FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA ACADEMICA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL
INFORME TITULO ELEMENTOS DE PROTECCION SISMICA
AUTOR RODRIGUEZ CASTILLO, YORBI EBER
ASESOR EDWIN RICARDO RODRIGUEZ PLASENCIA
TRUJILLO- 2016
I.
INTRODUCCION
Los recientes terremotos ocurridos en Chile, Japón, Turquía y Nueva Zelandia han dejado de manifiesto la alta vulnerabilidad sísmica de las estructuras y de sus contenidos. En el caso de Perú está comprendido entre una de las regiones de más alta actividad sísmica que existe en la tierra, por lo tanto está expuesto a este peligro, que trae consigo la pérdida de vidas humanas y pérdidas materiales. Las construcciones en zonas sísmicas se incrementan a diario en nuestro país. En consecuencia, la seguridad estructural tiene un valor importante en el desarrollo nacional. La reducción de los costos, con la consecuente seguridad de las obras en zonas sísmicas es el problema central de la construcción en nuestro país, también teniendo en cuenta que uno de los más graves problemas que afecta a nuestro país es el alto índice de construcción informal de viviendas. Ello no solamente genera un crecimiento desordenado de las ciudades, sino también es un peligro para las familias que edifican en terrenos vulnerables. Del mismo modo, la masificación de la construcción en altura en el país en los últimos 30 años, sumado a la magnitud del terremoto del 15 de agosto del 2007 en pisco, generaron en muchos muchos propietarios pánico durante el evento e insatisfacción respecto a los daños producidos en diversos tipos de estructuras localizadas en los departamentos de Ica, Li ma y Huancavelica. Es por la misma razón que la norma E0.30 ha sido modificada teniendo teniendo en cuenta los parámetros de los últimos terremotos que han ocurrido en el Perú. Por estas razones, resulta necesario promover en Perú el uso de tecnologías, probadas a nivel nacional e internacional y reconocidas por la comunidad profesional, orientadas a mejorar la respuesta sísmica de las estructuras, más allá de los requisitos mínimos de la normativa nacional vigente. Durante su vida útil, las estructuras son sometidas a diversas solicitaciones de servicio, como las provenientes de las cargas propias del uso del edificio y de fenómenos naturales. Entre estos últimos, las mayores demandas o solicitaciones sobre una estructura son causadas, generalmente, por eventos sísmicos. Durante un sismo, la energía liberada en la fuente se propaga a través del suelo en forma de ondas. Esta energía, que es transmitida luego a las estructuras y sus contenidos, y que se manifiesta fundamentalmente como movimiento, aceleración y deformación de los componentes y sistemas estructurales y no estructurales, se disipa a través de daño de dichos componentes. En el caso de edificios, la disipación de energía se produce típicamente en la interacción entre el suelo y las fundaciones, en el daño de elementos estructurales tales como muros, vigas, losas, columnas, encuentros viga-columna, conexiones, y en la interacción entre el sistema estructural y sistemas no estructurales, principalmente tabiques.
La nueva norma peruana de diseño sismo resistente e.030 del 2016 considera que las edificaciones pueden presentar daños en caso de sismos severos, en tanto se consiga prevenir el colapso de las edificaciones y salvaguardar la vida de sus ocupantes. En este mismo sentido, y dado que Perú es un país de alta sismicidad, daños de origen s ísmico se seguirán produciendo, es por la misma razón que la norma e0.30 incluye que se deben usar dispositivos de protección protección sísmica para edificaciones edificaciones
esenciales de clase (A-1) teniendo teniendo en cuenta los parámetros
recomendados en la norma establecida. Debemos tener presente que vivimos en un país altamente sísmico y según la clasificación mundial le corresponde 9 grados en la escala Mercalli Modificada. Cerca de 18 millones de peruanos viven en zonas sísmicas y están expuestos a las constantes amenazas de ocurrencias de sismos y no podemos abstraernos de las posibilidades que nos presentan los sistemas de protección sísmica que son abordados en este informe. Es nuestra responsabilidad prepararnos para enfrentar el futuro y los próximos eventos de forma adecuada y, asimismo, como profesionales de la construcción, tener presente las nuevas demandas del mercado, que indican que los sistemas de protección sísmica tendrán cada día un rol más protagónico dentro de la industria de la construcción. construcción. Los elementos de protección sísmica nos permiten lograr edificios con mayor desempeño desempeño que los convencionales, convencionales, completar protección protección en edificios con poca rigidez o resistencia debida a exigencias de arquitectura arquitectura y proteger proteger edificaciones existentes vulnerables.
II.
OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL
Conocer los diferentes elementos de protección sísmica existentes y sus comportamientos en una estructura, para que las edificaciones diseñadas según sus requerimientos tengan un buen comportamiento sísmico acorde con los principios señalados en la norma e0.30.
Determinar la importancia y uso de los sistemas de protección sísmica en una estructura.
Análisis de los dispositivos pasivos de disipación de energía en edificaciones.
Describir el comportamiento de una estructura con protección sísmica a diferencia de una estructura sin protección sísmica.
Describir las edificaciones realizadas con protección sísmica en nuestro país y ver su
mejora considerable al comportamiento dinámico de las estructuras.
