Universidad de Santiago de Chile

Departamento de Ingeniería en Obras Civiles

Diseño sismorresistente

AISLACIÓN SÍSMICA

Sistemas de Protección Sísmica

Estudio Comparativo Económico de Edificios con Aislamiento Sísmico en la Base

CONTENIDO

1 JUSTIFICACIÓN

• JUSTIFICACIÓN

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

La disipación pasiva de energía es una tecnología que mejora el desempeño de una edificación añadiendo amortiguación a su estructura, siendo el uso primario de los disipadores de energía la reducción de los desplazamientos sísmicos de la estructura.

Los disipadores de energía reducen, igualmente, la fuerza en la estructura, proporcionándole a su vez una respuesta elástica, en algunos casos, sin que deba esperarse la reducción de la fuerza en estructuras que estén respondiendo más allá de la fluencia.

• OBJETIVOS

• Presentar un resumen comparativo del estado del arte en sistemas de protección sísmica.

• Mostrar el comportamiento sísmico de los aisladores de base.

• Realizar un estudio comparativo económico de un edifico con aisladores y un edificio fijo.

• INTRODUCCIÓN

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

Los sistemas de protección sísmica empleados en la actualidad comprenden desde relativamente simples dispositivos de control pasivo hasta avanzados sistemas completamente activos. Los sistemas pasivos son tal vez los más conocidos e incluyen los sistemas de aislamiento sísmico y los sistemas mecánicos de disipación de energía. El aislamiento sísmico es el sistema más desarrollado de la familia, con continuos avances en dispositivos, aplicaciones y especificaciones de diseño. Los sistemas de protección sísmica pueden ser clasificados en cuatro categorías: sistemas pasivos, activos, híbridos y semi-activos.

Las primeras aplicaciones de los aisladores de base actuales fueron en puentes debido a que estas estructuras normalmente se apoyan sobre placas de neopreno para permitir el libre desplazamiento ocasionado por los cambios de temperatura. Esto permitió la sustitución de las placas de neopreno por aisladores de base. El primer intento moderno por utilizar un sistema de aislamiento en edificaciones se dio en la Escuela Heinrich Pestalozzi, en Skopje, Yugoslavia, en 1969, mediante un método suizo denominado “Aislamiento total de la base en tres direcciones” utilizando vigas de caucho natural sin reforzar. A partir de este edifico empezó la experimentación, implementación y patentado de sistemas en los Estados Unidos, Japón y Nueva Zelanda principalmente.

• SISTEMAS DE PROTECCIÓN SÍSMICA

Sistemas Pasivos

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

4.1.1 Aisladores Sísmicos

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

Apoyo elastomérico

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

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

La prueba más severa a la que fue sometido un edificio con aislamiento sísmico hasta la fecha corresponde al hospital de docencia de la Universidad de Southern California. El edificio está ubicado a 36 km del epicentro del terremoto de Northridge, ocurrido en 1994 con una magnitud de 6.8 MW. Durante el terremoto el terreno bajo el edificio alcanzó una aceleración máxima de 0.49 g, mientras que las aceleraciones en el interior del edificio estuvieron entre 0.10 g y 0.13 g. Esto significa que la estructura fue aislada en forma efectiva de los movimientos del suelo, teniendo en cuenta que estos movimientos fueron lo suficientemente intensos como para provocar daños importantes en edificios adyacentes.

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

4.1.2 Disipadores de Energía

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

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

Disipador histerético

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

Disipador viscoelástico

4.1.3 Osciladores Resonantes

Un oscilador resonante (TMD) es un sistema de un grado de libertad constituido por una masa, un elemento restitutivo y un mecanismo de disipación de energía, usualmente montado en la parte superior de la estructura. Para que el TMD pueda reducir la respuesta dinámica de una estructura debe existir una coincidencia entre las frecuencias naturales de vibración de la estructura y del oscilador resonante. Los osciladores resonantes son bastante efectivos en la reducción de las vibraciones producidas por el viento en edificios altos. También puede ser empleados para la reducción de la respuesta sísmica.

