FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL Y ARQUITECTURA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERA CIVIL
PROYECTO: POLICRINICO SOCIAL ESPIRITU SANTO CURSO: ANALISIS ESTRUCTURAL I INTEGRANTES:
SEMESTRE: Quinto AREQUIPA – PERÚ 2014
CAPITULO I ANALISIS ESTRUCTURAL 1. INTRODUCCION El primer edificio con Sistema de Amortiguamiento de Sintonía de Masas en el Perú, el edificio del Policlínico Espíritu Santo ubicado en la Av. Arequipa del Dist. de Alto Selva Alegre, AQP, es un edificio que estará protegido con dos Amortiguadores de Sintonía de Masas que van a reducir el movimiento y los esfuerzos producidos por los sismos hasta un 50%, protegiendo a las personas, el contenido y la estructura en ese porcentaje, la Tecnología de los Sistemas Modernos de Protección Sísmica ya están empezando a utilizarse en el Perú, con este proyecto se inicia una nueva etapa en la ingeniería Antisísmica que nos va a poner a la altura de los países con mayor tecnología antisísmica como Japón, EE.UU y otros. La obra está a cargo de la constructora Diesa SRL, cuyo gerente general es Efraín Díaz. Muchas estructuras y también la mayoría de las estructuras civiles tienen niveles bajos de amortiguación, las cuales requieren sistemas de protección estructural que satisfagan mejor sus requerimientos de seguridad sobre todo a la acción de sismos, disminuyendo los niveles de plasticidad en muchas áreas críticas de la estructura, obteniendo deformaciones pequeñas para evitar rajaduras indeseables en elementos estructurales y no estructurales, evitar movimientos fuertes en edificios que contengan equipos costosos como centrales nucleares, centrales de comunicación o eléctricas y laboratorios o permitir el funcionamiento de una estructura durante e inmediatamente después después de un sismo como un hospital, una central de bomberos o de policías, y también evitar deformaciones y vibraciones debidas a fuerzas del viento sobre todo en estructuras esbeltas como rascacielos, torres y puentes largos; de igual forma atenuar las frecuencias altas producidas por los de trenes y tráfico pesado que contaminan las grandes ciudades tanto acústicamente como vibracionalmente, vibracionalmente, etc.
1
CAPITULO I ANALISIS ESTRUCTURAL 1. INTRODUCCION El primer edificio con Sistema de Amortiguamiento de Sintonía de Masas en el Perú, el edificio del Policlínico Espíritu Santo ubicado en la Av. Arequipa del Dist. de Alto Selva Alegre, AQP, es un edificio que estará protegido con dos Amortiguadores de Sintonía de Masas que van a reducir el movimiento y los esfuerzos producidos por los sismos hasta un 50%, protegiendo a las personas, el contenido y la estructura en ese porcentaje, la Tecnología de los Sistemas Modernos de Protección Sísmica ya están empezando a utilizarse en el Perú, con este proyecto se inicia una nueva etapa en la ingeniería Antisísmica que nos va a poner a la altura de los países con mayor tecnología antisísmica como Japón, EE.UU y otros. La obra está a cargo de la constructora Diesa SRL, cuyo gerente general es Efraín Díaz. Muchas estructuras y también la mayoría de las estructuras civiles tienen niveles bajos de amortiguación, las cuales requieren sistemas de protección estructural que satisfagan mejor sus requerimientos de seguridad sobre todo a la acción de sismos, disminuyendo los niveles de plasticidad en muchas áreas críticas de la estructura, obteniendo deformaciones pequeñas para evitar rajaduras indeseables en elementos estructurales y no estructurales, evitar movimientos fuertes en edificios que contengan equipos costosos como centrales nucleares, centrales de comunicación o eléctricas y laboratorios o permitir el funcionamiento de una estructura durante e inmediatamente después después de un sismo como un hospital, una central de bomberos o de policías, y también evitar deformaciones y vibraciones debidas a fuerzas del viento sobre todo en estructuras esbeltas como rascacielos, torres y puentes largos; de igual forma atenuar las frecuencias altas producidas por los de trenes y tráfico pesado que contaminan las grandes ciudades tanto acústicamente como vibracionalmente, vibracionalmente, etc.
1
2. UBICACIÓN: El Policlínico Alemán Espíritu Santo dispone dispone de un terreno ubicado en el asentamiento asentamiento humano alto alto selva alegre, manzana 22, lote 8 A, zona A , calle calle Vilcanota Vilcanota / Av. Arequipa N 122 a ,en el distrito de alto Selva Alegre , PROPIEDAD DE LA LA ASOCIACIO PRO ESPIRITU SANTO.