Análisis y elección de los tipos de disipadores de energía para edificaciones en zonas sísmicas.
III.
MARCO TEORICO
DIFINICION: Los sistemas de protección sísmica de estructuras utilizados en la actualidad incluyen desde
diseños
relativamente
simples
hasta
avanzados
sistemas
totalmente
automatizados, Si bien los sistemas de protección sísmica no son esenciales para que las estructuras resistan movimientos sísmicos, proveen una mejora considerable al comportamiento dinámico de las estructuras. Los sistemas de protección sísmica se
pueden clasificar en tres categorías: Sistemas activos, sistemas semi-activos y sistemas pasivos. El presente documento se concentra fundamentalmente en los sistemas pasivos de protección sísmica
Los sistemas activos de protección sísmica son sistemas complejos que incluyen sensores de movimiento, sistemas de control y procesamiento de datos, y actuadores dinámicos.
AISLACIÓN SÍSMICA
Estos sistemas monitorean la respuesta sísmica de la estructura en tiempo real, detectando movimientos y aplicando las fuerzas necesarias para contrarrestar los efectos sísmicos. El actuar de los sistemas activos se resume de la siguiente forma: las excitaciones externas y la respuesta de la estructura son medidas mediante sensores, principalmente acelerómetros, instalados en puntos estratégicos de la estructura.
Un algoritmo de control procesa, también en tiempo real, la información obtenida por los instrumentos, y determina las fuerzas necesarias que deben aplicar los actuadores para estabilizar la estructura. Las fuerzas que estos sistemas utilizan son, generalmente, aplicadas por actuadores que actúan sobre masas, elementos de arriostre o tendones activos.
DESVENTAJAS: Una de las principales desventajas de los sistemas activos de protección sísmica, además de su costo, es que necesitan de una fuente de alimentación externa continua para su funcionamiento durante un sismo. No obstante, constituyen la mejor alternativa de protección sísmica de estructuras, ya que permiten ir modificando la respuesta de los dispositivos en tiempo real, lo que implica un mejor comportamiento de la estructura durante el sismo.
Los sistemas de protección sísmica activos han sido desarrollados en Estados Unidos y en Japón. Estos sistemas han sido aplicados principalmente en Japón, donde las restricciones de espacio de las grandes urbes, han detonado la construcción de estructuras de gran esbeltez.
Como se puede observar en el esquema de mecanismo de operación de sistemas activos, se necesita un algoritmo de control en tiempo real, lo cual mediante los sensores se obtiene la excitación externa producida por el sismo y la respuesta de la estructura.
A. AMORTIGUADORES DE MASA SINTONIZADA (AMS) Los amortiguadores de masa sintonizados son dispositivos utilizados en el control estructural, estos mecanismos consisten básicamente en un sistema masa, resorte y amortiguador, generalmente fijado a un sistema vibrante para reducir la demanda de disipación de energía en los miembros estructurales primarios bajo la acción de fuerzas externas. Esta reducción de energía se obtiene cuando la frecuencia del amortiguador de masa se sintoniza a una frecuencia particular de la estructura. Cuando esa frecuencia es alcanzada, el amortiguador vibrará fuera de fase con el movimiento estructural y parte de la energía vibratoria es transferida al amortiguador de masa sintonizada.
En toda estructura real existe amortiguamiento. Si bien es cierto los AMS están pensados para instalarse en estructuras con amortiguamientos más bien bajos, tomar en cuenta el efecto del amortiguamiento en la estructura primaria es una importante consideración de diseño a la hora de determinar los parámetros óptimos para el AMS.
La estructura vibra y la deformación produce daño
Edificio sin AMS
La masa contrarresta el movimiento
Edificio con AMS
Como se puede observar esquemáticamente las estructuras, para obtener un buen comportamiento la eficiencia de AMS depende de la excitación, el edificio filtra el sismo, lo cual se sintoniza a una frecuencia fundamental del edificio medida en el terreno.
TIPOS DE AMS. a. AMS PENDULAR: Las ventajas que presenta este sistema son las siguientes: Bajo impacto arquitectónico o Aplicable a rehabilitación estructural o No requiere mantención o Alta durabilidad o
Sistema AMS pendular b. AMS SOBRE AISLADORES Las características que pueden presentar este sistema son Periodos 0-0.9 segundos o Desplazamientos de masas hasta 50 cm. o Capacidad restituida provista por aisladores. o Agrega amortiguamiento a la masa. o
Sistema AMS sobres aisladores c. AMS SOBRE AISLADORES Y DESLIZADORES Las características que pueden presentar este sistema son o Periodos 1-2.5 segundos o Desplazamientos de masas de hasta 1 m. o Aisladores proveen rigidez y amortiguamiento. o Deslizadores soportan peso de AMS y proveen amortiguamiento.
Sistema AMS sobres aisladores y deslizadores
B. AMORTIGUADORES DE MASA LIQUIDOS SINTONIZADA Los Amortiguadores de masa líquidos sintonizadas absorben la energía de la vibración por el movimiento oscilante del líquido contenido en el recipiente y la disipan a través de la fricción intrínseca del líquido y la fricción con la superficie de las paredes.
