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NUEVO EDIFICIO PARA LA BIBLIOTECA DE LA FACULTAD DE INGENIERA CIVIL DE LA
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA
MSc. Ing. LUIS RICARDO PROAO TATAJE*
1. INTRODUCCIN
La Facultad de Ingeniera Civil de la Universidad Nacional de Ingeniera, est gestionando el diseo
y construccin de un nuevo edificio llamado CENTRO DE INFORMACIN destinado a su uso para la
nueva Biblioteca y Sala de profesores con un sistema estructural sismo resistente innovador en el
Per llamado Aislamiento Ssmico en la Base. Este edificio tendr 600m2 de rea en planta; as
mismo, contar con 04 pisos en una primera etapa y 08 pisos al final de su construccin.
Este proyecto nace de la iniciativa del Decano de la facultad de Ingeniera Civil de la
Universidad Nacional de Ingeniera Dr. Ing. Javier Piqu del Pozo (gerente de Proyecto). El diseo
estructural del sistema de Aislamiento Ssmico y del edificio ha sido realizado por el MSc. Ing.
Ricardo Proao Tataje.
Aislamiento ssmico y disipacin de energa, son dos conceptos que en los ltimos aos han
tomado inters dada su probada efectividad frente a terremotos en pases como Japn, Estados
Unidos, Nueva Zelandia y Chile.
El aislamiento ssmico reduce 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, a la vez que permiten reducir los esfuerzos ssmicos notablemente y pueden ser
adaptados a estructuras nuevas, as como tambin se pueden incorporar en puentes y edificios
existentes,
El nuevo edificio del Centro de Informacin de la FIC UNI va a ser construido de forma
experimental por profesores la facultad y ser monitoreado de forma continua a travs de sensores
digitales que almacenarn informacin relacionada con su comportamiento ssmico, informacin
que adems servir para la enseanza del diseo de este tipo de edificios en los cursos estructuras
de la Facultad.
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2. FILOSOFIA DE DISEO SISMO RESISTENTE
La filosofa del diseo sismo resistente convencional se basa en aumentar las capacidades de las
estructuras a travs de: 1) La ductilidad de los elementos estructurales y 2) La resistencia, con la
inclusin de elementos de corte como las placas de concreto armado. Es sabido que cuando sobre las
estructuras acta un sismo, se generan altas aceleraciones, altos esfuerzos y sustanciales distorsiones
o derivas de entrepiso, las mismas que pueden daar las estructuras con deficiencia de capacidad para
enfrentar sismos y llevarla incluso al colapso.
*Ing. CIVIL ESPECIALISTA EN ESTRUCTURAS Y CONSULTOR Jefe del Departamento de Ingeniera Ssmica del CISMID UNI. Email: [email protected]
Otra forma de enfrentar los sismos, la cual es materia del presente artculo, est basada en la
disminucin de la energa ssmica de entrada o demanda ssmica, y es as que a travs del
aislamiento en la base de los edificios y otras estructuras podemos lograr una disminucin esa
demanda por sismo (ver Fig. N1).
Fig. 1. Alternativas para el diseo sismo resistente de una edificacin
3. FILOSOFIA DEL AISLAMIENTO SSMICO
El aislamiento ssmico es una estrategia de
diseo basada en la premisa de que es posible
separar una estructura de los movimientos del
suelo mediante la introduccin de elementos
flexibles entre la estructura y su fundacin,
disipando de forma pasiva la energa ssmica. As
el aislador ssmico representa un filtro del
movimiento ssmico horizontal, que no deja
pasar la energa hacia la estructura que se
encuentra sobre l. Como el movimiento
horizontal debido a sismo es la causa principal
del dao en la estructura, el aislador ssmico la
protege reduciendo su vibracin lateral en
valores del orden de 6 a 8 veces.
