gidez mínima según catalogo Energía disipada Ec. (4.3.5.e) Fuerza fluencia de plomo Ec. (4.3.5.i) área núcleo de plomo Ec. (4.3.5.m) Diámetro pl omo necesari o Diámetro plomo mínimo Ec. (4.3.5.n)
0.1550 19.2
0.1350 14.6
0.1250 12.5
Ec. (4.3.5.m)
40 69.45 694.498 0.031 21.385 35.03 0.2166
30 62.7 627.302 0.026 16.222 26.86 0.1952
26 60.2 602.046 0.023 13.908 23.17 0.1817
Ec. (4.3.5.o) Ec. (4.3.5.p) K1 ≈ 10K 2 Ec. (4.3.5.k) Ec. (4.3.5.q) Ec.(4.3.5.g) Ec. (4.3.5.e)
TIPO A 3 109.069 21.15 13.3 0.0131 0.13 0.10
TIPO B 5 92.785 17.99 11.3 0.0111 0.12 0.10
TIPO C 2 85.971 16.67 10.5 0.0103 0.11 0.10
Energía disipada Ec. (4.3.5.e) Fuerza fluencia de plomo Ec. (4.3.5.i) Área núcleo de plomo Ec. (4.3.5.m) Diámetro pl omo necesari o Diámetro plomo mínimo Ec. (4.3.5.n)
0.1550 19.2 48 60.59 605.908 0.035 21.385 27.85 0.2578
0.1350 14.6 37 56.0 560.098 0.029 16.222 21.49 0.2339
0.1250 12.5 32 54.4 544.430 0.026 13.908 18.60 0.2184
Ec. (4.3.5.m) Ec. (4.3.5.o) Ec. (4.3.5.p) K1 ≈ 10K 2 Ec. (4.3.5.k) Ec. (4.3.5.q) Ec.(4.3.5.g) Ec. (4.3.5.e)
ESCOGEMOS
Dpb (m) Q (ton) Kpb(ton/m) K2 o Kd (ton/m) K1(ton/m) Dy(m) Fy (ton) WD βm eff RECALCULAMOS
Km eff si st (ton/m) Tm (seg) WD si st βm eff si st Bm
Dm (m) Dtm (m) 3° iteraci ón N° Aisl adores Km eff (ton/m) WD Q (ton) Apb (m2) Dpb (m) Dpb min (m)
963.072 1.78 285.7 0.196 1.52 0.31 0.40
ESCOGEMOS
Dpb (m) Q (ton) Kpb(ton/m) K2 o Kd (ton/m) K1(ton/m) Dy(m) Fy (ton) WD βm eff RECALCULAMOS
Km eff si st (ton/m) Tm (seg) WD si st βm eff si st Bm
Dm (m) Dtm (m)
963.072 1.78 228.2 0.2393 1.65 0.29 0.37
ANALISIS Y DISEÑO PASO 9:
AISLADORES DIS
COLUMNA
Pmax (ton)
Área (m2)
DIÁMETRO 1 (mm) Ec. (4.3.5.r)
DIÁMETRO 2 (mm) Ec. (4.3.5.s)
DIÁMETRO CALCULADO (mm)
DIÁMETRO AISLADOR (mm)
TIPO DE AISLADOR
A1 B1 A5 B5 A2 A3 A4
89 123 89 120 129 133 129
0.11 0.15 0.11 0.15 0.16 0.16 0.16
373 439 373 434 448 456 448
527 527 527 527 527 527 527
527 527 527 527 527 527 527
570 570 570 570 570 570 570
C B C B B B B
B2 B3 B4
181 188 179
0.22 0.23 0.22
532 542 529
527 527 527
532 542 529
570 570 570
A A A
TIPO A 570 0.255 0.0189 0.236 41 0.18 198% 250% OK
TIPO B 570 0.255 0.0143 0.241 41 0.19 184% 250% OK
TIPO C 570 0.255 0.0123 0.243 41 0.20 179% 250% OK
TIPO A 180 14.25 10.00 18 203,943 1,400,000 39,959 52,459 114,359 166,817 0.50 17.5
TIPO B 190 14.25 10.00 19 203,943 1,400,000 39,959 50,656 86,751 137,406 0.56 19.4
TIPO C 200 14.25 10.00 20 203,943 1,400,000 39,959 48,531 74,375 122,906 0.67 23.3
OK > 10Hz
OK > 10Hz
OK > 10Hz
PASO 10: Diámetro (mm) A (m2) Apb (m2) Arubber (m2) G (ton/m2) tr(m) ɣ
ɣmax
Observación PASO 11: tr (mm) S
t (mm) n K t on/m El ton/m Ec Kv rubber (ton/m) Kv pb (ton/m) Kv (ton/m) fh (Hz) fv (Hz) OBSERVACIÓN ALTURA TOTAL DEL AISLADOR A:
Área Aisl ador Área del plomo Área del Caucho Módulo Corte Caucho Altura caucho Ec. (4.3.5.t) Deformación de corte Ec. (4.3.5.u) Dato de fabricantes
Altura del caucho Factor forma Ec. (4.3.5.x) Espesor de una capa caucho Cantidad capas caucho Módulo de compresibili dad del caucho Módulo de compresibli dad del plomo Módulo compresiblidad caucho-acero Ec. (4.3.5.w) Ec. (4.3.5.v) Ec. (4.3.5.v) Rigidez Vertical Ec. (4.3.5.v) Frecuencia Horizontal Frecuencia Vertical Ec. (4.3.5.y)
ALTURA TOTAL DEL AISLADOR B:
ALTURA TOTAL DEL AISLADOR C:
ALTURA DE CAUCHO (mm)
180
ALTURA DE CAUCHO (mm)
190
ESPESOR LÁMINAS DE CAUCHO (mm)