APLICACIONES DEL SISTEMA DE MASA SINTONIZADA (AMS) Mayormente las aplicaciones han sido para edificios habitacionales altos entre ellos están (Taipéi 101 de 508 metros de altura, el edificio residencial conjunto los condes y edificios 1K en cerro colorado, entre otros.)
Sistema AMS (edificio 1K en cerro colorado)
Sistema AMS (edificio taipei101)
3..2.
SISTEMAS SEMI-ACTIVOS Los sistemas semi-activos de protección sísmica, al igual que los activos, cuentan con un mecanismo de monitoreo en tiempo real de la respuesta estructural. Sin embargo, a diferencia de los sistemas activos no aplican fuerzas de control directamente sobre la estructura. Los sistemas semi-activos actúan modificando, en tiempo real, las propiedades mecánicas de los dispositivos de disipación de energía.
Como se puede observar esquemáticamente una estructura con sistema de control semi-activo, lo cual se tienen como ejemplos de estos sistemas son los amortiguadores de masa sintonizada, los dispositivos de fricción con fricción controlable, y los disipadores con fluidos electro- o magneto-reológicos.
A. VARIABLE HYDRAULIC DAMPER Se podrá decir que es dispositivo de amortiguamiento variable (variable hydraulic damper), a través de una válvula de flujo variable, la cual permite modificar la perdida de carga entre ambas cámaras de un cilindro hidráulico.
B. MAGNETOREOLOGICAL FLUIDS O FLUIDOS MR Las características esenciales de estos líquidos es su reversibilidad de fluido con viscosidad lineal a estado semisólido en milisegundos cuando están expuestos a un campo eléctrico o un campo magnético. El estado que presenta el fluido permite un desplazamiento restringido o relativamente libre, en función de que el campo magnético este o no activado. Una posible integración del dispositivo en el seno estructural.
Como se puede observar esquemáticamente un amortiguador MR, donde los líquidos tienen la propiedad de variar sus características reologicas ante campos eléctricos o ante campos magnéticos. Las característica esencial de estos líquidos es su reversibilidad de fluido con viscosidad lineal a estado semisólido en milisegundos, cuando están expuestos a un campo eléctrico o magnético.
3..3.
SISTEMAS PASIVOS Los sistemas pasivos son los dispositivos de protección sísmica más comúnmente utilizados en la actualidad. A esta categoría corresponden los sistemas de aislación sísmica de base y los disipadores de energía. Los sistemas pasivos permiten reducir la respuesta dinámica de las estructuras a través de sistemas mecánicos especialmente diseñados para disipar energía por medio de calor. Dado que estos sistemas son más comúnmente utilizados, en comparación a los sistemas activos y semi-activos.
3..3.1. DISIPACIÓN DE ENERGÍA Los disipadores de energía, a diferencia de los aisladores sísmicos, no evitan que las fuerzas y movimientos sísmicos se transfieran desde el suelo a la estructura. Estos dispositivos son diseñados para disipar la energía entregada por sismos, fenómenos de viento fuerte u otras solicitaciones de origen dinámico, protegiendo y reduciendo los daños en elementos estructurales y no estructurales. Estos dispositivos permiten aumentar el nivel de amortiguamiento de la estructura. Un caso particular de dispositivo de disipación de energía, que ha comenzado recientemente a ser utilizado en Chile, México, EEUU y Japón para la protección sísmica de estructuras, corresponde a los amortiguadores de masa sintonizada. Estos dispositivos, ubicados en puntos estratégicos de las estructuras, permiten reducir la respuesta estructural. Al igual que los sistemas de aislación sísmica de base, los dispositivos de disipación de energía, han sido ampliamente utilizados a nivel mundial en el diseño de estructuras nuevas y en el refuerzo de estructuras existentes. Algunas estructuras tienen muy poco amortiguamiento, por lo que experimentan grandes amplitudes de vibración incluso para sismos moderados. Por lo que mientras mayor es la capacidad de disipación de energía, menor será la amplitud de las vibraciones. Los métodos que incrementan la capacidad de disipación de energía son muy efectivos para reducir la amplitud de la vibración. La disipación de energía puede ser alcanzada ya sea por la conversión de energía cinética en calor, o por la transferencia de energía entre modos de vibración.
El primer método incluye dispositivos que operan en base a principios tales como la fricción, fluencia de metales, transformaciones de fase en metales, deformaciones de sólidos viscoelásticos o fluidos. El segundo método incluye la incorporación de osciladores adicionales, los cuales actúan como absorbedores de vibraciones dinámicas Los disipadores de energía se pueden clasificar en disipadores histéricos y viscoelásticos. Los dispositivos histéricos dependen básicamente del desplazamiento y se basan en: - La plastificación de metales por flexión y cortante. - Fricción entre superficies. Los disipadores viscoelásticos dependen fundamentalmente de la velocidad y se basan en: - Sólidos viscoelásticos. - Fluidos conducidos a través de orificios. - Fluidos viscoelásticos. A. DISIPADORES HISTERETICOS a. DISIPADORES POR PLASTIFICACION DE METALES La plastificación de metales en disipadores se puede producir a partir de esfuerzos estructurales o bien a partir del proceso de extrusión. Cualquier esfuerzo, sea de torsión, flexión, cortante o axial puede conducir a procesos de plastificación en metales. El acero ha sido sin duda el metal más empleado en disipadores. Entre sus virtudes están las posibilidades constructivas que ofrece, su bajo costo y su elevada ductilidad. Existen resultados experimentales que indican que el acero ensayado bajo condiciones cuasiestáticas puede llegar a manifestar valores del limite de fluencia y de tensión máxima de rotura inferiores en un 17% y 3% respectivamente a los obtenidos con velocidades de deformación del 10%/s.
