AISLADORES SISMICOS
I.
INTRODUCCION
El presente trabajo tiene por finalidad desarrollar el conocimiento que se tiene sobre los diferentes sistemas de control estructural en la actualidad, y con base en ello, comparar los beneficios obtenidos por estos sistemas en comparación con los apoyos convencionales. En especial, considerando el caso de los aisladores de base. Histór Histórica icamen mente, te, los movimie movimiento ntoss sísmic sísmicos os repres represent entan an un pelig peligro ro para para las estructuras causándoles daños permanentes tanto en cimentaciones como en la superestructura, y en algunos casos llegando al colapso de ésta. ara ello, es necesario diseñar estructuras que resistan fuer!as sísmicas. "in embargo, es nuestro deber #acer construcciones que puedan resistir tanto sismos de pequeña como de alta magnitud. Esto es, que las estructuras tengan una gran capacidad de deformación, y que inclusive, vaya más allá de su estado elástico. $omo solución a esta situación, se crearon los sistemas de control estructural, los cuales #an sido desarrollados en este informe para un mayor conocimiento acerca de ellos.
II.
OBJETIVOS
Geotecnia
Ing. Wilmer Rojas
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I.
INTRODUCCION
El presente trabajo tiene por finalidad desarrollar el conocimiento que se tiene sobre los diferentes sistemas de control estructural en la actualidad, y con base en ello, comparar los beneficios obtenidos por estos sistemas en comparación con los apoyos convencionales. En especial, considerando el caso de los aisladores de base. Histór Histórica icamen mente, te, los movimie movimiento ntoss sísmic sísmicos os repres represent entan an un pelig peligro ro para para las estructuras causándoles daños permanentes tanto en cimentaciones como en la superestructura, y en algunos casos llegando al colapso de ésta. ara ello, es necesario diseñar estructuras que resistan fuer!as sísmicas. "in embargo, es nuestro deber #acer construcciones que puedan resistir tanto sismos de pequeña como de alta magnitud. Esto es, que las estructuras tengan una gran capacidad de deformación, y que inclusive, vaya más allá de su estado elástico. $omo solución a esta situación, se crearon los sistemas de control estructural, los cuales #an sido desarrollados en este informe para un mayor conocimiento acerca de ellos.
II.
OBJETIVOS
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%esarrollar el conocimiento que se tiene sobre los diferentes sistemas de
control estructural en la actualidad. %emostrar los beneficios que se obtienen al utili!ar sistemas de control
estructural activo, en este caso, los aisladores sísmicos. Estudiar
el
comportamiento
de
una
estructura
con
apoyos
convencionales y con apoyos de aislamiento sísmico, tomando como pará arámetr metros os de compa ompara racción ión el perío eríod do de la estr estru uctur ctura a y los despla!amientos relativos de entrepiso.
III.
MARCO TEORICO
II III. I.1. 1.
ANTEC NTECE EDENT DENTES ES
&a 'ngeniería "ísmica es el estudio del comportamiento de los edificios y las estru estruct ctur uras as suje sujeta tass a carg carga a sísm sísmic icas as,, entr entre e sus sus prio priorid ridad ades es dest destac acan an la Geotecnia
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obtención de altos niveles de seguridad y la mejora del comportamiento de las estructuras ante dic#os eventos dinámicos (sismos). %ebido a los daños estructurales acontecidos en varios países se #a comen!ado a cuestionar la efectividad de las estructuras convencionales y de los análisis empleados para valorar su respuesta. "e #an llegado a cuestionar* a) &os sistemas de cálculo empleados. b) &a imposibilidad de determinar la demanda de ductilidad ante un evento sísmico y dónde se va a producir. c) &a presencia de fallas frágiles en sistemas supuestamente d+ctiles. d) &a complejidad de detectar el daño en estructuras metálicas cuando éstas no manifiestan desplome. e) El elevado costo en reparación que supone un comportamiento d+ctil basado en una disipación de la energía en el seno estructural y de forma dispersa. na tendencia actual en el diseño sísmico consiste en buscar sistemas de control ante sismos para que localicen la demanda de ductilidad en elementos determinados. -lgunos sistemas proponen que la oferta de ductilidad resida en !onas de la propia estructura. tros consisten en el empleo de disipadores de energía e/ternos a la estructura, si bien forman parte del sistema estructural, se emplean como ne/o y ello permite su fácil restitución en caso de sufrir daño. El problema de diseño sísmico puede eliminarse, en ve! de resolverse0 es decir, se puede intentar 1des#acernos de los sismos en ve! de combatirlos2, aislando las estructuras del terreno. El #ec#o de separarlas de los movimientos del suelo se reali!aría mediante la introducción de elementos fle/ibles entre la estructura y su cimentación. &os sistemas propuestos en los +ltimos años giran sobre un mismo concepto* soportar las estructuras sobre sistemas muy fle/ibles lateralmente au/iliados con mecanismos disipadores de energía.
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El objetivo esencial es asegurar que el valor del periodo fundamental de vibración de la estructura se aleje del periodo dominante del sitio, de tal forma que los niveles de fuer!a y aceleración en la estructura sean reducidos significativamente. &os disipadores de energía reducen, igualmente, la fuer!a en la estructura, proporcionándole a su ve! una respuesta elástica, en algunos casos, sin que deba esperarse la reducción de la fuer!a en estructuras que estén respondiendo más allá de la fluencia.
