TRABAJO DE AISLADORES Y DISIPADORES SISMICOS.docx

UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA

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INTRODUCCION En la actualidad existen en el mercado dispositivos de disipación de energía que podrían ser empleados en el reforzamiento de edificaciones importantes en el país. En el Perú existen actualmente sistemas de disipación de energía entre los que se encuentran los disipadores de fluido viscoso. Estos dispositivos han sido utilizados en varios países tales como Chile y México para la protección sísmica de edificaciones, logrando reducir en un gran porcentaje las demandas sísmicas de éstas. En el país existe una gran cantidad edificaciones vulnerables que podrían ser reforzadas empleando éste sistema. El Perú es considerado un país de gran actividad sísmica porque forma parte del llamado “Cinturón de Fuego” del Pacífico. Sin embargo, existen algunas zonas de nuestro territorio que son más sísmicas que otras. Con el objetivo de poder brindar mayor seguridad a las edificaciones empleamos estos nuevos e innovadores sistemas de disipación o aislamiento de energía. Estos sistemas no sólo son estrategias de diseño sino también de reforzamiento de edificaciones, permitiendo aumentar el nivel de desempeño de la edificación durante un sismo. Los costos asociados con el diseño, fabricación e instalación de estos dispositivos son compensados no tanto por minimizar la rigidez de la edificación sino porque se logran mejores desempeños; de esta manera se compensa la inversión. El costo de los dispositivos para una edificación se estima en US$ 45 por metro cuadrado de área construida.


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 MARCO TEORICO

Peligro sísmico El peligro sísmico depende de la ubicación, mientras más cerca de las fallas se encuentre, mayor será la magnitud del sismo probable. En el Perú la mayoría de los sismos se producen por subducción de las placas tectónicas de Nazca bajo la Placa Sudamericana. El peligro sísmico se calcula a partir de registros sísmicos, se da para un tiempo de vida útil y un porcentaje de excedencia. El valor que se da es el de aceleración máxima por ejemplo 0.60g para 100 años de vida útil con una probabilidad de ser excedido del 10%. Las zonas de Tumbes, Piura, Ica, Tacna y Norte de Chile tienen los valores más altos de aceleración, 0.50g y 0.60g para 50 y 100 años de vida útil respectivamente. El gráfico de isoaceleraciones muestra la distribución espacial de la actividad sísmica, la cual está distribuida en dos fajas sísmicas longitudinales a los Andes; una occidental a los Andes y exclusivamente producto de la subducción; y la otra, oriental a los Andes que involucra tanto a procesos de subducción como procesos debido a la acción compresiva del escudo brasilero contra el cinturón andino. En el diseño, también se debe tomar en cuenta, la frecuencia de estos sismos.


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Daños en estructuras por sismos en edificios de buen diseño y construcción El diseño adecuado de una estructura debe estar preparado para que frente a sismos de baja magnitud, que son los más frecuentes, la estructura no presente ningún daño. Ante sismos de magnitud intermedia se puede esperar daño leve que la estructura se agriete un poco, siempre y cuando sean daños reparables. Finalmente ante un sismo de gran magnitud se espera que pueda ocurrir daño considerable, sobre todo en columnas que son los elementos más importantes ya que soportan vigas y techos. Se puede esperar que se deformen y agrieten visiblemente pero en ningún caso que colapsen.

Sismo del 23 de junio del 2001. Arequipa –Tacna – Moquegua


Características del sismo: 

MAGNITUD Mw = 8.4 (USGS)



MAGNITUD mv = 6.9 (IGP)



MAGNITUD Ms = 7.9 (IGP)

Sismo de Pisco del 15 de agosto de 2007

-

MAGNITUD = 8.0 grados en la escala sismológica de magnitud de momento

-

IX en la escala de Mercalli

-

Dejó 76.000 viviendas totalmente destruidas e inhabitables y 431 mil personas resultaron afectadas

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Disipación de energía histerética Es la energía disipada por comportamiento estructural no lineal, es decir en forma de deformación permanente o daño estructural que debe ser reparado luego del sismo.