Pese a estos resultados se han venido realizando estos ensayos. Probablemente, dada la alta variabilidad de la acción sísmica, y observado el buen comportamiento de los modelos adoptados basándose en la caracterización estática, la observación de una caracterización dinámica aumenta la complejidad del problema de forma desproporcionada. Se concluye que para reducir la respuesta estructural, es preferible disipar energía a partir de rangos bajos de fuerza y desplazamiento. Es por eso que se han ensayado disipadores con aceros de bajo límite elástico y con gran capacidad de alargamiento en relación a los aceros de construcción convencionales y de determinadas aleaciones de aluminio. Estos disipadores se han basado en la plastificación por esfuerzo cortante, dando como resultado dispositivos de elevada rigidez, esfuerzos de plastificación de valores reducidos y gran uniformidad en la distribución de la deformación plástica.
DISIPADORES POR FLEXION Se han desarrollado numerosos dispositivos que plastifican debido a flexión. Se ha estudiado el comportamiento de dos placas en forma de U que disipan energía por flexión pura al enrollarse por efecto del desplazamiento relativo entre sus extremos, su comportamiento histerético se demostró muy estable.
Tira disipadora de acero en sección rectangular
Disipador por flexión
Disipador ADAS Este disipador es uno de los dispositivos metálicos más reconocidos, está compuesto por placas de acero con sección transversal en forma de X instaladas en paralelo sobre los arriostres, de modo que la fluencia sea uniforme en la altura.
Se puede observar que este sistema frontalmente es similar a dos trapecios unidos por la base menor. El número frontal de chapas en paralelo resulta variable, permitiendo ajustar el disipador a las necesidades de la estructura a la cual se incorpora. Cada placa del dispositivo se encuentra impedida de giro en ambos extremos, de forma que un desplazamiento relativo entre estos en dirección perpendicular al plano de la placa produce una distribución de momentos flectores lineales, simétricos y con doble curvatura. El ancho del disipador se proporciona linealmente con la distribución de momentos flectores, lo cual deriva en una generalización de la plastificación en un corto intervalo de desplazamiento. La plastificación se produce de forma uniforme y estable, optimizando el proceso de disipación de energía.
Disipador TADAS Este disipador consiste en un conjunto de placas triangulares dispuestas a flexión fuera de su plano, disipando así la energía sin que esta llegue con tanta intensidad en la estructura. El hecho de que las placas se encuentren con un extremo empotrado y el otro articulado, condiciona la forma trapezoidal, que posibilita también una distribución global de la plastificación.
La base menor de la placa se conecta al nivel de viga a una estructura a porticada, mientras que la otra se articula con una unión de bulón a dos contravientos dirigidos a la base de los pilares del pórtico. Con un desplazamiento relativo entre extremos de la placa perpendicular a su plano, se consigue la plastificación por flexión por curvatura simple. Al incorporar este sistema en un pórtico de acero a escala natural se ha observado que las reducciones en la respuesta son similares a las obtenidas con el ADAS.
Sistema TADAS
Disipador Honey-Comb Este dispositivo consiste también en placas ahusadas como el ADAS, pero trabajando en su plano. Donde se ha investigado el comportamiento de un disipador construido en una placa de acero mecanizada con la geometría indicada, debido a los espacios vacíos que deja entre disipadores se le conoce 35 genéricamente como disipador de tipo panal, y se comercializa con el nombre de “Honeycomb” . Su
geometría tiene como objeto una plastificación lo más uniforme posible en la zona disipativa, su comportamiento histerético es muy estable y de forma casi rectangular, con una respuesta más próxima a la rígida-plástica que es el caso del ADAS, la cual es más flexible.
Disipador Honey-Comb
"Unbonded braces" Consiste en una diagonal de acero que fluye dentro de una sección de hormigón que la confina. El principio básico de este es el prevenir el pandeo de Euler cuando el elemento de acero fluye en compresión.
Disipador "unbonded braces"
DISPOSITIVOS A CORTANTE El sistema estructural de los brazos excéntricos es el precursor de los disipadores a cortante. La mayoría de los disipadores adoptan una geometría similar: sección en doble T con alma rigidizada. Este sistema era de una gran ductilidad (la UBC97 considera a las estructuras que lo incorporan de máxima ductilidad), y que permitía ciclos histeréticos estables y de gran capacidad disipativa siempre que la rigidización fuera correcta. Se han establecido criterios simples para poder determinar la aparición de la abolladura en el alma del elemento, los cuales han sido posteriormente validados para dispositivos disipadores
Disposición de paneles de cortante
Disposición por su cortante con su cuerpo disipador (Cahis et at) Los paneles de cortante son placas de acero rigidizadas (figura 1.30). Su estructura, con rigidizadores distanciados, obliga a espesores relativamente importantes para evitar el problema de la abolladura. Los aceros de alta ductilidad y bajo límite elástico (80MPa, 46-60 % de alargamiento) se muestran de gran interés para permitir espesores mayores a iguales esfuerzos cortantes, con una inferior necesidad de rigidización.