III.2. CONCEPTO DE AISLADORES SÍSMICOS Estos dispositivos aíslan al edificio de toda la energía que el suelo introduce por causa de un evento tel+rico. "u aplicación en diferentes edificaciones en &atinoamérica y especialmente antes y después del terremoto ocurrido en $#ile, #a tenido resultados alentadores. 1El aislador sísmico desacopla la estructura del suelo y #ace que la aceleración sísmica no pase y si lo #ace, que esto ocurra en una proporción mínima. Entonces la estructura se comporta como un bloque rígido que se mueve sobre los aisladores en despla!amientos relativamente pequeños. or lo tanto, ya no #ay despla!amiento entre piso a piso que es lo que destruye la edificación En los edificios de construcción convencional, que están fijos a tierra, se amplifica la aceleración sísmica en las partes altas, en cambio una edificación que está sobre aisladores se mueve como un bloque, se estabili!a y la amplificación sísmica es menor2.
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III.3. HISTORIA Y DESARROLLO DE LOS AISLADORES El concepto de aislación sísmica #a sido desarrollado desde #ace más de 344 años0 sin embargo, recién en los +ltimos 54 años se #a ido difundiendo para ser aplicado de forma práctica y sólo en los +ltimos 36 años su aplicación se #a ido incrementando de forma e/ponencial por el buen desempeño que presentaron los pocos edificios aislados ante los sismos. En el año 3747 8.-. $alantarients del 9eino nido le escribió una carta al %irector del servicio sismológico de $#ile, en la cual, afirmaba que un edificio esencial podía construirse en un país sísmico con total seguridad si es que #abía una junta entre la base de la estructura y el suelo rellena de un material fino (arena, mica o talco) que le permitiese desli!arse durante el evento sísmico0 esto #ace que las fuer!as #ori!ontales transmitidas a la estructura se redu!can y como consecuencia no colapse. - lo que el investigador #acía referencia era un concepto primitivo de aislación sísmica. El inglés 8o#n :ilne, quien fue profesor de 'ngeniería de :inas en la niversidad de ;o
? y 3=76, reali!ó varios e/perimentos de aislación sísmica* instrumentaba una estructura aislada sísmicamente y la sometía a un movimiento sísmico. En 3==6 escribió un reporte describiendo su primer e/perimento a la -sociación @ritánica de -vance de la $iencia. En ese primer e/perimento, la estructura estaba construida sobre unas esferas de desli!amiento de 34 pulgadas de diámetro0 sin embargo, aparentemente el edificio no tenía un buen desempeño frente a cargas de viento así que volvió a
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reali!ar el ensayo varias veces #asta que determinó que para esferas de diámetro de pulgada la estructura se volvía estable para cargas de viento. En el +ltimo siglo se #an buscado diversos mecanismos que sirvan para desacoplar a la estructura del suelo con el objetivo de reducir las fuer!as y como consecuencia los daños. En 377? 8ames :. Aelly da a conocer tres ejemplos de los primeros edificios aislados. %os de ellos fueron construidos sobre esferas* un edificio en "ebastopol, crania y un edificio de cinco pisos en :é/ico0 y el tercero, un edificio de cuatro pisos para el observatorio sismológico del estado de @eijing sobre una capa de arena. En 37?7 se construyó el primer edificio aislado con bloques de cauc#o* la escuela estalo!!i de tres pisos #ec#a de concreto en "4C unos pocos edificios aislados fueron construidos en 8apón. Due el inicio del desarrollo de los "9E' ("teel reinforced elastomer isolator), en los cuales, se vulcani!an las capas de cauc#o y las placas de acero intercaladas con el fin de aumentar la rigide! vertical. Hasta el año 37=6 sólo tres proyectos #abían sido completados. Entre 37=6 y 3775, durante el boom de la economía japonesa, el n+mero de edificios aislados empe!ó a incrementarse a ra!ón de 34 edificios por año. En 37>= se construyó en viaducto de ;oetoe en Fort# 'sland, en Fueva Gelanda. Due la primera estructura con aisladores sísmicos #ec#os con capas intercaladas de cauc#o y acero con un n+cleo de plomo en el centro para que ayude a disipar la energía. Este tipo de aisladores llamados &9@ (&ead 9ubber @earing) son de amplio uso actualmente. n pequeño n+mero de edificios aislados fueron construidos en nueva Gelanda e 'talia principalmente por ser muy importantes. En 37=3 se terminó el primer edificio aislado con &9@* Edificio illiam $layton en ellington, Fueva Gelanda. El primer edificio aislado en los Estados nidos es Doot#ills $ommunities &aI and 8ustice $enter (D$&8$) ubicado en el 9anc#o $ucamonga, &os Jngeles. Este edificio construido a inicios de 37=5 y terminado a mediados de 37=6 fue #ec#o sobre aisladores elaborados con cauc#o de alto amortiguamiento natural. El mismo sistema de aisladores de alto amortiguamiento fue empleado en el Dire $ommand and $ontrol Dacility (D$$D).