Disipación de energía con disipadores de energía Los disipadores de Energía o fusibles sísmicos, son dispositivos que se pueden usar en edificios nuevos e instalarlos en los ya construidos. El objetivo de estos es absorber un porcentaje de la energía producida por las fuerzas de inercia durante un sismo severo. Al absorber energía, el impacto en la estructura será menos severo, por lo tanto las deformaciones en el rango inelástico serán menores y el daño en los elementos también.


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Tipos de disipadores

Descripción de los disipadores de energía • Disipadores por amortiguamiento viscoso Funciona generando fuerzas opuestas al movimiento y proporcionales a la velocidad. En esta categoría encontramos a los amortiguadores de líquido viscoso u otro basado en la deformación de algún material visco- elástico.

• Disipadores por extrusión Estos disipan energía por medio de la deformación de un material que se introduce en otro, usualmente el material extruido es plomo. • Disipadores por deformación no lineal Como su nombre lo dice, funciona deformando un material que usualmente es acero, en el rango inelástico. Por ejemplo, los conectores de cortante en donde una trabe de acero de pequeña longitud se pandea por cortante disipando gran cantidad de energía en forma estable y controlada.


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• Disipadores por fricción Ese tipo de disipadores aprovechan el deslizamiento relativo entre dos superficies usualmente planas.

Disipador viscoelástico sólido

Disipador viscoelástico líquido


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Disipadores pasivos y respuestas

Disipadores de energía viscosos Los disipadores viscosos no cambian significativamente el período de vibración de la estructura, con lo cual la modelación es más sencilla. 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. 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


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debido al posicionamiento del pistón durante el movimiento como se muestra en la figura.

Comportamiento de edificios con disipadores de energía Se forman menos rótulas plásticas por lo que el edificio se comporta casi elásticamente. Además se tiene mayor control de la deformación y del desplazamiento.

Formación de rótulas plásticas en edificio rígido.


Formación de rótulas plásticas en edificio con disipadores

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Diseño de disipadores de energía - Análisis y elección de los tipos de disipadores de energía para edificaciones en zonas sísmicas. - Ejecución de los cálculos de edificios con los diferentes tipos de disipadores de energía, de acuerdo al análisis tiempo-historia bajo la acción de un acelerograma real e intenso en la historia nacional. - Comparación de los resultados obtenidos y la elaboración de las recomendaciones para el cálculo sísmico del edificio investigado, donde se consideró el efecto de disipación de energía.

Modelo tridimensional


Análisis tiempo-

   

Espectro de aceleraciones Lima, Perú, I.G.P. 17/10/66 comp. N08E Amortiguamientos: 0%, 2%, 5%, 10% y 20% Registro completo

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historia


   

Espectro de velocidades Lima, Perú, I.G.P. 17/10/66 comp. N08E Amortiguamientos: 0%, 2%, 5%, 10% y 20% Registro completo



Registro completo de Lima, Perú, I.G.P. 17/10/66 comp. N08E

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Diseño del disipador

Propiedades de los disipadores de energía utilizados para análisis no-lineal

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Períodos de vibración



Períodos de las 12 primeras formas de vibración

Desplazamientos tiempo- historia



Distorsiones tiempo- Historia

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El análisis, diseño, selección, fabricación e instalación de los disipadores en una estructural, depende de varios factores como: - Aceleración sísmica - Condiciones del terreno de fundación. - Tipo de estructura. - Periodo de vida útil de la estructura. - Objetivos de desempeño - Cantidad de disipadores - Ciclo de vida de los disipadores. - Capacidad requerida de los disipadores. - Reforzamiento requerido de los elementos estructurales. - Instalación y detalles constructivos. - Interrupción de la ocupación y puesta en servicio durante la construcción. - Mantenimiento requerido, inspección y costos de reemplazo.


Fuerza axial y fuerza cortante máxima en el primer piso

Momento flector y de volteo

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Fuerzas máximas en columnas

Fuerzas máximas en vigas

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Gráficos fuerza- deformación de los disipadores

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Balance de energía La ecuación de energía absoluta muestra:

En donde E(t) es la energía demandada por el sismo, igualado a la capacidad de la estructura. 