Disposición por su cortante con su cuerpo disipador (Cahis et at)
Disipador por cortante con soldadura TIC En 1998 se desarrolló un dispositivo a partir de placas soldadas de aluminio mediante procedimiento TIG. El disipador permite cargas de plastificación reducidas con espesores superiores a los necesarios con acero dúctil. Para evitar problemas de fragilidad, los rigidizadores del alma están únicamente soldados a las alas y produce un normalizado final de tensiones. El resultado más significativo es la elevada ductilidad que se consigue con algunas de las aleaciones usadas, que llega incluso al 30% en ensayo a tracción. Debido a una insuficiente rigidización, los dispositivos manifiestan abolladura del alma, la cual deriva en una disminución de su capacidad disipativa
Disipador por cortante con soldadura TIC
b. FRICCIÓN ENTRE SUPERFICIES. Los sistemas de fricción disipan energía, basándose en el rozamiento existente entre dos superficies en contacto bajo presión y en el deslizamiento entre ellas. La fuerza de fricción en cada conexión es igual al producto de la fuerza normal por el coeficiente de rozamiento. Existen diversos dispositivos basados en la disipación por fricción. El sistema mostrado permite ser emplazado en la intersección de un arriostramiento en X. Sus curvas histeréticas son prácticamente rectangulares con lo cual la energía disipada por ciclo es máxima para un determinado valor de la fuerza de deslizamiento. El mecanismo desliza ante una carga predeterminada, regulable a partir de la presión ejercida por pernos a través de una llave dinamométrica. Existe un método simplificado de diseño sísmico para estructuras que incorporan este sistema disipativo. A partir de un estudio paramétrico se determina la distribución en altura de la fuerza umbral óptimo de deslizamiento y se establece un espectro de diseño para su determinación práctica. En 1986 se planteó un dispositivo de fricción para ser empleado como conector entre una estructura aporticada y un muro de mampostería armada y se estableció un método de determinación de la fuerza umbral que proporciona la respuesta estructural óptima.
Nº de ciclos= 50 frecuencia de excitación =0.29 Hz
Disipador por fricción
Respuesta histerética
Amortiguador De Fricción
DESVENTAJAS El mayor inconveniente que presentan estos dispositivos disipadores es que el coeficiente de fricción, durante el desplazamiento, depende de la velocidad, de la presión normal y de las condiciones de las superficies en contacto. Consecuentemente, resulta difícil garantizar un coeficiente de fricción independiente del tiempo y de las condiciones de los disipadores. Sin embargo, se ha observado que la variación del coeficiente de fricción durante el desplazamiento no afecta significativamente a la respuesta estructural si la estructura permanece en rango lineal, mientras que esta influencia puede ser significativa si esta entra en rango no lineal.
Disipador Shapia En 1998 se diseñó un disipador de fricción de concepción distinta a los dos anteriormente descritos. Mientras que los primeros generan las fuerzas de fricción a través de uniones atornilladas, este disipador las obtiene a partir del deslizamiento entre una serie de anillos interiores y exteriores. El deslizamiento va acompañado de un aumento progresivo de la presión entre las superficies de contacto de los anillos, debido a la interferencia que se produce entre estos durante su desplazamiento. Resultados de los ensayos efectuados mostraron que el comportamiento histerético (figura 1.38) resulta estable, repetible y predecible. Su acción sobre la estructura es autocentradora y su respuesta fuerza – desplazamiento resulta prácticamente independiente del contenido frecuencia de la excitación sísmica. Sus características mecánicas y geométricas permiten la incorporación de disipadores en una diagonal rigidizadora o en un arriostramiento en X.
Disipador chapia
Relación de carga y desplazamiento
B. DISIPADORES CON COMPORTAMIENTO VISCOELASTICO a. DISIPADORES VISCOELASTICOS Los disipadores viscoelásticos han sido empleados con éxito, durante los últimos treinta años, para reducir la respuesta de edificios altos ante la acción del viento. De forma más reciente se ha estudiado su utilización con fines sismorresistentes. Los disipadores viscoelásticos sólidos están formados con chapas metálicas unidas con chapas finas de material viscoelástico y presentan unos ciclos histeréticos característicos elípticos.
Dispositivo viscoelástico
Respuesta histeretica
Su acción disipativa se basa en el aumento del amortiguamiento estructural. Presentan algunas ventajas con relación a los disipadores histeréticos, tales como: -
No precisan de una fuerza umbral para disipar energía
-
No cambian significativamente los periodos de vibración, con lo cual resulta
Posible linearizar el comportamiento estructural y realizar una modelación más sencilla. Como inconvenientes de su uso y aplicación tenemos: -
La poca variación del periodo fundamental no evita el comportamiento resonante.