COLINDANCIAS:
Al Norte, Norte, con Av. Arequipa con 10.80 m Al Sur, Sur, con la Calle Vilcanota, Vilcanota, con 9.53 y 10.34 m Al Este, con lote 10-B, con 21.90 Al Oeste, Oeste, con lotes 11 y 8 en línea quebrada con 8.25, 14.56, 8.50 y 12.90m
EL TERRENO TIENE UN ÁREA DE:
Área Construida: Área Ocupada:
365.09 M². 2,798.23 m2 2,798.23 m2
3. ACCESIBILIDAD
2
La ubicación del terreno se enfrenta a 2 vías una de ellas de alto flujo (Av. Arequipa) con una sección de 19.00 m de promedio la cual le otorga la posibilidad de acceso respecto a las áreas circundantes y a la ciudad en general. Es importante señalar que la Av. Arequipa tiene una pendiente del 15 %, lo cual determina una adecuación topográfica en base de rampas y escaleras, teniendo así la Calle Vilcanota como ingreso secundario al paciente con una sección de 13.00 m de promedio teniendo un desnivel con la Av. Arequipa 5.00 m de como ingreso secundario al paciente.
4. ALCANCES: La estructura del Policlínico Espíritu Santo, consta de 01 bloque , el cual es de 08 niveles y 02 sótanos, con techos de concreto armado tipo losa aligerada en una dirección y armadura de concreto armado. 3
Las mayores dimensiones del edificio son de 33.77 m de largo y 18. 92m de ancho y 38.25 m de alto incluyendo los dos sótanos, considerándose la estructura como irregular en planta, principalmente debido a los cambios de dirección (entrantes) mayores al 20 % de la dimensión en planta y también en altura debido a la diferentes áreas de los sótanos. Este bloque ha sido diseñado como una estructura con Sistema Estructural Dual con muros estructurales de concreto armado y elementos reticulares de concreto armado. También se ha incorporado el sistema moderno de protección sísmica ASM (Amortiguador de Sintonía de Masas) para disminuir la respuesta (aceleración, velocidad y desplazamiento) en la estructura y proteger a la estructura, así como el contenido para asegurar la operatividad y la continuidad de funcionamiento de la edificación.
5. USOS POR PISOS
4
DISTRIBUCIÓN SECTOR Y ZONIFICACIÓN /NIVEL Subsotano Servicio General
Áreas Comunes
ESPACIO
Área Área Construida Libre m² m²
Bombas y Cisterna Almacén Farmacia Deposito General Almacén general Escaleras / Ascensor /Pasillo Muros y Ductos
27.13 22.00 18.81 70.85 50.50
Área Total
NIVEL
SECTOR
Sótano
Servicio General Tomografía Áreas Comunes
Área Total
21.22 210.51
ESPACIO
Área Construida m² Cuarto de Máquinas 70.25 y Electricidad Mantenimiento 44.35 Tomografía / S.H. 33.08 Sala de espera Escaleras Ascensor/Pasillo Muros y Ductos
Área Total m²
00.00
210.51
Área Libre m²
Área Total m²
00.00
247.53
15.95 / 53.83 30.07 247.53
5
NIVEL
SECTOR
Cirugía 1ER NIVEL
Servicio Ambulancia AREAS COMUNES
Área Total
NIVEL
2DO NIVEL
ESPACIO
Área Construida m² Consultorio Cirugía 12.95 Pasillo cirugía 18.75 Recuperación 1 y 2 18.74 Vestidor y S.H. 6.07 Doctores Pre-operatorio 10.68 Hall esterilizado 7.22 Almacén Material 6.15 estéril Esterilización y 8.86 empaque de ropa Sala Operaciones 2 26.78 Subestación eléctrica 31.33 Estacionamiento Escaleras / 83.16 Ascensor/Pasillo S.H. Discapacitados 4.16 Sala de Espera 8.78 Muros y Ductos 53.41 Ingreso y rampa 297.04
SECTOR
ESPACIO
Laboratorios
Laboratorio 1 Laboratorio 2 Laboratorio 3 Laboratorio 4
Área Construida m² 7.82 10.14 8.53 9.74
Área Libre m²
Área Total m²
28.66
39.39 68.05
Área Libre m²
297.04
Área Total m²
6
Ecografía Rayos X AREAS COMUNES
S.H. Hall Laboratorios Muestras Recepción Ecografía 1/ S.H. Ecografía 2/ S.H. Rayos X /S.H./Cuarto oscuro Escaleras / Ascensor/Pasillo Sala de Espera Muros
Área Total
2.59 16.30 6.16 15.88 16.47 38.64 82.19 10.17 74.58 347.19