Desde el punto de vista energtico, la accin
ssmica transmite energa a la estructura, que se
transforma en energa elstica de deformacin
(EElstica), y en energa disipada (EDisipada). El
principio de conservacin de la energa
establece que esta no se crea ni se destruye,
solo se transforma, por lo tanto debe
mantenerse el equilibrio entre la energa de
entrada y la suma de la energa elstica y la
energa disipada, como se plantea en la ecuacin
(1.1)
EEntrada = EElstica + EDisipada (1.1)
Del mismo modo, la energa elstica est
compuesta por la energa almacenada de
deformacin elstica (EPotencial) y por energa
de movimiento (ECintica).
EElstica = EPotencial + ECintica (1.2)
A partir de este momento nos centramos en las
posibilidades que tiene una estructura para
disipar energa. Una estructura tiene dos
posibilidades de disipar energa, la primera es
por medio de energa de amortiguamiento
(EAmortiguamieto) y la segunda es por medio de
energa histertica (EHistertica), la cual se basa
en la ductilidad de sus miembros, la formacin
de articulaciones plsticas en ellos y un
consecuente dao estructural, que en muchas
ocasiones es apreciable.
EDisipada = EAmortiguamiento + E Histertica (1.3)
La disipacin de energa dentro de una
estructura es posible por amortiguamiento
viscoso, por friccin, por amortiguamiento
histertico, por impacto y radiacin. Se recalca
que el principio fundamental del diseo sismo
resistente se base en que la capacidad de
disipacin de energa de las estructuras debe ser
mayor que la demanda de energa histertica.
En la actualidad, las nuevas tecnologas para
mejorar el comportamiento ssmico de las
estructuras dicen que la tendencia no debe ser
rigidizar la estructura, sino ms bien reducir la
energa de entrada (EEntrada), o incrementar su
capacidad de disipacin de energa
(E Disipada).
La disminucin de la energa ssmica de entrada
o demanda se puede lograr por medio del
aislamiento de base, mientras que el incremento
en la capacidad de disipacin de energa de las
estructuras se puede lograr por medio de
dispositivos disipadores de energa.
EEntrada = EPotencial + ECinetica + EAmortiguamiento +
EHistertica (1.4)
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De este modo la energa ssmica de entrada puede ser absorbida por la deformacin elstica
(EPotencial) y el amortiguamiento (EAmortiguamiento) de los aisladores elastomricos, reduciendo de
manera considerable los desplazamientos laterales del edificio por encima del sistema de aislamiento
(ver Fig. N2).
Fig. N2 Desplazamientos ssmicos debido a sismo para una estructura con un diseo convencional y otra con un sistema de aislamiento en la base.
4. TIPOS DE AISLADORES SSMICOS
Fig. 3. Tipos de aisladores de base para edificios
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4.1 Aisladores elastomricos:
Bsicamente un aislador elastomrico est
formado por un conjunto de lminas planas de
goma intercaladas con placas planas de acero
adheridas a la goma, mediante un proceso en el
cual se aplica al conjunto presin a temperatura
muy alta, la goma se vulcaniza y el elemento
adquiere su propiedad elstica.
La notable flexibilidad lateral en el elastmero
permite el desplazamiento lateral de los
extremos del aislador, mientras que las lminas
de refuerzo evitan el abultamiento del
elastmero y le proporcionan una gran rigidez
vertical, al punto de que el elemento resultante
es prcticamente incompresible. Tanto en la
parte superior como en la inferior se colocan dos
placas de acero y sus pernos de anclaje, las
mismas que van conectadas a la superestructura
(la superior) y a la fundacin (la inferior).