E(t) :energía de entrada



Ek(t): energía cinética



Ed(t): energía de amortiguamiento



Es(t): energía elástica no disipada



Eh(t): energía de deformación plástica o histerética.

En el diseño sísmico convencional, la capacidad de la estructura se apoya en términos de deformaciones inelásticas transformando gran parte de la energía de entrada en energía histerética. Para evitar dichas incursiones inelásticas se emplean amortiguadores, donde la capacidad de disipación de energía se da mediante la adición de energía de amortiguamiento, disminuyendo la participación de los componentes estructurales.

Distribución de energía en el edificio con disipador por fricción




Distribución de energía en el edificio con disipador viscoso



Distribución de energía en el edificio con disipador viscoelástico

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

Distribución de energía en el edificio con disipador por fluencia

Beneficios

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Como muestra el espectro, con los disipadores de energía el amortiguamiento se incrementa y la aceleración máxima disminuye. Esto se puede interpretar como que la estructura recibirá un sismo menos severo. -

Bajo peso

-

No requiere mantenimiento luego de terremotos

-

Amortiguan entre 20 -50% dependiendo del tipo de disipador.

-

La seguridad estructural es entre un 50 y un 100% mayor que un edificio convencional.

-

Permite reducir dimensiones por lo tanto, habrá ahorro de concreto y acero.

-

Reduce daños en elementos no estructurales.

-

Fácil montaje e instalación

Usos Se puede usar en todo tipo de edificaciones, permitiendo la reducción del peso de la estructura. También se puede usar en otro tipo de estructuras como puentes y estadios.


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Construcción e instalación Según el tipo de conexión pueden ser de conexión directa, indirecta o especial. Usualmente se les conecta en el plano del pórtico del sistema estructural principal.


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Instalación de disipadores pasivos

Instalación de disipador fluido- viscoso Para instalaciones típicas, el pistón es fijado al piso superior, mientras que el acumulador es fijado al piso inferior. Usualmente se disponen en diagonal y chevron. Algunas características comunes de ambas disposiciones en DFV son: -No alteran la frecuencia natural de la estructura por poseer una rigidez mínima en comparación al sistema estructural. - La disipación de la energía se da en cualquier dirección, reduciendo los esfuerzos y deformaciones de la estructura con una fuerza que depende únicamente de la velocidad.


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Comparación de ambas disposiciones: - La instalación del disipador chevron requiere diseñar el sobreesfuerzo generado en la parte intermedia de la viga, mientras que el diagonal no tiene este requerimiento. - En términos arquitectónicos la configuración chevron resulta más conveniente que la configuración diagonal, puesto que permite el libre tránsito a través de la zona reforzada. - Los DFV chevron tienen un mejor control de derivas que los DFV diagonales, ya que poseen dos dispositivos de amortiguamiento a diferencia de los diagonales que solo poseen uno.

Costos Al evaluar los costos de las estructuras con disipadores de energía, se deben de tener en cuenta que con el uso de estos se tendría: - Ahorro en elementos y placas. - Ahorro en cimentación

UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA - Ahorro de tiempo de reparación y puesta en servicio de la estructura. - Costo de reparación en elementos estructurales y acabados. - Daño en instalaciones eléctricas, sanitarias, gas natural, etc. - Mayor seguridad por incendios post-sismo. - Estructura nueva o existente.

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Uso de disipadores en el mundo Los disipadores de energía permiten construir estructuras en altura más económicas y con altos niveles de seguridad durante sismos severos.

Los Ángeles City Hal

-

Estructura del año 1920,144m de altura, se le instalaron 52 disipadores.

Torre Titanium- Chile

-

Edificio de oficinas, altura de 194 metros. 52pisos más 4 niveles hasta helipuerto.

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Torres Petronas-Malasia

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Uso de disipadores en Perú Casino Mubarak

Aeropuerto Jorge Chávez -

Se colocaron disipadores de

energía en la torre central en los pisos 1, 3, 5 y 7.