10.0
ESPESOR LÁMINAS DE CAUCHO (mm)
10
ALTURA DE CAUCHO (mm) ESPESOR LÁMINAS DE CAUCHO (mm)
200 10
19
NÚMERO DE LÁMINAS DE CAUCHO
20
NÚMERO DE LÁMINAS DE CAUCHO
18
NÚMERO DE LÁMINAS DE CAUCHO
ESPESOR LÁMINAS DE ACERO (mm) NÚMERO DE PLACAS DE ACEROO
3 17
NÚMERO DE PLACAS DE ACEROO
18
NÚMERO DE PLACAS DE ACEROO
19
ESPESOR PLANCHAS EXTERNAS
25
ESPESOR PLANCHAS EXTERNAS
25
ESPESOR PLANCHAS EXTERNAS
25
ESPESOR LÁMINAS DE ACERO (mm)
3
ESPESOR LÁMINAS DE ACERO (mm)
3
ANALISIS Y DISEÑO
Resumen de propiedaes del sistema de aislación. N° Aisladores Km eff (ton/m) βm eff K1(ton/m) Fy (ton) Ratio K2/K1 Kv (ton/m) P adm (ton)
TIPO A
TIPO B
TIPO C
3 109.069 0.283 544.012
5 92.785 0.259 513.145
2 85.971 0.243 504.175
21.39
16.22
13.91
0.10 166,817.35 183.55
0.10 137,406.46 183.55
0.10 122,905.70 183.55
Km eff sist (ton/m) Tm (seg) βm eff sist Dm (m) Dtm (m) P admisible (ton)
963.072 1.78 0.2644 0.28 0.35 1835.49
ANALISIS Y DISEÑO
570mm 135 mm
570 mm 155 mm
t=10mm
t=10mm m
m 1
1
m 2
8
m
ts=3mm 3 2
m m m m 4 4 9 4 2 2
Características del Aislador tip A.
ts=3mm
Características del Aislador tipo B. 570 mm 125 mm
t=10mm m m m m 7 7 0 5 3 2
ts=3mm
Características del islador tipo C.
ANALISIS Y DISEÑO
ANALISIS COMPARATIVO
Periodos fundamentales en las direcciones principales del edificio . PERIODO FUNDAMENTAL
BASE FIJA SISTEMA LRB
Tx (seg)
0.304
Ty (seg)
0.282
Tx (seg)
1.863
Ty (seg)
1.926
Fuerzas cortantes sísmicas, análisis estático . Base
Reducci
Aislada
ón
Vx (t)
Vx (t)
(%)
3
70.79
40.7
42.4%
2
147.03
83.5
43.2%
1
193 55
109 2
43 6%
Nivel
Base Fija
ANALISIS COMPARATIVO Fuerzas cortantes de diseño en la dirección X, análisis del espectro de respuesta . BASE AISLADA
Nivel
Base Fija
Base
Reducció
Aislada
n
Vx (t)
Vx (t)
(%)
3
68.67
23.83
65.3%
2
128.03
57.37
55.2%
1
159.00
90.01
43.4%
BASE FIJA
3 l e2 v i N
1 0 20
40
60
80
100
120
140
160
Fuerza Cortante (ton)
Fuerzas cortantes de diseño en la dirección Y, análisis del espectro de respuesta . Base
Reducció
Aislada
n
Vy (t)
Vy (t)
(%)
3
67.88
23.78
65.0%
2
126.11
56.50
55.2%
1
156.65
87.24
44.3%
Nivel
Base Fija
BASE AISLADA
BASE FIJA
3 l e2 v i N
1 0 20
40
60
80
100
120
Fuerza Cortante (ton)
140
160
ANALISIS COMPARATIVO Reducción en área de sección transversal de los elementos resistentes a las fuerzas sísmicas. BASE FIJA BASE AISLADA Reducció
(m2)
(m2)
n (%)
PLACAS
4.20
0.00
100.0%
COLUMNAS
1.68
2.80
-66.7%
ÁREA TOTAL
5.88
2.80
52.4%
Base Fija
Base Aislada
Sa (m/s²)
Sa (m/s²)
3
4.40
1.18
2
2.85
1.12
1
1.78
1.07
0
0
1.09
Nivel
Incremento de la respuesta de aceleración por nivel. Dirección X.
Incremento de la respuesta de aceleración por nivel.
Base Fija
Base Aislada
Sa (m/s²)
Sa (m/s²)
3
4.65
1.22
2
2.99
1.13
1
1.87
1.07
0
0
1.14
Nivel
DESPLAZAMIENTOS ABSOLUTOS
BASE FIJA
BASE AISLADA
3
Desplazamientos en la dirección X
2 o s i P
1
0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Desplazamiento (cm)
BASE FIJA
BASE AISLADA
3
Desplazamientos en la dirección Y
2 o s i P
1
0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
Desplazamiento (cm)
18
20
22
24
EDIFICACION CONVENCIONAL
EDIFICACION CON AISLADOR
ANALISIS COMPARATIVO NIVEL
CONVENCIONAL (S/.)
AISLADO (S/.)
BASE
83,938.05
256,338.73
1
90,463.55
72,622.21
2
81,357.75
70,569.20
3
80,297.59
66,573.32
336,056.94
466,103.45
% INCREMENTO
39%
AISLADO, 139%
CONVENCIONAL
AISLADO