-
Los materiales viscoelásticos, en general, son sensibles a los cambios de temperatura, frecuencia y deformación, resultando necesario minimizar la influencia de estas variables en sus rangos de servicio en estructuras sismorresistentes para que su comportamiento resulte predecible.
-
Para conseguir un aumento del amortiguamiento estructural a valores que reduzcan significativamente la respuesta estructural ante un sismo severo es necesaria una gran cantidad de dispositivos.
En un estudio experimental llevado a cabo en el año 1990, se analizaron disipadores viscoelásticos en una estructura de 9 plantas, en escala 1/4, solicitada en una mesa vibradora por señales procedentes de diversos sismos. Entre sus conclusiones destacan: -
Que las características dinámicas del edificio no varían de forma significativa: la frecuencia fundamental pasaba de 2,04Hz a 2,76Hz, para un aumento de la fracción de amortiguamiento del 0,74% al 8,07% con disipadores.
-
El incremento en temperatura del dispositivo debido a la acción sísmica apenas afectaba a las propiedades dinámicas del sistema.
-
Que la teoría viscoelástica lineal se puede aplicar para describir el comportamiento de los disipadores. b. DISIPADORES DE FLUIDO VISCOSO Los disipadores de fluido viscoso tienen la propiedad de reducir simultáneamente los esfuerzos y las deflexiones de la estructura. Esto es debido a que los disipadores de fluido varían su fuerza solamente con la velocidad, la cual provee una respuesta que es inherentemente fuera de fase con los esfuerzos debido a la flexibilidad de la estructura. Otros disipadores pueden normalmente ser clasificados como histeréticos, donde una fuerza de amortiguamiento es generada bajo una deflexión o los viscoelásticos que son disipadores con un complejo resorte combinado con un amortiguamiento. Inclusive en estos disipadores no fluidos tienen elementos de fluencia, fricción, rótulas plásticas. Ninguno de estos dispositivos tiene una respuesta fuera de fase debido a esfuerzos estructurales de flexión. Esto es simplemente porque estos dispositivos son dependientes de otros parámetros aparte de la velocidad. Los disipadores no fluidos disminuyen las deflexiones en la estructura, pero al mismo tiempo incrementan los esfuerzos en las columnas. Los esfuerzos en las columnas tienen su valor máximo, cuando el edificio llega a su deformación máxima. Si se adiciona un disipador de fluido viscoso, la fuerza de amortiguamiento se reduce a cero en este punto de máxima deformación. Esto es debido a que la velocidad del disipador es cero en este punto. Los disipadores de fluido viscoso son esencialmente mecanismos llenos de fluido, el cual debe ser capaz de mantenerse en servicio durante grandes períodos de tiempo sin mantenimiento. Los requerimientos de los materiales son que deben ser resistentes a la corrosión, resistencia al despostillamiento, libre de esfuerzos de ruptura y alta resistencia al impacto. Esto es especialmente cierto para el cilindro del disipador, el cual debe resistir esfuerzos triaxiales
Un disipador de fluido viscoso es un dispositivo que disipa energía aplicando una fuerza resistiva a un desplazamiento finito. La fuerza de salida del disipador es resistiva y actúa en la dirección opuesta al movimiento de entrada. Debido a que el disipador se comporta de acuerdo a las leyes de la mecánica de fluidos, el valor de la fuerza resistiva varía con respecto a la velocidad traslacional del disipador en cualquier punto en el tiempo
DISIPADORES DE FLUIDO VISCOSO
3.2.2. AISLACIÓN SÍSMICA El diseño de estructuras con aislación sísmica se fundamenta en el principio de separar la superestructura (componentes del edificio ubicados por sobre la interfaz de aislación) de los movimientos del suelo o de la subestructura, a través de elementos flexibles en la dirección horizontal, generalmente ubicados entre la estructura y su fundación o a nivel del cielo del subterráneo (subestructura). Sin embargo, existen casos donde se han colocado aisladores en pisos superiores. La incorporación de aisladores sísmicos permite reducir la rigidez del sistema estructural logrando que el período de vibración de la estructura aislada sea, aproximadamente, tres veces mayor al período de la estructura sin sistema de aislación. El aislamiento sísmico es utilizado para la protección sísmica de diversos tipos de estructuras, tanto nuevas como estructuras existentes que requieren de refuerzo o rehabilitación. A diferencia de las técnicas convencionales de reforzamiento de estructuras, el aislamiento sísmico busca reducir los esfuerzos a niveles que puedan ser resistidos por la estructura existente. Debido a esto último, la aislación sísmica de base es especialmente útil para la protección y refuerzo de edificios históricos y patrimoniales. Detalles de los distintos tipos de aislación sísmica de base. ALTERNATIVAS DE PROTECCIÓN La aislación sísmica de base es el procedimiento más eficiente para la protección sísmica de estructuras relativamente bajas o rígidas. Los aisladores sísmicos más desarrollados y utilizados en la actualidad son los aisladores elastoméricos de alto amortiguamiento (con o sin núcleo de plomo) y los deslizantes o friccionales. A continuación se detallan brevemente las características generales de los distintos sistemas de aislación sísmica. A. AISLADORES ELASTOMÉRICOS Los aisladores elastoméricos están conformados por un conjunto de láminas planas de elastómeros intercaladas con capas de acero. Las láminas de elastómeros son vulcanizadas a las capas de acero y, por lo general, presentan una sección circular o cuadrada. Mediante esta configuración se logra la flexibilidad lateral necesaria para permitir el desplazamiento horizontal relativo entre la estructura aislada y el suelo. La rigidez vertical del sistema es comparable con la rigidez vertical de una columna de hormigón armado.