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En Estados nidos el proceso de la elaboración de códigos que incluyeran pautas para el diseño con aisladores sísmicos empe!ó con una simple publicación de la -sociación de 'ngenieros estructurales del Forte de $alifornia llamada 1;entative "eismic 'solation %esign 9equirements2 ("E-$ 37=?), la cual, se basaba principalmente en el diseño con métodos estáticos. En el caso de "udamérica, $#ile #a sido uno de los primeros países en incorporar aisladores sísmicos a sus estructuras. $uenta además con la norma $#ilena F$#K>56 LK44M que es el resultado de la adaptación a la realidad c#ilena del código @$ (niform @uilding $ode) del año 377> y su compatibili!ación con la norma c#ilena F$#5MM.f377?. Entre los edificios actualmente aislados en $#ile se tiene* un bloque del conjunto #abitacional $omunidad -ndalucía construido entre los años 3773 y 377K para un estudio #ec#o por la niversidad $atólica de $#ile, el centro médico "an $arlos de -poquindo de la niversidad $atólica de $#ile construido en el año K444 y el Hospital :ilitar inaugurado en el año K44=.
III.4. TIPOS Y COMPORTAMIENTO DE LOS AISLADORES &a aislación sísmica consiste en desacoplar #ori!ontalmente a la estructura del suelo. El sistema de aislación usado y los dispositivos de aislación para lograr dic#o objetivo pueden variar de acuerdo con las necesidades o preferencias del diseñador. &os dispositivos de aislación, también llamados aisladores, son elementos estructurales muy fle/ibles en la dirección #ori!ontal y sumamente rígidos en la vertical que permiten grandes deformaciones #ori!ontales ante las solicitaciones sísmicas. El sistema de aislación es el conjunto de elementos estructurales que incluye a todos los aisladores, sus cone/iones y a los elementos estructurales que transmiten fuer!a entre el sistema de aislación y la superestructura y subestructura. - la estructura que se encuentra encima del sistema de aislación se le denomina superestructura y a la que se encuentra debajo subestructura. &a interfase de aislación es el límite imaginario entre la superestructura y la subestructura.
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&a Digura 3.a. muestra las partes del sistema de aislación. Entre los principales tipos de aisladores tenemos a los aisladores elastoméricos de cauc#o de bajo amortiguamiento (&9%), los aisladores con n+cleo de plomo (&9@), los aisladores de alto amortiguamiento (H%9), el sistema de péndulo de fricción invertido y de doble curvatura.
Figur 1.! Pr"#$ %#& Si$"#' %# i$&(i)* III.4.1. AISLADORES ELASTOM+RICOS DE BAJO AMORTI,UAMIENTO -LRD ;ambién llamados aisladores elastoméricos de cauc#o natural. -l principio fueron usados sin ning+n tipo de refuer!o ni placa de cone/ión0 sin embargo, luego se notó que si se deseaba aumentar la rigide! vertical se debía refor!ar intercalando láminas de acero con capas de cauc#o, así se obtenía una rigide! vertical que era cientos de veces la rigide! #ori!ontal. El proceso de fabricación de los &9% consiste en intercalar capas de acero y cauc#o que se colocan en un molde y se les aplica presión a una temperatura de 354N$ por apro/imadamente seis #oras. %urante ese tiempo se produce la reacción del epó/ico colocado entre las capas y el cauc#o se vulcani!a y adquiere su propiedad elástica.
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&a ad#esión entre el acero y el cauc#o debe ser tan resistente que antes que falle el pegamento debería fallar la goma. -l intercalar el cauc#o con el acero la capacidad para resistir cargas de gravedad aumenta y le da estabilidad a soportes laterales altos ante cargas laterales. &as placas de acero que se colocan en la !ona superior e inferior sirven para confinar el n+cleo y evitar la compresión del cauc#o ante cargas de gravedad. En la Digura 3.b. se muestran los componentes del &9%. El amortiguamiento de este tipo de aisladores está entre el 6 y 34O, lo cual obliga muc#as veces a usar sistemas de amortiguadores adicionales. &a fuer!a cortante y la deformación lateral tienen una relación lineal. &as principales ventajas de usar este tipo de aisladores es que son fáciles de modelar y fabricar.
Figur 1./! C0'0*#*"#$ %#& LRD III.4.2. AISLADORES ELASTOM+RICOS CON NCLEO DE PLOMO -LRB &os aisladores con n+cleo de plomo (&9@) se construyen generalmente de cauc#o de bajo amortiguamiento intercalado con láminas de acero y en el centro se deja un agujero en el que se introduce el n+cleo de plomo, que es un poco más anc#o que el agujero, bajo presión y se convierten en una unidad. El n+cleo de plomo se coloca para producir numerosos ciclos #isteréticos estables ya que este fluye (a una tensión de 34 :a) y recristali!a a temperatura ambiente0 esto #ace que tenga una buena resistencia a la fatiga. Entre las ventajas del &9@ podemos encontrar que el amortiguamiento aumenta con respecto al &9% y varía entre el 36 y M6O. -demás produce de
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forma natural un nivel de rigide! inicial importante para las cargas de servicio o de viento.
III.4.3. AISLADORES ELASTOM+RICOS DE CAUCHO DE ALTO AMORTI,UAMIENTO -HDR &os aisladores elastoméricos de alto amortiguamiento (H%9) están elaborados de cauc#o modificado con aditivos (tales como aceites, carbón en polvo, resinas, polímeros u otros elementos que le permiten alcan!ar un mayor amortiguamiento por sí solos), intercalado con láminas de acero y en la parte superior e inferior se les coloca una placa de acero para confinar el n+cleo. En la Digura M.K.3.f. se muestran los componentes del H%9. El amortiguamiento de éste tipo de aisladores varía entre el 34 y K4O para deformaciones angulares menores a PK. ara producir ciclos estables pasa por un proceso llamado scragging en el cual se le somete a varios ciclos de deformación y se logran ciclos estables para deformaciones menores. Es importante notar que al agregarle aditivos al cauc#o se le modifican algunas propiedades mecánicas como la elongación a la ruptura. tra desventaja es que éste tipo de aisladores se deterioran más rápidamente.