17.90
347.19
Área Construida m² 3ER Farmacia Almacén y Ventas 49.10 NIVEL S.H. 2.14 Bonificación Bonificación 19.23 Gastroenterología Área de 15.29 Recuperación Unidades 42.44 Gastro./S.H. Culto Oratorio 16.00 AREAS COMUNES Escaleras / 137.59 Ascensor/Pasillo S.H. Damas 5.46 S.H. Varones 6.33 Sala de Espera 10.17 Muros 54.22 Área Total 357.97
Área Libre m²
Área Total m²
7.12
357.97
NIVEL
SECTOR
ESPACIO
Área Libre m²
Área Total m²
4TO NIVEL
Oftalmología
Oftalmología 1 Oftalmología 2 Oftalmología 3 Óptica y Taller
NIVEL
SECTOR
ESPACIO
Área Const. m² 15.84 18.44 18.41 13.59
7
Odontología
General
Área Total
NIVEL
SECTOR
5TO NIVEL
Ginecología
General
AREAS COMUNES
Área Total
NIVEL
SECTOR
S.H. 1.93 Consultorio 18.91 odontología 1 Consultorio 20.59 odontología 2 Sala de Espera 21.89 Consultorio Gastro / 15.25 S.H. Triaje 11.58 Escaleras / 101.31 Ascensor/Pasillo S.H. Damas 5.46 S.H. Varones 6.33 357.97
357.97
ESPACIO
Área Área Construida Libre m² m² Ginecología 1/S.H. 14.46 Ginecología 2/S.H. 13.24 Ginecología 3/S.H. 19.68 Ginecología 4/S.H. 19.35 Procedimientos/S.H. 18.93 Consultorio 1 16.18 Consultorio 2 11.97 Consultorio 3 19.72 Mamografía 15.25 Triaje 11.58 Escaleras / 97.41 Ascensor/Pasillo Deposito Limpieza 2.66 S.H. Damas 5.46 S.H. Varones 6.33 Sala de Espera 2 21.59 Sala de Espera 1 10.17 Muros 53.99 357.97
ESPACIO
Área Const
Área Libre m²
Área Total m²
357.97
Área Total m² 8
6TO NIVEL
General
Pediatría
AREAS COMUNES
ruida m² 14.46 13.24 y 19.68
Consultorio 1/S.H. Consultorio 2/S.H. Administración Dirección/S.H. Consultorio 3 Deposito Limpieza Triaje Sala de espera Pediatría/S.H. Consultorio Pediatría 1/S.H. Consultorio Pediatría 2/S.H. Consultorio Pediatría 3/S.H. Juego de Niños Escaleras / Ascensor/Pasillo Deposito Limpieza S.H. Damas S.H. Varones Sala de Espera 2 Sala de Espera 1 Muros
Área Total
NIVEL
SECTOR
ESPACIO
7MO NIVEL
General
Consultorio 1/S.H. Consultorio 2/S.H. Consultorio 3/S.H. Consultorio 4 Deposito Limpieza Triaje Consultorio 2 Sala de Espera 2 Sala de Espera 1 Muros
17.32 4.77 11.58 15.25 18.77 14.92 20.59 22.08 97.41 2.66 5.46 6.33 21.59 10.17 41.69 357.9 7
Área Const ruida m² 14.46 13.24 19.68 17.32 4.77 11.58 16.18 21.59 10.17 46.95
357.97
Área Libre m²
Área Total m²
9
Área Total
357.9 7
NIVEL
SECTOR
ESPACIO
8VO NIVEL
General Administrativo
Comedor – S.U.M Deposito Contabilidad Casilleros Contabilidad Escaleras Ascensor/Pasillo S.H. Damas S.H. Varones Terraza
AREAS COMUNES
Muros Área Total
Área Const ruida m² 59.06 14.46 9.69 22.62 / 74.63
357.97
Área Libre m²
5.46 6.33 127.6 0 27.09 219.3 4
Área Total m²
219.34
6. NORMAS : Se utilizaron las siguientes normas: -
-
-
Reglamento Nacional de Edificaciones (Versión aprobada el 08.06.2006),E.0 20, E.030, E.050, E.060 (Versión aprobada el 08.05.2009), E.070 y E.090. ACI 318S-05 Y ACI 318SR-05 ASCE/SEI 7-05, Cargas Mínimas de Diseño para Edificios y Otras Estructuras, EE.UU. NEHRP Recommended Provisions for Seismic Regulations for Buildings and Other Structures (FEMA 450), EE.UU.
New
10
7. CONFIGURACION DE ESTRUCTURAS: LOSAS: Ya que se tiene una luz de 4.77 y es la mayor, y que la mayoría de las luces están en los 3.60m, y en el reglamento menciona que para luces menores a L/25 no revisar las deformaciones, por lo cual se usa losa aligerada h=0.25m. Por lo tanto la losa será de Concreto armado h=0.25m y h=0.30m con viguetas de 0.25 x 0.30 x 0.10 m TIPOS DE LOSAS: Losa Aligerada Losa Maciza Losa Bidireccional
VIGAS: - EJE A : Sección = 0.25 x 0.70 Peralte = L/10 Luz libre = 2.60m. Entonces nos da: 0.25 m. -
VOLADIZO Y MEJORAR NUDOS: Peralte = L/10 Sección = 0.25 x 0.70 Luz libre = 5.84 m.