Existen tres tipos de apoyos elastomricos
ampliamente usados: apoyos de caucho natural
(NRB), apoyos de caucho con ncleo de plomo
(LRB), y apoyos de caucho de alta disipacin de
energa (HDR). Los aisladores elastomricos
pueden alcanzar importantes valores de
amortiguamiento, para lo cual ser necesario
modificar la composicin qumica de la goma,
con lo cual se pueden esperar valores de
amortiguamiento viscoso equivalente que
fluctuaran entre 12% y 18%. No obstante, si se
quiere lograr niveles de amortiguamiento
mayores (20% a 40%), se puede incorporar en el
aislador un ncleo de plomo (LRB), en donde, el
dispositivo resultante es idntico al aislador
elastomrico
convencional salvo que en el centro del aislador
se incorpora el ncleo de plomo que estar
confinado por las lminas de goma y acero. El
ncleo de plomo cumple dos funciones
principales. La primera es la de aumentar el
amortiguamiento del aislador, pues el plomo
puede fluir bajo deformacin lateral, y la
segunda, es la de proveer mayor rigidez lateral a
la estructura, tanto para cargas de servicio como
para cargas eventuales como por ejemplo las
provenientes de viento.
En conclusin al incorporar al aislador un ncleo
de plomo, se tiene un elemento que combina en
una unidad fsica un elemento flexible y un
disipador de energa. En ensayos realizados
sobre aisladores elastomricos se ha probado
experimentalmente que estos pueden alcanzar
deformaciones laterales muy altas de hasta 100
y 200% de su altura.
Algunas de las caractersticas de estos aisladores
son:
Capacidad de carga superior a 15000 KN.
Dimensiones desde 300mm hasta 1200 mm
de dimetro.
Alta proteccin contra envejecimiento,
caractersticas y propiedades constantes.
Poca necesidad de mantenimiento y facilidad
de instalacin
4.2 Aisladores de friccin:
Este tipo de aisladores utilizan las caractersticas
de un pndulo simple para incrementar el
periodo natural de una estructura aislada, el
periodo de la estructura se selecciona
simplemente escogiendo el radio de curvatura
de la superficie cncava del aislador
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(es independiente de la masa de la estructura
soportada). Bsicamente estos dispositivos son
de acero inoxidable y constan de una superficie
cncava, un patn o deslizador esfrico
articulado y una platina de cubierta (ver Figura
1.10). Durante un sismo, el patn articulado se
desliza en la superficie cncava generando en la
estructura soportada pequeos movimientos de
pndulo. La disipacin de energa se logra
mediante la fuerza de friccin dinmica, la cual
genera el amortiguamiento necesario para
absorber la energa de entrada. En
consecuencia, las fuerzas y movimientos
laterales transmitidos a la estructura se reducen
en gran proporcin, pues las grandes
deformaciones de desplazamiento son
soportadas por los aisladores.
El deslizador est recubierto por un
Politetrafluoroetileno, PTFE o tefln de alta
resistencia, que tiene un coeficiente de friccin
bajo y tiene por objeto evitar la ralladura de la
superficie esfrica de acero, este material
permite trabajar con presiones de diseo
cercanas a 500 Kg/cm2
Tpicamente un aislador FPS puede proveer un
periodo de vibracin dinmico equivalente
dentro de un rango de 2 a 5 segundos y una
capacidad de desplazamiento superior a 1 m.
Otra ventaja del FPS es que tiene una muy alta
capacidad de carga vertical, unos 130000 KN,
una capacidad muy superior a la de los
aisladores elastomricos, que como se cit
anteriormente alcanzan valores de 15000 KN.
El sistema FPS hace que la estructura aislada se
comporte como una estructura con base fija
cuando las cargas laterales en la estructura son
menores que la fuerza de friccin. Una vez que
las cargas laterales exceden esta fuerza de
friccin, como en el caso de excitaciones debidas
a acciones ssmicas, el sistema responder en su
periodo de aislamiento. El coeficiente de friccin
friccin, como en el caso de excitaciones debidas
a acciones ssmicas, el sistema responder en su
periodo de aislamiento. El coeficiente de friccin
dinmica puede variar en un rango de 4 a 20%
para permitir diferentes niveles de resistencia
lateral y de disipacin de energa.
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