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III.4.4. AISLADORES DE BASE Estos sistemas tienen como principio proteger a las estructuras de los sismos, para ello desacoplan a la estructura del movimiento del suelo logrando un incremento en el periodo fundamental de vibración en todo el sistema, incluyendo a los aisladores. &a protección a la estructura se consigue a partir de dispositivos fle/ibles a los movimientos #ori!ontales y rígidos al despla!amiento vertical, situados entre los cimientos y la superestructura. El aislamiento de base es más recomendable en estructuras rígidas y que no tengan una elevada relación alturaanc#ura, dado que pueden presentar grandes momentos de vuelco generando la pérdida de equilibrio. -demás, al incrementar la altura, las ventajas obtenidas de la variación del periodo de vibración disminuyen. E/isten dos tipos de sistemas de aislamiento de base* los apoyos elastoméricos y los apoyos desli!antes. - su ve!, #ay tres tipos de apoyos elastoméricos ampliamente usados* apoyos de cauc#o natural (F9@), apoyos de cauc#o con n+cleo de plomo (&9@), y apoyos de cauc#o de alta disipación de energía (H%9). Entre los primeros aisladores de base fabricados comercialmente, se encuentran los apoyos rectangulares o circulares formados con placas de neopreno intercaladas con placas de acero más delgadas (F9@).
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Ai$&%0r %# B$#
Este dispositivo en muy fle/ible en su dirección #ori!ontal, pero verticalmente posee una gran rigide!. "u objetivo fundamental es fle/ibili!ar lateralmente a la estructural. $om+nmente son utili!ados en puentes. El aislador de base &9@ fue utili!ado por 9obinson y ;uc
III.4.4.1.
E%ii(i0$ C0* Ai$&%0r#$ D# B$#
- continuación se muestran algunas edificaciones que cuentan con aisladores de base. Dire $ommand and $ontrol Dacility &os
Jngeles,
Estados
nidos
-isladores de cauc#o natural con placas de acero
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Doot#ill $ommunities &aI and 8ustice $enter $alifornia, Estados nidos $onsta de 7= aisladores de capas m+ltiples, cojinetes de cauc#o natural refor!ado con placas de acero.
niversity of "out#ern $alifornia $alifornia, Estados nidos :arco de acero concéntrico apoyado en ?= aisladores de goma de plomo y =3 aisladores elastoméricos.
ta# "tate $apitol ta#, Estados nidos El sistema de aislamiento de la base se compone de K?6 aisladores, cada una pesa 6.444
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El :oro %istrito Dederal, :é/ico "e utili!ó un nuevo sistema llamado flotación elástica.
III..
CONSIDERACIONES ,ENERALES PARA EL DISE5O
El diseño convencional de las estructuras en nuestro medio se basa en añadir rigide! y resistencia en las direcciones principales con el fin de dificultar el ingreso a la !ona inelástica y controlar despla!amientos e/cesivos durante los eventos sísmicos0 es por ello que com+nmente se utili!an placas adecuadamente distribuidas en toda la planta del edificio. El incremento de resistencia va permitir que la estructura sea capa! de tomar mayores fuer!as y se van a necesitar elementos estructurales capaces de resistir dic#as fuer!as. n enfoque distinto se le da a las estructuras sísmicamente aisladas pues la transmisión de las fuer!as se reduce sustancialmente y ya no es necesario el uso de elementos estructurales con una gran capacidad de resistencia ni tampoco de una elevada rigide! como en el diseño convencional. En este caso, el parámetro a controlar es el gran despla!amiento que se da en el sistema de aislación. Este despla!amiento del sistema de aisladores es la base para el procedimiento de diseño pues los parámetros estructurales como el amortiguamiento equivalente (resultado del incremento que se da en el amortiguamiento estructural por la adición de la del sistema de aislamiento) y el periodo efectivo dependen de esta variable.
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9elación Entre eriodo, -mortiguamiento B %espla!amiento
III..1. CONSIDERACIONES ,ENERALES PARA EL AN6LISIS Y DISE5O CON AISLADORES SÍSMICOS E/isten una serie de consideraciones que deberán tomarse en cuenta en el procedimiento de análisis y diseño al utili!ar aisladores*
A *i7#& %#& $i$"#' %# i$&'i#*"0 C(i%% %# (rg8 arámetro muy importante pues tiene un valor má/imo para cada aislador de acuerdo con lo establecido en las especificaciones técnicas de estos elementos. or ello, será necesario repartir uniformemente toda la carga del edificio para impedir que alg+n aislador se encuentre sobrecargado.
U*i0r'r %#$&9'i#*"0$8 &a opción de fle/ibili!ar a la estructura no podría ser ejecutada si es que e/istiesen despla!amientos diferenciales #ori!ontales en ambas direcciones a nivel del sistema de aisladores, por lo que se deberá garanti!ar un diafragma rígido a nivel de la interfase de aislación. Efectos de torsión* Habrá que evaluar la separación entre el centro de masas y el centro de rigide! del sistema de aislamiento dado que si es que presentasen efectos de torsión en este nivel, e/istirá una mayor participación en el movimiento de
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los aisladores en la dirección perpendicular a la del análisis0 y de esta forma el objetivo de independi!ar el movimiento en cada dirección se ve reducida.