El comportamiento de los aisladores elastoméricos depende de la amplitud de la deformación a la que son sometidos y, en menor grado, de la temperatura, el envejecimiento y la frecuencia del movimiento. Existen varios tipos de apoyos elastoméricos, entre ellos se encuentran los apoyos de goma natural (NRB, Natural Rubber Bearing), los apoyos de goma de bajo amortiguamiento (LDRB, Low-Damping Rubber Bearing) y alto amortiguamiento (HDRB, High-Damping Rubber Bearing), y los apoyos de goma con núcleo de plomo (LRB, Lead-plug Rubber Bearing) a. Aisladores elastoméricos de bajo amortiguamiento (LDRB) Este tipo de dispositivos son los más simples dentro de los aisladores elastoméricos. Los aisladores tipo LDRB presentan bajo amortiguamiento (2-5% como máx imo), por lo que generalmente se utilizan en conjunto con disipadores de energía que proveen amortiguamiento adicional al sistema. Estos dispositivos presentan la ventaja de ser fáciles de fabricar.
Aislador tipo LDRB. b. Aisladores elastoméricos con núcleo de plomo (LRB) Los HDRB son aisladores elastoméricos cuyas láminas de elastómeros son fabricados adicionando elementos como carbón, aceites y resinas, con el fin de aumentar el amortiguamiento de la goma hasta niveles cercanos al 10-15%. Los aisladores tipo HDRB presentan mayor sensibilidad a cambios de temperatura y frecuencia que los aisladores tipo LDRB y LRB. A su vez, los aisladores HDRB presentan una mayor rigidez para los primeros ciclos de carga, que generalmente se estabiliza luego del tercer ciclo de carga. Estos dispositivos, al igual que los dispositivos tipo LRB, combinan la flexibilidad y disipación de energía en un solo elemento, con la característica de ser, relativamente, de fácil fabricación
B. AISLADORES DESLIZANTES Los aisladores deslizantes o también llamados deslizadores friccionales utilizan una superficie de deslizamiento, típicamente de acero inoxidable, sobre la que desliza una placa de acero revestida de Politetra Fluoro Etileno (PTFE), sobre la que se soporta la estructura. La superficie de deslizamiento permite el movimiento horizontal de la estructura de manera independiente del suelo. Este sistema de aislación sísmica permite disipar energía por medio de las fuerzas de rozamiento que se generan durante un sismo. El coeficiente de fricción del aislador depende de variables tales como la temperatura de trabajo, la presión de contacto, la velocidad de movimiento, el estado de las superficies de contacto (limpieza, rugosidad, etc.) y el envejecimiento. Los aisladores deslizantes planos generalmente deben ser acompañados por mecanismos o sistemas restitutivos (típicamente aisladores elastoméricos con o sin núcleo de plomo) que regresen la estructura a su posición original luego de un sismo. Adicionalmente, estos sistemas requieren de mayor mantención y cuidado, ya que cualquier modificación en las superficies deslizantes puede resultar en un coeficiente de fricción distinto al de diseño. a. Apoyos deslizantes planos Los apoyos deslizantes planos son los aisladores deslizantes más simples. Consisten básicamente en dos superficies, una adherida a la estructura y la otra a la fundación, que poseen un bajo coeficiente de roce, permitiendo los movimientos horizontales y resistir las cargas verticales. Poseen, generalmente, una capa de un material estastomérico con el fin de facilitar el movimiento del deslizador en caso de sismos. Por lo general, las superficies deslizantes son de acero inoxidable pulida espejo, y de un material polimérico de baja fricción. Este tipo de aislación puede requerir de disipadores de energía adicionales. A fin de prevenir deformaciones residuales luego de un evento sísmico, se debe proveer de sistemas restitutivos (típicamente aisladores elastoméricos o con núcleo de plomo) que restituyan la estructura a su posición original. La Figura 28 muestra un esquema de un apoyo deslizante plano. La combinación de estos sistemas con aisladores elastómericos o con núcleo de plomo permite, en general, ahorros de costos del sistema de aislación. La Figura 29 muestra la combinación de un apoyo deslizante con un aislador elastomérico.
b. Péndulos friccionales (FPS, Friction Pendulum System) Los péndulos friccionales cuentan con un deslizador articulado ubicado sobre una superficie cóncava. Los FPS, a diferencia de los apoyos deslizantes planos, cuentan con la característica y ventaja de ser autocentrantes. Apoyo deslizante plano. UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL MAULE (CHILE). Combinación de apoyo deslizante y aislador elastomérico. BERRY STREET PROJECT (EEUU) corporación de desarrollo tecnológico, protección sísmica de estructuras movimiento sísmico, la estructura regresa a su posición inicial gracias a la geometría de la superficie y a la fuerza inducida por la gravedad.