Amortiguadores de masa (tuned mass dampers TMD)

Modelo experimental del amortiguador TLSD tuned liquid sloshing dampers análisis como sistema de 1 gdl

Sistemas Activos

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

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

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

Edificio Kyobashi Seiwa

Sistemas Híbridos

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

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

Sistemas Semi-Activos

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

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

• AISLADORES DE BASE

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

Comportamiento de los aisladores

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

Ubicación de los aisladores

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

Comportamiento durante un sismo

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

Experimentación

La experimentación en el tema del aislamiento sísmico con elastómeros ha sido muy amplia en Nueva Zelanda y en los Estados Unidos, pero muy pobre en Latinoamérica; el desarrollo experimental implementado para la investigación representa el inicio del proceso experimental en esta área.

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). A continuación presentamos las gráficas resultantes del proceso experimental para

el modelo tanto sin amortiguador como amortiguado.

Comparaciones de Aceleraciones Absolutas

• MODELO DE ESTRUCTURA AISLADA

El edificio presentado es una estructura de concreto que trabaja como una estructura combinada, a partir de pórticos concreto y muros de cortante de mampostería confinada y concreto estructural, las losas son macizas con trabajo en una dirección, las zapatas aisladas y ligadas con vigas de cimentación. Se diseñó el edificio fijo y el aislado en la base. Del análisis estructural realizado mediante el programa SAP2000N y tomando en cuenta la disminución del corte basal que se presenta en el edificio, se rediseñó la estructura hasta obtener las mismas rotaciones que la estructura original presentó para disminuir las secciones estructurales. La disminución de las secciones estructurales fue del orden de entre el 5 y el 10% en sección y hasta un 18% en la cantidad de refuerzo, representando una disminución en el costo de la estructura de alrededor del 5.20%.

No se consideraron los procesos constructivos que no presentan cambio al implementar un sistema de aislamiento sísmico en la base, tales como: los sistemas de entrepiso, muros y escaleras y los detalles arquitectónicos y acabados generales tales como: pintura, pisos, alfombras, carpintería, muebles de baño, los procesos constructivos especializados propios del sistema: modificaciones de los cubos de ascensores, implementación de disipadores de energía para control de deformaciones excesivas, tuberías flexibles, entre otros. Del análisis anterior se obtuvo la tabla comparativa.

Los costos del aislamiento sísmico en la base son muy representativos porcentualmente en

edificaciones pequeñas y poco redundantes.

En la cimentación se observa que se presenta un incremento en los costos para el sistema aislado, se debe a la necesidad de rigidización de la base para hacer énfasis en la disminución de rigidez del estrato en el que se presenta el aislamiento sísmico. Las vigas y las columnas presentan una disminución en el costo de la estructura aislada.

• CONCLUSIONES

En un edificio con aislamiento sísmico, se debe cuidar hasta el último detalle en la conexión entre el edificio, el aislador y la cimentación, ya que debe existir un claro deslinde entre la cimentación y la superestructura.

El potencial de ahorro en costo en el sistema estructural de un edificio aislado está en función de dos aspectos principales: el nivel de sismo para el cual se diseña la estructura aislada con respecto al nivel que sirve para diseñar la estructura convencional, y la ubicación de los aisladores en el plano de la estructura. El ahorro de los aisladores no se mide en el momento de la construcción, sino después de un sismo.

Hay dos factores que influyen importantemente en la efectividad de la respuesta de un edificio con aislamiento sísmico en la base bajo la acción de un sismo que lo lleve aun comportamiento no lineal, los cuales son: La cantidad de energía que el dispositivo absorbe y el cambio del período en el primer modo de la edificación, debido a la flexibilización de la estructura.

La factibilidad económica de un edificio aislado se determina a partir de un análisis interdisciplinario que considere: la geología local (fallas locales, estratos, condiciones de suelo, efecto doppler, etc.), amenaza sísmica (sismos presentados, período, frecuencia, severidad, nivel de aceleraciones, etc.), tipo de daño que se considera (menor o reparable), propios de la estructura (forma estructural, regularidad vertical y horizontal, materiales, uso de la estructura, características, etc.)

El aislamiento sísmico no es sistema que se pueda implementar en todos los casos, por lo tanto no es general, presenta limitaciones en ciertos rangos de masas y secciones de aisladores. El sistema ideal se encuentra limitado a períodos entre 0.5 y un segundo, pero además las condiciones del suelo deben de ser tales que no amplifiquen el sismo en períodos medios o largos.

• ANEXO

A continuación se anexa imágenes del video presentado en la disertación, en que se muestra un punto de vista distinto a la ingeniería sísmica. Un punto de vista mas entretenido en que no todo es fórmulas y gráficos, sino que también sirve para hacer concursos como el siguiente:

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