Tr((i)* #* &0$ i$&%0r#$8 &os aisladores poseen una resistencia a tracción que es del orden del 34 L 36O de la de compresión, por eso este parámetro tendrá que ser evaluado constantemente. Qalores fuera de este rango modifican las propiedades de los aisladores y en casos e/tremos pueden llegar a dañarse.
D#0r'(i0*#$ 7#r"i($8 Estas también se deberán tener en cuenta, ya que podrían generar deformaciones diferenciales entre los distintos elementos de la superestructura.
/ A *i7#& %# & #$"ru("ur E#("0$ %# $#gu*%0 0r%#* P!:8 &os despla!amientos en la interfase de aislación pueden generar una e/centricidad de la carga que resulta en momentos adicionales que deben ser tomados por la estructura.
Ju*"$ %# $#r(i)*8 El despla!amiento de diseño debe contemplar este parámetro. uede ser alrededor de 64 cm. &a vida de los aisladores* $omo esta tecnología es nueva, no se tiene muc#a información real sobre los cambios mecánicos que ocurren en los aisladores a lo largo del tiempo. En todo caso, deben instalarse de manera que pudieran ser intercambiados en un futuro (esto se puede #acer incluso cuando se ubican en la cimentación).
Ci'#*"(i)*8 el despla!amiento de los aisladores puede producir momentos R elevados que deben ser tomados por la cimentación (o en el caso de aisladores tipo péndulo invertidos, estos son tomados enteramente por la superestructura).
F("0r %# $i"i08 se debe conocer el comportamiento del suelo para seleccionar la combinación aisladores estructura más apropiada. En edificaciones de poca carga, es posible repartir la carga sobre los aisladores si es que se utili!a un sistema de losas y vigas entre la estructura y el nivel del sistema de aisladores donde las cargas provenientes de la estructura se reparten uniformemente sobre la losa y luego estas se transfieren por medio de las vigas a cada uno de los aisladores, ubicados debajo de cada intersección de la cuadricula que
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forman las vigas. &a importancia de este sistema también radica en el #ec#o de que se uniformi!an los despla!amientos. -demás, es necesario evaluar en este sistema la separación entre el centro de masa y el de rigide! para evitar que efectos de torsión generen esfuer!os e/cesivos en los aisladores.
A&gu*$ (0*$i%#r(i0*#$ r#&i'i*r#$ r #& %i$#;0 &os parámetros a considerar en el diseño se pueden incluir en un análisis estático o uno dinámico. El análisis estático es muy restringido pues para su utili!ación e/isten muc#as condiciones que limitan su aplicación en todas las estructuras0 en cambio, el análisis dinámico puede ser reali!ado en cualquier estructura. %e acuerdo con las normas que se toman como referencia, tratadas más adelante (DE:-, @$ y la Forma $#ilena), se recomienda reali!ar un análisis estático para todo diseño de una estructura aislada ya que de esta forma se obtiene un enfoque preliminar que establece un nivel mínimo de fuer!as y despla!amientos antes de utili!ar el análisis dinámico.
3..1.1 AN6LISIS EST6TICO "e recomienda para un diseño preliminar de la estructura y para verificar diseños más complicados. "in embargo, la norma establece un porcentaje mínimo de la deformación y despla!amiento, dados por las fórmulas de este tipo de análisis, de manera que sirve para resguardar a la estructura de un diseño poco conservador. &a rigide! vertical mínima del sistema de aislación debe ser tal que la frecuencia de vibración de la superestructura rígida aislada sea mayor a 34 H!. -l elegir el aislador a utili!ar, las ecuaciones $.5, $.6 y $.? de la norma ( -ne/o M.M) permiten #allar la capacidad de carga S a cero deformación, la rigide! post fluencia
D#$&9'i#*"0$ &"#r$ '<*i'0$ D#$&9'i#*"0$ %# %i$#;08
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"e debe diseñar para resistir despla!amientos laterales en los dos ejes principales de la estructura iguales a* %%P$%T@%. $% se obtiene seg+n el tipo de suelo y @% se puede calcular. Este cálculo también se debe reali!ar para el despla!amiento má/imo. &a ecuación se basa en la rigide! secante del sistema de aislación que corresponde al despla!amiento má/imo %:. D#$&9'i#*"0 "0"&8
%eben incluir los despla!amientos adicionales debidos a la torsión natural y accidental calculada considerando la distribución espacial de la rigide! lateral del sistema de aislación y la ubicación menos favorable de la e/centricidad de masa. &a e/centricidad de masa en planta se mide con respecto al centro de rigide!. El despla!amiento total de diseño %;% se obtiene con*
D DT = D D
(
1
+
y ∗12 e 2
b
+d
2
)
El despla!amiento total puede ser menor al calculado con esta ecuación pero no menor a 3.3 %% ni a 3.3 %: (respectivamente).
/ Fu#r9$ &"#r$ '<*i'$ El sistema de aislación o los elementos estructurales en el nivel o bajo el nivel de aislación, se deben diseñar para resistir una fuer!a sísmica lateral mínima Qb. D (¿ ¿ D )2 V b= K max∗¿
B los elementos estructurales sobre el sistema de aislación* V b=
K max∗ D D R 1
%onde 93 es siempre menor a K y Qs menor a la fuer!a de corte obtenida para una base fija con el mismo periodo de la estructura aislada. ;ampoco a 3.6 veces la fuer!a requerida para activar el sistema de aislación. Geotecnia
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"i la estructura es suficientemente rígida, una ve! activado el sistema de aislación, las deformaciones se concentrarán a#í, por eso la distribución de fuer!as se distribuirá uniformemente en altura y cada fuer!a de aplicará en el centro de masa de cada nivel. -demás, la deriva de los centros de masa de dos pisos consecutivos no será mayor a 4.44K sin reducción por 9.