Entonces nos da: 0.60 m.
11
-
VIGAS CHATAS: Peralte = L/16 Luz libre = 3.94 m. Entonces nos da: 0.25 m
C COLUMNAS: Considerando el periodo de suelo y estructura se tiene el pre dimensionamiento de las siguientes columnas:
12
13
TABIQUERIA: Se colocará tabiquería del tipo hueco (pandereta) arriostrada con columnas y viguetas de amarre de concreto armado, con un peso unitario de 1,350 Kg/m3. Para el diseño se ha considerado una carga de tabiquería móvil de 100 Kg/m2
ACABADOS: Se ha considerado un peso debido a los acabados de 100 Kg/m2. SOBRECARGAS: Cargas Vivas (RNE. E.020):
SOTANO Y SUBSOTANO OFICINAS ESCALERAS CORREDORES
SOTANO Y SUBSOTANO SALAS DE OPERACIÓN CUARTOS CORREDORES Y ESCALERAS AZOTEA
KG/M2 250 400 400
KG/M2 300 200 400 100
14
8. PESO DE LA ESTRUCTURA Según el RNE para el cálculo de peso sísmico W, se ha considerado 100% de las Cargas Muertas + 50% de Cargas Vivas para una estructura Esencial. PESO DE LA ESTRUCTURA =
4,228.86 Ton.
9. VOLTEO DE LA ESTRUCTURA Las estructuras altas tienden a voltearse por la acción sísmica, por lo tanto se debe tener en cuenta para evitar cualquier riesgo en la estructura. En vista de que el RNE, solo indica el factor de seguridad al volteo se ha recurrido a la Norma ASCE/SEI 7-05 – Carga mínimas de Diseño para Edificios y otras Estructuras de los EE.UU. Factor de Seguridad = 1.5 = Mtos. Resistentes / Mtos. De Volteo MOMENTO DE VOLTEO W= W= W= W=
Peso de la estructura (por encima del 1º Nivel) 100% CM + 50% CV 1(3349) + 0.5(936) 3,817 T
CORTANTE BASAL V Zusc 0.4 (1.5)(1.2)(2.5) V = ------------- P = ------------------------- (3,817) = 1,308.7 Ton R 5.25 Para el cálculo de momento de volteo se tiene que distribuir las fuerzas sísmicas de acuerdo a la siguiente fórmula:
Pi = Peso por hi = Altura del Pj = Peso de todos los pisos hj = Altura de todos los pisos
piso Piso
15
MTO. RESISTENTE, MR El Momento Resistente está compuesto por el momento que produce el peso W de la estructura sobre un punto de rotación, y por el empuje pasivo que produce el suelo al estar sometido a una deformación.
W = Peso de la estructura (incluidos los sótanos) W = 100% CM + 50% CV W = 1(3594) + 0.5(980) W = 4 084 T
EJE CORTE (Y –Y): Mto. Resistente debido al W = W (L) = 4,084 (7.25 m) = 29,609 Ton. M DONDE: L= Brazo de rotación del edificio Mto. Resistente debido al empuje del suelo: γ= Peso específico del Suelo = 1.65 Ton/m3 φ= Ángulo de fricción interna = 29º
Empuje Pasivo = Kp = tg2 (π/4 + φ/2) = tg2 (45 + 29/2) = 2.88 Fuerza de Empuje (Ton/ml) = Kp γ (1/2) H2 = 2.88(1.65)(1/2)(7.102)
= 119.77 T/m
16
La fuerza de empuje se ubicará a 2/3 de altura a partir de la base ya que la mayores deformaciones se darán en la parte superior, la longitud de empuje corresponde a la superficie de los sótanos en contacto con el terreno que es de 18.00 m. Mr
= Fuerza de Pasiva de empuje x longitud x brazo resistente
Mr
= 119.77 T/m x 18 m x 2/3 (7.10 m) = 10,204 Ton.m
Mr total = Mto. Resistente por el W + Mto. Resistente por el empuje del suelo Mr total = 29,609 + 10,204 = 39,813 T. m. Mr 39,813 F.S. = ----------- = --------------- = 1.51 > 1.50, está bien Mo 26,326.39
EJE LARGO (X-X):
Mto. Resistente debido al W = W (L) = 4,084 (12.00 m) = 49,008 Ton. M DONDE: L = Brazo de rotación del edificio Mr total = Mto. Resistente por el W Mr total = 49,008 T. m.
Mr 49,008 F.S. = ----------- = --------------- = 1.86 > 1.50, está bien Mo 26,326.39
En el caso del Eje Largo, el momento resistente debido al peso es suficiente para resistir las fuerzas de volteo.