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Centro empresarial Reducto

-

El Centro Empresarial Reducto se desarrolla en un edificio de categoría de 14 pisos con 2 locales comerciales y una distribución de 5 oficinas por piso.

Aisladores Sísmicos Dentro de la protección sísmica nos encontramos con distintas variantes, por lo que no hay que confundir aislación sísmica con disipación sísmica. La aislación sísmica consiste en desacoplar la estructura de la sub-estructura por lo que se utilizan los dispositivos llamados aisladores que se ubican estratégicamente en partes específicas de la estructura, los cuales, en un evento sísmico, proveen a la estructura la suficiente flexibilidad para diferenciar la mayor cantidad posible el periodo natural de la estructura con el periodo natural del sismo, evitando que se produzca resonancia, lo cual podría provocar daños severos o el colapso de la estructura.


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Inicio de la construcción de edificios aislados sísmicamente. La idea de la aislación sísmica se remonta muchos años atrás al considerar la posibilidad de independizar la estructura del movimiento del suelo. Unas excelentes reseñas de los principios de la aislación sísmica se presentan en Skinner et al (1993), Kelly (1997) y Naeim y Kelly (1999). Según Naeim y Kelly (1999) ya se presentan planos de estructuras con aislamiento de base en 1909 utilizando una capa de talco entre la fundación y la superestructura. Las dificultades propias de la aislación por fricción, como la descrita, (sin fuerza restitutivas y el desplazamiento residual importante), limitaron su desarrollo. Sin embargo en el diseño de puentes, se ha considerado por muchos años la utilización de elementos de goma o neopreno reforzado para acomodar deformaciones térmicas y de uso. Adicionalmente ya a principios de siglo se construyen edificios sobre aisladores de material elastomérico para reducir las vibraciones producidas por el funcionamiento de trenes subterráneos, procesos industriales y otros. Recién a finales de los años 60 en Macedonia se construye el primer edificio aislado sísmicamente. Si bien se utilizó goma sin refuerzo, que generaba una baja rigidez vertical, esta innovación tecnológica no generó una corriente de diseño. No es sino en la época de los 80 que el número de edificios asilados sísmicamente crece rápidamente siendo Japón el país que presenta el mayor desarrollo, siguiéndole Italia y Estados Unidos. En Latinoamérica, Chile ha estado desarrollando estos conceptos desde finales de los ochenta. En Chile la aislación sísmica comienza con estudios analíticos desarrollados por el Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile con el apoyo del Prof. J. Kelly. Este asociado con los académicos Moroni y Sarrazin generan un trabajo que permite que en el año 1992 se construya el primer edificio aislado sísmicamente de la Comunidad Andalucía en Chile (Sarrazin, Moroni 1992). Previo a esta fecha


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se había considerado la aislación sísmica en proyectos aislados pero los resultados no habían sido satisfactorios motivo por el cual no se había promovido la idea

¿Qué es un aislador sísmico? Son dispositivos que aíslan al edificio de la energía que libera el suelo hacia la estructura al momento del movimiento telúrico y en caso esta energía sísmica se traslade al edificio, hace que el edificio se comporte como un bloque rígido y que los desplazamientos sean relativamente pequeños.

Características que poseen los aisladores sísmicos: 

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.

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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.

Características de una Estructura Aislada en su base: 

Aumenta el Periodo Fundamental de la estructura.



Incrementa el amortiguamiento estructural de la edificación.



Se reducen las aceleraciones en la superestructura el cual es sinónimo de daño.