3..1.2 A*=&i$i$ %i*='i(0 uede ser análisis espectral o de respuesta en el tiempo. El despla!amiento total de diseño no será menor que el 74O de %;%, y el despla!amiento total má/imo no será menor al =4O de %;:. -simismo, la fuer!a de corte de diseño no será menor al 74O de Qb. -l momento de evaluar %;% y %;:, %% y %: se pueden reempla!ar, respectivamente, por %%C y %:C. Estos nuevos valores incluyen la influencia de la fle/ibilidad de la superestructura. ; es el periodo de la estructura con base fija y comportamiento elástico. D D ' =
D D
√
2
T ) 1 +( T D
En caso de una superestructura regular la fuer!a de corte tendrá que ser mayor al =4O de Qs. En caso se realice el análisis de respuesta en el tiempo para diseñar la estructura, para estructuras irregulares podrá considerarse mayor o igual al =4O de Qs y para estructuras regulares mayor o igual al ?4O de Qs.
A*=&i$i$ %# r#$u#$" #$#("r& Este se recomienda para superestructuras fle/ibles, superestructuras de planta irregular yTo aisladores con una relación fuer!adeformación que puede ser representada muy bien por un modelo lineal equivalente0 permite calcular de
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forma simple la distribución de fuer!as y deformaciones en superestructuras fle/ibles.
/ A*=&i$i$ %# r#$u#$" #* #& "i#'0 "e puede usar en el diseño de cualquier estructura con aislación sísmica y es recomendable cuando el sistema tiene una ra!ón de amortiguamiento modal mayor a M4O, sistemas cuya deformación se espera que e/ceda la distancia disponible con estructuras adyacentes, sistemas dependientes de la velocidad de deformación o sistemas que e/perimentan levantamiento o impacto. "e deben seleccionar pares de componentes #ori!ontales de aceleración de al menos M registros0 luego se combinarán lo espectros de pseudoaceleración de cada par de registros por el método "9"" para un UP4.46. $ada par de registros se aplicará simultáneamente al modelo considerando la dirección menos ventajosa.
( E$#("r0 %# %i$#;0 #$#(<i(0 %#& &ugr $orresponde al "%' y al ": de un lugar. "e reali!an cuando las estructuras tienen un periodo aislado ;: V Ms, ubicados en suelos tipo 'Q o a una distancia menor a 34
III.>. AN6LISIS DE MODELOS DE ESTRUCTURAS AISLADAS $on el fin de evaluar el desempeño de las estructuras aisladas se anali!an varios edificios y se #acen comparaciones entre los comportamientos del sistema convencional empotrado en la base y el sistema aislado. Esta comparación
se
reali!a
con
los
resultados
obtenidos
a
nivel
de
despla!amientos, fuer!as y modos de vibración.
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III.>.1. CRITERIOS PARA LA ELECCI?N DE ESTRUCTURAS "e buscó modelar distintos tipos de estructuras* -porticados, de placas y mi/tos0 todos estos de concreto armado. -simismo, se trató de que sean diferentes en altura* bajos (menos de ? pisos), altos (más de 3K pisos) y otros intermedios. ;ambién, se buscó que cada edificio anali!ado tenga alguna peculiaridad como las irregularidades en altura (piso blando, discontinuidad de los sistemas resistentes, etc.) o las irregularidades en planta (esquinas entrantes, discontinuidad en los diafragmas, etc.) para que se valore su influencia en el sistema aislado. $omo se quiere evaluar la influencia del sistema de aislamiento en estructuras semejantes a las que se construyen en nuestro medio, todos los edificios e/aminados e/isten y no son modelos ideali!ados.
En la tabla se muestran las características de los edificios anali!ados.
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III.>.2. CONSIDERACIONES Y CRITERIOS DE MODELAMIENTO En la etapa del modelamiento se controlan los parámetros de capacidad de carga, rigide! lateral y los despla!amientos má/imos que se van a desarrollar en los aisladores.
III.>.2.1.
C(i%% %# (rg @ "r((i)*8
El peso del edificio define la cantidad y tipo de aisladores a utili!ar de tal forma que no se e/ceda la capacidad de carga de cada aislador. Este análisis es sólo preliminar dado que e/istirán diferencias entre las cargas permanentes y cuando ocurren los sismos. -nte un evento sísmico, los momentos generados van a esfor!ar verticalmente a unos aisladores más que otros0 es por ello que también se #ace un control de la capacidad de carga cuando se utili!a una combinación que incluya el sismo y las cargas muerta y viva amplificadas por 3.K6. Esta se #a tomado como la combinación que otorga valores má/imos de carga en la mayoría de los aisladores. $uando un lado se sobrecarga más e/iste la tendencia de que en el otro lado algunos aisladores no trabajen a compresión y se encuentren en tracción. Este parámetro se controla con una combinación del sismo más el peso del edificio que trata de estabili!ar el momento volcante producido.
III.>.2.2.
Rigi%#9 &"#r& @ %#$&9'i#*"0 '=i'08
En el modelo se busca compensar la rigide! de ambos lados para que puedan recibir una cantidad similar de fuer!a lateral y también para controlar que no #ayan efectos de torsión en el sistema de aislamiento, en donde la región menos rígida rotaría alrededor de la otra0 este efecto es desfavorable pues dificulta la posibilidad de fle/ibili!ar a la estructura.