CARGAS DE DISEÑO: Se ha procedido al cálculo de la Resistencia Requerida mediante las siguientes combinaciones de carga y considerando la envolvente de esfuerzos de acuerdo A RNE E.060 del 2009: 17
DONDE: CM CV SX SY SC
= = = = =
Carga Muerta Carga Viva Carga de Sismo en el Eje X-X Carga de Sismo en el Eje Y-Y Carga Viva
10. CIMENTACIONES Un edificio alto debe tener cuidado en los asentamientos del suelo y en las fuerzas que originen el volteo de la estructura, por lo tanto se ha tenido especial cuidado en el diseño de la cimentaciones planteando la profundización de desplante de la estructura mediante la incorporación de 01 nivel de sótano adicional y la ampliación en área de ambos sótanos, llegando a una profundidad de desplante de 8.00 m. por debajo del nivel de la calle Vilcanota que garantiza un adecuada capacidad portante y el margen de seguridad adecuado para efectos de volteo. Se han considerado Muros de Cimentación en todo el contorno de la estructura a manera de “collarín” para darle una adecuada rigidez a la cimentación. Los muros de cimentación han sido diseñados para resistir las cargas de gravedad, el empuje del suelo, la sobre carga ocasionada por las edificaciones vecinas y vehicular de las vías, así como el empuje dinámico del suelo debido a la acción sísmica (método Mononobe Okabe). Para el diseño de las losas de cimentación, vigas de cimentación y zapatas se ha utilizado el método de análisis de la Viga Sobre Lecho Elástico considerando la rigidez tanto del suelo como de las cimentaciones. Características del Suelo De acuerdo al Estudio de Mecánica de Suelos (EMS) se tiene dos Zonas de profundidad de cimentación, Zona I y Zona II. Zona I Profundidad de desplante Capacidad portante admisible Módulo de Balasto
Df = 7.00 m qa = 3.70 Kg/cm2 C = 5.16 Kg/cm3 18
Zona II Profundidad de desplante Capacidad portante admisible Módulo de Balasto
Df = 13.00 m qa = 5.73 Kg/cm2 C = 8.58 Kg/cm3
19
CAPITULO II DISEÑO ESTRUCTURAL: Método de Análisis: Se ha utilizado el método Modal Espectral para el cálculo de la respuesta de la estructura, sin embargo se han realizado comparaciones con el método Tiempo Historia principalmente para evaluar el comportamiento y beneficios del sistema de amortiguamiento. Parámetros de Diseño: Los parámetros de diseño calculados a partir de la información proporcionada (Estudio de Mecánica de Suelos) son los siguientes: Aceleración PGA: Sistema Dual: Regular/Irregular: R (corregido): Categoría: Factor Suelo: Periodo del Suelo:
0.4 g (Zona 3) R=7 Irregular R(0.75) = 5.25 Esencial U =1.5 1.2 (Suelo Medio) 0.6 seg (Suelo Medio)
Aceleraciones Reales (Sin Reducción) - Método Análisis Espectral: Los periodos vibración de la estructura son: 1º Modo: Periodo 0.6139 seg. 2º Modo: Periodo 0.5767 seg. 3º Modo: Periodo 0.5494 seg. Vemos que los primeros tres modos (los que aportan mayor participación modal) se encuentran muy cerca o por debajo de los 0.60 seg., (que es el periodo de vibración predominante del suelo, RNE. NT.030) por lo tanto la amplificación dinámica es la máxima: La estructura estará sometida a las siguientes aceleraciones reales dentro del rango elástico durante un sismo severo (0.4 g):
20
La Aceleración máxima que estará sometida la estructura durante un sismo severo es de 1.20 g (11.77 m/s2), no se considera efecto torsional. Aceleraciones de Diseño (Reducidas) - Método Análisis Espectral: Factor de Respuesta: 7 (Dual) Corrección por Irregularidades: 0.75 Factor de Respuesta Corregido: 7 (0.75) = 5.25
21
Desplazamientos Laterales: Para este tipo de estructuras (Concreto Armado), la deformación de entrepiso máxima permisible según el RNE. 030 es de 0.007 (h), donde h es la altura de piso, medida en los centros de gravedad o centros de masa (CM); para el diseño de la presente estructura se ha tenido especial cuidado de no sobrepasar dicho valor. Los desplazamientos se miden en la estructura dentro del rango elástico, multiplicando por 0.75 R los valores reducidos obtenidos para el diseño.
Por lo tanto los desplazamientos máximos se han medido en la intersección de los Ejes Gy4
22
23
Determinación de la Respuesta - Método Tiempo Historia Debido a la configuración irregular de la estructura, los tres modos principales tienen un componente torsional, generando en las esquinas altos desplazamientos, velocidades y aceleraciones. Para poder determinar la respuesta real (desplazamiento, velocidad y aceleraciones) de la estructura se ha utilizado el método de análisis Tiempo Historia, para lo cual se ha recurrido a los registros de aceleraciones del componente Norte-Sur del sismo de ICA del 15 de Agosto del 2007 medido en la Universidad Nacional San Luis Gonzaga de Ica para un suelo tipo ML, con una capacidad de carga admisible de 1.5-2 Kg/cm2 (Mitma y Alva H., 1999). El registro se ha escalado a un PGA (Aceleración Pico) de 0.4 g de acuerdo a la Norma Peruana.