Se reducen las deformaciones



Se aumenta el desplazamiento de una forma uniforme

¿Se debe aplicar Aisladores sísmicos en el Perú? A pesar que su inclusión en el diseño de la estructura representa un gasto adicional, destacados ingenieros consideran que se trata de una inversión altamente rentable que garantiza no sólo una reducción sustancial de posibles daños a la estructura y al contenido del edificio sino también a las personas que lo habitan. Diversos geólogos han advertido que Lima y el norte del país vienen mostrando desde hace varias décadas un silencio sísmico el cual ha encendido las alarmas de prevención en la población. La forma como ha sido concebido el diseño de las estructuras de las edificaciones resulta primordial para mantener a salvo a millones de personas. Las construcciones con más de 40 años de antigüedad, por ejemplo, no contemplaron ningún tipo de norma de prevención sísmica, lo que las hace más vulnerables ante un movimiento telúrico. No podemos evitar la ocurrencia de un sismo de gran magnitud pero contamos con las herramientas


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técnicas suficientes para reducir considerablemente los daños que pueda causar un terremoto.

ESPECTRO GENERAL DE DISEÑO. Reducción de aceleración mediante aislación sísmica

Los aisladores sísmicos actúan modificando el periodo natural de la estructura no aislada de modo de reducir la aceleración sobre la estructura aislada.

Estructura de un aislador El aislamiento sísmico es una colección de elementos estructurales para aislar la superestructura del edificio del terreno y así proteger la integridad del edificio. El diseño sismorresistente de edificios con aisladores sísmicos consiste en la modificación de las características dinámicas de la edificación reduciendo su demanda sísmica.


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Los aisladores sísmicos de base consisten en unos elementos elastoméricos colocados en la estructura, cuya flexibilidad permite minimizar los daños por sismo. El elastómero, a su vez está, reforzado interiormente con láminas de acero que evitan el aplastamiento del aislador por el peso de la estructura.

La aplicación de este tipo de aisladores consigue reducir las aceleraciones y deformaciones de la superestructura eliminando el daño estructural. Una estructura correctamente aislada sísmicamente recibe solo la cuarta o quinta parte de la aceleración del terreno, mientras que una estructura convencional la amplifica de 3 a 4 veces

TIPOS DE AISLADORES SISMICOS Aisladores Sísmicos Elastomericos: 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


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Aisladores Sísmicos Deslizantes: los aisladores sísmicos deslizantes poseen una superficie de deslizamiento que permite la disipación de energía por medio de las fuerzas de rozamiento

Los aisladores Sísmicos con centro de plomo, mantienen una rigidez inicial y una amortiguación que llega al 30%.


Los aisladores

Sísmicos sin núcleo de plomo, están

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compuestos de una

mixtura especial de caucho y placas de acero que permiten otorgar una amortiguación de hasta un 16%.

Los aisladores

de Péndulo o superficie curva con

RoboSlide(Superficie

controlada por sensores) permitiendo una amortiguación sobre el 30%. Estos transmiten el esfuerzo vertical a la cimentación registrando rotaciones de una esfera contra una superficie cóncava. La superficie permite movimientos longitudinales como transversales con la posibilidad de controlar los sentidos de los movimientos mediante sus barras de control. Cuando se mueve el suelo, esta barra tiende a remontar la superficie cóncava y siempre regresa a su sitio por la geometría sin aumentar la rigidez.


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Instalación de los aisladores Los aisladores se suelen colocar debajo de la zapata. En el caso de los edificios, los aisladores sísmicos deben poseer una doble cimentación: la tradicional con las columnas y muros de concreto que van hacia arriba, debajo de las cuales se colocan estos aisladores que son los dispositivos hechos de caucho o algunos de fricción y debajo otra zapata. El aislador, ubicado entre zapatas tiene la capacidad de deformarse sin transmitir la energía sísmica. Entonces el suelo no logra introducir ese movimiento de manera fuerte a la construcción.

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Uso de aisladores en el mundo

 Instalación de aisladores elastomericos en una estructura hospitalaria en Japón

Compañía de Seguros, Kobe Japón

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 Edificio con aislamiento basal  Edificio de una empresa de Seguros en Sumitomo Kobe  22 Aisladores Elastomericos

Hospital militar de Santiago

Uso de aisladores en el Perú Una de las obras aisladas en el Perú son tanques de LNG de Camisea en Chincha. El gas que hay en estas estructuras está a 160° bajo cero y ante un sismo severo se podrían generar chispas que podrían originar una gran explosión; por eso es que estos tipos de proyectos vienen concebidos con aislamiento sísmico.