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ara controlar este parámetro en el modelo se busca equilibrar la rigide! de los bordes equidistantes al centro de rigide! del sistema de aislamiento. &os despla!amientos dependerán de la rigide! del sistema de aislación y deberán tenerse en cuenta. Estos despla!amientos se deberán calcular inicialmente y verificar con un análisis dinámico.
III.. PROCEDIMIENTOS DE DISE5O DE LOS AISLADORES III..1. C0*$i%#r(i0*#$ I*i(i$8 ara dimensionar los aisladores se considera el "ismo :á/imo $reíble
(:$E) o sismo que tiene el KO de probabilidad de ser e/cedido en 64 años. or lo tanto, el factor G(:$E) P 4.?g (Gona '''). ara diseñar la superestructura se considera el "ismo de %iseño (%@E) o
sismo que tiene el 34O de probabilidad de ser e/cedido en 64 años. or lo tanto, el factor G(:$E) P 4.5g. "e asume inicialmente que el periodo de la estructura aislada en el má/imo
despla!amiento es igual a K.6 ó M veces el periodo de la estructura empotrada. "e considera un amortiguamiento efectivo para el má/imo despla!amiento
igual a 36O.
3..2. Pr0(#%i'i#*"08 3..2.1. C=&(u&0 %# & (#r(i)* #$#("r& %# %i$#;0 -SD1 -DBE @ & (#r(i)* #$#("r& '=i' (r# -SM1 -MCE8 "e calculan a partir de los factores de !ona sísmica (G), tipo de suelo ("), importancia () y el de amplificación sísmica ($)*
SD 1( DBE)= Z DBE∗UCS SM 1( MCE )= Z MCE∗UCS
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En el caso de las estructuras aisladas el factor de uso será 3.4, dado que al dimensionar los aisladores no se utili!a un factor de reducción 9. ara el análisis de la superestructura sí se deberá utili!ar las combinaciones de 9 y adecuadas. "i se desea considerar la importancia de la estructura deberá modificarse la aceleración espectral de acuerdo con el tiempo de e/posición y con el periodo de retorno del evento considerado. El coeficiente de amplificación sísmica deberá ser también igual a 3.4, debido a que para los periodos propios de la aislación, no e/iste amplificación de la aceleración má/ima.
3..2.2. C=&(u&0 %#& %#$&9'i#*"0 '=i'0 @ %#$&9'i#*"0 '=i'0 "0"&8 El despla!amiento má/imo del sistema de aislamiento se obtiene a partir de la aceleración espectral má/ima creíble, el periodo de la estructura aislada en el má/imo despla!amiento (;:) y el coeficiente referido al amortiguamiento efectivo en el má/imo despla!amiento (@:).
C0#i(i#*"#$ %# A'0r"igu'i#*"0
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(= )∗ g
SM 1∗T M
2
D M
4 π
B M
El despla!amiento má/imo total del sistema de aislamiento se obtiene a partir del despla!amiento má/imo (%:), las dimensiones en planta de la estructura (b y d), la distancia #acia al aislador más alejado (y) y la e/centricidad accidental (e). Esta +ltima se obtiene como el 6O de la dimensión más grande de la planta.
D TM = D M
(
1
∗12 e b +d
+ y
2
2
)
3..2.3. Di'#*$i0*'i#*"0 %# &0$ i$&%0r#$8 El dimensionamiento se #ace a partir del despla!amiento má/imo total de los aisladores y la capacidad de carga má/ima. "e escoge la más crítica. &a carga má/ima en cada aislador es la que se obtiene a partir de la combinación 13.K6$:W3.K6$QW$"2. ;ambién, por e/periencia, se puede considerar inicialmente que la 1$"2 es el M4O de la 1$:2 y así usar la combinación 13.66$: W 3.K6$Q2. El esfuer!o a/ial permisible debe ser especificado en las características del aislador o se toma como valor referencial en =36 tonTmK. Di=1.5∗ DTM D i=
√
∗ Pu max π ∗σ max perm 4
na ve! dimensionado, se escogen algunos tipos de aisladores en el catálogo del fabricante de acuerdo con la similitud del diámetro del aislador disponible (%i).