24
CAPITULO III SISTEMA ANTISISMICO DE AMORTIGUAMIENTO
1. INTRODUCCIÓN: La sismo resistencia es la ciencia que se encarga que las edificaciones sean capaces de resistir la acción de las fuerzas causadas por sismos frecuentes aunque se presenten daños, en el caso de un sismo muy fuerte. “La disminución de la respuesta estructural
es el objetivo en el diseño sismo resistente, garantizando una adecuada resistencia” (Thomson, 2008, p.2) una edificación sismo resistente no colapsará ya que esto contribuye a que no haya pérdida de vidas. Se dice que una edificación es sismo resistente cuando se diseña y construye con una adecuada configuración estructural suficiente para soportar un sismo aunque “siempre existe la posibilidad de que se
presente un terremoto aún más fuerte que los que han sido previstos y que deben ser resistidos por la edific ación sin que ocurran daños” (Carrillo, 2002, p. 14). Hoy en día la ingeniería ha desarrollado técnicas con el fin de disminuir las fuerzas que los sismos ejercen sobre los edificios, como pueden ser: La aislación sísmica de base, que consiste en la implementación de aisladores sísmicos, estos dispositivos absorben la energía que un terremoto transmite a una estructura mediante deformaciones elevadas. Otra técnica usada hoy en día en edificios de gran altura es la implementación del amortiguador de masa, también conocido como péndulo antisísmico que es un sistema de absorción de vibraciones mediante el balanceo de un contrapeso. El Control Activo, estos son sistemas electrónicos y mecánicos muy sofisticados que permiten reducir las respuestas y atenuar las vibraciones de una estructura en forma muy rápida, estos sistemas cuentan con sensores que registran varios parámetros de la respuesta de una estructura como el desplazamiento, velocidad, aceleración y otros, los sensores envían señales a un procesador que las interpreta y analiza en función a ciertos parámetros de diseño para luego reenviar otras señales a unos dispositivos llamados actuadores que modifican la excitación externa reduciendo de esta forma la respuesta en forma más rápida y eficiente.
Como ejemplos de edificaciones sismo resistente, se pueden ver:
25
Torre Mayor, Mexico DF, cuenta con amortiguadores sísmicos
Taipei 101, Taipei, cuenta con amortiguador de masa
La Torre Mayor, considerado uno de los edificios más seguros del mundo y el más seguro de Latinoamérica, cuenta con 98 amortiguadores sísmicos que reducen al mínimo su desplazamiento durante un sismo, también se encuentra el edificio Taipei 101, que cuenta con 106 plantas, este edificio contiene en el piso 92 el antes mencionado amortiguador de masa.
26
2. AMORTIGUADOR DE MASAS SINTONIZADO (AMS)
El destino arquitectónico cambiante en la vida útil de un edificio, los costos y la practicidad definen una tendencia a construcciones livianas de grandes luces y con tabiques de construcción seca. Desde el punto de vista estructural, esto conduce naturalmente a altas flexibilidades, períodos naturales elevados y consecuentemente a grandes desplazamientos por cargas dinámicas tales como viento o sismo. La inclusión de dispositivos mecánicos en las estructuras puede corregir adecuadamente sus propiedades, de manera que la respuesta dinámica sea compatible con las necesidades estructurales, por lo tanto, “ La modificación de la rigidez, la masa o el amortiguamiento es un camino para solucionar esos problemas”.
El incremento de amortiguamiento es en ingeniería sísmica un hecho asociado al propósito de aumentar artificialmente la ductilidad, con la finalidad de disipar energía en forma controlada y estable, reduciendo la respuesta estructural dinámica. Una alternativa eficaz; es incorporar amortiguadores sísmicos sin inconvenientes en la estructura. El amortiguador de masa sintonizado es una herramienta ingenieril clásica consistente en una masa, un resorte y un amortiguador viscoso colocados en el sistema vibrante principal para atenuar la vibración no deseada a una frecuencia determinada, este sistema se ha utilizado en muchos edificios, principalmente en los edificios de gran altura. “La frecuencia natural del amortiguador se sintoniza con la frecuencia natural del sistema principal provocando que el amortiguador vibre en resonancia, disipando la energía absorbida a través de los mecanismos de amortiguamiento del AMS ” (Ambrosini 2004). Den Hartog (1985) demostró que para sistemas de un grado de libertad no amortiguados, la amplitud de vibración del sistema excitado es nula cuando la frecuencia de excitación es igual a la frecuencia del AMS, indicando que toda la energía del sistema fue transferida al AMS.