Atlantik Ocean Tower

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Llevada a cabo por el grupo inmobiliario Labok es un edificio diseñado para albergar, en sus 15 pisos, más de 160 departamentos que contará, por primera vez, con un sistema de aislamiento sísmico. El grupo inmobiliario Labok son los primeros en hacer un edificio multifamiliar con un sistema de aislamiento sísmico. Existen instituciones educativas como el nuevo campus de la UPC en Villa ( Chorrillos ) e inclusive la UNI que ya cuentan con este tipo de sistema, sin embargo son los primeros en construir un edificio destinado al sector vivienda en contar con esta tecnología

Diseño de un aislador de Base 

Se diseñaron los aisladores de base conforme a la metodología UBC-97




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Mediante el programa NONLIN-3 y con los sismos de México, Loma prieta y Northridge, se obtuvieron las siguientes curvas:


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MODELO EXPERIMENTAL 

Se desarrollo en las instalaciones de un laboratorio en la mesa vibratoria el proceso experimental.

El pórtico se probó con amortiguamiento y sin amortiguamiento, excitado bajo señales de amplitud constante (2 mm sin amortiguamiento y frecuencias de 1.0 a 6.0 Hz. y 5 mm con amortiguamiento y variando la frecuencia entre 1.0 y 6.0 Hz, con incrementos de 0.5 Hz. en ambos casos). 

De la experimentación resultaron las siguientes gráficas:


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MODELACIÓN DE ESTRUCTURAS Plantas de los edificios que se manejaron: El primero de cinco niveles y período inicial de 0.84 s y el segundo de dos niveles y período inicial de 0.32 s. 2

8.60 m

1 A



6.80 m

B

6.80 m

C

5.70 m

D

Se modelaron ambos edificios mediante SAP2000

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA Comparación de primer modo

Metodologías utilizadas FEMA y ATC A c e l e r a c i ó n E s p e c t r a l

T’=0.5seg T’=1seg

=5%

Sa 0.60g

=10% Factor del aislador

0.40g

=20%

Perfomance point

D 0.20g

D’

T’=3seg

C

B

A

T’=2seg

A’ 0”

B’ 4”

C’

E’

E 12” 8” 16” 20” Desplazamiento espectral

24”

Sd

M 1.0

C B A

D

E 

Curva de Capacidad Pushover

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA Curva de capacidades

Resumen de costos

Elemento

Edificio fijo

Edificio Aislado

Zapatas y vigas de cimentación

24,770,300

29,300,460

Columnas

66,684,335

61,372,318

Vigas

81,669,790

73,461,257

Muros de concreto, placas y escaleras

79,222,640

79,222,640

Aisladores Totales

98,182,400 252,347,065

341,539,075


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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 

En un edificio con aislamiento sísmico en la base, se debe cuidar hasta el último detalle en los aspectos constructivos como la conexión entre el edificio, el aislador y la cimentación, ya que debe existir un claro deslinde entre la cimentación y la superestructura a fin de que funcione el método, debe de considerarse que cada uno de éstos elementos tendrá desplazamientos propios.



El análisis económico muestra una reducción del 5.20% en el costo de la estructura (sin considerar los aisladores) cuando se utiliza el sistema de aislamiento, lo cual concuerda con los estudios realizados en Nueva Zelanda, pero en el costo total de la misma habrá un incremento entre el 5 y el 10%. El verdadero valor del aislamiento sísmico sólo se podrá observar después de la ocurrencia de un sismo, ya que los costos de reparación que se ahorraran, la reducción de los niveles de riesgo en la estructura y los costos de la prima de seguros contra desastres que se contrate para la edificación, son casi imposibles de evaluar, pero seguramente representan en su conjunto beneficios por un monto superior a los sobrecostos que pueda presentar la edificación en el momento de su construcción.



El sistema de aislamiento es muy eficiente para ciertos casos, los países latinoamericanos deben de intentar desarrollar sus propios aisladores y continuar las investigaciones, ya que es el único medio que permitiría el desarrollo del método en nuestros países.


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