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Como se puede observar en las imágenes donde muestra un esquema de un péndulo friccional.
C. ASPECTOS ARQUITECTÓNICOS A diferencia de lo que sucede con la incorporación de disipadores de energía, los aisladores sísmicos no representan una tarea compleja en términos de solución arquitectónica, y ésta suele ser similar en todos los casos. En general, los dispositivos de aislación sísmica se instalan en las plantas bajas de los edificios, sobre las fundaciones, o entre el cielo del primer subterráneo y el primer piso de la estructura. Sin embargo, existen casos, donde se ha instalado aisladores sísmicos en pisos superiores. Más aún, existen soluciones de protección sísmica orientadas a aislar solo la planta de un piso o de un recinto específico de un edificio. Los aisladores sísmicos generan una interfaz donde, en caso de sismos, se produce un gran desplazamiento horizontal relativo entre la estructura aislada y la no aislada o el suelo. Este desplazamiento, que suele estar en el rango entre 40 y 60 cm (o más), debe ser considerado en el diseño de cañerías y ductos de servicios y redes distribuidas como
agua, gas, electricidad, alcantarillado, red seca, etc., además de sistemas de ascensores, escaleras, accesos al edificio y, en general, cualquier instalación, servicio o componente arquitectónico que cruce de la estructura aislada a la no aislada. Un espacio de similares dimensiones debe disponerse alrededor de la estructura a fin de prevenir el impacto de la estructura aislada con sectores no aislados de la estructura o estructuras adyacentes. Los aisladores sísmicos deben ser instalados en puntos de la estructura donde puedan ser inspeccionados y donde se les pueda dar mantención en el caso que se requiera. Por requerimiento normativo, los aisladores sísmicos deben ser susceptibles de reemplazo. Se debe tomar las precauciones en el diseño arquitectónico para que esto sea factible. Se recomienda considerar el uso de dispositivos de aislación sísmica desde las etapas iniciales del proyecto, a fin de mitigar el impacto de su incorporación en la arquitectura. D. BENEFICIOS Y LIMITACIONES DE USO BENEFICIOS: Los dispositivos de aislación sísmica actúan como filtro del movimiento sísmico, evitando que gran parte de la energía sísmica se traspase a la estructura aislada, reduciendo los esfuerzos y por lo tanto, el daño producido a elementos estructurales, no estructurales y contenidos de los edificios. Limitaciones de uso: Algunos tipos de aisladores, como el caso de los aisladores deslizantes, requieren ser revisados luego de sismos excepcionalmente severos. Debido al desplazamiento relativo entre la estructura aislada y el suelo u otras estructuras no aisladas, todas las especialidades involucradas en un proyecto, y que se puedan ver afectadas por el desplazamiento de la estructura aislada, deben realizar diseños especiales de sus sistemas a fin de acomodar los desplazamientos esperados para el sistema de aislación.
E. REQUISITOS NORMATIVOS La nueva norma peruana de diseño sismo resistente e.030 del 2016 considera que las edificaciones pueden presentar daños en caso de sismos severos, en tanto se consiga prevenir el colapso de las edificaciones y salvaguardar la vida de sus ocupantes. En este mismo sentido, y dado que Perú es un país de alta sismi cidad, daños de origen sísmico se seguirán produciendo, es por la misma razón que la norma e0.30 incluye que se deben usar dispositivos de protección sísmica para edificaciones esenciales teniendo en cuenta los parámetros recomendados en la norma establecida. Donde nos dice que las nuevas edificaciones de categoría A1 tendrán aislamiento sísmico en la base cuando se encuentren en las zonas sísmicas 4 y 3. En las zonas sísmicas 1 y 2, la identidad responsable podrá decidir si usa o no aislamiento sísmico, si no se utiliza aislamiento sísmico en las zonas sísmicas 1 y 2 el valor de U será como mínimo 1.5
4. APLICACIONES DE PROTECCION SISMICA EN LOS DIFERENTES DESARROLLADOS
5. APLICACIONES DE PROTECCION SISMICA EN EL PERÚ
CUENTA CON ASILAMIENTO SISMICO Se ejecutó en el 2012 por SIRVE
CUENTA CON ASILAMIENTO SISMICO Ubicado en melchorita
CUENTA CON ASILAMIENTO SISMICO Ubicado en molina
CUENTA CON ASILAMIENTO SISMICO Edificio de G Y M lo cual cuenta con sistema estructural a porticada Edificios de 7 pisos y 4 sótanos protección aislamiento sísmico en base a aisladores por fricción, se colocaron 24 aisladores elastomericos y 8 deslizadores. Reducción de las vibraciones sísmicas de un 80%
V CONCLUSIONES
Se conoció los diferentes elementos de protección sísmica existentes y sus comportamientos en una estructura, para que las edificaciones diseñadas según sus requerimientos tengan un buen comportamiento sísmico acorde con los principios señalados en la norma e0.30.
Se determinó la importancia y uso de los sistemas de protección sísmica en una estructura.
Se mostró las edificaciones realizadas con protección sísmica en nuestro país y ver su mejora considerable al comportamiento dinámico de las estructuras.
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