27
Los parámetros que se debe considerar para tener una máxima eficiencia del mismo, son:
La relación de frecuencia (frecuencia del amortiguador/frecuencia de la estructura). La relación de amortiguamiento y la relación de masa (masa AMS/masa de la estructura).
Por otro lado la asimetría estructural y por ende los efectos torsionales son la causa principal de colapso en varias estructuras sometidas a acciones sísmicas. En este sentido la colocación de amortiguadores pasivos en ubicaciones adecuadas permite reducir los efectos torsionales. Según Goel (et al 2001), para el caso de amortiguadores del tipo viscoso ha sido demostrado que la ubicación óptima es tal que la excentricidad de las fuerzas de amortiguamiento es igual, pero de signo contrario, a la excentricidad estructural. Un sistema de sintonía es aquel en el cual la masa secundaria y la constante de resorte de los elementos visco elásticos están diseñados para vibrar a aproximadamente la frecuencia natural de la masa principal. La sintonía se realiza para
una frecuencia
optima de
sintonía (ωa) y un
coeficiente de
amortiguamiento óptimo (c/cc), para minimizar la respuesta de la estructura principal. Ambos, frecuencia optima de sintonía y coeficiente de amortiguamiento óptimo, son dependientes de la relación de masas (µ), determinada por la masa secundaria (m) dividida entre la masa efectiva o escalada de la estructura principal (M).
28
3. POLICLÍNICO ESPÍRITU SANTO Cuenta con 10 niveles de concreto armado con un sistema estructural dual (placas y pórticos), tiene 02 sótanos y 08 niveles por encima del nivel del suelo, dentro de su categorización estructural se le ha definido como un edificio irregular en planta, dado así principalmente debido a la forma del terreno, y con cierta irregularidad en altura debido a la necesidad de un ambiente para estacionamiento de la ambulancia, por lo que se han tenido que suprimir dos vigas principales. Ante esta situación desfavorable, y teniendo en cuenta que este edificio tiene que seguir funcionando durante e inmediatamente después de un sismo es que se ha propuesto un Sistema Moderno de Protección Sísmica que mejore su comportamiento estructural sobre todo ante la acción de un sismo, protegiendo a las personas, la estructura así como al contenido del edificio, tomando en cuenta la filosofía del diseño sismo resistente dado en el RNE norma E-030. Después de una evaluación de las características dinámicas del edificio, considerando principalmente la torsión existente en los tres modos principales, se ha tomado la decisión de disponer la colocación de dos AMS visco elásticos para conseguir la mejor eficiencia en la reducción de la respuesta y mejorar sustancialmente el comportamiento dinámico de la estructura y brindar una mayor seguridad tanto a las personas, estructura y equipos.
CARACTERÍSTICAS DE EDIFICIO POLICLÍNICO ESPÍRITU SANTO PESO DE LA ESTRUCTURA = La masa del AMS será:
4,228.86 Ton. m
= 0.05 (4,228.86) / 9.81 = 21.55 Ton.s2/m
La relación óptima de masas la encontramos mediante:
La frecuencia forzada
μ=
m/M
= 0.05
f = 1 / (1+0.05) = 0.9594
29
DISEÑO DE LOS AMORTIGUADORES AMS Por efectos de dimensiones y torsión del edificio, se han considerado dos (02) AMS cada uno de 106 Ton., soportados mediante 4 amortiguadores visco elásticos y con las siguientes características: k
= 251.61 Ton/m
ωa = 9.66 Hz
c/cc = 0.13 Se colocarán los AMS en las siguientes ubicaciones: AMS 01 : entre los ejes A’/B y 3/5 AMS 02 : entre los ejes I/J y 3/5
4. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS
COMPARACIÓN DE LA RESPUESTA ENTRE EL SISTEMA CON AMS Y SIN AMS Dado el origen de coordenadas en la intersección de los ejes A’/5, se identifican dos
puntos importantes que nos dan una representación del comportamiento dinámico de la estructura, uno es el Centro de Masas (CM) y el otro es el punto más alejado de la estructura (J/7), ambos puntos muestran a través de las respuestas de desplazamiento, velocidad y aceleración el comportamiento de la estructura ante una acción dinámica. CM, coordenadas
(x,y) (19.92, 2.85)
J/7, coordenadas del punto
(x,y) (34.55, -8.19)
Se han realizado las mediciones para todos los niveles de estos dos puntos para las siguientes respuestas: a) DESPLAZAMIENTO
máximo.
b) VELOCIDAD
máxima.
c) ACELERACIÓN
máxima.