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3..2.4. C=&(u&0 %#& %i='#"r0 %# *( %# &0'08 $on la carga 12 que recibe cada aislador seg+n condiciones de servicio ($:W4.K6$Q), se verifica que la relación SdT se encuentre en el rango de (MO a 34O). Sd es la fuer!a #isterética y es utili!ado para el control de la amortiguación y la rigide! efectiva del sistema de aislamiento. El diámetro del n+cleo de plomo se calcula a partir de la relación entre la fuer!a de fluencia y el esfuer!o a/ial permisible en el n+cleo de plomo (34K4 tonTmK). &a fuer!a de fluencia es 34O mayor que la fuer!a #isterética. Entonces, el diámetro del n+cleo de plomo se calcula* D i=
√
4
∗1.10∗Q d π ∗σ y
3..2.. C=&(u&0 %# & &"ur %#& i$&%0r8 "e calcula a partir del despla!amiento má/imo total y la deformación de corte de diseño. Esta +ltima es equivalente a K64O seg+n recomendaciones de los fabricantes. ara el diseño se toma el 364O. H l =
D TM 1.50
III.. A*=&i$i$ Di*='i(0 n sistema estructural sometido a acciones dinámicas e/ternas e/perimenta respuestas que varían con el tiempo. "i se conocen las solicitaciones e/ternas podrá predecirse su comportamiento. na acción dinámica es aquella cuya variación en el tiempo es rápida y da origen a fuer!as de inercia comparables en magnitud con las fuer!as estáticas. Geotecnia
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&os sismos, el viento, las e/plosiones, entre otros, son acciones dinámicas que producen vibraciones en la estructura. &as acciones dinámicas pueden ser determinísticas, cuando su variación temporal es perfectamente conocida, o probabilísticas, cuando alguno o todos sus parámetros son aleatorios. &as acciones dinámicas definidas determinísticamente son funciones del tiempo cuyo valor es conocido en cada instante. Este tipo de representación es adecuado para evaluar el comportamiento de una estructura luego de ocurrido el evento que ocasionó esa respuesta dinámica, la cual, es cualquier magnitud que caracteri!a el efecto de la carga sobre la estructura, por ejemplo, las deformaciones que se producen, las tensiones, etc. -nte una acción e/terior la respuesta de las estructuras dependerá de sus modos de vibrar y sus respectivas frecuencias o periodos. &os periodos de vibración dependen de las características geométricas, de la rigide! y de la masa que la estructura opone al movimiento. ara reali!ar el análisis a una estructura es necesario definir su modelo mecánico y definir el movimiento del terreno. &a relación entre las acciones y las respuestas describen un modelo matemático, el cual, puede ser resuelto mediante métodos numéricos de análisis. &a precisión de la r espuesta obtenida dependerá del modelo matemático usado. &a ecuación de equilibrio dinámico de un sistema de varios grados de libertad se puede escribir* FI+FC+FR+P=
D' PQector de fuer!as de 'nercia D$ PQector de fuer!as de amortiguamiento D9 PQector de fuer!as restitutivas PQector de fuer!as e/ternas El análisis dinámico puede reali!arse mediante procedimientos de análisis espectral o de tiempo #istoria. Es recomendable que para edificaciones convencionales se use el análisis espectral y para edificaciones especiales el análisis tiempo#istoria. Geotecnia
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IV.
RECOMENDACIONES Y CONCLUSIONES
&a aislación sísmica de edificaciones en el er+ resulta beneficiosa en la
mayoría de los casos, debido a que las frecuencias predominantes de los sismos son altas, lo que implica que estructuras con periodos altos, como es el caso de las estructuras con aislación, no amplifican las aceleraciones. &a eficiencia del diseño se logra cuando las fuer!as finales son como má/imo iguales a las que se obtendrían con un diseño sin aislación, con la diferencia, de que el diseño aislado no se esperan daños por comportamiento inelástico de la estructura. %e acuerdo con las observaciones reali!adas a partir del análisis de
diferentes edificios aislados, se concluye que tanto la altura como la esbelte! de la edificación son parámetros limitantes para el aislamiento eficiente de una estructura. &a esbelte! y la altura están directamente vinculadas con la capacidad de carga de los aisladores elastoméricos, que es el factor que controla la eficiencia del diseño en estos casos. -simismo, el periodo natural de la superestructura es un indicador de la
eficiencia posible en la aislación. n periodo muy alto impide conseguir una diferenciación con el periodo del conjunto aislado, de forma que resulta difícil concentrar los despla!amientos en la interfase de aislación. na forma sencilla de determinar si la aislación de una estructura es recomendable, es verificar que la má/ima esbelte! sea menor a 3.6, la altura del edificio menor a M6 metros u = pisos, e/ista la posibilidad de colocar una junta sísmica de apro/imadamente 64 cm y un periodo natural menor a un décimo del n+mero de pisos.
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$omo sugerencia, es preferible utili!ar aisladores de mayor área
transversal, debido a que estos son más eficientes* para obtener una capacidad de carga dada, con una misma altura de aislador, será más eficiente, es decir, se logrará una menor rigide! lateral y por ende una mayor reducción de la fuer!a sísmica, al utili!ar un aislador de mayor diámetro que varios de diámetro menor. "e concluye que el procedimiento de diseño de los aisladores y de la
estructura no es un análisis complicado, pero puede resultar tedioso al ser iterativo. Dinalmente, el objetivo de un diseño con aislación es que el edificio no resulte dañado durante un sismo severo. Esto puede representar un costo directo adicional, dado que la reducción de las fuer!as en la superestructura no compensa el incremento de los costos de la cimentación y el sistema de aislación en sí. "in embargo, el incremento de los costos no es sustancial y podría ser despreciable si la obra es de gran envergadura. -demás, se deben considerar los costos a largo pla!o, especialmente en
proyectos de inversión para la sociedad, por lo que se puede afirmar que las edificaciones más beneficiadas serán edificios de vital importancia durante emergencias (#ospitales, estaciones de bomberos, comisarías, posibles refugios, etc.) y de contenido valioso o peligroso (museos, almacenes industriales, etc.). or otro lado, se puede convencer a aquellos usuarios que valoren la seguridad propia o de su inversión* como oficinas de corporaciones o viviendas de lujo, que el costo adicional es justificable. En un futuro, se espera que los sistemas de aislación sísmica (y otras alternativas que eleven el factor de seguridad de las estructuras) se conviertan en un estándar. En conclusión, si bien e/iste un costo directo adicional, éste es
porcentualmente pequeño y resulta en un beneficio a largo pla!o.
V.
ANEOS
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