Estos valores son medidos respecto a la base de la edificación, 30
d) VELOCIDAD ABSOLUTA
máxima.
e) ACELERACIÓN ABSOLUTA máxima. Estos valores son absolutos y se miden respecto a un punto arbitrario fijo que no se mueve durante el sismo. Para el punto J/7 se presenta la respuesta para una excitación en el Eje Y-Y (corto), ya que muestra los mayores valores.
Como se puede observar, el caso más significativo se encuentra en el punto J/7 en todos los niveles, en el cual los valores de aceleración absoluta son muy altos, principalmente debido a la asimetría del edificio y la irregularidad en altura, llegando a una aceleración máxima de 35.13 m/s 2 en el caso de la estructura convencional SIN AMS, sin embargo en el caso de una estructura CON AMS las aceleraciones en este punto llegan 14.69 m/s 2 que equivale al 42%, disminuyendo el daño en la estructura y en el contenido.
31
Hay que resaltar que los 5 parámetros medidos son importantes, sin embargo es la Aceleración Absoluta la que genera los daños debido a que las fuerzas producidas son directamente proporcionales a la masa por la aceleración (F=m*a).
Influencia del AMS Sobre los Esfuerzos en la Estructura Para evaluar la influencia del AMS sobre los esfuerzos producidos en la estructura durante un sismo, analizaremos los elementos más críticos de la estructura, la Placa P1 y Placa P-10, y la Columna C-12 ubicada en la intersección de los Ejes J/7, el análisis se hará comparando los esfuerzos a los que está sometido dicho elemento para: a) Esfuerzos de diseño, considerando que los esfuerzos se han reducido entre del factor de respuesta R, V/R(5.25), bajo el concepto de la Norma Convencional de Diseño E.030. b) Esfuerzos reales CON AMS, considerando la carga sísmica escalada a su valor máximo de 0.4g, este esfuerzo se ha obtenido mediante análisis Tiempo Historia. c) Esfuerzos reales SIN AMS, considerando la carga sísmica escalada a su valor máximo de 0.4g, este esfuerzo se ha obtenido mediante análisis Tiempo Historia.
32
CONCLUSIONES
1. El Policlínico Espíritu Santo, es una estructura irregular tanto en planta como en altura, teniendo una alta tendencia a la torsión en sus tres modos de vibración principales, longitudinal, transversal y torsional. 2. Debido a la configuración estructural y arquitectónica, los tres modos principales de vibración de la estructura longitudinal, transversal y torsional tiene periodos de 0.62 seg., 0.58 seg., y 0.55 seg. respectivamente y se acoplan al periodo de vibración del suelo de 0.60seg. produciendo la mayor amplificación dinámica, por lo cual es muy necesario tomar las precauciones para disminuir el efecto dinámico. 3. La tendencia a la torsión es producida principalmente por la asimetría de la estructura en planta, también debido a la irregularidad en planta de los dos sótanos y del 1º Nivel, con variación importante en el alineamiento vertical de CM (centro de masas) y CR (centro de rigideces). 4. La tendencia a la torsión de la estructura genera grandes desplazamientos relativos y absolutos durante la acción de un sismo severo en los extremos de la estructura llegando a 31.1 cm. en el 8º Nivel del vértice ubicado entre los Ejes J/7. 5. La tendencia a la torsión de la estructura genera grandes aceleraciones absolutas durante la acción de un sismo severo en los extremos de la estructura llegando a 35.13 m/s2 (3.58 G) en el 8º Nivel del vértice ubicado entre los Ejes J/7. 6. Se evaluó la posibilidad de la colocación de amortiguadores visco elásticos en configuración diagonal y Chevron en la estructura, para disminuir los efectos torsionales, obteniendo resultados con una baja eficiencia en el sistema. 7. Debido a la tendencia torsional de la estructura, se evaluó la colocación de dos (02) Amortiguadores de Masa Sintonizados (AMS) con muy buenos resultados en la disminución de la respuesta en especial en el modo torsional. 8. Con la colocación de dos (02) Amortiguadores de Masa Sintonizados reducimos las aceleraciones en toda la estructura; por ejemplo se ha obtenido una aceleración máxima absoluta de 14.69 m/s2 (1.49 G) en el 8º Nivel del vértice ubicado entre los Ejes J/7, esto significa una reducción del 58% de la aceleración en dicho lugar SIN AMS. 9. Con la colocación de dos (02) Amortiguadores de Masa Sintonizados reducimos los esfuerzos en la Placas, por ejemplo; se ha obtenido una reducción del esfuerzo de tensión en la Placa P-1 de 666 Kg/cm2 SIN AMS a un valor de 367 Kg/cm2 CON AMS representando una reducción del 41% del esfuerzo en el caso SIN AMS. 10. Con la colocación de dos (02) Amortiguadores de Masa Sintonizados reducimos los esfuerzos en las Columnas y Vigas; por ejemplo, se ha obtenido una reducción del Momento Flector en la Columna C-12 en el 1º Nivel de 103.20 Ton.m. SIN AMS a un 33